Study of apoptotic deletion mediated by Bifidobacterium longum with construction of recombinant strains for Serpin encoding gene and phenotypes comparison in a pig cell model

The first part of the research project of the Co-Advisorship Ph.D Thesis was aimed to select the best Bifidobacterium longum strains suitable to set the basis of our study. We were looking for strains with the abilities to colonize the intestinal mucosa and with good adhesion capacities, so that we can test these strains to investigate their ability to induce apoptosis in “damaged” intestinal cells. Adhesion and apoptosis are the two process that we want to study to better understand the role of an adhesion protein that we have previously identified and that have top scores homologies with the recent serpin encoding gene identified in B. longum by Nestlè researchers. Bifidobacterium longum is a probiotic, known for its beneficial effects to the human gut and even for its immunomodulatory and antitumor activities. Recently, many studies have stressed out the intimate relation between probiotic bacteria and the GIT mucosa and their influence on human cellular homeostasis. We focused on the apoptotic deletion of cancer cells induced by B. longum. This has been valued in vitro, performing the incubation of three B.longum strains with enterocyte-like Caco- 2 cells, to evidence DNA fragmentation, a cornerstone of apoptosis. The three strains tested were defined for their adhesion properties using adhesion and autoaggregation assays. These features are considered necessary to select a probiotic strain. The three strains named B12, B18 and B2990 resulted respectively: “strong adherent”, “adherent” and “non adherent”. Then, bacteria were incubated with Caco-2 cells to investigate apoptotic deletion. Cocultures of Caco-2 cells with B. longum resulted positive in DNA fragmentation test, only when adherent strains were used (B12 and B18). These results indicate that the interaction with adherent B. longum can induce apoptotic deletion of Caco-2 cells, suggesting a role in cellular homeostasis of the gastrointestinal tract and in restoring the ecology of damaged colon tissues. These results were used to keep on researching and the strains tested were used as recipient of recombinant techniques aimed to originate new B.longum strains with enhanced capacity of apoptotic induction in “damaged” intestinal cells. To achieve this new goal it was decided to clone the serpin encoding gene of B. longum, so that we can understand its role in adhesion and apoptosis induction. Bifidobacterium longum has immunostimulant activity that in vitro can lead to apoptotic response of Caco-2 cell line. It secretes a hypothetical eukaryotic type serpin protein, which could be involved in this kind of deletion of damaged cells. We had previously characterised a protein that has homologies with the hypothetical serpin of B. longum (DD087853). In order to create Bifidobacterium serpin transformants, a B. longum cosmid library was screened with a PCR protocol using specific primers for serpin gene. After fragment extraction, the insert named S1 was sub-cloned into pRM2, an Escherichia coli - Bifidobacterium shuttle vector, to construct pRM3. Several protocols for B. longum transformation were performed and the best efficiency was obtained using MRS medium and raffinose. Finally bacterial cell supernatants were tested in a dotblot assay to detect antigens presence against anti-antitrypsin polyclonal antibody. The best signal was produced by one starin that has been renamed B. longum BLKS 7. Our research study was aimed to generate transformants able to over express serpin encoding gene, so that we can have the tools for a further study on bacterial apoptotic induction of Caco-2 cell line. After that we have originated new trasformants the next step to do was to test transformants abilities when exposed to an intestinal cell model. In fact, this part of the project was achieved in the Department of Biochemistry of the Medical Faculty of the University of Maribor, guest of the abroad supervisor of the Co-Advisorship Doctoral Thesis: Prof. Avrelija Cencic. In this study we examined the probiotic ability of some bacterial strains using intestinal cells from a 6 years old pig. The use of intestinal mammalian cells is essential to study this symbiosis and a functional cell model mimics a polarised epithelium in which enterocytes are separated by tight junctions. In this list of strains we have included the Bifidobacterium longum BKS7 transformant strain that we have previously originated; in order to compare its abilities. B. longum B12 wild type and B. longum BKS7 transformant and eight Lactobacillus strains of different sources were co-cultured with porcine small intestine epithelial cells (PSI C1) and porcine blood monocytes (PoM2) in Transwell filter inserts. The strains, including Lb. gasseri, Lb. fermentum, Lb. reuterii, Lb. plantarum and unidentified Lactobacillus from kenyan maasai milk and tanzanian coffee, were assayed for activation of cell lines, measuring nitric oxide by Griess reaction, H202 by tetramethylbenzidine reaction and O2 - by cytochrome C reduction. Cytotoxic effect by crystal violet staining and induction on metabolic activity by MTT cell proliferation assay were tested too. Transepithelial electrical resistance (TER) of polarised PSI C1 was measured during 48 hours co-culture. TER, used to observe epithelium permeability, decrease during pathogenesis and tissue becomes permeable to ion passive flow lowering epithelial barrier function. Probiotics can prevent or restore increased permeability. Lastly, dot-blot was achieved against Interleukin-6 of treated cells supernatants. The metabolic activity of PoM2 and PSI C1 increased slightly after co-culture not affecting mitochondrial functions. No strain was cytotoxic over PSI C1 and PoM2 and no cell activation was observed, as measured by the release of NO2, H202 and O2 - by PoM2 and PSI C1. During coculture TER of polarised PSI C1 was two-fold higher comparing with constant TER (~3000 ) of untreated cells. TER raise generated by bacteria maintains a low permeability of the epithelium. During treatment Interleukin-6 was detected in cell supernatants at several time points, confirming immunostimulant activity. All results were obtained using Lactobacillus paracasei Shirota e Carnobacterium divergens as controls. In conclusion we can state that both the list of putative probiotic bacteria and our new transformant strain of B. longum are not harmful when exposed to intestinal cells and could be selected as probiotics, because can strengthen epithelial barrier function and stimulate nonspecific immunity of intestinal cells on a pig cell model. Indeed, we have found out that none of the strains tested that have good adhesion abilities presents citotoxicity to the intestinal cells and that non of the strains tested can induce cell lines to produce high level of ROS, neither NO2. Moreover we have assayed even the capacity of producing certain citokynes that are correlated with immune response. The detection of Interleukin-6 was assayed in all our samples, including B.longum transformant BKS 7 strain, this result indicates that these bacteria can induce a non specific immune response in the intestinal cells. In fact, when we assayed the presence of Interferon-gamma in cells supernatant after bacterial exposure, we have no positive signals, that means that there is no activation of a specific immune response, thus confirming that these bacteria are not recognize as pathogen by the intestinal cells and are certainly not harmful for intestinal cells. The most important result is the measure of Trans Epithelial Electric Resistance that have shown how the intestinal barrier function get strengthen when cells are exposed to bacteria, due to a reduction of the epithelium permeability. We have now a new strain of B. longum that will be used for further studies above the mechanism of apoptotic induction to “damaged cells” and above the process of “restoring ecology”. This strain will be the basis to originate new transformant strains for Serpin encoding gene that must have better performance and shall be used one day even in clinical cases as in “gene therapy” for cancer treatment and prevention.

Die funktionelle Bedeutung von MSP und Lactadherin im Rahmen der Atherosklerose

Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Einfluss zweier möglicher Biomarker auf die Atherosklerose untersucht.rnMilk fat globule-EGF factor 8 (MFG-E8, Lactadherin) ist ein Glycoprotein, das vornehmlich von Makrophagen, glatten Muskelzellen und Endothelzellen sezerniert wird. MFG-E8-/--Mäuse zeigen vermehrt apoptotische Zellen in der atherosklerotischen Plaque, verstärkte Inflammationszeichen und vergrößerte Läsionen. In situ-Hybridisierung und Immunfluoreszenz zeigen eine starke Lactadherin-Expression in den Schaumzellen atherosklerotischer Plaques von Apo E-/-, Apo E-/-/GPx 1-/-und LDLR-/- Mäusen, vor allem in der Nähe des Lipid Core. Dort kolokalisiert Lactadherin mit dem Makrophagenmarker CD 68 und dem Chemokin Fraktalkin, das die MFG-E8 Sekretion stimuliert und so die Phagocytose forciert. Untersuchungen mittels RTD-PCR ergaben, dass Peritonealmakrophagen der Genotypen Apo E-/-, Apo E-/-/GPx 1-/- und GPx 1-/-, deren Gemeinsamkeit eine höhere Empfindlichkeit gegenüberrnoxidativem Stress ist, mehr Lactadherin exprimieren als andere Genotypen (B6, LDLR-/-). Die Inkubation muriner oder humaner Makrophagen mit oxLDL und eLDL hat keinen Einfluss auf die Expression der MFG-E8 mRNA. Der Kontakt mit apoptotischer Zellen hingegen erhöht die Expression signifikant. Lactadherin ist entscheidend für die effektive Phagozytose apoptotischer Zellen in der atherosklerotischen Läsion. Seine Expression wird vermutlich durch die Apoptose in der Nähe liegender Zellen und das verstärkte Vorkommen von ROS reguliert. Macrophage stimulating protein (MSP) übt Einfluss auf Migration, Proliferation und Phagocytose von Makrophagen aus. Seine Beteiligung an inflammatorischen Vorgängen und der Karzinogenese ist intensiv untersucht worden, nicht jedoch der Einfluss auf die Atherosklerose. Es ist bekannt, dass der SNP rs3197999 mit chronisch entzündlichen Darmerkrankungen (CED) assoziiert ist. Zudem geht er vermutlich mit einem erniedrigten Atheroskleroserisiko einher. Der Polymorphismus c2078t hat den Aminosäureaustausch R689C zur Folge. Rekombinant erzeugtes, mutantes und wildtypisches MSP induziert Migration und Proliferation bei THP-1-Makrophagen. MSPmut vermittelt dies jedoch wesentliche effektiver als MSPwt. Apoptose hingegen wird durch keine der Formen induziert. R689C führt zu einem “gain of function” des MSP-Proteins in Bezug auf die Proliferations- und Migrationsfähigkeit von Makrophagen und verändert vermutlich deren Cytokinfreisetzung. Dies führt möglicherweise zu einer erhöhten Phagocytoseeffizienz in der atherosklerotischen Läsion (erniedrigtes Atherosklerose-Risiko), und zu einer aberranten immunologischen Reaktion im Rahmen der CED (erhöhtes CED-Risiko).

Interactions of inhaled nanoparticles with the alveolar-capillary barrier of the human respiratory tract

In dieser Arbeit wurden zytotoxische Effekte sowie die inflammatorische Reaktionen des distalen respiratorischen Traktes nach Nanopartikelexposition untersucht. Besondere Aufmerksamkeit lag auch auf der Untersuchung unterschiedlicher zellulärer Aufnahmewege von Nanopartikeln wie z.B. Clathrin- oder Caveolae-vermittelte Endozytose oder auch Clathrin- und Caveolae-unabhängige Endozytose (mit möglicher Beteiligung von Flotillinen). Drei unterschiedliche Nanopartikel wurden hierbei gewählt: amorphes Silica (aSNP), Organosiloxan (AmorSil) und Poly(ethyleneimin) (PEI). Alle unterschiedlichen Materialien gewinnen zunehmend an Interesse für biomedizinische Forschungsrichtungen (drug and gene delivery). Insbesondere finden aSNPs auch in der Industrie vermehrt Anwendung, und stellen somit ein ernstzunehmendes Gesundheitsrisiko dar. Dieser wird dadurch zu einem begehrten Angriffsziel für pharmazeutische Verabreichungen von Medikamenten über Nanopartikel als Vehikel aber bietet zugleich auch eine Angriffsfläche für gesundheitsschädliche Nanomaterialien. Aus diesem Grund sollten die gesundheitsschädigenden Risiken, sowie das Schicksal von zellulär aufgenommenen NPs sorgfältig untersucht werden. In vivo Studien an der alveolaren-kapillaren Barriere sind recht umständlich. Aus diesem Grund wurde in dieser Arbeit ein Kokulturmodel benutzt, dass die Alveolar-Kapillare Barrier in vivo nachstellt. Das Model besteht aus dem humanen Lungenepithelzelltyp (z.B. NCI H441) und einem humanen microvasculären Endothelzelltyp (z.B. ISO-HAS-1), die auf entgegengesetzten Seiten eines Transwell-Filters ausgesät werden und eine dichte Barriere ausbilden. Die NP Interaktion mit Zellen in Kokultur wurde mit denen in konventioneller Monokultur verglichen, in der Zellen 24h vor dem Experiment ausgesät werden. Diese Studie zeigt, dass nicht nur die polarisierte Eigenschaft der Zellen in Kokultur sondern auch die unmittelbare Nähe von Epithel und Endothelzelle ausschlaggebend für durch aSNPs verursachte Effekte ist. Im Hinblick auf inflammatorische Marker (sICAM, IL-6, IL8-Ausschüttung), reagiert die Kokultur auf aSNPs empfindlicher als die konventionelle Monokultur, wohingegen die Epithelzellen in der Kokultur auf zytotoxikologischer Ebene (LDH-Ausschüttung) unempfindlicher auf aSNPs reagierten als die Zellen in Monokultur. Aufnahmestudien haben gezeigt, dass die Epithelzellen in Kokultur entschieden weniger NPs aufnehmen. Somit zeigen die H441 in der Kokultur ähnliche epitheliale Eigenschaften einer schützenden Barriere, wie sie auch in vivo zu finden sind. Obwohl eine ausreichende Aufnahme von NPs in H441 in Kokultur erreicht werden konnte, konnte ein Transport von NPs durch die epitheliale Schicht und eine Aufnahme in die endotheliale Schicht mit den gewählten Inkubationszeiten nicht gezeigt werden. Eine Clathrin- oder Caveolae-vermittelte Endozytose von NPs konnte mittels Immunfluoreszenz weder in der Mono- noch in der Kokultur nachgewiesen werden. Jedoch zeigte sich eine Akkumulation von NPs in Flotillin-1 und-2 enthaltende Vesikel in Epithelzellen aus beiden Kultursystemen. Ergebnisse mit Flotillin-inhibierten (siRNA) Epithelzellen, zeigten eine deutlich geringere Aufnahme von aSNPs. Zudem zeigte sich eine eine reduzierte Viabilität (MTS) von aSNP-behandelten Zellen. Dies deutet auf eine Beteiligung von Flotillinen an unbekannten (Clathrin oder Caveolae -unabhängig) Endozytosemechanismen und (oder) endosomaler Speicherung. Zusammenfassend waren die Aufnahmemechanismen für alle untesuchten NPs in konventioneller Monokultur und Kokultur vergleichbar, obwohl sich die Barriereeigenschaften deutlich unterscheiden. Diese Arbeit zeigt deutlich, dass sich die Zellen in Kokultur anders verhalten. Die Zellen erreichen hierbei einen höheren Differenzierungsgrad und eine Zellkommunikation mit anderen relevanten Zelltypen wird ermöglicht. Durch das Einbringen eines dritten relevanten Zelltyps in die Kokultur, des Alveolarmakrophagen (Zelllinie THP-1), welcher die erste Verteidigungsfront im Alveolus bildet, wird diese Aussage weiter bekräftigt. Erste Versuche haben gezeigt, dass die Triplekultur bezüglich ihrer Barriereeigenschaften und IL-8-Ausschüttung sensitiver auf z.B. TNF- oder LPS-Stimulation reagiert als die Kokultur. Verglichen mit konventionellen Monokulturen imitieren gut ausgebildete, multizelluräre Kokulturmodelle viel präziser das zelluläre Zusammenspiel im Körper. Darum liefern Nanopartikelinteraktionen mit dem in vitro-Triplekulturmodel aufschlussreichere Ergebnisse bezüglich umweltbedingter oder pharmazeutischer NP-Exposition in der distalen Lung als es uns bisher möglich war.

Vergleichende Untersuchungen zur funktionellen Wechselwirkung von T-Helferzellen, regulatorischen T-Zellen und dendritischen Zellen

Dendritische Zellen (DC) verbinden angeborene und adaptive Immunität. Abhängig vom Aktivierungsgrad vermitteln sie Toleranz oder Immunität. Hier wurden konventionelle DC (kDC) und plasmazytoide DC (pDC) hinsichtlich ihrer T-Zellstimulation in An- und Abwesenheit regulatorischer T Zellen (Treg) verglichen. Als starke T-Zellstimulatoren induzieren aktivierte kDC Treg-Proliferation. Proliferierende Treg sind nicht suppressiv, weshalb T-Effektorzellen nach kDC-Stimulation in Treg-Anwesenheit proliferieren. Demgegenüber vermitteln aktivierte pDC nur schwache T-Zellstimulation, die aber ausreicht T-Effektorzellproliferation auszulösen. Aktivierte pDC brechen aber nicht die Anergie von Treg und induzieren daher nicht ihre Proliferation. Trotz der geringen T-Zellstimulation sind pDC in der Lage Proliferation und Expansion von T-Effektorzellen in Treg-Gegenwart zu bewirken. Dies konnte auf ein insuffizientes pDC-vermitteltes T-Zellrezeptorsignal für Treg zurückgeführt werden, das keine funktionelle pDC-vermittelte Treg-Aktivierung bewirkt.rnUnter homöostatischen Bedingung vermitteln DC Toleranz, so induzieren unreife kDC Treg in der Peripherie. Hierbei ist eine ICOS-vermittelte Kostimulation essentiell für die Induktion des IL-10-Rezeptors auf T-Zellen. Ein gleichzeitiges starkes CD28-Signal überkommt den ICOS-vermittelten Effekt und wirkt der IL-10R-Expression entgegen. Daher führt nur die Stimulation mit unreifen kDC zu IL-10-sensitiven T-Zellen in denen dann ein anergischer Phänotyp etabliert wird, der Teil des Differenzierungsprozesses zur induzierten Treg ist. Die ICOS/ICOS-L-Interaktion ist somit zentral für die Aufrechterhaltung peripherer Toleranz.rn

Zur Rolle der Antigendosis in IgE-vermittelten Immunantworten und der allergischen Atemwegsentzündung

Die Verabreichung von hohen Antigendosen im Rahmen der allergenspezifischen Immuntherapie (SIT) resultiert in der Induktion einer allergenspezifischen Toleranz in sensibilisierten Patienten. Vorangegangene Studien der Klinischen Forschergruppe Allergie identifizierten CD4-CD8- doppelt-negative T-Zellen (dnTZ), welche nach wiederholter intraperitonealer Injektion von hohen Dosen (HD) des an das Adjuvans Aluminiumhydroxid adsorbierten Antigens Keyhole Limpet Hemocyanin in Mäusen induziert wurden, als potente Suppressorzellen für die IgE-Produktion. Mäuse, die hingegen mit niedrigen Dosen (LD) desselben Antigens behandelt wurden, entwickelten eine starke, persistierende IgE-Immunantwort. rnIm Fokus meiner Doktorarbeit stand die phänotypische Charakterisierung der dnTZ aus HD-Mäusen sowie die Aufklärung möglicher inhibitorischer Wirkmechanismen. In Erweiterung der bisherigen Arbeiten und in Anlehnung an die klinische Praxis bei der Durchführung der SIT habe ich bei meinen Untersuchungen die subkutane Injektion ohne Adjuvans als alternative Applikationsroute verwendet. In meinen Studien konnte ich durch die zusätzliche Verwendung des klinisch relevanten Allergens Ovalbumin die Allgemeingültigkeit des Konzepts der antigendosisabhängigen Regulation der IgE- Produktion durch dnTZ verifizieren. Die Vakzinierung mit hohen Antigendosen verhinderte die Ausbildung einer IgE-Produktion in antigenspezifischer Weise. HD- Mäuse wiesen in vitro eine geringere Aktivierung von TH2-Zellen als LD-Mäuse auf. Im Mausmodell der allergischen Atemwegsentzündung wiesen HD-Mäuse eine reduzierte Atemwegsreaktivität sowie eine geringere pulmonale TH2-Zytokin- produktion auf. rnIch konnte zudem tendenziell eine leicht erhöhte Anzahl von dnTZ in HD-Mäusen messen. Die in HD-Mäusen induzierten dnTZ habe ich durchflusszytometrisch charakterisiert, konnte jedoch keinen eindeutigen Marker für suppressive dnTZ identifizieren. In einem adoptiven Transferexperiment war eine T-Zellpopulation von HD-Mäusen aus der γδ-T-Zell-Rezeptor-tragende T-Zellen depletiert worden waren, ähnlich wie die Ausgangs-T-Zellpopulation in der Lage die IgE-Produktion in den Rezipienten zu inhibieren, was darauf schließen lässt, dass die untersuchten regulatorischen dnTZ einen αβ-T-Zell-Rezeptor exprimieren. rn

Die Rolle von Chemokinrezeptor CXCR4 und Connective Tissue Growth Factor innerhalb der Tumor-Stroma-Interaktion in der akuten myeloischen Leukämie

Die akute myeloische Leukämie (AML) ist eine heterogene Erkrankung der hämatopoetischen Vorläuferzelle, die durch unkontrollierte Vermehrung und ein reduziertes Differenzierungsverhalten gekennzeichnet ist. Aufgrund von Therapieresistenzen und häufig vorkommenden Rückfällen ist die AML mit einer schlechten Langzeitprognose verbunden. Neue Studienergebnisse zeigen, dass leukämische Zellen einer hierarchischen Ordnung unterliegen, an deren Spitze die leukämische Stammzelle (LSC) steht, welche den Tumor speist und ähnliche Charakteristika besitzt wie die hämatopoetische Stammzelle. Die LSC nutzt den Kontakt zu Zellen der hämatopoetischen Nische des Knochenmarks, um die erste Therapie zu überdauern und Resistenzen zu erwerben. Neue Therapieansätze versuchen diese Interaktion zwischen leukämischen Zellen und supportiv wirkenden Stromazellen anzugreifen. rnrnIn dieser Arbeit sollte die Bedeutung des CXC-Motiv Chemokinrezeptors Typ 4 (CXCR4) und des Connective Tissue Growth Factors (CTGF) innerhalb der AML-Stroma-Interaktion untersucht werden. CXCR4, der in vivo dafür sorgt, dass AML-Zellen in der Nische gehalten und geschützt werden, wurde durch den neuwertigen humanen CXCR4-spezifischen Antikörper BMS-936564/MDX-1338 in AML-Zelllinien und Patientenzellen in Zellkulturversuchen blockiert. Dies induzierte Apoptose sowie Differenzierung und führte in Kokulturversuchen zu einer Aufhebung des Stroma-vermittelten Schutzes gegenüber der Chemotherapie. Für diese Effekte musste teilweise ein sekundärer Antikörper verwendet werden, der die CXCR4-Moleküle miteinander kreuzvernetzt.rnDie Auswertung eines quantitativen Real time PCR (qPCR)-Arrays ergab, dass CTGF in der AML-Zelllinie Molm-14 nach Kontakt zu Stromazellen hochreguliert wird. Diese Hochregulation konnte in insgesamt drei AML-Zelllinien sowie in drei Patientenproben in qPCR- und Western Blot-Versuchen bestätigt werden. Weitere Untersuchungen zeigten, dass diese Hochregulation (i) unabhängig von der Stromazelllinie ist, (ii) den direkten Kontakt zum Stroma benötigt und (iii) auch unter hypoxischen Bedingungen, wie sie innerhalb des Knochenmarks vorherrschen, stattfindet. Der durch Zell-Zell- oder Zell-Matrix-Kontakt gesteuerte Hippo-Signalweg konnte aus folgenden Gründen als möglicher upstream-Regulationsmechanismus identifiziert werden: (i) Dessen zentraler Transkriptions-Kofaktor TAZ wurde in kokultivierten Molm-14-Zellen stabilisiert, (ii) der shRNA-gesteuerte Knockdown von TAZ führte zu einer reduzierten CTGF-Hochregulation, (iii) CTGF wurde in Abhängigkeit von der Zelldichte reguliert, (iv) Cysteine-rich angiogenic inducer 61 (Cyr61), ein weiteres Zielgen von TAZ, wurde in kokultivierten AML-Zellen ebenfalls verstärkt exprimiert. Der Knockdown von CTGF führte in vitro zu einer partiellen Aufhebung der Stroma-vermittelten Resistenz und die Blockierung von CTGF durch den Antikörper FG-3019 wirkte im AML-Mausmodell lebensverlängernd. rn rnDie Rolle von CTGF in der AML ist bisher nicht untersucht. Die vorliegenden Ergebnisse zeigen, dass CTGF ein interessantes Therapieziel in der AML darstellt. Es bedarf weiterer Untersuchungen, um die Bedeutung von CTGF in der Tumor-Stroma-Interaktion näher zu charakterisieren und nachgeschaltete Signalwege zu identifizieren.

Einfluss des Treg-Aktivierungsmarkers GARP auf die Differenzierung und Funktion von T-Zellen

CD4+CD25+FoxP3+ regulatorische T-Zellen (Treg) spielen eine essentielle Rolle bei der Unterdrückung von schädlichen Immunreaktionen. Da aktivierte CD4+ T-Helferzellen auch CD25 und FoxP3 exprimieren, können diese nicht als spezifische Marker zur Identifikation von Treg verwendet werden. Die Analyse der Membranproteinexpression beider Populationen führte zur Identifikation von GARP (glycoprotein A repetitions predominant) als spezifischer Marker auf aktivierten Treg. GARP bindet LAP und TGF-beta, welches für die Unterdrückung von entzündlichen T-Zellantworten von Bedeutung ist. Um die Funktion von GARP unabhängig von Treg zu untersuchen, wurde ein lösliches GARP Protein (sGARP) synthetisiert und sein Effekt auf die Aktivierung und Differenzierung von humanen T-Zellen untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass sGARP die Proliferation von naiven CD4+ T-Zellen supprimiert und zu einer Phosphorylierung von SMAD2/3 sowie zu der Induktion von FoxP3 führt. Zusätzlich inhibiert sGARP die Produktion von Effektorzytokinen wie IL-2 und IFN-gamma. Die Stimulation von naiven CD4+ T-Zellen mit sGARP induziert die Differenzierung zu Treg, welche in Kokultur die Aktivierung von T-Effektorzellen supprimieren. Die Wirkung war vergleichbar in naiven CD4+ und ruhenden CD4+CD45RA+ T-Zellen, konnte aber in differenzierten CD4+CD45RO+ T-Zellen nicht nachgewiesen werden. Die Induktion von FoxP3 und die Phosphorylierung von SMAD2/3 konnte durch eine Blockade des TGF-beta-Signalweges inhibiert werden. Dies lässt vermuten, dass die Funktion von sGARP zumindest teilweise von TGF-beta abhängig ist. Zusätzlich zu seiner passiven Rolle als TGF-beta-Transporter, induzierte sGARP die TGF-beta-Produktion in naiven T-Zellen und trägt so zum Mechanismus der infektiösen Toleranz bei. Des Weiteren fördert die Stimulation von sGARP in Anwesenheit von IL-6 und IL-23 die Differenzierung zu Th17 Zellen. rnNeben dem Einfluss von sGARP auf die Differenzierung von CD4+ T-Zellen, supprimiert sGARP die Proliferation und Granzyme B-Expression in CD8+ T-Zellen. rnFür die Analyse der immunmodulatorischen Funktion von sGARP in vivo wurde ein Modell einer xenogenen GvHD (graft-versus-host disease) verwendet. Der Transfer von humanen PBMC in neugeborene, immundefiziente Rag2-/-gamma-chain-/--Mäuse führt zu einer letalen GvHD, welche durch die Applikation von humanen Treg dosisabhängig unterdrückt werden kann. In diesem Modell konnte die repetitive Gabe von sGARP, ohne zusätzliche Zugabe von Treg, ebenfalls die GvHD unterdrücken. Dies lässt auf einen synergistischen Effekt von sGARP und Treg bei der Suppression inflammatorischer T-Zellantworten schließen. rnZusammengefasst lassen die Ergebnisse auf eine entscheidende Rolle von GARP in der Modulation der peripheren Toleranz folgern und zeigen sGARP als potentes Biological für die Behandlung von unerwünschten inflammatorischen Immunantworten.

New exposure system to evaluate the toxicity of (scooter) exhaust emissions in lung cells in vitro

A constantly growing number of scooters produce an increasing amount of potentially harmful emissions. Due to their engine technology, two-stroke scooters emit huge amounts of adverse substances, which can induce adverse pulmonary and cardiovascular health effects. The aim of this study was to develop a system to expose a characterized triple cell coculture model of the human epithelial airway barrier, to freshly produced and characterized total scooter exhaust emissions. In exposure chambers, cell cultures were exposed for 1 and 2 h to 1:100 diluted exhaust emissions and in the reference chamber to filtered ambient air, both controlled at 5% CO(2), 85% relative humidity, and 37 degrees C. The postexposure time was 0-24 h. Cytotoxicity, used to validate the exposure system, was significantly increased in exposed cell cultures after 8 h postexposure time. (Pro-) inflammatory chemo- and cytokine concentrations in the medium of exposed cells were significantly higher at the 12 h postexposure time point. It was shown that the described exposure system (with 2 h exposure duration, 8 and 24 h postexposure time, dilution of 1:100, flow of 2 L/min as optimal exposure conditions) can be used to evaluate the toxic potential of total exhaust emissions.

Role of hypoxia and growth and differentiation factor-5 on differentiation of human mesenchymal stem cells towards intervertebral nucleus pulposus-like cells

There is evidence that mesenchymal stem cells (MSCs) can differentiate towards an intervertebral disc (IVD)-like phenotype. We compared the standard chondrogenic protocol using transforming growth factor beta-1 (TGFß) to the effects of hypoxia, growth and differentiation factor-5 (GDF5), and coculture with bovine nucleus pulposus cells (bNPC). The efficacy of molecules recently discovered as possible nucleus pulposus (NP) markers to differentiate between chondrogenic and IVD-like differentiation was evaluated. MSCs were isolated from human bone marrow and encapsulated in alginate beads. Beads were cultured in DMEM (control) supplemented with TGFß or GDF5 or under indirect coculture with bNPC. All groups were incubated at low (2 %) or normal (20 %) oxygen tension for 28 days. Hypoxia increased aggrecan and collagen II gene expression in all groups. The hypoxic GDF5 and TGFß groups demonstrated most increased aggrecan and collagen II mRNA levels and glycosaminoglycan accumulation. Collagen I and X were most up-regulated in the TGFß groups. From the NP markers, cytokeratin-19 was expressed to highest extent in the hypoxic GDF5 groups; lowest expression was observed in the TGFß group. Levels of forkhead box F1 were down-regulated by TGFß and up-regulated by coculture with bNPC. Carbonic anhydrase 12 was also down-regulated in the TGFß group and showed highest expression in the GDF5 group cocultured with bNPC under hypoxia. Trends in gene expression regulation were confirmed on the protein level using immunohistochemistry. We conclude that hypoxia and GDF5 may be suitable for directing MSCs towards the IVD-like phenotype.

Pregnancy in patients with ankylosing spondylitis: do regulatory T cells play a role?

OBJECTIVE: To investigate the numerical and functional changes of CD4+CD25(high) regulatory T (Treg) cells during pregnancy and postpartum in patients with ankylosing spondylitis (AS). METHODS: The frequency of CD4+CD25(high) T cells was determined by flow cytometry in 10 pregnant and 5 nonpregnant patients with AS as well as in 14 pregnant and 4 nonpregnant healthy controls. Pregnant individuals were investigated at the third trimester and 8 weeks postpartum. Treg cells and CD4+CD25- effector T (Teff) cells separated by fluorescence-activated cell sorting were stimulated with anti-CD3 and anti-CD28 monoclonal antibodies, alone or in coculture, to investigate proliferation and cytokine secretion. RESULTS: The frequency of CD4+CD25(high) Treg cells was significantly higher during pregnancy than postpartum in both healthy control subjects and patients with AS. In contrast to Treg cells in healthy pregnant women, Treg cells in pregnant women with AS secreted only small amounts of interleukin-10 and showed lower suppression of tumor necrosis factor alpha and interferon-gamma secretion by CD4+CD25- Teff cells. At the postpartum time point, proinflammatory cytokine levels in the Treg/Teff cell cocultures and Teff cell monocultures were significantly higher in patients with AS than in healthy controls. CONCLUSION: Pregnancy influenced the expansion and cytokine secretion of Treg cells in both patients with AS and control subjects. However, the Treg cells of pregnant patients with AS failed to support an antiinflammatory cytokine milieu, thereby possibly contributing to the persistent disease activity of AS during pregnancy.

Wear particles and surface topographies are modulators of osteoclastogenesis in vitro

Prosthetic and osteosynthetic implants from metal alloys will be indispensable in orthopedic surgery, as long as tissue engineering and biodegradable bone substitutes do not lead to products that will be applied in clinical routine for the repair of bone, cartilage, and joint defects. Therefore, the elucidation of the interactions between the periprosthetic tissues and the implant remains of clinical relevance and several factors are known to affect the longevity of implants. Within this study, the effects of metal particles and surface topography on the recruitment of osteoclasts was investigated in vitro in a coculture of osteoblasts and bone marrow cells. The cells were grown in the presence of particles of different sizes and chemical composition or on metal discs with polished or sandblasted surfaces, respectively. At the end of the culture, newly formed osteoclasts were counted. Osteoclastogenesis was reduced when particles were added directly to the coculture. The effect depended on the size of the particles, small particles exerting stronger effects than larger ones. The chemical composition of the particles, however, did not affect the development of osteoclasts. In cocultures grown on sandblasted surfaces, osteoclasts developed at higher rates than they did in cultures on polished surfaces. The data demonstrate that wear particles and implant surfaces affect osteoclastogenesis and thus may be involved in the induction of local bone resorption and the formation of osteolytic lesions, leading eventually to the loosening of orthopedic implants.

Production of interferon-gamma by activated T-cell receptor-alphabeta CD8alphabeta intestinal intraepithelial lymphocytes is required and sufficient for disruption of the intestinal barrier integrity

Maintenance of intestinal epithelial barrier function is of vital importance in preventing uncontrolled influx of antigens and the potentially ensuing inflammatory disorders. Intestinal intraepithelial lymphocytes (IEL) are in intimate contact with epithelial cells and may critically regulate the epithelial barrier integrity. While a preserving impact has been ascribed to the T-cell receptor (TCR)-gammadelta subset of IEL, IEL have also been shown to attenuate the barrier function. The present study sought to clarify the effects of IEL by specifically investigating the influence of the TCR-alphabeta CD8alphabeta and TCR-alphabeta CD8alphaalpha subsets of IEL on the intestinal epithelial barrier integrity. To this end, an in vitro coculture system of the murine intestinal crypt-derived cell-line mIC(cl2) and syngeneic ex vivo isolated IEL was employed. Epithelial integrity was assessed by analysis of transepithelial resistance (TER) and paracellular flux of fluorescein isothiocyanate-conjugated (FITC-) dextran. The TCR-alphabeta CD8alphaalpha IEL and resting TCR-alphabeta CD8alphabeta IEL did not affect TER of mIC(cl2) or flux of FITC-dextran. In contrast, activated TCR-alphabeta CD8alphabeta IEL clearly disrupted the integrity of the mIC(cl2) monolayer. No disrupting effect was seen with activated TCR-alphabeta CD8alphabeta IEL from interferon-gamma knockout mice. These findings demonstrate that secretion of interferon-gamma by activated TCR-alphabeta CD8alphabeta IEL is strictly required and also sufficient for disrupting the intestinal epithelial barrier function.

Culture-induced changes in blood-brain barrier transcriptome: implications for amino-acid transporters in vivo

Tight homeostatic control of brain amino acids (AA) depends on transport by solute carrier family proteins expressed by the blood-brain barrier (BBB) microvascular endothelial cells (BMEC). To characterize the mouse BMEC transcriptome and probe culture-induced changes, microarray analyses of platelet endothelial cell adhesion molecule-1-positive (PECAM1(+)) endothelial cells (ppMBMECs) were compared with primary MBMECs (pMBMEC) cultured in the presence or absence of glial cells and with b.End5 endothelioma cell line. Selected cell marker and AA transporter mRNA levels were further verified by reverse transcription real-time PCR. Regardless of glial coculture, expression of a large subset of genes was strongly altered by a brief culture step. This is consistent with the known dependence of BMECs on in vivo interactions to maintain physiologic functions, for example, tight barrier formation, and their consequent dedifferentiation in culture. Seven (4F2hc, Lat1, Taut, Snat3, Snat5, Xpct, and Cat1) of nine AA transporter mRNAs highly expressed in freshly isolated ppMBMECs were strongly downregulated for all cultures and two (Snat2 and Eaat3) were variably regulated. In contrast, five AA transporter mRNAs with low expression in ppMBMECs, including y(+)Lat2, xCT, and Snat1, were upregulated by culture. We hypothesized that the AA transporters highly expressed in ppMBMECs and downregulated in culture have a major in vivo function for BBB transendothelial transport.

TH2 cytokines from malignant cells suppress TH1 responses and enforce a global TH2 bias in leukemic cutaneous T-cell lymphoma

PURPOSE In leukemic cutaneous T-cell lymphoma (L-CTCL), malignant T cells accumulate in the blood and give rise to widespread skin inflammation. Patients have intense pruritus, increased immunoglobulin E (IgE), and decreased T-helper (TH)-1 responses, and most die from infection. Depleting malignant T cells while preserving normal immunity is a clinical challenge. L-CTCL has been variably described as a malignancy of regulatory, TH2 and TH17 cells. EXPERIMENTAL DESIGN We analyzed phenotype and cytokine production in malignant and benign L-CTCL T cells, characterized the effects of malignant T cells on healthy T cells, and studied the immunomodulatory effects of treatment modalities in patients with L-CTCL. RESULTS Twelve out of 12 patients with L-CTCL overproduced TH2 cytokines. Remaining benign T cells were also strongly TH2 biased, suggesting a global TH2 skewing of the T-cell repertoire. Culture of benign T cells away from the malignant clone reduced TH2 and enhanced TH1 responses, but separate culture had no effect on malignant T cells. Coculture of healthy T cells with L-CTCL T cells reduced IFNγ production and neutralizing antibodies to interleukin (IL)-4 and IL-13 restored TH1 responses. In patients, enhanced TH1 responses were observed following a variety of treatment modalities that reduced malignant T-cell burden. CONCLUSIONS A global TH2 bias exists in both benign and malignant T cells in L-CTCL and may underlie the infectious susceptibility of patients. TH2 cytokines from malignant cells strongly inhibited TH1 responses. Our results suggest that therapies that inhibit TH2 cytokine activity, by virtue of their ability to improve TH1 responses, may have the potential to enhance both anticancer and antipathogen responses.

The ubiquitin-proteasome system is necessary for long-term synaptic depression in Aplysia.

The neuropeptide Phe-Met-Arg-Phe-NH(2) (FMRFa) can induce transcription-dependent long-term synaptic depression (LTD) in Aplysia sensorimotor synapses. We investigated the role of the ubiquitin-proteasome system and the regulation of one of its components, ubiquitin C-terminal hydrolase (ap-uch), in LTD. LTD was sensitive to presynaptic inhibition of the proteasome and was associated with upregulation of ap-uch mRNA and protein. This upregulation appeared to be mediated by CREB2, which is generally regarded as a transcription repressor. Binding of CREB2 to the promoter region of ap-uch was accompanied by histone hyperacetylation, suggesting that CREB2 cannot only inhibit but also promote gene expression. CREB2 was phosphorylated after FMRFa, and blocking phospho-CREB2 blocked LTD. In addition to changes in the expression of ap-uch, the synaptic vesicle-associated protein synapsin was downregulated in LTD in a proteasome-dependent manner. These results suggest that proteasome-mediated protein degradation is engaged in LTD and that CREB2 may act as a transcription activator under certain conditions.