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IL-12-related cytokines produced by dendritic cells are considered to be major inducers of adaptive immune system activation upon innate antigen-sensing. IL-23 specifically is currently being discussed to support the differentiation of potentially auto-aggressive Th17 cells. Prostaglandins as bystander cell products are known to modulate the translation of this process. While previous studies focused therefore on IL-12, ignoring the existence of new IL-12-related cytokines IL-23 and IL-27, this study analysed effects of prostaglandin E2, D2 and 15d-PGJ2 on the secretion pattern of these subunits in the murine immature Langerhans cell line XS52 and the murine immature myeloid dendritic cell line JawsII under TLR4 (LPS) and TLR9 (CpG) stimulation as well as effects of prostaglandins on the murine Th1 cell line IF12 in coculture and upon Con A treatment. In serial semi-quantitative RT-PCR of the IL-12 related cytokines of the XS52 cell line and the JawsII cell line, the p40 subunit was upregulated in both DC cell lines upon TLR-stimulation, the IL-23p19 subunit constantly expressed in XS52 and upregulated in JawsII upon TLR-stimulation, while the IL-27p28 subunit was only weekly expressed under additional stimulating aCD40 Ab treatment. IL-12p35 could only be detected in the immature myeloid cell line. The protein expression of the p40 subunit was measured in Western blot assays following SDS-PAGE under reducing conditions in XS52. The Western blot-based antibody specification allowed the establishment of a p40-specific ELISPOT assays, where overadditive upregulation of the number of LPS-stimulated spot forming XS52 cells was observed under stimulation with PGE2 while PGD2 depressed the number of LPS-stimulated cytokine secreting cells. Contrary IL-12p40 could not be detected in supernatants of the JawsII cell line. Both DC cell lines were further tested for differential response towards different TLR stimulation described as a defining feature of DC subsets. While subunit expression on transcription level did not differ, only LPS-treatment led to constant IL-12p40 expression in supernatants of XS52. CpG-treatment of XS52 cells led to constantly high IL-12p40 levels under additional aCD40 Ab treatment. In IFN-g ELISPOT assays, prostaglandin effects were further analysed in IF12 Th1 cells upon Con A treatment or alternatively upon treatment in a coculture model with the syngeneic cell line XS52 and the T lymphocyte-specific protein ovalbumin. While PGE2 depressed the amount of activated Th1, PGD2 showed no effect. In conclusion, a coculture model has been generated that allows the analysis of DC and TC interactions. The importance of prostaglandins as differential regulators in time- and tissue-dependence in inflammatory processes has been demonstrated. These results accord with recent observations of an upregulation of IL-23 secretion upon PGE2 treatment.
Spatio-temporal dynamics of primary lymphoid follicles during organogenesis and lymphneogenesis
(2007)
Primary lymphoid follicles are structures which are important for adaptive immune responses in mammals. Within the follicles follicular dendritic cells (FDC) are maintained by constant stimuli provided by B cells. It is thought that the FDC are important for immune response. It is of interest to know how lymphoid follicles are regulated in order to understand their role in various autoimmune diseases in which these follicles are created ectopically. With the help of a tissue simulation relying on an agent-based cell model on top of a regular triangulation various scenarios suggested by the available experimental data have been investigated. In order to cope with the complexity in the simulation of immune tissue the regular triangulation has been implemented for the use on parallel computers. The algorithms for kinetic and dynamic regular triangulation have been created newly. Also the cell model underlying the simulation has been designed newly in many aspects. The simulations allowed to identify common factors that regulate the formation of lymphoid follicles normally during organogenesis in development and lymphneogenesis in the course of diseases. The generation of FDC from local stromal populations under the influence of B cell aggregates is shown to be possible with the given experimental parameters. The sequence of the organogenesis and lymphneogenesis can be described with regard to the morphology of the B and T zone. Tests for the stability of the primary lymphoid follicle system constraints the regulation of the B cell efflux. The required lymphatic vessels around the lymphoid follicle are shown to be negatively correlated with the FDC network. Moreover it is shown that the adjacent T zone consisting of its own stromal population and T cells has similar regulation principles. This easily explains the intermediate ring of B cells found around the T zone during development and certain signaling molecule deficiencies. A major result of this thesis is that the generation of FDC needs negative regulation while a number of other possible mechanisms is incompatible with the available experimental data. Moreover the observed microanatomy was brought into a functional relationship with data on the cellular level finally culminating in the proposal of new experiments that shed light on the dynamics of the primary lymphoid follicle. One conclusion is that the FDC directly or indirectly influence the angiogenesis and lymphangiogenesis processes in secondary lymphoid tissues. The work presented here may help to guide experiments with the help of computers in order to reduce the amount of experiments and design them in a way to maximize the amount of information about biological systems.
Das CD-44-Molekül ist ein membranständiger Oberflächenrezeptor, der als Adhäsionselement von Tumorzellen im Rahmen der Metastasierung genutzt wird. Berichte verweisen auf eine direkte Korrelation zwischen CD-44-Expression eines Tumors und der klinischen Prognose. Darüber hinaus kann der CD-44-Rezeptor auch intrazelluläre Signalwege aktivieren, und als solches Signalelement in die Regulation des Zellzyklus eingreifen.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde postuliert, dass der CD-44-Rezeptor zellzyklusabhängige Veränderungen erfährt und sich daraus Modifikationen des Adhäsionsverhaltens von Tumorzellen ergeben.
Repräsentativ wurde an der Magenkarzinom-Zell-Linie MKN-45 die CD-44-Expression bzw. dessen Splice-Varianten während des Zellzyklus fluorometrisch untersucht (FACS-Analyse, konfokale Laserscan-Mikroskopie). Parallel wurde das Adhäsionsverhalten an isolierten und kultivierten humanen Endothelzellen evaluiert. Die Tumorzellen wurden zuvor mittels Aphidicolin synchronisiert. Als Kontrolle dienten nicht-synchronisierte Zellen.
Die Untersuchungen verdeutlichten eine spezifische Expression der CD-44-Varianten CD44v4, CD44v5, CD44v7. Die Inkubation der Tumorzellen mit Aphidicolin bewirkte eine ausgeprägte Akkumulation von MKN-45-Zellen in der S-Phase. Nach Absetzen des Aphidicolins und Freisetzung in den Zellzyklus kam es zur signifikanten zyklusabhängigen Modulation der Rezeptorexpression. CD44v4, CD44v5 und CD44v7 waren in der G2/MPhase gegenüber der G0/G1- und S-Phase deutlich vermehrt auf der Membran detektierbar. In der G2/M-Phase erhöhte sich zudem signifikant die Adhäsionskapazität der MKN-45-Zellen. Blockadestudien mit gegen die CD-44-Varianten gerichteten monoklonalen Antikörpern belegten die CD-44-abhängige Tumorzell-Endothelzell-Interaktion.
Die Studien belegen zumindest am in vitro Zellkulturmodell die zellzyklus-gesteuerte CD-44-Expression und CD-44-abhängige Invasionseigenschaften von Tumorzellen. Es lässt sich daraus ableiten, dass eine anti-tumorale Therapie an zuvor synchronisierten Tumorzellen womöglich besonders effektiv sein kann. Auch die pharmakologische Blockade des CD-44-Rezeptors könnte einen anti-tumoralen Effekt besitzen.
Zur Rolle der Typ-I-Interferone in der Abwehr von viralen Infektionen des zentralen Nervensystems
(2007)
Das zentrale Nervensystem (ZNS) bildet eine einzigartige Umgebung für Immunantworten, da Neuronen eine essentielle und in weiten Teilen nicht-erneuerbare Zellpopulation bilden. Virale Infektionen des ZNS und lokale anti-virale Immunantworten können zu dem Verlust von Neuronen und somit zu katastrophalen Erkrankungen führen. Unter normalen Bedingungen ist das ZNS weitgehend von der Kontrolle durch das Immunsystem ausgeschlossen. In diesem Zusammenhang wurde das ZNS oft auch als „immunprivilegiert“ bezeichnet. Dieses Konzept musste in den letzten Jahren revidiert werden, da es sich gezeigt hat, dass das ZNS nicht völlig vom Immungeschehen isoliert ist. Wichtige Mediatoren antiviraler Immunantworten sind die Typ I Interferone (IFN). Die verschiedenen Typ I IFN binden an einen gemeinsamen Rezeptor, den Typ I Interferon-rezeptor (IFNAR). Die Bedeutung von Typ I IFN Antworten für die Kontrolle viraler Infektionen wurde besonders eindrucksvoll mit IFNAR-defizienten Mäusen (IFNAR-/-) gezeigt. Nach Infektion mit dem neurotropen Vesikulären Stomatitis Virus (VSV) führt das Fehlen des IFNAR zu einer stark erhöhten Empfänglichkeit für tödlich verlaufende Infektionen. In allen Organen und besonders im ZNS von VSV infizierten IFNAR-/- Tieren fanden sich stark erhöhte Virusmengen. Um zu untersuchen, ob die VSV-Infektion des zentralen Nervensystems in IFNAR-/- Mäusen in erster Linie auf ein Versagen der peripheren Immunität oder des IFN Systems innerhalb des ZNS zurückzuführen ist, wurden mittels der Cre loxP Tech-nologie Mäuse hergestellt, die auf allen peripheren Zellen IFNAR exprimieren, während die Neuronen des ZNS IFNAR defizient sind (NesCre+/-IFNARflox/flox). Nach intranasaler VSV Infektion zeigten NesCre+/-IFNARflox/flox Mäuse zunächst keine Krankheitssymptome. Nach 5 bis 6 Tagen traten aber aufsteigende und halbseitige Lähmungen auf, so dass die infizierten Tiere verstärkt im Kreis liefen und schließlich verstarben. Im Vergleich dazu verstarben IFNAR-/- Mäuse bereits nach 2 bis 3 Tagen während normale C57BL/6 Tiere nach Infektion keine Symptome zeigten und überlebten. Der beobachtete Krankheitsverlauf lässt in den IFNAR-/- Mäuse auf ein Multiorganversagen als Todesursache schließen. 3 und 6 Tage nach Infektion konnte in den Organen von C57BL/6 Tieren kein Virus reisoliert werden. In den NesCre+/ IFNARflox/flox Tieren fanden sich zum Todeszeitpunkt nur im Gehirn Viruspar-tikel, während alle anderen Organe virusfrei waren. Die Virustiter im Hirn waren im Vergleich zu den IFNAR-/- Mäusen 10- bis 100-fach erhöht. In den anderen Organen und im Blut sind keine Viruspartikel nachweisbar. Dieser Befund deutete gemeinsam mit den beobachteten Krankheitsverläufen auf eine neuropathologische Symptomatik hin, bei der es wahrscheinlich zu einer VSV-Infektion des Hirnstammes kam. Die Analyse einzelner Regionen des ZNS zeigte in IFNAR-/- Tieren, dass 2 Tage nach Infektion in allen Regionen des ZNS signifikante Virusmengen zu finden waren. In den NesCre+/-IFNARflox/flox und den C57BL/6 Tieren fanden sich zu diesem Zeitpunkt nur im Riechhirn (Bulbus olfactorius) signifikante Virustiter. In den C57BL/6 Tieren blieb das Virus auf diese Region beschränkt und wurde dort innerhalb von 6 Tagen eliminiert. In den NesCre+/-IFNARflox/flox Tieren kam es in den folgenden Tagen jedoch zu einer fortschreitenden Infektion des ZNS, und auch das Großhirn, das Kleinhirn, der Hirn-stamm und das Rückenmark zeigten hohe Virustiter. In der Induktion peripherer Immunantworten unterschieden sich NesCre+/-IFNARflox/flox und C57BL/6 Mäuse nicht. In den WT Tieren kam es im Gegensatz zu den NesCre+/ IFNARflox/flox und IFNAR-/- Tieren innerhalb von 48 Stunden nach Infektion im Riechhirn zu einer Typ I IFN abhängigen Phosphorylierung von STAT-1, einer Komponente des IFNAR-Signaltransduktionsweges. Alles deutet darauf hin, dass die Induktion geringer Mengen Typ I IFN innerhalb des Riechhirns notwendig ist, um Im-munantworten zu aktivieren, die ein Übergreifen der Virusinfektion auf andere Regio-nen des ZNS verhindern. Eine funktionierende Immunität in der Peripherie und die Blut-Hirn-Schranke scheinen nicht ausreichend zu sein, um eine Infektion des ZNS mit VSV zu verhindern. Stattdessen muss es zur Aktivierung von IFN-abhängigen Mechanismen innerhalb des Riechhirns kommen, die ein Übergreifen der VSV Infektion auf andere Hirnregionen verhindert und zur Elimination von VSV im Riechhirn beiträgt.
Die Maillard-Reaktion findet während der Lagerung und thermischen Verarbeitung von Lebensmitteln zwischen den darin enthaltenen Proteinen und reduzierenden Kohlehydraten statt. Als Ergebnis der Reaktion entstehen sogenannte advanced glycation end products (AGEs), Protein-Derivate mit Glykierungs-Strukturen. Da Lebensmittel vor dem Verzehr häufig erhitzt werden, ist der Einfluss von AGEs auf die Pathogenese von Nahrungsmittelallergien von großem Interesse. Die Maillard-Reaktion könnte zur Bildung von neuen, für die Pathogenese der Nahrungsmittelallergie relevanten, Immunepitopen beitragen. Das Ziel dieser Arbeit war es, den Einfluss der Maillard-Reaktion auf die T-Zell-Immunogenität, die Antigenität und die von beiden Eigenschaften abhängige Allergenität von Nahrungsmittelallergenen zu untersuchen. Zunächst wurde der Einfluss der Maillard-Reaktion auf die T-Zell-Immunogenität von Ovalbumin (OVA), einem Allergen des Hühnereiweißes, untersucht. Dafür wurde glykiertes OVA (AGE-OVA) hergestellt indem das Protein zusammen mit Glukose erhitzt wurde. In dieser Arbeit konnte zum ersten Mal gezeigt werden, dass ein AGE-Derivat eines Lebensmittelallergens eine höhere T-Zellen-Immunogenität besitzt, als sein natives Gegenstück. Die Aktivierung und Proliferation von CD4+ T-Zellen durch AGE-OVA wurde in vitro durch Co-Kultivierung der T-Zellen mit dendritischen Zellen (DZ) untersucht. DZ sind professionelle Antigen- präsentierende Zellen, welche im Pathomechanismus der Allergie eine wichtige Rolle spielen. Im Vergleich zu nativen OVA und OVA welches ohne Glukose erhitzt wurde, führte die Stimulierung mit AGE-OVA zu einer deutlich erhöhten Aktivierung von OVA-spezifischen CD4+ T-Zellen. Damit DZ T-Zellen aktivieren können, muss das Allergen zunächst durch die DZ aufgenommen werden. In der vorliegenden Arbeit wurde gezeigt, dass die Aufnahme von AGE-OVA wesentlich höher war als die der Kontrollen. Außerdem konnte der scavenger receptor class A type I and II (SR-AI/II) als einer der hauptverantwortlichen Rezeptoren für die Aufnahme von AGE-OVA identifiziert werden. Zusammenfassend lässt sich aus den Ergebnissen dieser Arbeit die Hypothese aufstellen, dass die Glykierung von OVA eine erhöhte Assoziation des Allergens mit SR-AI/II ermöglicht, welche zu einer verstärkten Aufnahme des Allergens durch die DZ führt. Dadurch können mehr Peptide des Allergens an MHC II gebunden und auf der Zelloberfläche präsentiert werden. Das wiederum führt zur beobachteten stärkeren OVA-spezifischen CD4+ T-Zell-Aktivierung durch AGE-OVA. Als nächstes wurde die T-Zell-Immunogenität und Antigenität von AGE-OVA in vivo in einem Mausmodel untersucht. Es zeigte sich, dass AGE-OVA auch in vivo im Vergleich zu den nicht glykierten OVA-Formen eine erhöhte T-Zell-Immunogenität besitzt. Des weiteren führte die Immunisierung mit AGE-OVA zu einer erhöhten Produktion von IgE-Antikörpern. Somit wurde in dieser Arbeit gezeigt, dass AGE-OVA in vivo nicht nur eine erhöhte CD4+ T-Zell-Immunogenität besitzt, sondern auch eine höhere Antigenität hat als natives und ohne Glukose erhitztes OVA. Diese Ergebnisse harmonieren gut miteinander da CD4+ T-Zellen eine zentrale Rolle in der Aktivierung von B-Zellen und der IgE-Produktion durch selbige Zellen spielen. IgE-Antikörper besitzen eine essentielle Funktion beim Auslösen der klinischen Symptomatik der Allergie. Zusammenfassend lässt deshalb sagen, dass die Maillard-Reaktion die Allergenität von OVA erhöhen könnte. Zum Schluss wurden noch die immunstimulatorischen Eigenschaften des Erdnussallergens (AGE)-Ara h 2 untersucht. Da Erdnüsse häufig ernsthafte allergische Reaktionen hervorrufen und selten roh verzehrt werden, war es vom großen Interesse den Einfluss der Maillard-Reaktion auf Immunogenität und Antigenität von rekombinanten Ara h 2 (rAra h 2) zu untersuchen. Es zeigte sich, dass die Glykierung von rAra h 2 durch die Maillard-Reaktion die T-Zellen-Immunogenität, als auch die Antigenität des Allergens reduziert. Abschließend lässt sich sagen, dass die Maillard-Reaktion die allergenen Eigenschaften von Lebensmittelallergenen erheblich beeinflusst indem es die T-Zell-Immunogenität des Allergens verändert. Die Mechanismen welche die T-Zell-Immunogenität beeinflussen wurden hier näher untersucht. Wenn die Glykierung nicht die Bindung der T-Zellen- und/oder B-Zellen-Rezeptoren inhibiert, wird die Allergen-spezifische CD4+ T-Zell-Aktivierung und die davon abhängige IgE-Produktion dadurch erhöht, dass das glykierte Allergen durch DZ verstärkt über SR-AI/II aufgenommen wird. Die vorliegende Arbeit liefert wertvolle Information über die Allergenität von Proteinen die durch die Maillard-Reaktion modifiziert wurden and trägt dazu bei die Mechanismen von Nahrungsmittelallergien besser zu verstehen.
In jüngster Zeit werden vom humanen Immundefizienzvirus-1-abgeleitete lentivirale Vektoren auch in der Gentherapie eingesetzt. Obwohl diese Vektoren nicht-mitotische Zellen transduzieren können, sind sie für einen Gentransfer in primäre ruhende Zellen oft nicht geeignet. In der Abteilung „Medizinische Biotechnologie“ des Paul-Ehrlich-Insituts wurde ein vom simianen Immundefizienzvirus SIVsmmPBj-abgeleiteter lentiviraler Vektor entwickelt, welcher im Gegensatz zu HIV-1-abgeleiteten Vektoren effizient in der G0-Phase des Zellzyklus arretierte humane Fibroblasten und humane primäre Monozyten transduzieren kann (Mühlebach et al., 2005). Im dieser Arbeit wurde das Potenzial dieses neuen Vektors für mögliche Anwendungen in der Gentherapie untersucht, indem seine Transduktionsfähigkeit für weitere primäre Zellen bestimmt wurde. Dabei waren humane hämatopoetische Stammzellen von besonderem Interesse, da sie die Vorläuferzellen aller Zellen des Blutes sind und die Eigenschaft zur Selbsterneuerung besitzen. Die Effizienz des Gentransfers in unstimulierten Stammzellen mit dem SIVsmmPBj-Vektor war jedoch nicht höher als mit anderen lentiviralen Vektoren. Interessanterweise konnte aber ein Einfluss der lentiviralen Vektoren auf das in vitro-Differenzierungspotenzial der transduzierten Stammzellen in die verschiedenen Vorläuferzellen beobachtet werden: Nach Transduktion mit dem SIVsmmPBj- und einem HIV-2-abgeleiteten Vektor differenzierten die Stammzellen bevorzugt in granulozytäre Vorläuferzellen, während die Transduktion mit einem HIV-1-abgeleiteten Vektor die Anzahl aller Vorläuferzellen deutlich reduzierte und insbesonders die Differenzierung in Makrophagenvorläuferzellen verminderte. Zur Untersuchung ihres Differenzierungs-potenzials in vivo wurden transduzierte hämatopoetische Stammzellen zur Repopulierung des Knochenmarks von NOD/SCID-Mäusen eingesetzt. Hierbei wurde jedoch kein Einfluss der verschiedenen lentiviralen Vektoren auf die Differenzierung der Stammzellen beobachtet. Allerdings konnte nur in einem sehr geringen Anteil der transplantierten Zellen eine Expression des übertragenen Gens nachgewiesen werden, so dass nicht ausgeschlossen werden kann, dass die transduzierten Zellen die Fähigkeit zur Repopulierung verloren hatten. Insgesamt ist jedoch zu sagen, dass entgegen der Erwartungen der neue Vektor keinen Vorteil gegenüber HIV-1-Vektoren zur Transduktion von hämatopoetischen Stammzellen aufweist. Weiter wurde die Transduktionsfähigkeit des SIVsmmPBj-Vekors für humanen B-Lymphozyten, Makrophagen und dendritische Zellen untersucht. Auf ruhenden B-Lymphozyten besaß der SIVsmmPBj-Vektor keinen Transduktionsvorteil gegenüber einem HIV-1-abgeleiteten Vektor, während Makrophagen und dendritische Zellen mit signifikant höherer Effizienz transduziert werden konnten. Die hohe Transduktionseffizienz des SIVsmmPBj-Vektors für Monozyten und dendritische Zellen eröffnet die Möglichkeit einer Anwendung in der Immuntherapie, da dendritische Zellen die professionellsten und effektivsten Antigen-präsentierenden Zellen sind. Daher wurde die generelle Eignung des SIVsmmPBj-Vektors für immuntherapeutische Anwendungen untersucht. Ein Tumor-assoziiertes Antigen (Mart-1) wurde in Monozyten übertragen und die transduzierten Zellen zu reifen dendritischen Zellen maturiert. Diese Zellen besaßen die Fähigkeit, Antigen-spezifische zytotoxische T-Zellen zu generieren, deren Funktion durch Sekretion von Zytokinen, in Einzelfällen auch durch spezifische Lyse von Mart-exprimierenden Tumorzellen nachgewiesen wurde. Weiterhin wurde gezeigt, dass nach Transduktion von Monozyten und deren Differenzierung zu Makrophagen auch diese prinzipiell in der Lage sind, Antigen-spezifische zytotoxische T-Zellen zu generieren. Obwohl hier keine vergleichenden Untersuchungen zur Effizienz des T-Zell-Primings durchgeführt werden konnten, ist die prinzipielle Eignung des SIVsmmPBj-abgeleiteten Vektors für eine Immuntherapie damit nachgewiesen. Schließlich wurde untersucht, ob die Maus oder nicht-menschliche Primaten als Tiermodelle für eine mögliche Weiterentwicklung des Vektors in Frage kommen. Murine Monozyten konnten jedoch nicht effizient transduziert werden. Hingegen erwies sich der SIVsmmPBj-Vektor als gut geeignet zur Transduktion von simianen Monozyten, so dass ein Affenmodell für Anwendungen des SIVsmmPBj-Vektors, wie beispielsweise zur Tumor-Immuntherapie oder für Vakzinierungsstudien, in Frage kommt.
Mathematische Methoden in der Biologie haben sich in den vergangenen 25 Jahren zunehmend etabliert. Etwa in den Bereichen der Entwicklung von Organen und Organismen sind große Anstrengungen in der Mathematik unternommen worden, die grundlegenden Mechanismen der Entwicklung aufzudecken. Der einfache Gedanke, auf dem diese Methode aufbaut, ist ein reduktionistischer: Man verwendet einen minimalen Satz von in der Biologie beobachteten Wechselwirkungen – etwa zwischen den Zellen, die das betrachtete Gewebe aufbauen –, übersetzt sie in ein mathematisches System von dynamischen Gleichungen, löst diese auf dem Computer und prüft, ob sich in der Lösung die erwartete Struktur zeigt. Wenn dies allein aufgrund experimenteller Daten aus der Biologie nicht möglich ist, ergibt sich der größte Nutzen der mathematischen Beschreibung: Dann sind neue Hypothesen im mathematischen Modell notwendig, um das reale System beschreiben zu können. Damit sagen die Theoretiker Zusammenhänge voraus, die aus der Biologie alleine nicht ableitbar sind. Diese können durch neue gezielte Experimente verifiziert werden. Ein ähnlicher Ansatz wurde in jüngerer Zeit von unserer Gruppe am Frankfurter Instute for Advanced Studies (FIAS) in der Immunologie verwendet.
Boswellia serrata gum resin extracts (frankincense) have been used for centuries in folk medicine in Asia and Africa. They have shown beneficial therapeutic effects, particularly in the treatment of chronic inflammatory diseases. Clinical studies on humans confirmed an anti-inflammatory and anti-cancer potential of Frankincense preparations. Boswellic acids (BAs) are the major ingredients, responsible for the pharmacological action of the extracts. Molecular and cellular studies with BAs revealed a number of targets including 5-lipoxygenase (LO), topoisomerases and the NF-κB pathway. Since there is little information on the modulation of cellular physiology by BAs, this work was designed to provide a detailed investigation of the cellular and molecular effects of BAs in several cell types related to inflammation. We report that 11-keto-BAs are potent activators of functional responses in human neutrophils, a type of leukocytes mediating acute inflammatory processes. Neutrophil activation by 11-keto-BAs is reflected by enhanced generation of oxygen radicals, release of arachidonic acid (AA) and the subsequent transformation of AA to pro-inflammatory eicosanoids. Investigation of the participating signalling pathways identified Ca2+, phosphoinositide-3 kinase, and members of the MAP kinase family (ERKs) as mediators. Second, we present a detailed study of the modulation of human platelet physiology and intracellular signalling events by BAs. Intriguingly, we discovered an inverse structure-activity relationship of BAs regarding platelet activation, with 11-methylene-BAs being superior over 11-keto-BAs. Thus, 11-methylene-BAs stimulated platelet Ca2+ mobilisation, MAP kinase and Akt activation, AA release, 12-LO and cyclooxygenase product formation, and thrombin generation. Novel Ca2+-independent activation pathways of platelet lipid metabolism were discovered. In contrast, 11-keto-BAs were inactive but found to inhibit platelet (p)12-LO directly. Interaction with p12-LO was confirmed in a pulldown assay using immobilised BAs as bait. Finally, BAs were shown to attenuate the activation of monocytes, a cell type responsible for the maintenance of chronic inflammatory states. Impairment of Ca2+ homeostasis is likely conferred by inhibition of Ca2+ influx channels. Taken together, our results shed light on the modulation of intracellular physiology of inflammatory cells by BAs, contributing to a better understanding of the anti-inflammatory effects exerted by frankincense preparations.
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.