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Dendritic cells are the sentinels between the innate and the adaptive immunity. They are professionals that capture invading pathogens, recognize specific microbial structures and induce naïve T lymphocytes to polarize into a specific T cell subset. To initiate the T cell polarization DCs secrete cytokines which are induced upon Toll-like receptor activation by microbial structures. The recognition of these structures and the discrimination between non-self and self structures by TLRs is fine tuned, but under defined circumstances deregulation of immune responses appears. Consequently, this can result in immune disorders such as autoimmunity, chronic inflammatory diseases or cancer. In this thesis the investigations are focused on the regulation of the IL-12 family members IL-12p70 and IL-23 in DCs. The objective was to investigate three different endogenous and exogenous factors that regulate IL-12p70 or IL-23. In the first part Selenium, an essential trace element and important factor in several metabolic pathways including the cellular redox status and reactive oxygen species (ROS) dependent signaling was applied as supplement in immature Langerhans cell culture. Because Selenium also plays a role in the immune system the TLR-induced IL-23 production of the DCs upon Selenium treatment was analyzed. In the immature Langerhans cell line XS-52 the strongest inducer of IL-23 was TLR4 ligand LPS. Furthermore increased levels of TLR4-induced IL-23 in cells treated with Selenium were detected in a concentration dependent manner. Whereas the IL-23 subunit p40 was upregulated upon Selenium treatment the second subunit p19 was completely unaffected. This effect was detected on mRNA and protein level. In addition, as expected, IFN-gamma inhibited the TLR4-induced IL-23 secretion of both, Selenium treated and untreated cells. In the second part of this thesis p47phox, an organizing protein of the NADPH oxidase was analyzed regarding its potential to regulate IL-12p70 and/or IL-23 secreted by different DC subtypes. Since it was demonstrated that p47phox deficiency is associated with enhanced autoimmunity and chronic inflammation we wanted to prove whether it has a function in addition to that within the NADPH oxidase. We found some hints that p47phox may be interact with proteins of the TLR signaling pathway and thus we hypothesized that p47phox may have a function for the regulation of TLR-mediated cytokine production in DCs. In several experiments with DCs from the spleen of different p47phox deficient mice we detected an increased production of TLR9-induced IL-12p70 compared to wild type cells. In contrast TLR4 stimulation with LPS displayed no significant differences between p47phox deficient and wild type cells. In spleen cells IL-23 was not detected. Confirming the results of this new negative feedback by p47phox on IL-12p70 rats, with a single nucleotide polymorphism in the p47phox gene, were investigated. Interestingly this polymorphism is located in the phosphorylation site of IRAK4, an important kinase in the TLR pathway. In rats with a methionine residue at this position in the p47phox protein enhanced IL-12p70 level were found, compared to the rats with threonine, which can be phosphorylated by IRAK4. All analyzed mice and rats have defects in the NADPH oxidase function due to a non functional p47phox protein which results in a defective ROS production. To determine whether the observed negative feedback mechanism is connected to the lack of ROS production experiments with gp91phox deficient mice, which also have a defective NADPH oxidase function, were performed. In several experiments the enhanced IL-12p70 production in cells from p47phox deficient mice could be confirmed, but no differences between gp91phox deficient and wild type mice have been observed. In further studies was found that the inhibition of the NADPH oxidase function did not alter the negative feedback on TLR9-induced IL-12p70 secretion by p47phox. Interestingly upon treatment with the inhibitor a feedback mechanism in wild type cells also after TLR4 stimulation was observed. Hence, blocking a ROS-dependent TLR4 pathway by the inhibitor uncovered the LPS induced ROS-independent pathway of the TLR4 signaling. These findings strongly approve a NADPH oxidase/ROS-independent function of p47phox in DCs. Because splenic DCs do not secrete IL-23, in vitro differentiated DCs from the bone marrow were investigated regarding the negative feedback mechanism. In DCs from p47phox deficient mice, differentiated with GM-CSF, the upregulation of IL-12p70 was confirmed, whereas Flt3-L cultured DCs did not display the negative feedback. In contrast to IL-12p70 no difference for the IL-23 production between wild type and p47phox deficient cells has been detected. Thus, we concluded that IL-23 production is not regulated by p47phox. IL-12p70 is the major cytokine in the Th1 polarization whereas IL-23 is important for the maintenance and survival of Th17 cells. To prove whether the regulation of IL-12p70 influences the T cell response immunization experiments closely resembling the classical DTH-like protocols were performed. Groups of p47phox deficient and wild type mice received either PBS, OVA alone or mixed with TLR9 ligand CpG2216 in IFA s.c. to activate and polarize naïve T cells towards Th1 or Th17 cells. After ten days isolated lymph node cells were incubated in an ELISA spot assay with or without OVA and the frequency of IFN-gamma and IL-17 producing T cells was quantified. In vitro recall of OVA immunization of wild type and p47phox deficient mice resulted in an increased IFN-gamma and IL-17 frequency in the p47phox deficient cells. The combination with CpG2216 as adjuvant and inducer of the 3rd signal enhanced the frequency of IFN-gamma and IL-17 producing T cells in wild type mice significantly. However, in p47phox deficient cells the IFN-gamma and IL-17 response, being already detectable without in vitro OVA re-stimulation, was strongly augmented upon OVA restimulation. These findings confirmed our in vitro data for IL-12p70. Hence, the data supports our hypothesis that the p47phox dependent regulation of IL-12p70 and the consequences for the T cell response is an important mechanism to prevent uncontrolled immune responses. In the last part of this thesis the immunomodulatory property of vitamin D3 on the IL-12p70 production of DCs was examined. Since it was shown that VD3 influences the differentiation and maturation of monocytes and DCs, splenic DCs from C57BL/6 and BALB/c mice were investigated regarding their IL-12p70 production after VD3 treatment. Spleen cells, stimulated with LPS or CpG2216, exhibited a decreased IL-12p70 production when treated with VD3 before stimulation phase. In contrast treatment with VD3 only during TLR stimulation had no influence on the IL-12p70 production. Since it was demonstrated that VD3 stimulates the expression of p47phox mRNA cells from p47phox deficient mice were also treated with VD3. In initial experiments only a slight inhibition of IL-12p70 has been detected in p47phox deficient cells compared to the wild type. In summary the thesis displays three different possibilities to influence the TLR-induced cytokine secretion of DCs, although with different intensities and specificities.
Naphthalan ist ein natürliches mineralisches Schweröl mit einem hohen Anteil an gesättigten bi- bis pentazyklischen Kohlenwasserstoffen (KW). Es wird heutzutage erfolgreich in der Behandlung der Psoriasis, einer hyperproliferativen Hauterkrankung mit gleichzeitig mangelhafter terminaler Differenzierung der Keratinozyten eingesetzt. Seine Wirkungsweise ist bisher aber nicht bekannt. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, den Einfluss von Naphthalan auf die Proliferation, Differenzierung und Toxizität von humanen Keratinozyten zu untersuchen und ggf. Rückschlüsse auf einen zu Grunde liegenden Wirkmechanismus zu ziehen. Für unsere Untersuchungen wurden zwei Fraktionen von Naphthalan verwendet: 1. eine durch Destillationsprozesse teilfraktionierte, bräunlich Subfraktion (NB) mit einem im Vergleich zur Ausgangssubstanz hohen Anteil an oligozyklischen gesättigten KW und einem sehr geringen Anteil an Aromaten und polaren KW. 2. eine farblose Subfraktion (NW), aus der die oligozyklischen gesättigten KW weitgehend entfernt wurden. Als Vergleich diente ein herkömmliches mineralisches Schweröl (MO). Die Effekte wurden an einer immortalisierten Zelllinie adulter humaner Keratinozyten (HaCaT) und an primären humanen Keratinozyten, die aus der Haut von Reduktionsplastiken isoliert wurden, untersucht, und zwar zeit- (24-72h) und konzentrationsabhängig (NB 0,001-1%; NW 0,001-1%, MO 0,01-10%). Die Untersuchung der Zellproliferation erfolgte mittels BrdU-ELISA, der Zytotoxizität mittels Trypanblau-Vitalfärbung/WST-1-Test und der Zelldifferenzierung mittels Durchflusszytometrie sowie mittels immunhistochemischer Färbung von Hautbiopsien von zuvor mit Naphthalan behandelten Patienten. Involucrin u. Cytokeratin 10/11 dienten als Zielantigene zur Untersuchung der Differenzierung. Für HaCaT- und primäre humane Keratinozyten ergab sich ein dosis- und zeitabhängiger Effekt von Naphthalan auf die Hemmung der Zellproliferation. Die max. Hemmung nach 48h betrug 89.82% (NB 1%) für HaCaT- und 71.62% (NB 1%) für primäre humane Keratinozyten (p􀂔0,0001). Bezüglich der Viabilität ergab sich im Trypanblau-Test lediglich nach prolongierter Inkubationsdauer von 48h unter NB 1% ein schwach signifikanter Effekt mit Nachweis von 14,68% avitalen HaCaT-Keratinozyten bzw. 9,54% avitalen primären humanen Keratinozyten. Hinsichtlich der Induktion der Zelldifferenzierung zeigten sich ebenfalls dosis- und zeitabhängige Effekte. Für den „frühen“ Differenzierungsmarker Cytokeratin 10/11 ergab sich für HaCaT-Keratinozyten ein max. Anstieg der Expression um 326,1% (NB 1%) und für primäre humane Keratinozyten um 264,18% (NB 1%) (p􀂔0,0002). Für den „späten“ Differenzierungsmarker Involucrin ergab sich erst nach einer prolongierten Inkubationsdauer von 48h ein signifikanter max. Anstieg der Expression um 4303,5% (NB 1%) für HaCaT-Keratinozyten und von 657,48% (NB 1%) für primäre humane Keratinozyten (p􀂔0,0002). Klinisch zeigte sich bei Patienten mit langjähriger therapierefraktärer Psoriasis nach 3-wöchiger topischer Naphthalan-Ganzkörpertherapie (1x/die 12min.) an einem Kollektiv von 5 bzw. 20 Patienten eine mittlere Reduktion des PASI-Scores von 20,2 auf 4,7 bzw. von 23,5 auf 8,3. Immunhistologisch zeigte sich eine Abnahme des Proliferationsindex von 29,3% auf 7,1%; die terminale Induktion der Keratinozytendifferenzierung konnte an der Zunahme der Cytokeratin 10/11- und Involucrin-Expression bestätigt werden. Histologisch zeigte sich eine weitgehende Normalisierung der durch Hyperproliferation, Akanthose, Hyper-/Parakeratose, Angiogenese, Vasodilatation und mononukleäre Zellinfiltration i.R. der Psoriasis gestörten Hautarchitektur. Zusammenfassend führt NB zu einer konzentrations- und zeitabhängigen hochsignifikanten Proliferationshemmung von HaCaT- und primären humanen Keratinozyten. Sie beruht nicht auf einem zytotoxischen Effekt auf die Zellen. Die Wirkung ist abhängig von den spezifischen Bestandteilen von NB, insbesondere den oligozyklischen gesättigten KW, i.e. Sterane und Hopane, die in NW und herkömmlichem Schweröl fast bzw. gar nicht vorkommen. NB führt weiterhin zu einer hochsignifikanten Zunahme der Cytokeratin 10/11- und Involucrin-Expression, zweier Markerproteine der terminalen Keratinozytendifferenzierung. Somit liegt die Ursache der Proliferationsinhibition und der klinischen Wirksamkeit von Naphthalan in der Induktion der terminalen Zelldifferenzierung. Aufgrund der einfachen topischen Anwendungsmöglichkeit, guter Verträglichkeit bei bisher nicht nachgewiesenen systemischen Nebenwirkungen, der erfolgreichen Anwendung auch in bisher therapierefraktären Fällen und aufgrund ökonomischer Betrachtungen erscheint Naphthalan als eine mögliche Therapieoption in der Behandlung der Psoriasis. Dies sollte in größeren, kontrollierten klinischen Studien überprüft werden. Gaschromatographische und massenspektrometrische Untersuchungen zeigten eine cluster-förmige Anhäufung von oligozyklischen KW aus der Gruppe der Sterane und Hopane. Der Vergleich mit strukturanalogen Substanzen (u.a. Vitamin D) legt einen Wirkmechanismus über eine MAP-Kinase-Kaskade vermittelte Modulation der Expression von Differenzierungsmarkern (Involucrin, Cytokeratin 10/11) über verschiedene Transkriptionsfaktoren, i.e. AP-1/-2, C/EBP, nahe. Hier sind zur genauen Klärung weitere Untersuchungen notwendig. Durch weitere Subfraktionierung könnte vielleicht das aktive Substrat einer möglicherweise neuen Substanzklasse isoliert werden.