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Interleukin-4 (IL-4) und Interleukin-13 (IL-13) sind bedeutende Regulatorproteine des Immunsystems. Sie spielen eine entscheidende Rolle bei der Entstehung und dem Verlauf von allergischen Erkrankungen, wie z.B. Asthma. Um ihre Signale in die Zielzelle zu transduzieren, kann von beiden Zytokinen der gleiche Zelloberflächenrezeptor verwendet werden, wodurch sich die überlappenden, biologischen Funktionen erklären lassen. Dieser gemeinsam genutzte Rezeptor ist aus den beiden Untereinheiten IL-4Ralpha; und IL-13Ralpha1 aufgebaut. Da IL-4 und IL-13 auf Aminosäureebene nur etwa 25% Sequenzidentität besitzen und stark unterschiedliche Affinitäten zu den beiden Rezeptorketten besitzen, stellt sich die Frage, durch welchen molekularen Erkennungsmechanismus, die Affinität und die Spezifität der Ligand-Rezeptor-Interaktion unabhängig voneinander reguliert werden kann. In dieser Arbeit gelang es, rekombinante Expressions- und Aufreinigungsstrategien für IL-13 und die extrazellulären Domänen der Rezeptorketten IL-13Ralpha1 und IL-13Ralpha2 zu entwickeln. Dadurch war es mögliche, eine breite Mutations-/Interaktionsanalyse der IL-13Ralpha1-Kette durchzuführen.Es konnte gezeigt werden, dass die N-terminale FnIII-ähnliche Domäne von IL-13Ralpha1 sowohl an der Bindung von IL-13 als auch an der Interaktion mit IL-4 beteiligt ist. Im funktionellen Bindeepitop der IL-13Ralpha1-Kette wurden die Aminosäurereste Arg84, Phe253 und Tyr321 als Hauptbindungsdeterminanten für die Interaktion mit IL-13 identifiziert. Durch die Interaktionsstudien der IL-13Ralpha1-Varianten mit IL-4 wurde gezeigt, dass diese Hauptbindungsdeterminanten auch für die niederaffine Bindung von IL-4 von größter Bedeutung sind. Die funktionellen Bindeepitope für IL-4 und IL-13 auf der IL-13Ralpha1-Kette sind nahezu identisch und überlappen in einem großen Bereich. Aufgrund der Ergebnisse aus der Mutagenesestudie war es möglich, ein Strukturmodell der extrazellulären Domäne der IL-13Ralpha1-Kette zu erstellen. Darin wird eine neuartige Orientierung der N-terminalen FnIII-Domäne und deren Beteiligung an der Ligandeninteraktion dargestellt. Mit Hilfe des Strukturmodells gelang es, neue Aminosäurerest auf der Oberfläche von IL-13 zu identifizieren, die an der Bindung zu IL-13Ralpha1 beteiligt sind, was die Relevanz des Strukturmodells weiter unterstreicht. In einem weiteren Teil dieser Arbeit wurde versucht, den molekularen Mechanismus aufzuklären, durch den es den superagonistischen IL-4-Varianten T13D und F82D gelingt, mit dreifach höherer Affinität an die IL-4Ralpha-Kette zu binden, als wildtypischer Ligand. Durch strukturelle und funktionelle Untersuchungen wurde gezeigt, dass der Affinitätssteigerung ein indirekter Mechanismus zugrunde liegt, bei dem eine Konformationsänderung und die Fixierung der Arg85-Seitenkette von IL-4 zur Ausbildung von zusätzlichen Ligand-Rezeptor-Interaktionen führt. Das Bindeepitop zwischen IL-4 und der IL-4Ralpha-Kette besitzt eine modulare Architektur aus drei unabhängig voneinander agierenden Interaktionsclustern. Bei der Interaktion von wildtypischem IL-4 mit IL-4Ralpha tragen nur zwei dieser Cluster in signifikanter Weise zur freien Bindeenergie bei. Im Falle der superagonistischen IL-4-Varianten ist jedoch auch das dritte Cluster an der Generierung von zusätzlicher, freier Bindeenergie beteiligt, wodurch die Affinität zwischen Ligand und Rezeptor erhöht wird. Damit stellt der modulare Aufbau der Interaktionsfläche zwischen IL-4 und der IL-4Ralpha-Kette möglicherweise einen Mechanismus dar, über den Proteine die Affinität von Wechselwirkungen über einen großen Bereicht variieren können, ohne dabei Spezifität einzubüssen. Da IL-4 und IL-13 als interessante Zielmoleküle für die Therapie von allergischen und asthmatischen Erkrankungen erkannt worden sind, können die in der vorliegenden Arbeit gewonnenen Informationen über den Bindemechanismus und die Einblicke in den molekularen Charakter der Interaktion zwischen den beiden Zytokinen und ihren spezifischen Rezeptorketten dabei helfen, neuartige und hoch spezifische, inhibitorische Moleküle zu entwickeln.
Der Transkriptionsfaktor Stat6 vermittelt zentrale Wirkungen von IL-4 und IL-13, die in der Pathologie atopischer Erkrankungen eine Rolle spielen. Seine Spezifität für diese beiden allergieassoziierten Cytokine ist eine wesentliche Motivation ihn näher zu untersuchen. In dieser Arbeit sollte mehr über die Funktion von Stat6 herausgefunden werden. Außerdem wurden Möglichkeiten untersucht dieses Verhalten zu beinflussen. Einen Schwerpunkt der Arbeit bildete die Regulation des Eotaxin-1-Promotors. Eotaxin-1 ist einer der stärksten Rekrutierungsfaktoren für Eosinophile, die eine zentrale Rolle bei der Immunpathologie allergischer Erkrankungen spielen. Mit Hilfe der Daten konnte eine neue Hypothese zur Regulation des Eotaxin-1-Promotors entwickelt werden. Zum Vergleich wurde mit der Untersuchung des Promotors eines weiteren Chemokins, des MCP-4, begonnen. In Zusammenarbeit mit Dr. Sascha Stolzenberger wurde ein Weg untersucht den Stat6-Signalweg zu hemmen. Dabei wurden mit Hilfe des Antennapedia-Peptides Stat6-Bindepeptide in die Zelle transportiert, um dort über eine kompetitive Hemmung die Signaltransduktion zu unterbinden. Ergebnis dieser Arbeiten ist ein hochspezifischer, aber nur transient wirkender Stat6 Inhibitor. Die Stat6/DNA-Wechselwirkung wurde mit der Magnetobead-Technik untersucht. Dabei werden Promotorfragmente an Magnetkügelchen gekoppelt und unter Ausnutzung der Magnetisierung an die DNA bindende Proteine isoliert und über SDS-PAGE/Immunoblotanalyse untersucht. Mit dem Verfahren konnte die Stat6-Bindung an acht verschiedene Promotoren nachgewiesen werden. In Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe Pallardy aus Paris wurde die Wechselwirkung von Stat6 mit dem Glucocorticoid-Rezeptor untersucht. Glucocorticoide kontrollieren Entzündungen und Interaktionen des aktivierten Rezeptors mit anderen Proteinen aus der Stat-Familie sind seit längerem bekannt. Wie in dieser Arbeit gezeigt wurde, interagiert Stat6 mit dem Glucocorticoidrezeptor unabhängig von einer Bindung an DNA. Zusätzlich wurde der Mucin-2-Promotor auf Stat6-Regulierung untersucht. Mucine sind wichtige Bestandteile des Schleimes. Verstärkte Schleim-Sekretion ist ein klinisches Symptom asthmatischer Erkrankungen und trägt zur Zerstörung der Lunge bei. Ein potentiell Stat6 reguliertes Fragment aus dem Mucinpromoter wurde mit Hilfe von PCR-Techniken isoliert und in Reportergenvektoren kloniert.
Das Cytokin Interleukin-4 (IL-4) ist ein essentieller Faktor bei der Entstehung von Sofort-Typ Allergien. Die Bindung von IL-4 an seinen Rezeptor und die anschließende Phosphorylierung des IL-4 aktivierten Transkriptionsfaktors Stat6 ist ein Schlüsselereignis bei der allergischen Immunantwort. In der vorliegenden Arbeit werden Ergebnisse zur Hemmung der Stat6 vermittelten Signaltransduktion des IL-4 Rezeptors vorgestellt. Dazu wurde ein Vektorsystem etabliert, bei dem ein von dem Drosophila-Transkriptionsfaktor Antennapedia abgeleitetes 16 AS langes Peptid benutzt wird. Dieses Antennapediapeptid kann Plasmamembranen lebender Zellen energie- und rezeptorunabhängig durchqueren und dabei andere hydrophile Moleküle mittransportieren. Stat6 bindet über eine SH2 Domäne an phosphorylierte Reste von IL4Ra und bildet, nachdem es selbst phosphoryliert ist, mit anderen Stat6-Molekülen aktive Dimere. Ein aus der Stat6-Bindestelle des IL-4Ra abgeleitetes phosphoryliertes Peptid (Stat6BP) wurde mit Hilfe des Antennapediapeptids in verschiedene humane und murine Zellinien transportiert. Für Stat6BP konnte mit Hilfe von spezifischer Immunpräzipitation und Western-Blot gezeigt werden, dass es IL-4 induzierte Phosphorylierung und Aktivierung von Stat6 transient hemmen kann. Durch zusätzliche Applikation des Tyrosinphosphataseinhibitors Natriumpervanadat gelang es, die hemmende Wirkung von Stat6BP zu verlängern. Unter gleichen Bedingungen konnte auch gezeigt werden, dass Stat6BP spezifisch die Aktivierung von Stat6 hemmt, da die durch IL-4 oder IL-3 induzierte Phosphorylierung des eng verwandten Stat5 völlig unbeeinträchtigt bleibt. Ferner wurde durch das Peptid die Expression eines Stat6 kontrollierten Reportergens gehemmt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde außerdem die Rolle der Src-Typ Kinasen p56lck und p59fyn in der IL-4 Signaltransduktion in unterschiedlichen T-Zellinien untersucht. Es zeigte sich, dass die Aktivierung der beide Kinasen stark von der getesteten Zellinie abhängt. In einigen T-Zellinien aktiviert IL-4 eher p56lck, in anderen eher p59fyn.
Rezidive bei Polyposis nasi nach operativer Therapie - ätiologische und prognostische Faktoren
(2008)
Kurzfassung in Deutsch: Trotz intensivster Forschung in den letzten Jahrzehnten, bleiben letztlich Äthiologie und Pathogenese der Polyposis nasi weitgehend ungeklärt. In der Behandlung fehlt daher ein kausaler Therapieansatz, die Therapie der Wahl besteht bislang in der chirurgischen Sanierung der betroffenen Nasennebenhöhlen. Die hohen Rezidivraten nach operativer Therapie stellen jedoch ein großes Problem dar. Die Polyposis nasi scheint eine hohe Assoziation zu zeigen mit den Begleiterkrankungen Asthma bronchiale, Aspirin- Intoleranz und Allergien. Um herauszufinden inwieweit diese den postoperativen Heilungsverlauf und die Rezidivhäufigkeit beeinflussen, wurden in dieser Arbeit 54 Patienten, die in den Jahren 1991 bis einschließlich 1993 an der Würzburger Universitätsklinik für Hals-, Nasen- und Ohrenkrankheiten aufgrund der Primärdiagnose Polyposis nasi operiert worden waren mittels der Daten aus den Krankenakten sowie eines speziell entwickelten Fragebogens über einen Zeitraum von mindestens zehn Jahren postoperativ nachbeobachtet. Neben den drei Begleiterkrankungen wurden die Risikofaktoren Nikotin- und Alkoholkonsum sowie die postoperative Verwendung topischer Kortikoide mit den Daten zu Geschlecht, Alter, postoperativen Beschwerden, der Rezidivhäufigkeit und der Gesamtzahl der Operationen pro Patient korreliert. Im untersuchten Patientengut war überwiegend das männliche Geschlecht betroffen, die Patienten zumeist mindestens dreißig Jahre alt. Innerhalb von zehn Jahren traten Rezidive bei 22% der Patienten auf. Etwa jeder 5. Polypenpatient (22%) litt unter Asthma bronchiale, 17% der Patienten unter einer Aspirin- Intoleranz. In unserer Auswertung zeigten beider Erkrankungen keinen negativen Einfluss auf die postoperative Rezidivwahrscheinlichkeit. Über die Hälfte der Patienten litten unter Allergien, bei diesen Personen traten Rezidive seltener auf, als bei den Nichtallergikern. Dieses Ergebniss unterstützt die aktuellen Thesen in der Literatur, dass Allergien keine negative Auswirkung auf die chronisch polypöse Sinusitis zeigen. Unsere Daten zur postoperativen Lokaltherapie können die Angaben aus der Literatur bestätigen, dass topisch verabreichte Kortikosteroide eine Ausheilung der Nasenpolypen begünstigen und Rezidive vermindern. Da bei einem Viertel unserer Patienten die Nasenpolypen familiär gehäuft auftraten, lässt sich eine genetische Komponente in der Pathogenese der Nasenpolypen vermuten. Unter den Alkoholkonsumenten fanden wir deutlich höhere Rezidivraten als unter den Patienten, die dies verneinten. In histologischen Arbeiten wurde bereits von einer Störung der mukoziliären Clearance der respiratorischen Schleimhaut durch Alkohol berichteten, möglicherweise könnte Alkoholgenuss über diesen Mechanismus eine Polypenbildung begünstigen. Nikotin hatte in unserer Arbeit keinen Einfluss auf die Polypenbildung. Aufgrund unserer Ergebnisse wird die Hypothese aufgestellt, dass Alkoholkonsum und hereditäre Faktoren eine relevante Rolle in der Pathogenese der Polyposis nasi spielen. Da eine familiäre Häufung, Alkohol- und Nikotinkonsum bislang in der Forschung nur unzureichend Beachtung fanden, sollte in prospektiven Studien ihre Auswirkung auf die Polypenbildung und insbesondere die Ergebnisse nach operativer Therapie ausführlich untersucht werden. Aufgrund unserer Ergebnisse wird die Hypothese aufgestellt, dass Alkoholkonsum und hereditäre Faktoren eine relevante Rolle in der Pathogenese der Polyposis nasi spielen. Da eine familiäre Häufung, Alkohol- und Nikotinkonsum bislang in der Forschung nur unzureichend Beachtung fanden, sollte in prospektiven Studien ihre Auswirkung auf die Polypenbildung und insbesondere die Ergebnisse nach operativer Therapie ausführlich untersucht werden.
Dieser Arbeit liegen prospektive Daten von 107 allergisch erkrankten Patienten im Zeitraum von Dezember 1998 bis Mai 2000 zugrunde. Das Ziel der Arbeit bestand darin, eine Allergie mit einem nichtinvasiven Verfahren nachzuweisen. Untersucht wurden Speichelproben von bereits bekannten Allergikern sowie einer Kontrollgruppe ohne Allergie. Ausgewählt wurden Patienten mit den am häufigsten auftretenden Allergien (Derm. farinae, Derm. pteronyssinus, Gräser- und Roggenpollen). Bei allen Patienten wurde das entsprechende allergenspezifische IgE im Serum und Speichel bestimmt. Bei den ganzjährigen Allergien (Milben) fand sich bei 44 von 70 Patienten ein positiver Nachweis von spezifischem IgE im Speichel, im Vergleich zu 2 von 14 bei den Nichtallergikern. Für die saisonal auftretenden Allergien waren die Ergebnisse ähnlich. Bei 52 von 84 der Pollenallergiepatienten gegenüber 0 von 10 Patienten der Nicht-allergikergruppe gelang der Nachweis von spezifischen Speichel-IgE. Bei einer im Serum nachgewiesenen stärker ausgeprägten Form der Erkrankung wurde eine höhere Rate an Positivergebnissen auch im Speichel gemessen.
SUMMARY Mast cell activation in allergic and inflammatory disease causes increased vascular permeability and edema. This thesis identifies a paracrine mechanism, by which heparin released from intracellular granules, is involved in mast cell-evoked alteration of endothelial barrier function in vivo. Negatively charged heparin initiated factor XII-driven contact activation. Activated factor XII triggered the formation of the inflammatory mediator bradykinin in plasma. Congenital deficiency and pharmacological targeting of factor XII and kinin B2 receptor provided protection from mast cell-heparin-induced leukocyte-endothelial adhesion and hypotension in rats and mice. Intravital laser scanning microscopy and tracer measurements showed that heparin increased leakage with fluid extravasation in skin microvessels in mice. Deficiency in factor XII or kinin B2 receptor conferred resistance to heparin-induced skin edema and largely protected mice from endothelial barrier dysfunction, caused by allergen-induced mast cell activation and anaphylactic reactions. In contrast, heparin and mast cell activation caused excessive edema formation in mice, deficient in the major inhibitor of factor XII, C1 esterase inhibitor. Hereditary angioedema patients, lacking C1 esterase inhibitor, suffered from allergeninduced edema. The data indicate that mast cell-heparin-initiated bradykinin formation plays a fundamental role in defective barrier function of pathological mast cell-mediated inflammation, hypotension and edema formation.
Asthma bronchiale ist eine chronische, entzündliche Erkrankung der Atemwege, charakterisiert durch bronchiale Hyperreaktivität und variable Atemwegs-obstruktion. Die Interleukine 4 und 13 sind entscheidend an den pathophysiologischen Vor-gängen beim allergischen Asthma bronchiale beteiligt. IL-4 gilt als spezifisches Zytokin für die Differenzierung von nativen T-Helferzellen zu TH2-Zellen. Gemeinsam mit IL-13 führt es zum Immunglobulinklassenswitch der B-Zellen. Ziel dieser Arbeit war es, in einem etablierten Mausmodell für allergisches Asthma verschiedene Applikationsformen des IL-4/IL-13-Antagonisten QY in ihrer Wirkung während der allergischen Sensibilisierung zu vergleichen. Dazu wurden Balb/c-Mäuse über einen Zeitraum von 6 Wochen wöchentlich mit 50µg OVA sensibilisiert. In zwei Therapiegruppen wurden zu jeder Sensibilisierung jeweils 10µg QY intranasal bzw. intraperitoneal verabreicht. Wöchentlich wurde das Serum der Versuchstiere auf allergenspezifische Antikörper untersucht. Nach sechs Wochen wurde eine bronchoalveoläre Lavage durchgeführt, um den Zytokingehalt und die allergeninduzierte Eosinophilie zu bestimmen. Sowohl die intranasale als auch die intraperitoneale Gabe von QY resultierte in einer signifikanten Abnahme allergenspezifischer IgE-Antikörper im Serum der Versuchstiere. Ebenso konnten die Zahl der inflammativen eosinophilen Granu-lozyten und der IL-5-Spiegel in der BAL signifikant gesenkt werden. Zusammenfassend wurde gezeigt, dass die prophylaktische Behandlung mit dem IL-4/IL-13-Antagonisten QY zuverlässig eine allergische Sensibilisierung der Versuchstiere verhindert. Die intranasale und intraperitoneale Applikation unterscheiden sich hierbei praktisch nicht in ihrer Wirksamkeit.
Allergic disease are inflammatory disorders in which aberrant immune regulation occurs, and susceptible individuals mount allergen specific T helper 2 (Th2) responses, which drives disease pathology. Recent studies indicate that Th2 responses that are characteristic of allergic manifestations can be regulated by both naturally occurring CD4+CD25+ regulatory (Treg) cells and antigen-driven IL-10-secreting CD4+ regulatory T cells. Evidence is also emerging that successful Allergen specific immunotherapy (SIT) might work through the induction of IL-10-secreting regulatory T cells. In the first part of this work, I demonstrated the efficiency of allergen specific immunotherapy in the mouse model for allergic airway inflammation. Here I could show that intranasal administration of SIT abrogates allergic symptoms more efficiently, than the subcutaneous treatment. Furthermore, an IL-4/IL-13 (QY) inhibitor was used as an adjuvant for SIT, which has been demonstrated to have an anti-allergic potential, when administered prophylactically during allergic sensitization. However, the combination therapy with SIT and the inhibitory molecule QY did not show any significant enhancement in regards to all measured allergic parameters, when compared to monotherapy with SIT. These results provide the evidence, that shift from Th2 to Th1 cytokine profile might not be a key event in successful SIT. Subsequently, the investigation of immune mechanisms under successful SIT demonstrate that the increase of IL-10 secreting CD4+ T regulatory cells is associated with the suppression of airway inflammation in our mouse system, suggesting that these T cell subsets might be involved in the regulatory mechanisms of allergic disorders. In agreement with these findings is the second part of this work, where superagonistic a-CD28 mAb´s were used for the expansion of T regulatory cell subsets in our murine model for allergic airway inflammation. Here I could show, that the application of a-CD28 mAb during allergic sensitization, resulted in the establishment of a Th2 state, rather than a stimulation of a Treg cell population, supporting the Th2 promoting role of a-CD28 mAb together with TCR engagement. However, interesting findings were obtained by application of the superagonistic a-CD28 mAb in the challenge phase in established allergy. Conversely to the previous experiment, therapeutic administration of a-CD28 mAb lead to the generation of IL-10 secreting CD4+CD25+ T cell population in line with the induction of anti-allergic effects. Taking together the results of this study argue for the anti-inflammatory properties of T regulatory cells in allergic disease and highlights importance of these T cell subsets in the suppression of Th2 cell-driven response to allergen. Moreover, these observations suggest that the induction of IL-10 in vivo by T regulatory cells may represent a novel treatment strategy for allergic disorders.
Die Wichtigkeit regulatorischer T-Zellen bei der Immunregulation und der Entwicklung der immunologischen Toleranz ist unumstritten. Deshalb wird ihnen eine bedeutende Rolle bei der Pathogenese von Autoimmunerkrankungen und allergischen Erkrankungen zugeschrieben. Bei allgemein steigender Prävalenz allergischer Erkrankungen bleiben verfügbare Therapieoptionen derzeit auf symptomatische Regime begrenzt. Dies ist nicht zuletzt auf die unklare Genese dieser Erkrankungen zurückzuführen. Bei der AD handelt es sich um eine chronisch-entzündliche Hauterkrankung, die im Säuglingsalter beginnt und durch sehr starken Juckreiz gekennzeichnet ist. Um der AD zugrundeliegenden Mechanismen zumindest teilweise zu durchleuchten, wurden in der vorliegenden Arbeit Frequenz, Funktion und Phänotyp der regulatorischen T-Zellen von Kindern zwischen drei und 16 Jahren, die an der schwersten Form der AD leiden, unter Anwendung spezieller Färbemethoden und eines Suppressionsassay mit Hilfe der Durchflusszytometrie untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass eine erhöhte Anzahl regulatorischer T-Zellen bei den Kindern mit AD gegenüber dem gesunden Kontrollkollektiv vorhanden war. Diese wiesen allerdings eine deutlich verminderte Suppressorfunktion auf. Die Analyse der Oberflächenmerkmale CD45RO und CD45RA zeigte, dass der Anteil CD25hi in der Population CD45RO+ T-Zellen bei den Kindern mit schwerer atopischer Dermatitis signifikant höher war als im Kontrollkollektiv. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass der Anteil naiver Tregs in der Patientengruppe deutlich niedriger war als bei der Kontrollgruppe. Demgegenüber war der Anteil der Effektor-Gedächtniszellen in der Patientengruppe signifikant höher als in der Vergleichsgruppe. Die Untersuchung des Todesrezeptors CD95 ergab, dass die Population CD95+CD4+CD25+ T-Zellen der Patienten signifikant geringer war als bei dem gesunden Kontrollkollektiv. Die hier beschriebenen Ergebnisse deuten daraufhin, dass bei Patienten mit AD Tregs zwar in ausreichendem Maße produziert werden, sie aber funktionell insuffizient sind. Die genauen zugrundeliegenden Mechanismen auf genetischer Ebene sowie mögliche, involvierte Signaltransduktionswege gilt es in weiterführenden Studien zu untersuchen. Des Weiteren beschreiben die Resultate ein gestörtes Gleichgewicht zwischen naiven Tregs und Gedächtniszellen. Das heißt, dass der größere Anteil der Effektor-Tregs sich zu Effektor-Gedächtniszellen entwickelt, die in ihrer Funktion aber möglicherweise eingeschränkt sind. Die geringere Anzahl CD95 exprimierender regulatorischer T-Zellen in der Patientengruppe lässt eine Fehlregulation der Apoptose vermuten, was wiederum die erhöhte Anzahl dieser Zellen erklären könnte. Zusammenfassend liefert die vorliegende Studie Hinweise darauf, dass Tregs eine bedeutende Rolle in der Pathogenese der atopischen Dermatitis spielen. Die zugrundeliegenden Mechanismen allerdings müssen in weiteren Studien untersucht und identifiziert werden, um sie zukünftig als Angriffsziel therapeutischer Ansätze nutzen zu können.
Es wurde der mögliche Effekt verschiedener Typ I-Allergene auf die Zilienschlagfrequenz der Nasenmuschelschleimhaut bei Allergikern in vitro untersucht. Durch die Präparation der Gewebeproben und die in vitro Durchführung der Untersuchungen wurde der Einfluss möglicher anderer Komponenten des mukoziliaren Systems gegenüber vergleichbaren in vivo Untersuchungen minimiert. Wir erhielten die Gewebeproben durch Entnahme mit einer Biopsiezange aus zuvor operativ gewonnenen Nasenmuscheln. Die Proben wurden unmittelbar postoperativ gewaschen, in Nährmedium M199 aufbewahrt und mit Carbogen äquilibriert, so dass eine konstante Zilienaktivität mit Hilfe eines etablierten Verfahrens über mehrere Stunden gewährleistet war. Die Frequenzmessung erfolgte mittels Durchlichtmikroskopie und photometrischer Methode in Kombination mit einer digitalen Spektrumanalyse über 15 bzw. 30 Minuten, entweder in Allergen-Lösung zweier Konzentrationen oder in allergenfreier Kontroll-Lösung. Wir fanden keinen Unterschied zwischen den basalen Zilienschlagfrequenzen von Allergikern und Nichtallergikern. Ebenso waren weder Anstieg noch Abfall der Zilienschlagfrequenz nach Allergenexposition zu beobachten. Der Frequenzverlauf war konstant und auf dem gleichen Niveau wie bei Zilien von Nichtallergikern bzw. Zilien von Allergikern in Kontroll-Lösung. Daran änderte auch die Verdoppelung des Beobachtungszeitraums in Kombination mit einer Erhöhung der Allergenkonzentration auf das Fünffache einer in vivo voll wirksamen Standard-Intrakutan-Konzentration des für den betreffenden Allergiker relevanten Typ-I-Allergens nichts. Aus den Ergebnissen folgern wir, dass Allergene die Zilientätigkeit nicht direkt beeinflussen. Die von anderen Autoren festgestellte Hemmung oder Stimulation der Zilienaktivität bei tierexperimentellen in vivo-Untersuchungen muss auf eine indirekte Wirkung, ausgehend von anderen Bestandteilen des mukoziliaren Systems wie Mediatorenfreisetzung oder Veränderungen der Schleimschicht, zurückzuführen sein.
In the last decades, both the incidence and the severity of asthma have steadily increased. Furthermore, available therapies only treat the symptoms but do not cure the disease. Immune modulation induced by TLR agonists may be a promising novel approach to effectively treat asthma as it targets the underlying immunopathology directly rather than one mediator alone. The aim of this thesis was to investigate if the immunostimulatory properties of Toll-like receptor (TLR) agonists can be utilized to develop novel therapeutic intervention strategies for the treatment of asthma using murine models of allergic inflammation. For this purpose five different TLR agonists were tested in preclinical mouse models of acute and chronic asthma, both in preventive and therapeutic settings. Firstly, TLR-2, 3, 4, 7/8 and 9 agonists were delivered intratracheally at different doses before pulmonary allergen exposure in the asthma model of acute inflammation. TLR9 agonist CpG-containing oligodeoxynucleotides (CpG) > TLR7 agonist Resiquimod (R848) > TLR3 agonists poly(I:C) strongly reduced allergen induced airway eosinophilia and IL-4 levels in a dose-dependent manner. All TLR agonists increased neutrophil numbers, TLR4 agonist lipopolysaccharide (LPS) > TLR2 agonist lipoteichonic acid (LTA) > poly(I:C) > CpG > R848 and, with the exception of R848, the amount of pro-inflammatory cytokines in the airways. Suppressive effects were not dependent upon IFN-γ and IL-10 or associated with increased numbers of regulatory T cells in the airways. All TLR agonists, except LTA, similarly reduced airway eosinophilia and IL-4 levels when applied therapeutically after allergen challenge. These results show that the TLR agonists have different suppressive effects on TH2 responses in the airways which further depend on the dose and the experimental setup in which they were tested. Interestingly, all agonists induced airway neutrophilia, albeit to different degrees, raising the question if TLR ligands are safe for human use when applied directly into the lung. Different TLR agonists are also being developed for human use as adjuvants combined with allergen in specific immunotherapy. Recent clinical data suggest that this may be achieved by induction of allergen-specific TH1 responses. For this reason, the ability of different TLR agonists to induce allergen-specific TH1 and suppress allergen-specific TH2 responses in a preclinical setting was investigated in this thesis. Different doses of the TLR agonists were applied together with allergen, then mice were exposed to allergen aerosol. CpG > LPS >LTA dose-dependently strongly suppressed the development of airway eosinophilia with poly(I:C) and R848 having no effect. The decrease in eosinophilic numbers was associated withincreased neutrophils present in the airways. IL-4 and IL-5 levels in the bronchoalveolar lavage fluid were also decreased when poly(I:C), LPS, and CpG were used. All TLR agonists increased allergen-specific IgG2a, and with the exception of poly(I:C), reduced allergen-specific IgE levels in the serum. Cutaneous anaphylaxis to allergen was completely prevented when LPS or CpG were given as adjuvant. The strongest TH1 responses were induced by CpG and poly(I:C), characterized by the presence of IFN-γ in the bronchoalveolar lavage and the highest allergen-specific IgG2a levels in the serum. This data supports approaches to use TLR9 or TLR4 agonists for human therapy as adjuvant in combination with allergen in novel specific immunotherapy formulations. In the last part of the thesis, it was investigated if TLR activation can also affect the pathology of severe chronic asthma. Therapeutic administration of R848 or CpG reduced features of inflammation and remodeling. Both agonists showed superior effects to dexamethasone, with CpG being more efficient than R848. This result again supports a TLR9-based therapy as a viable option for the treatment of severe chronic asthma which may present a potential alternative for anti-inflammatory therapy with steroids. Taken together, the results of this thesis support the use of TLR agonists to treat asthma. The most favorable efficacy/safety ratio is to be expected from TLR-based therapies combining TLR4 or TLR9 agonists with allergen in specific immunotherapy. In regard to TLR agonist monotherapy, R848 and CpG showed the most promising profiles, CpG particularly in a model of severe chronic asthma. However, since all TLR agonists used in this study also showed pro-inflammatory potential, the safety aspect of such an approach needs to be taken into account.
IL-4 und IL-13 sind wichtige Faktoren bei der Entwicklung allergischer Erkrankungen. In dieser Arbeit wird die Rolle von IL-4 und IL-13 in einem Maus-Modell für allergisches Asthma während der allergischen Sensibilisierung und in einer etablierten asthmatischen Erkrankung untersucht. Weiterhin wird die Rolle von IL-4 und IL-13 in frühen Stadien der atopischen Dermatitis in einem Maus-Modell betrachtet. In einem Maus-Modell für allergisches Asthma mit anhaltender IgE-Synthese und einer persistierenden allergischen Atemwegspathologie konnte gezeigt werden, dass die Inhibition des IL-4/IL-13 Systems während der allergischen Sensibilisierung zu einer dosisabhängigen Reduktion der allergen-spezifischen IgE-Titer, zur Inhibition der Atemwegseosinophilie, zur Reduktion der IL-5-Spiegel in der BAL und zu einer gesenkten Anzahl von IL-4 sezernierenden CD4+ T-Zellen. Weiterhin konnte durch die Inhibition des IL-4/IL-13 Systems die Becherzellmetaplasie signifikant gesenkt werden. Die Inhibition des IL-4/IL-13 Systems nach der Entwicklung der allergischen Atemwegspathologie führte hingegen nicht zu einer signifikanten Reduktion der gemessenen Allergie-Parameter. Daraus lässt sich schließen, dass IL-4 und IL-13 nur eine untergeordnete Rolle in einer etablierten Allergie spielt. Diese Ergebnisse sind insbesondere wichtig, wenn man über das Verwendungspotential eines IL-4/IL-13-Inhibitors in der Allergie-Therapie bei asthmatischen Patienten spekuliert. Weiterhin konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, dass die NC/Nga-Maus ein Modell für die humane atopische Dermatitis darstellt. NC/Nga Mäuse, die unter konventionellen Bedingungen gehalten wurden, entwickeln makroskopische und histologische Hautpathologien, die der humanen atopischen Dermatitis sehr ähneln. Weiterhin entwickeln unter konventionellen Bedingungen gehaltenen NC/Nga Mäuse hohe IgE-Titer im Serum, die mit einer erhöhten Produktion an Th2-Zytokinen verbunden war. Die Inhibition des IL-4/IL-13-Systems führte in diesem Modell jedoch nicht zu einer Reduktion von Symptomen und Pathologien der humanen atopischen Dermatitis. Deswegen kann man spekulieren, dass die Inhibition des IL-4/IL-13-Systems zu einem zu späten Zeitpunkt erfolgte. Des Weiteren kann eine nicht-standardisierte Sensibilisierung bei Mäusen, die in einer konventionellen Tierhaltung gehalten werden, zu einem sehr unterschiedlichen Ausbruch der Dermatitis führen. Deshalb werden weitere Tierversuche mit einer höheren Anzahl von Tieren, die zwischen den Würfen randomisiert werden, nötig sein, um die Rolle von IL-4 und IL-13 in der atopischen Dermatitis zu klären.
Obwohl die Behandlung mit Penicillinen zu den effektivsten und sichersten Antibiotika-Therapien zählt, treten bei dieser Stoffklasse, verglichen mit anderen Antibiotika-Gruppen, häufiger Allergien auf. Zurzeit gilt in der Diagnostik von ß-Lactam-Antibiotika-Allergien eine Kombination aus Hauttests und einer anschließenden oralen Exposition – bei negativem Hauttestbefund – als Goldstandard. Daneben wurden auch nicht-invasive in-vitro Methoden als weitere Bausteine der Allergiediagnostik von Arzneimittelreaktionen entwickelt. Zu ihnen zählt unter anderem der Lymphozytentransformationstest (LTT).
In der vorliegenden Arbeit sollte untersucht werden, wie sich eine zusätzliche Stimulation der Zellen mit dem Antikörper gegen CD3/CD28 auf die Ergebnisse des LTT aus-wirkt. Als Kenngrößen wurden die Sensitivität und Spezifität des konventionellen und des modifizierten LTT verglichen. Damit soll analysiert werden, ob ein modifizierter LTT im klinischen Alltag zur erweiterten Diagnostik angewandt werden kann.
In dieser prospektiven Studie wurden 37 Patienten mit dem Verdacht auf eine Aminopenicillin-Allergie zusätzlich zur standardisierten allergologischen Diagnostik mit dem Lymphozytentransformationstest (LTT) untersucht. Mit den Haut- und Expositionstestungen konnte bei 11 der 37 Patienten eine Spättypallergie gegen Aminopenicilline / Pencillin G/V diagnostiziert werden.
Die Sensitivität des konventionellen LTT für die Allergiediagnose betrug 63,6 %. Im kostimulierten LTT wurde die Sensitivität durch die Testmodifikation auf 81,8 % gesteigert. Bei 26 Patienten wurde eine Aminopenicillin-Allergie durch negative Hauttests und anschließende negative Expositionstests definitiv ausgeschlossen. Die errechnete Spezifität liegt bei 92,3 %. Der Anteil fasch-positiver LTT-Ergebnisse stieg durch den Zusatz von Antikörpern gegen CD3/CD28 an, die Spezifität betrug somit nur noch 76,9 %.
Prinzipiell ist der LTT eine geeignete Methode zur Diagnose von Typ IV-Sensibilisierungen gegen Aminopenicilline. Die Testergebnisse sollten aber immer im Kontext mit anderen etablierten allergologischen Testverfahren interpretiert werden. Die Frage, ob der modifizierte LTT dem konventionellen LTT überlegen ist, lässt sich anhand der erhobenen Daten nicht eindeutig beantworten. Während die beobachtete Steigerung der Sensitivität für die Variante mit den Antikörpern CD3/CD28 spricht, erweist sich die geringere Spezifität dieser Testmodifikation als nachteilig. Insgesamt ist aufgrund der hohen Spezifität der konventionelle LTT dem modifizierten LTT als Testmethode überlegen. Der LTT könnte bei Patienten, bei denen Expositionstests kontraindiziert sind, als Alternativmethode dienen. Zum sicheren Ausschluss einer Penicillin-Allergie bleibt aber auch in Zukunft die kontrollierte Expositionstestung unverzichtbar.
Die allergenspezifische Immuntherapie ist derzeit die einzige kausale Behandlungsmöglichkeit von Soforttypallergien. Trotzdem ist weiterhin unklar, welcher Parameter für den Behandlungserfolg einer spezifischen Immuntherapie (SIT) pathogenetisch bedeutsam ist. Zusammenfassend zeigte sich, dass für eine pulmonale Soforttypallergie in einem Asthmamodell in der Maus erfolgreich eine SIT etabliert werden konnte, die in einer Reihe von Parametern mit einer SIT im Menschen vergleichbar ist. Dies ist das erste Modell einer pulmonalen Soforttypallergie in der Maus, an dem neben den Wirkprinzipien der SIT auch neue Therapiestrategien untersucht werden können. Eine Behandlung mit SIT in Kombination mit einem immunmodulatorisch wirksamen IL-4/IL-13 Antagonisten zeigte jedoch keinen zusätzlichen therapeutischen Nutzen, welches die scheinbar untergeordnete Rolle der Zytokine IL-4 und IL-13 bei etablierten Allergien untermauert.