Role of soluble triggering receptor expressed on myeloid cells-1 for diagnosing ventilator-associated pneumonia after cardiac surgery: an observational study

Abstract Background The diagnosis of ventilator-associated pneumonia (VAP) is a challenge, particularly after cardiac surgery. The use of biological markers of infection has been suggested to improve the accuracy of VAP diagnosis. We aimed to evaluate the usefulness of soluble triggering receptor expressed on myeloid cells (sTREM)-1 in the diagnosis of VAP following cardiac surgery. Methods This was a prospective observational cohort study of children with congenital heart disease admitted to the pediatric intensive care unit (PICU) after surgery and who remained intubated and mechanically ventilated for at least 24 hours postoperatively. VAP was defined by the 2007 Centers for Disease Control and Prevention criteria. Blood, modified bronchoalveolar lavage (mBAL) fluid and exhaled ventilator condensate (EVC) were collected daily, starting immediately after surgery until the fifth postoperative day or until extubation for measurement of sTREM-1. Results Thirty patients were included, 16 with VAP. Demographic variables, Pediatric Risk of Mortality (PRISM) and Risk Adjustment for Congenital Heart Surgery (RACHS)-1 scores, duration of surgery and length of cardiopulmonary bypass were not significantly diferent in patients with and without VAP. However, time on mechanical ventilation and length of stay in the PICU and in the hospital were significantly longer in the VAP group. Serum and mBAL fluid sTREM-1 concentrations were similar in both groups. In the VAP group, 12 of 16 patients had sTREM-1 detected in EVC, whereas it was undetectable in all but two patients in the non-VAP group over the study period (p = 0.0013) (sensitivity 0.75, specificity 0.86, positive predictive value 0.86, negative predictive value 0.75, positive likelihood ratio (LR) 5.25, negative LR 0.29). Conclusion Measurement of sTREM-1 in EVC may be useful for the diagnosis of VAP after cardiac surgery.

Ovariectomized OVA-sensitized mice display increased frequency of CD4+Foxp3+ T regulatory cells in the periphery

It is well established that female sex hormones have a pivotal role in inflammation. For instance, our group has previously reported that estradiol has proinflammatory actions during allergic lung response in animal models. Based on these findings, we have decided to further investigate whether T regulatory cells are affected by female sex hormones absence after ovariectomy. We evaluated by flow cytometry the frequencies of CD4+Foxp3+ T regulatory cells (Tregs) in central and peripheral lymphoid organs, such as the thymus, spleen and lymph nodes. Moreover, we have also used the murine model of allergic lung inflammation a to evaluate how female sex hormones would affect the immune response in vivo. To address that, ovariectomized or sham operated female Balb/c mice were sensitized or not with ovalbumin 7 and 14 days later and subsequently challenged twice by aerosolized ovalbumin on day 21. Besides the frequency of CD4+Foxp3+ T regulatory cells, we also measured the cytokines IL-4, IL-5, IL-10, IL-13 and IL-17 in the bronchoalveolar lavage from lungs of ovalbumine challenged groups. Our results demonstrate that the absence of female sex hormones after ovariectomy is able to increase the frequency of Tregs in the periphery. As we did not observe differences in the thymus-derived natural occurring Tregs, our data may indicate expansion or conversion of peripheral adaptive Tregs. In accordance with Treg suppressive activity, ovariectomized and ovalbumine-sensitized and challenged animals had significantly reduced lung inflammation. This was observed after cytokine analysis of lung explants showing significant reduction of pro-inflammatory cytokines, such as IL-4, IL-5, IL-13 and IL-17, associated to increased amount of IL-10. In summary, our data clearly demonstrates that OVA sensitization 7 days after ovariectomy culminates in reduced lung inflammation, which may be directly correlated with the expansion of Tregs in the periphery and further higher IL-10 secretion in the lungs.

Metformin attenuates the exacerbation of the allergic eosinophilic inflammation in high fat-diet-induced obesity in mice

A positive relationship between obesity and asthma has been well documented. The AMP-activated protein kinase (AMPK) activator metformin reverses obesity-associated insulin resistance (IR) and inhibits different types of inflammatory responses. This study aimed to evaluate the effects of metformin on the exacerbation of allergic eosinophilic inflammation in obese mice. Male C57BL6/J mice were fed for 10 weeks with high-fat diet (HFD) to induce obesity. The cell infiltration and inflammatory markers in bronchoalveolar lavage (BAL) fluid and lung tissue were evaluated at 48 h after ovalbumin (OVA) challenge. HFD obese mice displayed peripheral IR that was fully reversed by metformin (300 mg/kg/day, two weeks). OVA-challenge resulted in higher influx of total cell and eosinophils in lung tissue of obese mice compared with lean group. As opposed, the cell number in BAL fluid of obese mice was reduced compared with lean group. Metformin significantly reduced the tissue eosinophil infiltration and prevented the reduction of cell counts in BAL fluid. In obese mice, greater levels of eotaxin, TNF-α and NOx, together with increased iNOS protein expression were observed, all of which were normalized by metformin. In addition, metformin nearly abrogated the binding of NF-κB subunit p65 to the iNOS promoter gene in lung tissue of obese mice. Lower levels of phosphorylated AMPK and its downstream target acetyl CoA carboxylase (ACC) were found in lung tissue of obese mice, which were restored by metformin. In separate experiments, the selective iNOS inhibitor aminoguanidine (20 mg/kg, 3 weeks) and the anti-TNF-α mAb (2 mg/kg) significantly attenuated the aggravation of eosinophilic inflammation in obese mice. In conclusion, metformin inhibits the TNF-α-induced inflammatory signaling and NF-κB-mediated iNOS expression in lung tissue of obese mice. Metformin may be a good pharmacological strategy to control the asthma exacerbation in obese individuals.

Sprühgetrocknete Polylaktid, Poly(laktid-co-glykolid) Mikropartikel zur Steuerung der Freisetzung aus pulmonalen Arzneiformen

Zusammenfassung Die vorliegende Arbeit hat zum Ziel, pharmazeutisch-technologische Möglichkeiten der Retardierung bei ausgewählten Antiasthmatika zur pulmonalen Applikation anzuwenden. Dafür sollten Mikropartikel hergestellt und pharmazeutisch sowie biopharmazeutisch charakterisiert werden. Als Modellsubstanzen werden das Glukokortikoid Budesonid und das β2-Sympathomimetikum Salbutamol in Form seiner Base und seines Salzes verwendet. Die Auswahl erfolgt nach physikochemischen (Lipophilie, Molekulargewicht) und therapeutischen (Halbwertszeit der Wirkung, Applikationsfrequenz) Gesichtspunkten. Mikropartikel auf Polymerbasis ermöglichen eine kontrollierte Freigabe der Arzneistoffe über einen vorausbestimmten Zeitraum. Es erfolgt die Auswahl physiologisch unbedenklicher Hilfsstoffe (Polylaktide R 202H/ Poly(laktid-co-glykolide) RG 502H, RG 752-S) mit unterschiedlichen Anteilen an Coglykolid sowie unterschiedlichen Molekulargewichten, die sich prinzipiell zur Verzögerung der Freisetzung eignen und sich bei der parenteralen Applikation bereits bewährt haben. Die Sprühtrocknung wird als geeignetes pharmazeutisch-technologisches Verfahren zur Präparation von Mikropartikeln im Teilchengrößenbereich von 1- 10 Mikrometern beschrieben, welche den Wirkstoff mit möglichst hoher Beladung verkapselt. Die sprühgetrockneten Pulver sollen pharmazeutisch physikochemisch mittels Rasterelektronenmikroskopie (Morphologie), Laserdiffraktometrie (Teilchengrößenverteilung), DSC und Röntgenpulverdiffraktometrie (thermisches Verhalten) und mittels Stickstoff-Tief-Temperatur Adsorptionsverfahren (spezifische Oberfläche) charakterisiert werden. Zusätzlich wird die Wirkstoffbeladung der sprühgetrockneten Polymer-Mikropartikel mittels HPLC ermittelt. Die biopharmazeutische Charakterisierung der sprühgetrockneten Pulver erfolgt über die in-vitro Freigabekinetik und die Stabilität der Mikropartikel. Zusätzlich werden Versuche an Zellkulturen und in-vivo Versuche an Mäusen durchgeführt, um die Effekte der sprühgetrockneten Mikropartikel und des Hilfsstoffs hinsichtlich der Freisetzungsretardierung zu testen. Bei den in-vivo Versuchen werden der Atemwegswiderstand und die Verlängerung der exspiratorischen Phase (penh) als Parameter für einen antiasthmatischen Effekt gewählt. Die Lungenlavage Flüssigkeit wird zusätzlich überprüft. Die Ergebnisse zeigen, dass es mit Hilfe der Sprühtrocknung möglich ist, Polymer-Mikropartikel herzustellen, die aufgrund ihrer Partikelgröße von d50 ≤ 5,8 µm fähig sind, die unteren Abschnitte der Lunge zu erreichen. Die Morphologie der Mikropartikel ist abhängig vom zu versprühenden Produkt. Thermodynamisch und röntgenpulverdiffraktometrisch betrachtet handelt es sich um amorphe Produkte, die aber über lange Zeit in diesem Zustand stabil sind. Die Wiederfindung der eingesetzten Arzneistoffmenge in den sprühgetrockneten Polymer-Mikropartikeln und die Freigabeversuche zur Charakterisierung der Retardierungseigenschaften der verwendeten Polymere ergeben, dass es mit Hilfe der Sprühtrocknung von Budesonid und Salbutamol mit den Polymeren möglich ist, retardierende Mikropartikel herzustellen. Die Wiederfindung von Budesonid und Salbutamol in den sprühgetrockneten Polymer-Mikropartikeln entspricht nahezu der eingesetzten Menge. Bei Salbutamolsulfat ist dies nicht der Fall. In Zellkulturversuchen der murinen Zellinie RAW 264.7 ergaben sich Hinweise darauf, dass bei Konzentrationen von 10-6 M und 10-8 M, die Downregulation der IL-6 Konzentration durch die Sprüheinbettung von 9,1 % Budesonid mit PLGA in stärkerem Ausmaß erfolgte, als bei unverkapseltem Budesonid. Zusätzlich wurden in-vivo Versuche mit intranasaler und intraperitonealer Gabe durchgeführt. Die Budesonid-Polymer Sprüheinbettung wurde mit unverkapseltem Budesonid vergleichen. Nach intraperitonealer Gabe hatte die Sprüheinbettung mit Budesonid die besten Effekte hinsichtlich der Unterdrückung des penh und des Atemwegswiderstands auch bei steigenden Metacholinkonzentrationen. Die Auswertung der Lungenlavage Flüssigkeit zeigt sehr deutlich die Downregulation der IL-6 Konzentration in der Lunge durch die Sprüheinbettung mit Budesonid. Zur Zeit werden Vorbereitungen getroffen, ein Gerät zu testen, das in der Lage ist, ein Mikrospray zu generieren, so dass eine intratracheale Verabreichung möglich wäre.

Der Einfluss von TGF-beta1 auf regulatorische T-Zellen in einem murinen Modell für Asthma

Ziel der vorliegenden Arbeit war es, den Einfluss von regulatorischen T-Zellen (Treg) auf die Pathogenese des Asthmas in einem murinen Modell zu untersuchen. Es konnte gezeigt werden, dass die Co-Expression von TGF-ß1 und IL-10 auf Treg notwendig ist, um im Tiermodell vor einer Atemwegs-Hyperreagibilität (AHR) zu schützen. Natürliche Treg konnten keinen Schutz vermitteln. Weiterhin wurde gezeigt, dass der Schutz vor AHR durch TGF-ß1 über Empfänger T-Zellen vermittelt wird. Dabei reichte die alleinige Anwesenheit von TGF-ß1 nicht aus, vielmehr musste das Zytokin von Treg exprimiert werden. Ein Einfluss von TGF-ß1 überexprimierenden Treg auf die peribronchiale Entzündung konnte nicht festgestellt werden, wohingegen adoptiver Transfer von natürlichen Treg die Eosinophilen Anzahl in der Bronchiallavage signifikant verringern konnte. Dabei korrelierte die Eosinophilie mit den IL-5 Spiegeln in der Bronchiallavage. In dieser Arbeit konnte also eine Entkopplung der Mechanismen von AHR und Entzündung festgestellt werden. Die weitere Aufklärung der Mechanismen der Suppression der AHR durch TGF-ß1 und IL-10 produzierende Treg könnte daher die Entwicklung neuer therapeutischer Ansätze bei Atemwegserkrankungen ermöglichen.

Über das Vermessen tubulärer Strukturen in der Computertomographie

Die chronisch obstruktive Lungenerkrankung (engl. chronic obstructive pulmonary disease, COPD) ist ein Überbegriff für Erkrankungen, die zu Husten, Auswurf und Dyspnoe (Atemnot) in Ruhe oder Belastung führen - zu diesen werden die chronische Bronchitis und das Lungenemphysem gezählt. Das Fortschreiten der COPD ist eng verknüpft mit der Zunahme des Volumens der Wände kleiner Luftwege (Bronchien). Die hochauflösende Computertomographie (CT) gilt bei der Untersuchung der Morphologie der Lunge als Goldstandard (beste und zuverlässigste Methode in der Diagnostik). Möchte man Bronchien, eine in Annäherung tubuläre Struktur, in CT-Bildern vermessen, so stellt die geringe Größe der Bronchien im Vergleich zum Auflösungsvermögen eines klinischen Computertomographen ein großes Problem dar. In dieser Arbeit wird gezeigt wie aus konventionellen Röntgenaufnahmen CT-Bilder berechnet werden, wo die mathematischen und physikalischen Fehlerquellen im Bildentstehungsprozess liegen und wie man ein CT-System mittels Interpretation als lineares verschiebungsinvariantes System (engl. linear shift invariant systems, LSI System) mathematisch greifbar macht. Basierend auf der linearen Systemtheorie werden Möglichkeiten zur Beschreibung des Auflösungsvermögens bildgebender Verfahren hergeleitet. Es wird gezeigt wie man den Tracheobronchialbaum aus einem CT-Datensatz stabil segmentiert und mittels eines topologieerhaltenden 3-dimensionalen Skelettierungsalgorithmus in eine Skelettdarstellung und anschließend in einen kreisfreien Graphen überführt. Basierend auf der linearen System Theorie wird eine neue, vielversprechende, integral-basierte Methodik (IBM) zum Vermessen kleiner Strukturen in CT-Bildern vorgestellt. Zum Validieren der IBM-Resultate wurden verschiedene Messungen an einem Phantom, bestehend aus 10 unterschiedlichen Silikon Schläuchen, durchgeführt. Mit Hilfe der Skelett- und Graphendarstellung ist ein Vermessen des kompletten segmentierten Tracheobronchialbaums im 3-dimensionalen Raum möglich. Für 8 zweifach gescannte Schweine konnte eine gute Reproduzierbarkeit der IBM-Resultate nachgewiesen werden. In einer weiteren, mit IBM durchgeführten Studie konnte gezeigt werden, dass die durchschnittliche prozentuale Bronchialwandstärke in CT-Datensätzen von 16 Rauchern signifikant höher ist, als in Datensätzen von 15 Nichtrauchern. IBM läßt sich möglicherweise auch für Wanddickenbestimmungen bei Problemstellungen aus anderen Arbeitsgebieten benutzen - kann zumindest als Ideengeber dienen. Ein Artikel mit der Beschreibung der entwickelten Methodik und der damit erzielten Studienergebnisse wurde zur Publikation im Journal IEEE Transactions on Medical Imaging angenommen.

Die Beeinflussung einer Th2-Zell-vermittelten Immunantwort durch Interleukin-1-alpha am Beispiel des murinen allergischen Asthmas

Dass durch IL-1α die Th1-vermittelte Immunreaktion der kutanen Leishmaniasis beeinflusst werden kann, konnte unsere Arbeitsgruppe bereits zeigen. Daran anknüpfend war das Ziel meiner Dissertation zu prüfen, ob sich diese Erkenntnisse im Modell des murinen allergischen Asthmas reproduzieren lassen, auch im Sinne eines zukünftigen therapeutischen Nutzens für die Behandlung dieser epidemiologisch hochrelevanten Erkrankung. Daneben sollte die Verwendung der gesamten murinen Lunge als Quelle für Untersuchungsmaterial erschlossen werden. Zu diesem Zweck wurden bei BALB/c Mäusen ein (OVA)/Alum-induziertes allergisches Asthma in Gegenwart oder Abwesenheit von IL-1α generiert. Anschließend wurde eine broncheoalveoläre Lavage (BAL) durchgeführt, bzw. die komplette linke Lunge gewonnen und prozessiert. Der Einfluss von IL-1α auf den Phänotyp der Th2-vermittelten Immunantwort ließ sich auf zytomorphologischer, durchflusszytometrischer und Zytokin-Ebene nachweisen. So zeigte ein Teil unserer Ergebnisse, dass nach der frühen Gabe eine Tendenz zur Verlagerung des Gewichtes der Abwehrreaktion von Th2 in Richtung Th1 besteht. Ebenso fanden sich Hinweise für eine relative Augmentation der Th2-Antwort durch den Einsatz von IL-1α zu einem späteren Zeitpunkt. Eine absolute Verstärkung der Th2-Reaktion auf OVA durch IL-1α konnten wir nicht messen. Hier scheint mit OVA allein schon eine maximale Ausprägung erreicht zu sein. Neben den Th1/Th2-Effekten wurden auch einige gegenläufige Beobachtungen gemacht, welche nicht a priori durch das Th1/Th2-Paradigma zu erklären sind, sondern den Einfluß von IL-1α auf andere Systeme belegen, wie z. B. die Wirkung auf CCL28 und regulatorische T-Zellen. Für die Gewinnung von inflammatorischen Zellen aus der kompletten Lunge und deren weitere Untersuchung konnten wir eine Methode entwickeln und standardisieren, welche relativ einfach in der Durchführung ist und zuverlässig eine im Verhältnis zur BAL hohe Zellzahl liefert, was wiederum ein breites Spektrum an weiteren Untersuchungen erlaubt. Durch den Vorgang der mechanischen und enzymatischen Prozessierung scheinen die funktionellen Eigenschaften der Zellen nicht wesentlich beeinträchtigt zu sein. Der Einsatz von IL-1α resultierte letztendlich in einem Mischbild an hervorgerufenen Veränderungen und es bedarf noch weiterer Studien, um die unterschiedlichen induzierten Mechanismen sauber voneinander zu trennen und den therapeutischen Nutzen von IL-1α im allergischen Asthma zu evaluieren.

Suppression des allergischen Asthmas durch regulatorische T-Zellen: Mechanismen und potenzielle therapeutische Ansätze

Das allergische Asthma ist eine weit verbreitete, immunologische Erkrankung, deren Prävalenz in den vergangenen 20 Jahren vor allem in industrialisierten Regionen drastisch zugenommen hat. Trotz intensiver Forschung und Entwicklung medikamentöser Therapien steigt die Zahl der Patienten stetig an. Charakteristisch für diese Erkrankung sind entzündliche Veränderungen in der Lunge, erhöhte Atemwegsüberempfindlichkeit (AHR), Mukusproduktion und in chronischen Fällen auch Atemwegsobstruktion. Bei der Entstehung des allergischen Asthmas wird ein anfälliges Individuum durch die Inhalation eines normalerweise unschädlichen, in der Umwelt vorkommenden Antigens (Allergen) sensibilisiert, wodurch im Körper eine eigentlich unangebrachte Immunreaktion in Gang gesetzt wird. CD4+ T-Lymphozyten und ganz besonders die Subpopulationen der T-Helfer 1 (Th1) und Th2 Zellen spielen in dem Prozess eine zentrale Rolle. Obwohl ein Großteil der Asthmatiker mit einer Atemwegseosinophilie und erhöhter Expression der Th2-typischen Zytokine IL-4 und IL-13 ein Th2-typisches Krankheitsbild aufweisen, wurden weitere Asthmaphänotypen identifiziert. Vornehmlich in Patienten, die an schwerem Asthma leiden, sind dominierende Neutrophilie und erhöhte Mengen IFN-γ in den Atemwegen nachweisbar, was auf eine Th1-gesteuerte Immunreaktion hindeutet. Eine effektive, heilende Therapie des Asthmas wurde bislang nicht entwickelt. Die Inhibition der T-Zellantwort etwa durch Applikation allergenspezifischer, regulatorischer T-Zellen (Tregs) gilt als ein vielversprechender, aber nicht vollständig erforschter Ansatz zur Kontrolle der Krankheitssymptome. In diesem Zusammenhang wurden in der vorliegenden Arbeit die Mechanismen und Effekte natürlich vorkommender CD4+CD25+Foxp3+ regulatorischer T-Zellen (nTregs) auf eine Th1 bzw. Th2-induzierte allergische Atemwegserkrankung untersucht. Anhand eines adoptiven Zelltransfermodells unter Einsatz lymphozytendefizienter Rag2-/- Mäuse konnte gezeigt werden, dass sowohl Th1 als auch Th2 Zellen, kombiniert mit mehrfacher, inhalativer Allergenprovokation, eine erhöhte AHR induzieren. Während der Transfer allergenspezifischer Th2 Zellen eine Eosinophilie in der bronchoalveolären Lavage (BAL) und vermehrte Mukusproduktion in den Atemwegen hervorrief, war in Th1-transferierten Tieren zwar eine massive Infiltration neutrophiler Granulozyten zu beobachten, eine Becherzellmetaplasie mit vermehrten, mukusproduzierenden Atemwegsepithelzellen blieb allerdings aus. In vitro und in vivo waren voraktivierte nTregs (preTregs) nur eingeschränkt in der Lage, die Th2-gesteuerte Atemwegserkrankung zu inhibieren. Im Gegensatz dazu konnten die Th1-Effektorfunktionen in vitro und die Th1-induzierte AHR und Atemwegsentzündung in vivo durch preTregs effektiv gehemmt werden, was auf eine unterschiedliche Empfindlichkeit der Th-Subpopulationen weist. Innerhalb der nTreg-vermittelten Suppression wird der sekundäre Botenstoff cAMP auf die zu supprimierende Zelle übertragen und führt zur Hemmung von Proliferation und Zytokinproduktion. Dass dieser Mechanismus nicht nur in vitro, sondern auch in der Suppression der Th2-gesteuerten allergischen Atemwegserkrankung eine Rolle spielt, konnte durch die Störung des intrazellulären cAMP-Abbaus mittels PDE4-Inhibitoren verdeutlicht werden. Sowohl die prophylaktische, als auch die therapeutische Applikation der PDE4-Inhibitoren verstärkte den regulativen Effekt der nTregs auf AHR und Entzündung, korrelierend mit erhöhten, zytosolischen cAMP-Konzentrationen in den Th2 Zellen der Lunge. Trotz des Fortschritts in der Isolation und In vitro-Expansion humaner nTregs ist die Ausbeute an Zellen äußerst limitiert und die Übertragbarkeit größerer Zellmengen nicht zuletzt aufgrund von hohem Kontaminationsrisiko während mehrtägiger In vitro-Expansion fragwürdig. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigen, dass eine Behandlung mit dem PDE4-Inhibitor die suppressive Kapazität der allergenspezifischen nTregs deutlich erhöhte. Den nTreg-vermittelten Suppressionsmechanismus durch den Einsatz von Pharmazeutika zu unterstützen bietet einen viel versprechenden und realistischen Ansatz zur Therapie des allergischen Asthmas.

Evaluation eines humanisierten Mausmodells der allergischen Atemwegsentzündung

Aus der zunehmenden Prävalenz allergischer Erkrankungen vor allem in den Industrienationen ergibt sich ein erhöhter Bedarf an Grundlagenforschung im Bereich von Allergie und Asthma sowie der Entwicklung innovativer Therapiestrategien. In der vorliegenden Dissertation wurden die immundefizienten Mausstämme NOD-Scid und NOD-Scid gc als vielversprechender translationaler Schritt zwischen dem reinen Tiermodell und der Erprobung neuer Therapieansätze an Probanden in klinischen Studien beleuchtet. Im experimentellen Verlauf der Arbeit wurde ein humanisiertes Mausmodell der allergischen Atemwegsentzündung zunächst in immundefizienten NOD-Scid und darauffolgend in NOD-Scid gc Mäusen etabliert. Diese Mausstämme zeichnen sich durch das Nichtvorhandensein von B- und T-Zellen aus. Im NOD-Scid gc Stamm resultiert aus einer zusätzlichen Mutation des Gens für die gamma-Kette des IL-2 Rezeptors der Verlust von natürlichen Killerzellen (NK-Zellen), was die Immunität in diesem Stamm weiter herabsetzt und eine Humanisierung erleichtert. Die Humanisierung der Mäuse erfolgte durch die intraperitoneale Injektion von mononukleären Zellen des peripheren Blutes (PBMCs), die unter Anwendung der Ficoll-Dichtezentrifugation aus dem Blut von Probanden isoliert wurden. Für die Gewinnung der PBMCs wurden zum einen Asthma-Patienten mit einer hochgradigen Sensibilisierung gegen Birkenpollen herangezogen. Zum anderen wurden in Kontrollexperimenten PBMCs nicht-allergischer Probanden verwendet. Während sich für den NOD-Scid Stamm 80 Millionen PBMCs als angemessene Transferzahl erwiesen, reichten für die Rekonstitution des NOD-Scid gc Stammes 5 Millionen PBMCs aus. Eine Analyse der Tiere erfolgte 24 Tage nach Injektion der humanen Zellen. Der Transfer der PBMCs allergischer Asthmatiker führte besonders nach additiver Applikation des Birkenallergens sowie des humanen rekombinanten Zytokins IL-4 und darauffolgender nasaler allergener Provokation zu einer starken pulmonalen Entzündung in den Mäusen. Die nasale Allergenprovokation an den Tagen 20-22 nach PBMC-Transfer erwies sich für das Aufkommen der Inflammation als unbedingt erforderlich. Die nasale Provokation mit Phosphat-gepufferter Salzlösung (PBS) mündete in einer herabgesetzten Inflammation ohne Ausprägung einer Atemwegsüberempfindlichkeit (AHR), reduzierten Zellzahlen in der bronchoalveolären Lavage (BAL) sowie verminderten Frequenzen humaner Zellen in den Lungen von Versuchstieren, die mit atopischen PBMCs supplementiert mit Birkenallergen und IL-4 rekonstituiert wurden. Die Allergenabhängigkeit des etablierten Modells wurde anhand von Experimenten untermauert, die verdeutlichten, dass ein Transfer von PBMCs nicht-allergischer Probanden trotz Zugabe des Allergens und humanem IL-4 keine Atemwegsinflammation auslöste. Bei den humanen Zellen, die an Tag 24 nach Rekonstitution in den Mäusen detektiert werden konnten, handelte es sich hauptsächlich um T-Zellen. Innerhalb dieser CD3+ T-Zellen konnten CD4+ und CD8+ T-Zellen differenziert werden. Depletionsexperimente, in denen nach Gewinnung der PBMCs aus dem Blut der Probanden verschiedene T-Zellsubpopulationen (CD3+, CD4+, CD8+) eliminiert wurden, führten zu dem Befund, dass die allergische Atemwegsentzündung in dem System von humanen CD4+ T-Zellen abhängig war. Nach der Etablierung des humanisierten Mausmodells der allergischen Atemwegsentzündung wurde das System zur Analyse des suppressionsfördernden Potentials des HIV-1 - Hüllproteins gp120 genutzt. Die Applikation von gp120 führte zu einer Reduktion der Atemwegsinflammation. Dies äußerte sich in einer Aufhebung der AHR, verminderten Zellzahlen in der BAL sowie dem reduzierten Einstrom humaner T-Zellen in die Lungen der rekonstituierten Tiere. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass die anti-inflammatorische Wirkung des gp120 strikt von der Anwesenheit regulatorischer T-Zellen (Tregs) innerhalb der für die Humanisierung genutzten PBMCs abhängig war. Eine Depletion der Tregs vor Transfer in die Mäuse führte zum Verlust der anti-inflammatorischen Effekte des gp120. Diese Ergebnisse sprechen für die Modulation regulatorischer T-Zellen als hoffnungsvolle Maßnahme in der Behandlung allergischer Erkrankungen. Die im Rahmen dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnisse eröffnen innovative Ansätze zur Analyse neuer Therapiestrategien in einem Testsystem, dass die Erforschung humaner Zellinteraktionen sowie die Wirkung potentieller Arzneistoffe auf humane Zellen unter in vivo Bedingungen erlaubt.

Evaluation of 3D cell culture systems for host-pathogen interaction studies

Traditional cell culture models have limitations in extrapolating functional mechanisms that underlie strategies of microbial virulence. Indeed during the infection the pathogens adapt to different tissue-specific environmental factors. The development of in vitro models resembling human tissue physiology might allow the replacement of inaccurate or aberrant animal models. Three-dimensional (3D) cell culture systems are more reliable and more predictive models that can be used for the meaningful dissection of host–pathogen interactions. The lung and gut mucosae often represent the first site of exposure to pathogens and provide a physical barrier against their entry. Within this context, the tracheobronchial and small intestine tract were modelled by tissue engineering approach. The main work was focused on the development and the extensive characterization of a human organotypic airway model, based on a mechanically supported co-culture of normal primary cells. The regained morphological features, the retrieved environmental factors and the presence of specific epithelial subsets resembled the native tissue organization. In addition, the respiratory model enabled the modular insertion of interesting cell types, such as innate immune cells or multipotent stromal cells, showing a functional ability to release pertinent cytokines differentially. Furthermore this model responded imitating known events occurring during the infection by Non-typeable H. influenzae. Epithelial organoid models, mimicking the small intestine tract, were used for a different explorative analysis of tissue-toxicity. Further experiments led to detection of a cell population targeted by C. difficile Toxin A and suggested a role in the impairment of the epithelial homeostasis by the bacterial virulence machinery. The described cell-centered strategy can afford critical insights in the evaluation of the host defence and pathogenic mechanisms. The application of these two models may provide an informing step that more coherently defines relevant molecular interactions happening during the infection.

Expression, regulation and clinical significance of soluble and membrane CD14 receptors in pediatric inflammatory lung diseases

BACKGROUND: Inflammatory lung diseases are a major morbidity factor in children. Therefore, novel strategies for early detection of inflammatory lung diseases are of high interest. Bacterial lipopolysaccharide (LPS) is recognized via Toll-like receptors and CD14. CD14 exists as a soluble (sCD14) and membrane-associated (mCD14) protein, present on the surface of leukocytes. Previous studies suggest sCD14 as potential marker for inflammatory diseases, but their potential role in pediatric lung diseases remained elusive. Therefore, we examined the expression, regulation and significance of sCD14 and mCD14 in pediatric lung diseases. METHODS: sCD14 levels were quantified in serum and bronchoalveolar lavage fluid (BALF) of children with infective (pneumonia, cystic fibrosis, CF) and non-infective (asthma) inflammatory lung diseases and healthy control subjects by ELISA. Membrane CD14 expression levels on monocytes in peripheral blood and on alveolar macrophages in BALF were quantified by flow cytometry. In vitro studies were performed to investigate which factors regulate sCD14 release and mCD14 expression. RESULTS: sCD14 serum levels were specifically increased in serum of children with pneumonia compared to CF, asthma and control subjects. In vitro, CpG induced the release of sCD14 levels in a protease-independent manner, whereas LPS-mediated mCD14 shedding was prevented by serine protease inhibition. CONCLUSIONS: This study demonstrates for the first time the expression, regulation and clinical significance of soluble and membrane CD14 receptors in pediatric inflammatory lung diseases and suggests sCD14 as potential marker for pneumonia in children.

Relating the physicochemical characteristics and dispersion of multiwalled carbon nanotubes in different suspension media to their oxidative reactivity in vitro and inflammation in vivo

Reactive oxygen species (ROS) production is important in the toxicity of pathogenic particles such as fibres. We examined the oxidative potential of straight (50 microm and 10 microm) and tangled carbon nanotubes in a cell free assay, in vitro and in vivo using different dispersants. The cell free oxidative potential of tangled nanotubes was higher than for the straight fibres. In cultured macrophages tangled tubes exhibited significantly more ROS at 30 min, while straight tubes increased ROS at 4 h. ROS was significantly higher in bronchoalveolar lavage cells of animals instilled with tangled and 10 mum straight fibres, whereas the number of neutrophils increased only in animals treated with the long tubes. Addition of dispersants in the suspension media lead to enhanced ROS detection by entangled tubes in the cell-free system. Tangled fibres generated more ROS in a cell-free system and in cultured cells, while straight fibres generated a slower but more prolonged effect in animals.

Fas-activated serine/threonine phosphoprotein promotes immune-mediated pulmonary inflammation

We generated Fas-activated serine threonine phosphoprotein (FAST)-deficient mice (FAST(-/-)) to study the in vivo role of FAST in immune system function. In a model of house dust mite-induced allergic pulmonary inflammation, wild type mice develop a mixed cellular infiltrate composed of eosinophils, lymphocytes, and neutrophils. FAST(-/-) mice develop airway inflammation that is distinguished by the near absence of neutrophils. Similarly, LPS-induced alveolar neutrophil recruitment is markedly reduced in FAST(-/-) mice compared with wild type controls. This is accompanied by reduced concentrations of cytokines (TNF-alpha and IL-6 and -23) and chemoattractants (MIP-2 and keratinocyte chemoattractant) in bronchoalveolar lavage fluids. Because FAST(-/-) neutrophils exhibit normal chemotaxis and survival, impaired neutrophil recruitment is likely to be due to reduced production of chemoattractants within the pulmonary parenchyma. Studies using bone marrow chimeras implicate lung resident hematopoietic cells (e.g., pulmonary dendritic cells and/or alveolar macrophages) in this process. In conclusion, our results introduce FAST as a proinflammatory factor that modulates the function of lung resident hematopoietic cells to promote neutrophil recruitment and pulmonary inflammation.

Differential effects of long and short carbon nanotubes on the gas-exchange region of the mouse lung

Abstract We hypothesise that inflammatory response and morphological characteristics of lung parenchyma differ after exposure to short or long multi-walled carbon nanotubes (MWCNT). Mice were subjected to a single dose of vehicle, short or long MWCNT by pharyngeal aspiration. Bronchoalveolar lavage fluid (BALF) obtained at 24 h was analysed for inflammatory reaction and lung tissue was analysed for morphological alterations using stereology. Short MWCNT had stronger potential to induce polymorphonuclear cells whereas long MWCNT increased interleukin-6 levels in BALF. Alveolar septal fibrosis was only observed with short MWCNT. Type II pneumocyte hypertrophy was only detected with long MWCNT. There was no reduction in total alveolar surface area and no sign of type II cell hyperplasia. We observed mild inflammatory and pathological responses to short and long MWCNT in the lung parenchyma depending on the size of the applied MWCNT.

Quantitative PCR to diagnose Pneumocystis pneumonia in immunocompromised non-HIV patients

The utility of quantitative Pneumocystis jirovecii PCR in clinical routine for diagnosing Pneumocystis pneumonia (PCP) in immunocompromised non-HIV patients is unknown. We analysed bronchoalveolar lavage fluid with real-time quantitative P. jirovecii PCR in 71 cases with definitive PCP defined by positive immunofluorescence (IF) tests and in 171 randomly selected patients with acute lung disease. In those patients, possible PCP cases were identified by using a novel standardised PCP probability algorithm and chart review. PCR performance was compared with IF testing, clinical judgment and the PCP probability algorithm. Quantitative P. jirovecii PCR values >1,450 pathogens·mL(-1) had a positive predictive value of 98.0% (95% CI 89.6-100.0%) for diagnosing definitive PCP. PCR values of between 1 and 1,450 pathogens·mL(-1) were associated with both colonisation and infection; thus, a cut-off between the two conditions could not be identified and diagnosis of PCP in this setting relied on IF and clinical assessment. Clinical PCP could be ruled out in 99.3% of 153 patients with negative PCR results. Quantitative PCR is useful for diagnosing PCP and is complementary to IF. PCR values of >1,450 pathogens·mL(-1) allow reliable diagnosis, whereas negative PCR results virtually exclude PCP. Intermediate values require additional clinical assessment and IF testing. On the basis of our data and for economic and logistical limitations, we propose a clinical algorithm in which IF remains the preferred first test in most cases, followed by PCR in those patients with a negative IF and strong clinical suspicion for PCP.