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Alzheimer’s disease (AD) is a progressive neurodegenerative disease of the brain. Today AD is the most common form of dementia in elderly people. It is clinically characterized by a progressive loss of memory and later on a decline in higher cognitive functions. The pathological hallmarks of AD, consistently demonstrated in brain tissue of patients, are extracellular amyloid-β (Aβ plaques, intracellular neurofibrillary tangles of tau protein and a profound loss of mainly cholinergic and glutamatergic synapses and ultimatively neurons. Estimates foresee that more than 80 million individuals will be affected by the disease by 2040 due to population aging worldwide underlining the high medical need for this disease. In order to find suitable drugs for the treatment of AD, experimental model systems are utilized to explore potential drug candidates. Such an experimental system is hippocampal long-term potentiation (LTP), which is widely accepted as an in vitro model of cellular processes fundamentally involved in memory formation. The present thesis focuses on the establishment and validation of LTP in rat hippocampal slices to characterize memory enhancing drugs as a potential treatment of AD. First, a multi-slice recording system was set up enabling stable measurements of LTP for up to seven hours from several slices simultaneously (chapter 2). Then, distinct protocols to induce early and late CA1 LTP, resembling short-term and long-term memory, were established. They were validated by addressing the hallmarks accepted for these forms of LTP: protein-synthesis independence and NMDA receptor dependence without contribution of L-VDCCs for early LTP, as opposed to protein-synthesis and NMDA / L-VDCCs dependence for late LTP (chapter 3). As in AD patients a loss of mainly cholinergic and glutamatergic synapses is obvious, these validated forms of LTP were used to study drugs potentially being able to enhance cholinergic and/or glutamatergic neuronal functions. The effects of two drugs exclusively interfering with cholinergic function on LTP were tested: the α4β2 nicotinic acetylcholinergic receptor agonist TC-1827 (chapter 4) and the acetylcholine esterase inhibitor donepezil (chapter 5). Both drugs were found to increase early LTP, but to not affect late LTP. Furthermore, two drugs exclusively interfering with glutamatergic function were analyzed: the metabotropic glutamate 5 receptor postive allosteric modulator ADX-47273 (chapter 3) and the phosphodiesterase (PDE) 9A inhibitor BAY 73-6691 (chapter 5). ADX-47273 increased late LTP, but had no effect on early LTP, whereas BAY 73-6691 showed enhancing effects on both early and late LTP and even transformed early into late LTP. The same effects like for the PDE9A inhibitor were observed for the α7 nicotinic acetylcholinergic receptor partial agonist SSR180711 (chapter 4), which interferes with both, cholinergic and glutamatergic function. Thus, drugs facilitating glutamatergic function or both glutamatergic and cholinergic function seem to be more efficacious in enhancing LTP than drugs facilitating solely cholinergic function. To evaluate whether this finding also proves true for experimental circumstances mimicking decreased cognitive function together with pathophysiology in AD patients, the ability of the drugs to ameliorate LTP impaired by soluble Aβ oligomer was analyzed (chapter 6). Soluble Aβ oligomers, also referred to as amyloid-β derived diffusible ligands (ADDLs), are thought to a putative cause of AD. Here, they were demonstrated to impair early and late LTP to different extents by exclusively targeting NMDA receptors and/or their signaling. These results further contribute to the hypothesis that soluble Aβ oligomers cause synaptic dysfunction which might lead to cognitive decline seen in AD patients. Regarding drug effects, donepezil and TC-1827 slightly restored ADDLs induced impairment of early LTP, but had no effect on late LTP impaired by ADDLs. In contrast, both, SSR180711 and BAY 73-6691 completely rescued early as well as late LTP impaired by ADDLs. ADX-47273 had no restoring effect on ADDLs induced early LTP impairment, but partially restored late LTP impaired by ADDLs. Thus, the earlier finding of the present thesis was confirmed: drugs facilitating glutamatergic function not only seem to be more efficacious in enhancing LTP than drugs facilitating solely cholinergic function, but are also superior in ameliorating soluble Aβ oligomer induced LTP deficits. Therefore, from a preclinical perspective and based on the results of the present thesis, drugs interfering with glutamatergic function seem to have a high therapeutic potential as alternative treatment concerning cognitive deficits. Probably, they represent more efficacious approaches for the symptomatic treatment of AD than current treatments solely facilitating cholinergic function.
iNKT cells are a population of T cells with unique characteristics. In contrast to most αβ T cells which recognize peptides presented by highly polymorphic MHC molecules, iNKT cells are reactive to glycolipids presented by CD1d, a non-polymorphic MHC-I like molecule. Moreover, whereas MHC-restricted αβ T cells bear highly variable receptors (TCRs) formed after somatic recombination of the V(D)J gene segments, the TCR of iNKT cells is formed by an invariant α chain, which always contains the same gene segments: AV14 and AJ18; and a β chain of limited BV gene usage: BV8S2, BV7 or BV2, in the mouse. This invariant α chain is the reason for which these cells are named “i” and the NK part of their name refers to the expression of receptors typical of natural killer (NK) cells. iNKT cells recognize glycolipids of endogenous and microbial origin. After activation they secrete large amounts of very different cytokines such as IFN-γ and IL-4 and thus influence immune responses and pathological conditions. One of the most potent iNKT cell agonists, recognized by the semi-invariant TCR, is the synthetic glycolipid α-Galactosylceramide (α-Gal). iNKT cells can be visualized using CD1d-multimeric complexes loaded with α-Gal and flow cytometry, since this reagent has enough avidity to stain these cells. Interestingly, mouse iNKT cells can be stained with human α-Gal-loaded CD1d oligomers and human iNKT cells can also be visualized with mouse α-Gal-loaded CD1d oligomers, indicating a high degree of conservation of the recognition of α-Gal presented by CD1d through evolution. Previous studies showed that rats have the genes necessary to build semi-invariant TCRs: They have a CD1d homologue; one or two BV8S2 homologues and interestingly, up to ten AV14 gene segments, which are highly conserved when compared to the mouse genes. Importantly, it has been shown at least for two of these AV14 gene segments that they can produce invariant TCRα chains which, when coexpressed with BV8-containing β chains, react to α-Gal presented by rat CD1d. Furthermore, ex vivo stimulation of primary splenocytes with α-Gal results in the secretion of IL-4 and IFN-γ. Surprisingly, rat semi-invariant TCRs do not recognize α-Gal presented by mouse CD1d and accordingly, mouse α-Gal-loaded CD1d tetramers failed to stain a discrete population of rat iNKT cells. Taking all together, despite that strong evidence suggested that iNKT cells are present in the rat, the direct identification of such population and the analysis of CD1d-restricted immune responses were still pending for this species. Hence the work presented in this doctoral thesis was aimed to identify iNKT cells, to analyze their phenotype and also to study the distribution and function of CD1d in the rat. For these purposes, we produced essential reagents which were still lacking such as rat specific anti-CD1d monoclonal antibodies and rat CD1d oligomers. Importantly, two of three anti-rat CD1d monoclonal antibodies (all of them generated in our laboratory before this thesis was initiated) also recognized mouse CD1d and therefore allowed a direct comparison of CD1d expression between rat and mouse. Whereas CD1d distribution in the hematopoietic system was found to be extremely similar between these two species; in non-lymphatic tissues important differences were observed. Interestingly, CD1d protein was detected at not yet described sites such as the rat exocrine pancreas and rat and mouse Paneth cells. These monoclonal antibodies did not only allowed the analysis of CD1d expression, but also the first demonstration of the function of rat CD1d as an antigen presenting molecule, since cytokine release in response to α-Gal was blocked when they were added to ex vivo cultures of rat primary cells. Staining of primary rat iNKT cells (possible now with the newly generated rat CD1d oligomers) revealed interesting similarities with human iNKT cells. First, we observed that rat iNKT cells are only a minority among all NKR-P1A/B positive T cells. Human iNKT cells constitute also a very small proportion of NKR-P1A (CD161) expressing T cells, whereas in mice inbred strains which express NKR-P1C (NK1.1), most of NKRP1C expressing T cells are iNKT cells. Second, the majority of rat iNKT cells are either CD4 or DN and only a small proportion expresses CD8β. These findings are similar to humans and different to mice which lack CD8+ iNKT cells. Third, analysis of various inbred rat strains demonstrated different iNKT cell frequencies which correlated with cytokine secretion after α-Gal stimulation of primary cells. In comparison to mice, iNKT cell numbers are markedly reduced in rats. In F344 rats, inbred rat strain which released the highest cytokine amounts after α-Gal stimulation, approximately 0.25% and 0.1% of total liver and spleen lymphocytes, respectively, are iNKT cells. In contrast, in LEW rats iNKT cells were practically absent and neither IL-4 nor IFN-γ were detected after stimulation of primary cells with α-Gal. Once more, these frequencies are very close to those observed in humans. Last, as reported for human peripheral blood cells, rat iNKT cells could be easily expanded in vitro by adding α-Gal to cultures of intrahepatic lymphocytes, whereas the expansion of mouse iNKT cells was not possible using the same protocol. The presence of a multimember AV14 gene segment family in the rat is an intriguing characteristic. These AV14 gene segments are extremely homologous except in the CDR2α region. Based on the amino acid sequence of this region they have been divided into two different types: Type I and II. A specific tissue distribution of the different types was proposed in the first study where the presence of several AV14 gene segments was described. We also analyzed the AV14 gene segment usage in F344 and LEW inbred rat strains. In F344 rats we found no preferential usage of either AV14 gene segment type in the spleen and the liver but type II AV14 gene segments appeared more frequently in the thymus. In contrast, LEW rats show a preferential usage of type I AV14 gene segments in all three compartments analyzed: Thymus, spleen and liver. Taken all together, the usage of newly generated reagents allowed to gain novel insights into CD1d expression in the rat and in the mouse and to directly identify rat iNKT cells for the first time. The phenotypic and functional analysis of rat iNKT cells revealed numerous similarities with human iNKT cells. These are of special interest, since rats serve to investigate several pathological conditions including models for autoimmune diseases. The possibility now to analyze iNKT cells and CD1d-restricted T cell responses in the rat might help to understand the pathogenesis of such diseases. In addition, the uncomplicated in vitro expansion and culture of rat iNKT cells should facilitate the analysis of the immunomoldulatory capacities of these cells.
In dieser Arbeit wurden im Versuchstier Ratte die Transmission von T.gondii über die Muttermilch und deren immunologische Konsequenzen analysiert. Es konnte gezeigt werden, dass sich Rattenmilch als labordiagnostisches Medium eignet, wobei der direkte visuelle Parasitennachweis mit dem Lichtmikroskop, trotz verschiedender Aufbereitungsmethoden erfolglos blieb. Auch die PCR eignete sich für unsere Versuche nicht als Nachweismethode. Als geeignte und sensitive Methode für den Parasitennachweis in Rattenmilch stellte sich die Anzucht auf humanen Vorhautfibroblasten (HFF-Zellkultur)dar, wobei bereits zwei Tachyzoiten, die in vitro zu Milch nicht infizierter Tiere gegeben wurden, ausreichten, um eine HFF-Zelle zu infizieren. Immunisierungsexperimente wurden durchgeführt, um die Frage zu klären, ob die im Serum von Jungtieren nachgewiesenen Toxoplasma-spezifischen Immunglobulinen über die Muttermilch aufgenommen worden sein könnten. Es gelang in Milch und Serum der Ammen, sowie im Serum der Jungtiere, T. gondii spezifische Immunglobuline nachzuweisen. Die Transmission des Parasiten als freier Tachyzoit wurde in dieser Arbeit simuliert. Tachyzoiten von T. gondii wurden in verschiedener Dosierung in Rattenmilch angereichert und 48 Stunden alten Ratten verabreicht. Die humorale und zelluläre Immunantwort wurde getestet. Tachyzoiten, die über die Milch aufgenommen wurden, können eine Infektion auslösen. Ratten wurden schließlich auf natürlichem Wege über Milch mit T. gondii infiziert, die humorale Immunantwort bestimmt und der Gehalt der infizierten Rattenmilch an Immunglobulinen überprüft. Die Antikörperkonzentration in Serum und Milch der Ammen zeigte eine deutliche Korrelation und im Serum der Nachkommen ließen sich ebenfalls Antikörper nachweisen. Zeichen einer Infektion fanden sich jedoch nicht. Die Rattenmilch kann also T. gondii und toxoplasmaspezifische Immunglobuline enthalten, die von Nachkommen aufgenommen werden. Den Mechanismus der Parasitenübertragung und die Rolle maternaler parasitenspezifischer Immunglobuline für Infektion und parasitenspezifische Immunantwort der Nachkommen gilt es jedoch noch zu klären.
Die vorliegende Arbeit beschäftigte sich mit der Charakterisierung regulatorischer CD4+ CD25+ T-Lymphozyten (Treg) der Ratte und dem Nachweis ihrer Suppressor-Funktion in vitro. Als erstes wurde die Verteilung dieser Zellen in den lymphatischen Organen untersucht. Dabei waren sie sowohl in den parailiacalen, cervicalen und mesenterialen Lymphknoten (zwischen 4,5 und 6,1%) als auch im Thymus mit 1,3% und in der Milz mit 4,5% nachzuweisen. Ihr CD45Rlow Phänotyp entspricht dem humaner und muriner Treg. Alle Treg der Ratte exprimieren den  T-Zellrezeptor, und sie sind zu 40% für einen weiteren Aktivierungsmarker, nämlich CD134, positiv. Um die Vitalität frisch isolierter Treg in vitro erfolgreich zu erhalten, ist es notwendig, sie zu stimulieren; entweder mit den beiden Antikörpern R73 (anti-TCR) und JJ319 (anti-CD28) oder mit allogenen dendritischen Zellen und/oder IL-2. Ein weiteres wesentliches Ergebnis dieser Arbeit war, dass stimulierte Treg sowohl IL-2 als IL-10 produzierten. Während der dreitägigen Kultivierung sezernierten 100.000 Treg mit 1.200 pg/ml dreimal soviel IL-10 wie IL-2 (402 pg/ml) in den Kulturüberstand. Die Suppressor-Funktion von Treg der Ratte wurde in Inhibitionsassays bestätigt. Gemessen wurde ihre Fähigkeit, in Abhängigkeit ihrer Zellzahl die polyklonale Aktivierung von CD25neg zu hemmen. Wurden Treg und CD25neg zu gleichen Anteilen kultiviert, so war eine nahezu vollständige Hemmung der Aktivierung von CD25neg nachweisbar. Je geringer der Anteil aktivierter Treg im Inhibitionsassay war, desto geringer war auch der von ihnen übertragende suppressive Effekt. Zudem wurde gezeigt, dass die Suppression umso stärker war, je größer der Anteil blastoider FSCbright Zellen an den im Inhibitionsassay eingesetzten Treg war. Die Charakterisierung von Treg der Ratte hat somit gezeigt, dass sie über eindeutige Suppressor-Eigenschaften verfügen. Dieser Nachweis stellt die wesentliche Voraussetzung für künftige in vivo Untersuchungen dar.
Gegenstand dieser Doktorarbeit war die Beschreibung des Urokinaseplaminaktivators uPA im C6-Sphäroidmodell der Ratte und dessen Lokalisation in Bezug auf den Primärtumor. Das hierbei verwendete Tiermodell basiert auf der C6-Tumorzellreihe, welche durch Transfektion von Rattengliomzellen mit dem Vaskularisierungsfaktor VEGF entwickelt wurde. Die gesteigerte Expression von VEGF resultiert in einer stärkeren Vaskularisierung und einer erhöhten Wachstumsrate des Tumors. Im Vorfeld der Tumorimplantation konnte die Expression von uPA durch die C6-Tumorzellen mittels reverser RNA-Transkription und Polymerasekettenreaktion nachgewiesen werden. In vitro gelang der Nachweis von uPA im C6-Sphäroiden mittels Fluoreszenz-Färbung. Im Rahmen des Tierversuches wurden aus den Tumorzellen ca. 300µm große Sphäroide hergestellt, welche den Ratten in den Kortex des linken Frontallappens implantiert wurden und dort solide Hirntumoren bildeten. Die Versuchstiere wurden anschließend in zwei Gruppen aufgeteilt. Der Positivgruppe wurde täglich über einen Zeitraum von 19 bzw. 21 Tagen der Proteasehemmer WX-UK1 in die Bauchhöhle injiziert, die Kontrollgruppe erhielt ein Placebo. Nach Ablauf des Behandlungszeitraumes konnte an den explantierten Gehirnen mittels histochemischer Peroxidasefärbung die Protease uPA im Tumorgewebe nachgewiesen werden. Die Konzentration von uPA war besonders im invasionsaktiven Bereich des Tumors erhöht. Dieser entspricht der Randzone des soliden Tumors, sowie den distanzierten Zellnestern im gesunden Hirngewebe, welche als so genannte Invasionszone zusammengefasst werden. Die tragende Rolle von uPA bei der Invasion der Tumorzellen in das gesunde Hirngewebe konnte somit bestätigt werden. Die Messung von erhöhten uPA-Konzentrationen an der Basalmembran von Hirngefäßen korreliert mit Beobachtungen, dass die Tumorzellen entlang von Gefäßen und Plexus migrieren, aber nicht in der Lage sind, in das Gefäßlumen einzudringen. Der Nachweis der erfolgreichen orthotopen Sphäroidimplantation mittels MRT-Bildgebung der Hirntumoren unterstreicht den Vorteil der offenen Implantationstechnik gegenüber der Zellinjektion. Die peritoneale Verabreichung des Proteasehemmers WX-UK1 führte im Rahmen dieser Untersuchungen zu keiner signifikanten Reduktion des Tumorwachstums, welches mittels Volumenmessung im MRT dokumentiert wurde. Des Weiteren konnte keine Minderung der uPA-Konzentration in den Tumoren der Positivgruppe gegenüber der Kontrollgruppe gemessen werden. Neben der fehlenden Biodistribution des Wirkstoffes kommt hierfür auch eine mangelnde Spezifität von WX-UK1 für uPA oder ein alternativer Aktivierungsweg der Proteolyse innerhalb der Tumorzellen in Betracht. Diese Arbeit führt zur Weiterentwicklung des C6-Sphäroidmodells und unterstützt die zukünftige Entwicklung von Wirkstoffen gegen das Tumorwachstum auf Basis der anti-invasiven Therapie.
Laut statistischem Bundesamt ergibt sich eine Zahl von über 1000 Patienten, die pro Jahr an einer Nebenschilddrüsenunterfunktion erkranken. Aufgrund der komplexen Funktion des Parathormons sowie der schwierigen und aufwendigen Therapie besteht nach wie vor Bedarf an einer kausalen Therapie dieser Mangelerscheinung. Diese Arbeit soll ein Transplantationsmodell in der Ratte etablieren und den Einfluss der Histokompatibilitätsantigene MHC I und II auf die Transplantatfunktion untersuchen.
L-Glutamat ist der hauptsächliche exzitatorische Transmitter in der Vertebratenretina und spielt eine zentrale Rolle bei der Transmission wesentlicher Neurone in der Retina (z.B. Photorezeptor-, Bipolar- und Ganglienzellen). Das bei der Transmission freigesetzte Glutamat wird aus dem Extrazellularraum durch mindestens fünf verschiedene Glutamattransporter entfernt (zur Beendigung des Transmittersignals und zur Vermeidung einer neurotoxischen Anreicherung von Glutamat), die unterschiedlich verteilt in Neuronen und Gliazellen (vor allem Müller-Zellen) vorkommen. Die zelluläre Verteilung dieser Transporter wurde bisher hauptsächlich nur mit immuncytochemischen Methoden untersucht. In der vorliegenden Arbeit wurde nicht-radioaktive in situ Hybridisierung (ISH) unter Verwendung komplementärer RNA-Sonden eingesetzt, um die Zelltypen in der Retina und zusätzlich im N. opticus der Ratte zu identifizieren, welche die Glutamattransporter GLT1, GLT1-Variante (GLT1v), GLAST und EAAC1 exprimieren. Die Ergebnisse der ISH wurden mit immuncytochemischen Daten verglichen, wobei affinitätsgereinigte Antikörper gegen Transporterpeptide verwendet wurden. Bei den immuncytochemischen Untersuchungen wurde aus Vergleichsgründen die menschliche Retina einbezogen. Die Untersuchungen haben ergeben, dass in der Retina der Ratte GLT1v und EAAC1 in verschiedenen Zelltypen (Photorezeptor-, Bipolar-, Horizontal-, Amakrin-, Ganglien- und Müller-Zellen) gleichzeitig exprimiert werden, während GLAST nur in Müller-Zellen und Astrozyten vorkommt. Im N. opticus der Ratte werden GLT1v und EAAC1 vor allem in Oligodendrozyten und GLAST hauptsächlich in Astrozyten exprimiert. GLT1 konnte weder in der Retina, noch im N. opticus nachgewiesen werden. Die Untersuchungen an der menschlichen Retina ergaben eine der Rattenretina ähnliche zelluläre Verteilung der Glutamattransporter.
Auf der Suche nach dem am besten geeigneten und praktikabelsten Tiermodell zur Erforschung unbeantworteter Fragen der Kehlkopftransplantation beim Menschen werden in der vorliegenden Arbeit verschiedene Tiermodelle der letzten 40 Jahre anhand der publizierten Daten mit ihren Vor- und Nachteilen vorgestellt und insbesondere die Frage behandelt, ob das Meerschweinchen in der Verwendung für die experimentelle Kehlkopftransplantation Vorteile gegenüber der im Tiermodell bereits umfangreich erprobten Ratte bietet. Es wurden bei jeweils 10 Ratten und 10 Meerschweinchen Strukturen im kehlkopfnahen Halsbereich im Größenvergleich und unter Berücksichtigung topographischer Besonderheiten anatomisch untersucht, sowie die Vor- und Nachteile bezüglich ihrer Eignung für ein Tiermodell gegenübergestellt. Im Ergebnisvergleich erweist sich das Rattenmodell einem Meerschweinchenmodell überlegen. Den deutlichen Vorteilen der Ratte hinsichtlich Beschaffungskosten, günstigeren Zuchtbedingungen und geringerem postoperativem Pflegeaufwand, stehen die nur geringen körpervolumenbedingten Vorteile des Meerschweinchens bezüglich der Strukturgrößen gegenüber, ohne dass dadurch ein Nutzen im Tiermodell gezogen werden kann. Die Ratte bleibt unter Berücksichtigung aller Untersuchungsergebnisse das Versuchstier erster Wahl für die experimentelle Kehlkopftransplantation und mikrogefäßchirurgische Übungen.
Summary: In the present work, two important negative regulators of T cell responses in rats were examined. At the molecular level, rat CTLA-4, a receptor important for deactivating T cell responses, was examined for the expression pattern and in vitro functions. For this purpose, anti-rat CTLA-4 mAbs were generated. Consistent with the studies in mice and humans, rat CTLA-4 was detectable only in CD25+CD4+ regulatory T cells in unstimulated rats, and was upregulated in all activated T cells. Cross-linking rat CTLA-4 led to the deactivation of anti-TCR- and anti-CD28 stimulated (costimulation) T cell responses such as reduction in activation marker expression, proliferation, and cytokine IL-2 production. Although T cells stimulated with the superagonistic anti-CD28 antibody alone without TCR engagement also increased their CTLA-4 expression, a delayed kinetics of CTLA-4 upregulation was found in cells stimulated in this way. The physiological relevance of this finding needs further investigation. At the cellular level, rat CD25+CD4+ regulatory T cells were examined here in detail. Using rat anti-CTLA-4 mAbs, the phenotype of CD25+CD4+ regulatory T cells was investigated. Identical to the mouse and human Treg phenotype, rat CD25+CD4+ T cells constitutively expressed CTLA-4, were predominantly CD45RC low, and expressed high level of CD62L (L-selectin). CD25+CD4+ cells proliferated poorly and were unable to produce IL-2 upon engagement of the TCR and CD28. Furthermore, rat CD25+CD4+ cells produced high amounts of anti-inflammatory cytokine IL-10 upon stimulation. Importantly, freshly isolated CD25+CD4+ T cells from naïve rats exhibited suppressor activities in the in vitro suppressor assays. In vitro, CD25+CD4+ regulatory T cells proliferated vigorously upon superagonistic anti-CD28 stimulation and became very potent suppressor cells. In vivo, a single injection of CD28 superagonist into rats induced transient accumulation and activation of CD25+CD4+ regulatory T cells. These findings suggest firstly that efficient expansion of CD25+CD4+ cells without losing their suppressive effects (even enhance their suppressive activities) can be achieved with the superagonistic anti- CD28 antibody in vitro. Secondly, the induction of disproportional expansion of CD25+CD4+ cells by a single injection of superagonistic anti-CD28 antibody in vivo implies that superagonistic anti-CD28 antibody may be a promising candidate in treating autoimmune diseases by causing a transient increase of activated CD25+CD4+ T cells and thus tipping ongoing autoimmune responses toward selftolerance.