Generierung und Charakterisierung tolerogener muriner dendritischer Zellen

Mechanismen der zentralen und der peripheren Toleranz schützen den Körper vor Immunreaktionen gegen körpereigenes Gewebe oder gegen harmlose Umweltantigene. An der Aufrechterhaltung der peripheren Toleranz sind tolerogene Dendritische Zellen (DC) beteiligt. Tolerogene DC können in vitro u.a. mit Hilfe von immunsuppressiven und antiinflammatorischen Substanzen, aber auch durch virale Transduktionen, die zur Denovo- oder Überexpression toleranzassoziierter Moleküle führen, generiert werden. rnDa die Wirkung einiger immunmodulatorischer Substanzen über den intrazellulären sekundären Botenstoff cAMP vermittelt wird, sollte getestet werden, welchen Einfluss eine direkte Erhöhung des intrazellulären cAMP-Niveaus mittels Dibutyryl-cyclo-Adenosin-3´,5´-Mono-Phoshat (db-cAMP) auf die phänotypischen und funktionellen Eigenschaften von BM-DC („bone marrow derived dendritic cells“) hat.rnIm Vergleich zu unbehandelten BM-DC wiesen db-cAMP-DC ein vermindertes T-Zell-Stimulierungs-potenzial auf. Dieses verminderte T-Zell-Stimulierungspotenzial wird teilweise über die Proteinkinase A, nicht aber über Cyclooxygenase-2 (Cox-2) vermittelt. rnAnhand der FACS-Analyse mit DC- und MDSC- („myeloid derived suppressor cells“) spezifischen Markern konnte gezeigt werden, dass es sich bei den db-cAMP-DC um CD11c-positive DC mit einer vergleichsweise niedrigen Expression von MHCII und kostimulatorischen Oberflächenmolekülen handelt. Des Weiteren zeigte sich, dass sie verglichen mit BM-DC eine vermehrte mRNA-Expression der koinhibitorischen Moleküle B7-H1 und LIGHT und der toleranzassoziierten Moleküle FcγRIIB, HO-1 und Cox-2 aufweisen. Mittels ELISA konnte eine gesteigerte Expression der HO-1- und eine moderat gesteigerte PGE2-Synthese beobachtet werden. PGE2 wird mit Hilfe der Cox-2 aus Arachidonsäure gebildet.rnIm Gegensatz zu BM-DC wiesen db-cAMP-DC in beiden Reifungsstadien ein verändertes Zytokinprofil auf: Auf mRNA-Ebene zeigte sich, dass db-cAMP-DC verglichen mit BM-DC vermehrt IL-1RA und IL-10 exprimieren. Dieser Unterschied konnte für IL-10 auch mittels ELISA bestätigt werden. In den Kulturüberständen der stimulierten db-cAMP-DC konnte, im Gegensatz zu denen stimulierter BM-DC, kaum bioaktives IL-12 nachgewiesen werden. rnDb-cAMP-DC induzierten des Weiteren in kokultivierten allogenen T-Zellen ein differenzielles Zytokinprofil: Sie förderten die INFγ- und IL-17-Sezernierung durch T-Zellen, während die IL-5-Sezernierung geringer war, wenn T-Zellen mit stimulierten db-cAMP-DC kokultiviert wurden. Db-cAMP-DC hatten hingegen keinen Einfluss auf die IL-10-Produktion. Außerdem führte eine Kokultur der db-cAMP-DC mit allogenen T-Zellen nicht zu einer gesteigerten Induktion von FoxP3+ Treg. rnIn einem zweiten Ansatz sollte getestet werden ob es möglich ist die murine DC-Linie SP37A3 lentiviral mit dem toleranzassoziierten Oberflächenprotein B7-H3 zu transduzieren. Dies ist von Interesse, da die SP37A3-Zellen einige Vorteile gegenüber BM-DC aufweisen, wie z.B. ihren homogeneren Phänotyp und die Möglichkeit sie in einer Expansionskultur zu halten.rnEs konnte gezeigt werden, dass SP37A3-Zellen als Modell für myeloide DC für die Transduktion mit lentiviralen Partikeln geeignet sind. Hierbei zeigte es sich aber, dass darauf geachtet werden muss, mit konzentriertem Virus zu arbeiten und dass die Reportergen-Expression der Zielzellen über mehr als 3 Tage (mindestens 7 Tage) untersucht werden muss. Nur so kann eine eventuell auftretende Pseudotransduktion erkannt und verhindert werden. Ab einer MOI („multiplicity of infection“) von 50 konnte in SP37A3-Zellen eine Transgen-Expression nachgewiesen werden.rn

Die Rolle der IFN-gamma Signalübertragung und von MyD88 in der Angiotensin-II-induzierten vaskulären Dysfunkion, Inflammation und arteriellen Hypertonie

Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Rolle von myelomonozytären Zellen, IFN-gamma (Interferon gamma), MyD88 (myeloid differentiation factor 88) und zugrundeliegenden Signalwege in der Angiotensin II (ATII)-induzierten vaskulären Inflammation, Dysfunktion und arteriellen Hypertonie untersucht. Wie bereits veröffentlichte Vordaten aus meiner Arbeitsgruppe zeigten, schützt die Depletion von Lysozym M (LysM)+ myelomonozytären Zellen (Diphteriatoxin-vermittelt in Mäusen, die transgen für den humanen Diphtheriatoxin-Rezeptor sind, LysMiDTR Mäuse) vor der ATII-induzierten vaskulären Dysfunktion und arterieller Hypertonie, und kann durch adoptiven Zelltransfer von Wildtyp Monozyten wiederhergestellt werden. In meiner Arbeit konnte ich zeigen, dass die Rekonstitution von Monozyten-depletierten LysMiDTR Mäusen mit Wildtyp Monozyten den Phänotyp der vaskulären Dysfunktion wiederherstellen kann, die Rekonstitution mit gp91phox-/y oder Agtr1-/- Monozyten jedoch nicht. Die Hypertonus-mediierenden Effekte dieser infiltrierenden Monozyten scheinen demnach von der intakten ATII und NADPH Oxidase Signalübertragung in diesen Zellen abhängig zu sein. Vermutlich ebenfalls für die Aktivierung der Monozyten funktionell wichtig sind IFN-gamma, produziert durch NK-Zellen, und der Transkriptionsfaktor T-bet (T-box expressed in T cells), exprimiert von NK-Zellen und Monozyten. IFN-gamma-/- Mäuse waren partiell geschützt vor der ATII-induzierten vaskulären Dysfunktion und charakterisiert durch reduzierte Level an Superoxid im Gefäß im Vergleich zu ATII-infundierten Wildtyp Mäusen. IFN-gamma-/- und T-bet defiziente Tbx21-/- Mäuse zeichneten sich ferner durch eine reduzierte ATII-mediierte Rekrutierung von NK1.1+ NK-Zellen, als ein Hautproduzent von IFN-gamma, sowie CD11b+GR-1low Interleukin-12 (IL-12) kompetenten Monozyten aus. Durch Depletions- und adoptive Transferexperimente konnte ich in dieser Arbeit NK-Zellen als essentielle Mitstreiter in der vaskulären Dysfunktion identifizieren und stellte fest, dass T-bet+LysM+ myelomonozytäre Zellen für die NK-Zellrekrutierung in die Gefäßwand und lokale IFN-gamma Produktion benötigt werden. Damit wurde erstmals NK-Zellen eine essentielle Rolle in der ATII-induzierten vaskulären Dysfunktion zugeschrieben. Außerdem wurde der T-bet-IFN-gamma Signalweg und die gegenseitige Monozyten-NK-Zellaktivierung als ein potentielles therapeutisches Ziel in kardiovaskulären Erkrankungen aufgedeckt. Des Weiteren identifizierte ich in meiner Arbeit MyD88 als ein zentrales Signalmolekül in der ATII-getriebenen Inflammation und vaskulären Gefäßschädigung. MyD88 Defizienz reduzierte den ATII-induzierten Anstieg des systolischen Blutdrucks und die endotheliale und glattmuskuläre vaskuläre Dysfunktion. Zusätzlich waren die vaskuläre Superoxid-Bildung sowie die Expressionslevel der NADPH Oxidase, der wichtigsten Quelle für oxidativem Stress im Gefäß, in ATII-infundierten MyD88-/- Mäusen im Vergleich zum Wildtyp reduziert. Mit Hilfe von durchflusszytometrischen Analysen deckte ich zudem auf, dass die ATII-induzierte Einwanderung von CD45+ Leukozyten, insbesondere CD11b+Ly6G-Ly6Chigh inflammatorischen Monozyten in MyD88-/- Mäusen signifikant abgeschwächt war. Diese Resultate wurden durch immunhistochemische Untersuchung von Aortengewebe auf CD68+, F4/80+ und Nox2+ Makrophagen/Phagozyten sowie Expressionsanalysen von Inflammationsmarkern untermauert. Analysen der mRNA Expression in Aortengewebe zeigten ferner eine in Wildtyp Mäusen nach ATII Infusion tendenziell gesteigerte Expression von inflammatorischen Monozytenmakern sowie eine abnehmende Expression von reparativen Monozytenmarken, während dieser Shift zu einem proinflammatorsichen Phänotyp in MyD88-/- blockiert zu sein schien. Dies zeigt eine Rolle von MyD88 in der terminalen Differenzierung von myelomonozytären Zellen an. Um dies weitergehend zu untersuchen und aufzudecken, ob die MyD88 Effekte abhängig sind von Zellen der hämatopoetischen Linie oder Gewebszellen, wurden Knochenmarktransferexperimente durchgeführt. MyD88 Defizienz in Knochenmark-abstammende Zellen reduzierte die ATII-induzierte vaskuläre Dysfunktion und Infiltration der Gefäßwand mit CD45+ Leukozyten und inflammatorischen myelomonozytären Zellen. Die protektiven Effekte der MyD88 Defizienz in der Angiotensin II-induzierten Inflammation konnten nicht auf Signalwege über die Toll-like Rezeptoren TLR2, -7 oder -9 zurückgeführt werden, wie die Untersuchung der vaskulären Reaktivität entsprechender Knockout Mäuse zeigte. Zusammenfassend konnte ich in meiner Arbeit zeigen, dass die Infiltration der Gefäßwand mit Nox2+AT1R+T-bet+MyD88+ myelomonozytären Zellen und die Wechselwirkung und gegenseitige Aktivierung dieser Zellen mit IFN-gamma produzierenden NK-Zellen eine zentrale Bedeutung in der Pathogenese der Angiotensin II (ATII)-induzierten vaskulären Dysfunktion, Inflammation und arteriellen Hypertonie einnehmen.

Der Einfluss von Chemotherapeutika mit Hypoxie-induzierbarer Faktor (HIF)-modulierendem Potential sowie eines Verlustes des HIF-Regulators von Hippel-Lindau (VHL) auf den Phänotyp und die Funktion dendritischer Zellen

Der Transkriptionsfaktor Hypoxie-induzierbarer Faktor (HIF) gibt dem Organismus die Möglichkeit, sich auf zellulärer Ebene an unterschiedliche Sauerstoffverhältnisse anzupassen. Vor allem Tumorzellen weisen aufgrund ihres ungeregelten Wachstums und der daraus resultierenden unzureichenden Durchblutung (hypoxisches Milieu) eine erhöhte HIF-Expression auf. Die erhöhte HIF-Expression stellt somit ein interessantes Ziel in der Tumortherapie dar. Dendritische Zellen (DCs) besitzen eine bedeutende Rolle in der Generierung und Modulierung von Antitumor-Immunantworten. Aus diesem Grund ist es überaus wichtig zu wissen, welche Effekte Antitumor-Agenzien, im Besonderen HIF-Inhibitoren, auf DCs und somit auch auf die Generierung von adäquaten Immunantworten besitzen.rnIm ersten Teil dieser Arbeit wurde aus diesem Grund der Einfluss der Antitumor-Agenzien Geldanamycin (GA) und Topotecan (TPT) auf den Phänotyp und die Funktion von DCs untersucht. Hierfür wurden Monozyten aus humanen, mononukleären, peripheren Blutzellen isoliert und unter DC-differenzierenden Konditionen kultiviert. Diese immaturen monozytenabgeleiteten DCs (Mo-DCs) wurden mithilfe eines Reifungscocktails ausgereift. Die Applikation der Antitumor-Agenzien erfolgte während der Differenzierungs- bzw. Ausreifungsphase. Abhängig vom Reifungsgrad der Mo-DCs konnte ein differentieller Einfluss von GA bzw. TPT auf die DC-Aktivierung beobachtet werden. Eine Behandlung von unstimulierten Mo-DCs mit GA resultierte in einer partiellen DC-Aktivierung basierend auf einem noch unbekannten Mechanismus. Ebenso führte eine Behandlung von unstimulierten Mo-DCs mit TPT zu einer funktionellen Aktivierung der DCs, die mit einer vermehrten AKT-Expression korrelierte. Die jeweilige Koapplikation der Antitumor-Agenzien mit dem DC-Reifungscocktail führte zu einer reduzierten DC-Aktivierung, die sich in einer verminderten NF-κB-Aktivierung, einer verringerten Oberflächenexpression der getesteten kostimulatorischen Moleküle, einer verringerten Migrationsfähigkeit und einem reduzierten Zellstimulierungspotential widerspiegelte.rnDie autosomal dominant vererbte Tumorerkrankung von Hippel-Lindau (VHL) wird häufig durch genetische Mutationen des als HIF-Negativregulator fungierenden VHL-Gens hervorgerufen. Patienten, die an dem VHL-Syndrom erkrankt sind, weisen oft benigne oder maligne Tumore und Zysten in den verschiedensten Organsystemen auf. Wie schon zuvor erwähnt, besitzen DCs eine essentielle Rolle in der Initiierung und Aufrechterhaltung von Antitumor-Immunantworten. Deshalb wurde im zweiten Abschnitt der vorliegenden Arbeit untersucht, inwieweit ein partieller Verlust von VHL Auswirkungen auf die Ausprägung desrnPhänotyps und der Funktion von DCs hat. Mittels Cre/lox-Technologie wurden transgene Mäuse mit einem heterozygoten Verlust von Exon 1 bzw. Exon 2 des VHL-Gens generiert. Aus diesen Mäusen wurden Knochenmarkszellen isoliert und unter DC-differenzierenden Konditionen kultiviert. Die immaturen knochenmarkabgeleiteten DCs (BM-DCs) wurden mit LPS ausgereift. Weder der heterozygote Verlust von Exon 1 noch von Exon 2 des VHL-Gens bewirkte eine Veränderung der Oberflächenmarkerexpression, der in vitro-Migrations- undrnEndozytosekapazität, sowie der allogenen T-Zellstimulierungskapazität. Allerdings zeigten Mäuse mit einem partiellen Verlust von Exon 2 im Vergleich zu Kontrollmäusen nach Immunisierung und Provokation mit dem Modellallergen OVA eine verminderte Atemwegshyperreaktion, die möglicherweise auf die beobachtete Abnahme der Migrationsfähigkeit in vivo und die verminderte OVA-spezifische T-Zellstimulierungskapazität der DCs zurückzuführen ist.

Funktionelle HPMA-Copolymere zur möglichen Anwendung in der Tumor-Immuntherapie

Der Fokus dieser Arbeit lag in der Synthese von funktionellen HPMA-Copolymeren, sowohl für die Darstellung definierter Polymer-Antikörper Konjugate, als auch zum effizienten Transport von p-DNA in Polymer-DNA Komplexen (Polyplexe). Nach ausführlicher physikalischer und chemischer Charakterisierung wurden gezielt ihre Wechselwirkungen mit (Immun)-Zellen untersucht und so ihr Potential für die Verwendung in der Tumor-Immuntherapie aufgezeigt.rnFür das gezielte Ansprechen von bestimmten Immunzellen mit Schlüsselfunktionen besitzen monoklonale Antikörper ein großes Potential. Im Rahmen dieser Arbeit gelang die Darstellung definierter Polymer-Antikörper Konjugate über das gezielte Einführen von Thiol-Gruppen an Antikörper und die Synthese eng verteilter, Maleinimid funktionalisierter HPMA-Copolymere. Diese sehr gut definierten, funktionellen HPMA-Copolymere konnten über die Kombination der RAFT-Polymerisation und Reaktivester Polymeren gewonnen werden. Unterschiedliche Polymerstrukturen ermöglichten die Synthese verschiedener Arten von Polymer-Antikörper Konjugaten. Speziell die Untersuchung der verschiedenen Konjugate aus dem für dendritische Zellen spezifischen aDEC-205 Antikörper an Immunzellen aus dem Knochenmark von Mäusen lieferten wertvolle Erkenntnisse über Struktur-Wirkungsbeziehungen und zeigten die Möglichkeit der gezielten Adressierung von Immunzellen mit Schlüsselfunktionen bei der Aktivierung einer (Tumor)-Immunabwehr am Beispiel von dendritischen Zellen. Gleichzeitig erlaubt der Syntheseweg sowohl die gleichzeitige und kontrollierte Einführung auch komplexerer Stimuli am Polymerrückgrat als auch die Verwendung verschiedener Antikörper.rnÜber die Kombination der RAFT-Polymerisation und polymeren Reaktivestern wurde ebenso die Synthese von neuartigen kationisch-hydrophilen Polylysin-b-poly(HPMA) Blockcopolymeren als effiziente Transporter für den komplexen aber wirkungsvollen Wirkstoff p-DNA in Form von Polymer-DNA Komplexen (Polyplexe) realisiert. Da diese Polyplexe gleichzeitig eine Abschirmung der sensitiven p-DNA über eine poly(HPMA)-Korona vermitteln, stellen sie allgemein ein geeignetes Transportmittel für einen therapeutischen Transport von p-DNA dar. Diese Polyplexe sind in der Lage, humane Nierenkarzinomzellen (HEK-293T Zelllinie) zu transfizieren ohne signifikante Zytotoxizität zu zeigen. Darüber hinaus gelang eine große Steigerung der Transfektionseffizienz, ohne eine gleichzeitige Erhöhung der Zytotoxizität, durch die gezielte Einführung von Redox-stimuliresponsiven Disulfid-Gruppen zwischen den einzelnen Blöcken. Diese Polyplexe stellen einen polymeren Vektor zur transkriptionellen Regulierung von Zellen dar, zum Beispiel für die transkriptionelle Aktivierung von dendritischen Zellen, durch die Verwendung speziell dafür modifizierter p-DNA-Konstrukte. rnDurch die Verknüpfung einer ortsspezifischen enzymatischen Kopplung und kupferfreien Cyclooctin-Azid Kupplung gelang die kontrollierte und kovalente Modifizierung von polymeren Mizellen mit aDEC-205 Antikörpern an der hydrophilen poly(HPMA)-Korona. Diese Methode bietet die Möglichkeit der Anbindung der effektiven aber anspruchsvollen Erkennungsstruktur Antikörper an komplexere Polymerstrukturen und andere nano-partikulären Systeme, zum Beispiel an die zuvor genannten Polyplexe, um eine zellspezifische und verbesserte Aufnahme und Prozessierung zu erreichen.rnDiese Studien zeigen somit, sowohl die Möglichkeit der selektiven Addressierung von Immunzellen mit Schlüsselfunktionen wie dendritischer Zellen, als auch die Möglichkeit der transkriptionellen Regulation von Zellen durch Polyplexe. Sie stellen somit einen ersten Schritt zur Herstellung funktioneller, nanopartikulärer Systeme zur Verwendung in der Tumor-Immuntherapie dar. rn

Induktion tolerogener dendritischer Zellen zur Suppression von experimenteller autoimmuner Enzephalomyelitis und Kontaktallergie

Dendritische Zellen (DC) spielen als professionelle antigenpräsentierende Zellen (APC) eine zentrale Rolle in der Aktivierung und Regulierung antigenspezifischer Immunantworten. Aus diesem Grund wird der therapeutische Einsatz von DC zur Behandlung von Autoimmunerkrankungen und Allergien sowie zur Tumorbekämpfung erforscht. Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit untersuchten wir das Potenzial einer biolistischen DNA-Vakzinierung zur Induktion tolerogener DC in vivo. Im Tiermodell der Myelin-Oligodendrozyten-Glykoprotein Peptid 35-55 (MOGp35-55) induzierten experimentellen autoimmunen Enzephalomyelitis (EAE) sollte mittels präventiver biolistischer Kovakzinierung von Plasmid-DNA kodierend für MOG und die immunregulatorischen Zytokine TGFβ oder IL-10 eine protektive Immunität induziert werden. Die MOG-Expression stand dabei entweder unter der Kontrolle des ubiquitär aktiven CMV-Promotors oder des murinen Fascin-Promotors, um eine ektopische MOG-Expression spezifisch in dermalen DC und Langerhanszellen zu erreichen. Dass MOGp35-55-präsentierende DC nach biolistischer DNA-Vakzinierung von der Haut in die drainierenden Lymphknoten migrieren und dort T-Zellen aktivieren, konnte im Vorfeld anhand einer substanziellen Proliferation von MOGp35-55-reaktiven 2D2 T-Zellen nachgewiesen werden. Im präventiven Ansatz der MOGp35-55-induzierten EAE zeigten Mäuse, die mit MOG-kodierenden Plasmiden biolistisch transfiziert wurden, eine leicht reduzierte EAE-Symptomatik. Die Kotransfektion von MOG und TGFβ führte zu einer Verstärkung der EAE-Suppression – unabhängig davon, ob die MOG-Expression unter der Kontrolle des CMV- oder des Fascin-Promotors stand. Interessanterweise resultierte die Koapplikation von MOG- und IL-10-kodierender Plasmid-DNA nur bei DC-fokussierter MOG-Expression zu reduzierter EAE-Symptomatik. Für biolistische DNA-Vakzinierungen stellt somit der Fascin-Promotor eine potente Alternative zu viralen Promotoren dar. Entsprechend der milderen EAE-Symptome beobachteten wir bei behandelten EAE-Mäusen einen geringeren Grad an Demyelinisierung sowie eine reduzierte Infiltration des ZNS mit IFNγ-produzierenden CD4+ Th1- und IL-17-produzierenden CD4+ Th17-Zellen. Desweiteren zeigten Milzzellen ex vivo nach MOGp35-55-Restimulation eine inhibierte Proliferation und eine signifikant reduzierte IFNγ- und IL-17-Zytokinproduktion. Überraschenderweise ging die antigenspezifische Immunsuppression nicht mit der Expansion von Foxp3+ regulatorischen T-Zellen einher. Da die Milzen aber erhöhte Mengen an CD8+IFNγ+ T-Zellen aufweisen, könnte ein zytotoxisch-suppressiver Mechanismus für die Inhibition der Th1- und Th17-Immunantwort verantwortlich sein. Nachfolgende Untersuchungen sind notwendig, um die induzierten immunologischen Mechansimen mittels biolistischer DNA-Vakzinierung aufzuklären. Der zweite Teil der Arbeit befasst sich mit der Generierung von tolerogenen DC in vitro. Dafür wurden murine Knochenmarkszellen unter DC-differenzierenden Bedingungen in Gegenwart des synthetischen Glucocorticoids Dexamethason (DEX) kultiviert. Die DEX-Zugabe führte zur Differenzierung von APC mit geringer CD11c-Expression. DEX-APC waren in vitro weitestgehend gegen LPS stimulierungsresistent und zeigten eine reduzierte Expression von MHC-II und den kostimulatorischen Molekülen CD80, CD86 und CD40. Ihrem tolerogenen Phänotyp entsprechend besaßen DEX-APC ein geringeres syngenes T-Zellstimulierungspotenzial als unbehandelte BM-DC. Anhand der erhöhten Oberflächenexpression von CD11b, GR1 und F4/80 besteht eine phänotypische Ähnlichkeit zu myeloiden Suppressorzellen. Die Fähigkeit von DEX-APC in vivo antigenspezifische Toleranz zu induzieren, wurde durch einen therapeutischen Ansatz im murinen Krankheitsmodell der Kontaktallergie überprüft. Die therapeutische Applikation von DEX-APC führte hierbei im Vergleich zur Applikation von PBS oder unbehandelten BM-DC zu einer signifikant reduzierten Ohrschwellungsreaktion. Zusammenfassend demonstrieren die Ergebnisse dieser Arbeit, dass potente tolerogene DC sowohl in vivo als auch in vitro induziert werden können. Dass diese Zellpopulation effektiv antigenspezifische Immunreaktionen supprimieren kann, macht sie zu einem vielversprechenden Werkzeug in der Behandlung von Autoimmunerkrankungen und Allergien.rn

Genexpressionsanalyse boviner mesenchymaler Stammzellen und deren in-vitro-differenzierten Folgelinien

Mesenchymale Stamzellen (MSC) sind Vertreter der adulten Stammzellen. Sie bergen durch ihre große Plastizität ein immenses Potential für die klinische Nutzung in Form von Stammzelltherapien. Zellen dieses Typs kommen vornehmlich im Knochenmark der großen Röhrenknochen vor und können zu Knochen, Knorpel und Fettzellen differenzieren. MSC leisten einen wichtigen Beitrag im Rahmen regenerativer Prozesse, beispielsweise zur Heilung von Frakturen. Breite Studien demonstrieren bereits jetzt auch bei komplexeren Erkrankungen (z.B. Osteoporose) therapeutisch vielversprechende Einsatzmöglichkeiten. Oft kommen hierbei aus MSC gezielt differenzierte Folgelinien aus Zellkulturen zum Einsatz. Dies bedingt eine kontrollierte Steuerung der Differenzierungsprozesse in vitro. Der Differenzierung einer Stammzelle liegt eine komplexe Veränderung ihrer Genexpression zugrunde. Genexpressionsmuster zur Erhaltung und Proliferation der Stammzellen müssen durch solche, die der linienspezifischen Differenzierung dienen, ersetzt werden. Die mit der Differenzierung einhergehende, transkriptomische Neuausrichtung ist für das Verständnis der Prozesse grundlegend und wurde bislang nur unzureichend untersucht. Ziel der vorliegenden Arbeit ist eine transkriptomweite und vergleichende Genexpressionsanalyse Mesenchymaler Stammzellen und deren in vitro differenzierten Folgelinien mittels Plasmid - DNA Microarrays und Sequenziertechniken der nächsten Generation (RNA-Seq, Illumina Plattform). In dieser Arbeit diente das Hausrind (Bos taurus) als Modellorganismus, da es genetisch betrachtet eine hohe Ähnlichkeit zum Menschen aufweist und Knochenmark als Quelle von MSC gut verfügbar ist. Primärkulturen Mesenchymaler Stammzellen konnten aus dem Knochenmark von Rindern erfolgreich isoliert werden. Es wurden in vitro Zellkultur - Versuche durchgeführt, um die Zellen zu Osteoblasten, Chondrozyten und Adipozyten zu differenzieren. Zur Genexpressionsanalyse wurde RNA aus jungen MSC und einer MSC Langzeitkultur („alte MSC“), sowie aus den differenzierten Zelllinien isoliert und für nachfolgende Experimente wo nötig amplifiziert. Der Erfolg der Differenzierungen konnte anhand der Genexpression von spezifischen Markergenen und mittels histologischer Färbungen belegt werden. Hierbei zeigte sich die Differenzierung zu Osteoblasten und Adipozyten erfolgreich, während die Differenzierung zu Chondrozyten trotz diverser Modifikationen am Protokoll nicht erfolgreich durchgeführt werden konnte. Eine vergleichende Hybridisierung zur Bestimmung differentieller Genexpression (MSC vs. Differenzierung) mittels selbst hergestellter Plasmid - DNA Microarrays ergab für die Osteogenese mit Genen wie destrin und enpp1, für die undifferenzierten MSC mit dem Gen sema3c neue Kandidatengene, deren biologische Funktion aufzuklären in zukünftigen Experimenten vielversprechende Ergebnisse liefern sollte. Die Analyse der transkriptomweiten Genexpression mittels NGS lieferte einen noch umfangreicheren Einblick ins Differenzierungsgeschehen. Es zeigte sich eine hohe Ähnlichkeit im Expressionsprofil von jungen MSC und Adipozyten, sowie zwischen den Profilen der alten MSC (eine Langzeitkultur) und Osteoblasten. Die alten MSC wiesen deutliche Anzeichen für eine spontane Differenzierung in die osteogene Richtung auf. Durch Analyse der 100 am stärksten exprimierten Gene jeder Zelllinie ließen sich für junge MSC und Adipozyten besonders Gene der extrazellulären Matrix (z.B col1a1,6 ; fn1 uvm.) auffinden. Sowohl Osteoblasten, als auch die alten MSC exprimieren hingegen verstärkt Gene mit Bezug zur oxidativen Phosphorylierung, sowie ribosomale Proteine. Eine Betrachtung der differentiellen Genexpression (junge MSC vs. Differenzierung) mit anschließender Pathway Analyse und Genontologie Anreicherungsstatistik unterstützt diese Ergebnisse vor allem bei Osteoblasten, wo nun jedoch zusätzlich auch Gene zur Regulation der Knochenentwicklung und Mineralisierung in den Vordergrund treten. Für Adipozyten konnte mit Genen des „Jak-STAT signaling pathway“, der Fokalen Adhäsion, sowie Genen des „Cytokine-cytokine receptor interaction pathway“ sehr spannende Einsichten in die Biologie dieses Zelltyps erlangt werden, die sicher weiterer Untersuchungen bedürfen. In undifferenzierten MSC konnte durch differentielle Genexpressionsanalyse die Rolle des nicht kanonischen Teils des WNT Signalweges als für die Aufrechterhaltung des Stammzellstatus potentiell äußerst einflussreich ermittelt werden. Die hier diskutierten Ergebnisse zeigen beispielhaft, dass besonders mittels Genexpressionsanalyse im Hochdurchsatzverfahren wertvolle Einblicke in die komplexe Biologie der Stammzelldifferenzierung möglich sind. Als Grundlage für nachfolgende Arbeiten konnten interessante Gene ermittelt und Hypothesen zu deren Einfluss auf Stammzelleigenschaften und Differenzierungsprozesse aufgestellt werden. Um einen besseren Einblick in den Differenzierungsverlauf zu ermöglichen, könnten künftig NGS Analysen zu unterschiedlichen Differenzierungszeitpunkten durchgeführt werden. Zudem wären weitere Anstrengungen zur erfolgreichen Etablierung der chondrogenen Differenzierung zur vollständigen Analyse der Genexpression des trilinearen Differenzierungspotentials von MSC wünschenswert.

Alpha4beta1 integrin mediates the recruitment of immature dendritic cells across the blood-brain barrier during experimental autoimmune encephalomyelitis

Dendritic cells (DCs) within the CNS are recognized to play an important role in the effector phase and propagation of the immune response in experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE), a mouse model for multiple sclerosis. However, the mechanisms regulating DC trafficking into the CNS still need to be characterized. In this study, we show by performing intravital fluorescence videomicroscopy of the inflamed spinal cord white-matter microvasculature in SJL mice with EAE that immature, and to a lesser extent, LPS-matured, bone marrow-derived DCs efficiently interact with the CNS endothelium by rolling, capturing, and firm adhesion. Immature but not LPS-matured DCs efficiently migrated across the wall of inflamed parenchymal microvessels into the CNS. Blocking alpha4 integrins interfered with the adhesion but not the rolling or capturing of immature and LPS-matured DCs to the CNS microvascular endothelium, inhibiting their migration across the vascular wall. Functional absence of beta1 integrins but not of beta7 integrins or alpha4beta7 integrin similarly reduced the adhesion of immature DCs to the CNS microvascular endothelium, demonstrating that alpha4beta1 but not alpha4beta7 integrin mediates this step of immature DCs interaction with the inflamed blood-brain barrier during EAE. Our study shows that during EAE, especially immature DCs migrate into the CNS, where they may be crucial for the perpetuation of the CNS-targeted autoimmune response. Thus therapeutic targeting of alpha4 integrins affects DC trafficking into the CNS and may therefore lead to the resolution of the CNS autoimmune inflammation by reducing the number of CNS professional APCs.

Differential effects of dexamethasone on the chondrogenesis of mesenchymal stromal cells: influence of microenvironment, tissue origin and growth factor

Mesenchymal stromal cells (MSCs), which reside within various tissues, are utilized in the engineering of cartilage tissue. Dexamethasone (DEX)--a synthetic glucocorticoid--is almost invariably applied to potentiate the growth-factor-induced chondrogenesis of MSCs in vitro, albeit that this effect has been experimentally demonstrated only for transforming-growth-factor-beta (TGF-β)-stimulated bone-marrow-derived MSCs. Clinically, systemic glucocorticoid therapy is associated with untoward side effects (e.g., bone loss and increased susceptibility to infection). Hence, the use of these agents should be avoided or limited. We hypothesize that the influence of DEX on the chondrogenesis of MSCs depends upon their tissue origin and microenvironment [absence or presence of an extracellular matrix (ECM)], as well as upon the nature of the growth factor. We investigated its effects upon the TGF-β1- and bone-morphogenetic-protein 2 (BMP-2)-induced chondrogenesis of MSCs as a function of tissue source (bone marrow vs. synovium) and microenvironment [cell aggregates (no ECM) vs. explants (presence of a natural ECM)]. In aggregates of bone-marrow-derived MSCs, DEX enhanced TGF-β1-induced chondrogenesis by an up-regulation of cartilaginous genes, but had little influence on the BMP-2-induced response. In aggregates of synovial MSCs, DEX exerted no remarkable effect on either TGF-β1- or BMP-2-induced chondrogenesis. In synovial explants, DEX inhibited BMP-2-induced chondrogenesis almost completely, but had little impact on the TGF-β1-induced response. Our data reveal that steroids are not indispensable for the chondrogenesis of MSCs in vitro. Their influence is context dependent (tissue source of the MSCs, their microenvironment and the nature of the growth-factor). This finding has important implications for MSC based approaches to cartilage repair.

Paracrine effects of mesenchymal stem cells enhance vascular regeneration in ischemic murine skin

New theories on the regeneration of ischemic vasculature have emerged indicating a pivotal role of adult stem cells. The aim of this study was to investigate homing and hemodynamic effects of circulating bone marrow-derived mesenchymal stem cells (MSCs) in a critically ischemic murine skin flap model. Bone marrow-derived mesenchymal stem cells (Lin(-)CD105(+)) were harvested from GFP(+)-donor mice and transferred to wildtype C57BL/6 mice. Animals receiving GFP(+)-fibroblasts served as a control group. Laser scanning confocal microscopy and intravital fluorescence microscopy were used for morphological analysis, monitoring and quantitative assessment of the stem cell homing and microhemodynamics over two weeks. Immunohistochemical staining was performed for GFP, eNOS, iNOS, VEGF. Tissue viability was analyzed by TUNEL-assay. We were able to visualize perivascular homing of MSCs in vivo. After 4 days, MSCs aligned along the vascular wall without undergoing endothelial or smooth muscle cell differentiation during the observation period. The gradual increase in arterial vascular resistance observed in the control group was abolished after MSC administration (P<0.01). At capillary level, a strong angiogenic response was found from day 7 onwards. Functional capillary density was raised in the MSC group to 197% compared to 132% in the control group (P<0.01). Paracrine expression of VEGF and iNOS, but not eNOS could be shown in the MSC group but not in the controls. In conclusion, we demonstrated that circulating bone marrow-derived MSCs home to perivascular sites in critically ischemic tissue, exhibits paracrine function and augment microhemodynamics. These effects were mediated through arteriogenesis and angiogenesis, which contributed to vascular regeneration.

Homing of mesenchymal stem cells in induced degenerative intervertebral discs in a whole organ culture system

Homing of human bone marrow-derived mesenchymal stem cells (BMSCs) was studied using ex vivo cultured bovine caudal intervertebral discs (IVDs).

Gerbu adjuvant modulates the immune response and thus the course of infection in C56BL/6 mice immunised with Echinococcus multilocularis rec14-3-3 protein

Vaccination with Echinococcus multilocularis 14-3-3 protein can protect mice against primary E. multilocularis infection. The present study investigated the efficacy and efficiency of the adjuvant muramyl dipeptide Gerbu, alone or together with recombinant 14-3-3 protein, to modulate the course of secondary E. multilocularis infection in C56BL/6 mice. The application of Gerbu alone already resulted in a parasite weight reduction when compared with infected control mice, while rec14-3-3 did not add to this effect. Immunological parameters were concurrently assessed with a mixed cell reaction including bone marrow-derived dendritic cells (BMDCs) together with lymph node cells from mice with or without immunisation and/or infection. While mice having received Gerbu adjuvant were found to highly proliferate in response to co-cultivation with 14-3-3-stimulated bone marrow dendritic cells, a sensitisation of BMDCs with vesicle fluid (VF) antigen lead to a striking decrease of the lymphoproliferative response in comparison to that of control mice, raising the hypothesis that immunosuppressive components may be part of this VF-antigen. Anti-14-3-3 antibody production was only found in those mice that had been previously 14-3-3-immunised, whereas all other only-infected mice failed to produce such antibodies. Conclusively, Gerbu adjuvant appears to directly generate a non-specific immune response that contributes to the control of the metacestode growth, putatively in association with a BMDC activity suppressed by components of the VF-antigen.

Differential modulation of ROS signals and other mitochondrial parameters by the antioxidants MitoQ, resveratrol and curcumin in human adipocytes

Abstract Mitochondrial reactive oxygen species (ROS) have been demonstrated to play an important role as signaling and regulating molecules in human adipocytes. In order to evaluate the differential modulating roles of antioxidants, we treated human adipocytes differentiated from human bone marrow-derived mesenchymal stem cells with MitoQ, resveratrol and curcumin. The effects on ROS, viability, mitochondrial respiration and intracellular ATP levels were examined. MitoQ lowered both oxidizing and reducing ROS. Resveratrol decreased reducing and curcumin oxidizing radicals only. All three substances slightly decreased state III respiration immediately after addition. After 24 h of treatment, MitoQ inhibited both basal and uncoupled oxygen consumption, whereas curcumin and resveratrol had no effect. Intracellular ATP levels were not altered. This demonstrates that MitoQ, resveratrol and curcumin exert potent modulating effects on ROS signaling in human adipocyte with marginal effects on metabolic parameters.

Migration of immature mouse DC across resting endothelium is mediated by ICAM-2 but independent of beta2-integrins and murine DC-SIGN homologues

Immature dendritic cells (DC) reside in tissues where they initiate immune responses by taking up foreign antigens. Since DC have a limited tissue half-life, the DC pool in tissues has to be replenished constantly. This implies that precursor/immature DC must be able to cross non-activated endothelium using as yet unknown mechanisms. Here we show that immature, but not mature bone marrow-derived murine DC migrate across resting endothelial monolayers in vitro. We find that endothelial intercellular adhesion molecule-2 (ICAM-2) is a major player in transendothelial migration (TEM) of immature DC, accounting for at least 41% of TEM. Surprisingly, the ICAM-2-mediated TEM was independent of beta2-integrins, the known ICAM-2 ligands, since neither blocking of beta2-integrins with antibodies nor the use of CD18-deficient DC affected the ICAM-2-specific TEM. In humans, the C-type lectin DC-specific ICAM-3-grabbing nonintegrin (DC-SIGN) was shown to interact with ICAM-2, suggesting a similar role in mice. However, we find that none of the murine DC-SIGN homologues mDC-SIGN, murine DC-SIGN-related molecule-1 (mSIGN-R1) and mSIGN-R3 is expressed on the surface of bone marrow-derived mouse DC. Taken together, this study shows that ICAM-2 strongly supports transmigration of immature DC across resting endothelium by interacting with ligands that are distinct from beta2-integrins and DC-SIGN homologues.

Systemically transferred hematopoietic stem cells home to the subretinal space and express RPE-65 in a mouse model of retinal pigment epithelium damage

Stem cell regeneration of damaged tissue has recently been reported in many different organs. Since the loss of retinal pigment epithelium (RPE) in the eye is associated with a major cause of visual loss - specifically, age-related macular degeneration - we investigated whether hematopoietic stem cells (HSC) given systemically can home to the damaged subretinal space and express markers of RPE lineage. Green fluorescent protein (GFP) cells of bone marrow origin were used in a sodium iodate (NaIO(3)) model of RPE damage in the mouse. The optimal time for adoptive transfer of bone marrow-derived stem cells relative to the time of injury and the optimal cell type [whole bone marrow, mobilized peripheral blood, HSC, facilitating cells (FC)] were determined by counting the number of GFP(+) cells in whole eye flat mounts. Immunocytochemistry was performed to identify the bone marrow origin of the cells in the RPE using antibodies for CD45, Sca-1, and c-kit, as well as the expression of the RPE-specific marker, RPE-65. The time at which bone marrow-derived cells were adoptively transferred relative to the time of NaIO(3) injection did not significantly influence the number of cells that homed to the subretinal space. At both one and two weeks after intravenous (i.v.) injection, GFP(+) cells of bone marrow origin were observed in the damaged subretinal space, at sites of RPE loss, but not in the normal subretinal space. The combined transplantation of HSC+FC cells appeared to favor the survival of the homed stem cells at two weeks, and RPE-65 was expressed by adoptively transferred HSC by four weeks. We have shown that systemically injected HSC homed to the subretinal space in the presence of RPE damage and that FC promoted survival of these cells. Furthermore, the RPE-specific marker RPE-65 was expressed on adoptively transferred HSC in the denuded areas.

Immunophenotypic changes of human articular chondrocytes during monolayer culture reflect bona fide dedifferentiation rather than amplification of progenitor cells

In this study, a time-course comparison of human articular chondrocytes (HAC) and bone marrow-derived mesenchymal stem cells (MSC) immunophenotype was performed in order to determine similarities/differences between both cell types during monolayer culture, and to identify HAC surface markers indicative of dedifferentiation. Our results show that dedifferentiated HAC can be distinguished from MSC by combining CD14, CD90, and CD105 expression, with dedifferentiated HAC being CD14+/CD90bright/CD105dim and MSC being CD14-/CD90dim/CD105bright. Surface markers on MSC showed little variation during the culture, whereas HAC showed upregulation of CD90, CD166, CD49c, CD44, CD10, CD26, CD49e, CD151, CD51/61, and CD81, and downregulation of CD49a, CD54, and CD14. Thus, dedifferentiated HAC appear as a bona fide cell population rather than a small population of MSC amplified during monolayer culture. While most of the HAC surface markers showed major changes at the beginning of the culture period (Passage 1-2), CD26 was upregulated and CD49a downregulated at later stages of the culture (Passage 3-4). To correlate changes in HAC surface markers with changes in extracellular matrix gene expression during monolayer culture, CD14 and CD90 mRNA levels were combined into a new differentiation index and compared with the established differentiation indices based on the ratios of mRNA levels of collagen type II to I (COL2/COL1) and of aggrecan to versican (AGG/VER). A correlation of CD14/CD90 ratio at the mRNA and protein level with the AGG/VER ratio during HAC dedifferentiation in monolayer culture validated CD14/CD90 as a new membrane and mRNA based HAC differentiation index.