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Bats are ancient mammals that evolved more than 50 million years ago. There are 1,240 different species (> 20% of mammalian species) described so far, which represent one of the most abundant, diverse and widely distributed mammalian groups. Bats are the only mammals which actively fly and therefore can migrate to different areas of the world. It has been increasingly recognized that bats are reservoirs for more than 100 virus species, and several are associated with animal and human epidemics. As natural hosts of rabies virus (RABV) and related lyssaviruses, bats have become a focus of research not only in South America and Africa, but also in Europe and North America. Bats are also considered to be unique in their potential to host emerging and re-emerging zoonotic viruses. To evaluate and reduce the potential risk of rabies transmission to humans or carnivore hosts (like fox, raccoon and dog etc.), active and passive surveillance studies of bat have been performed. Using these approaches diverse lyssaviruses have been detected in bats. However, these studies did not explain the rarely discovered epidemics and the underlying resistance or immune mechanisms in bats as natural hosts for lyssaviruses. Probably, bats are more resistant to lyssavirus infections than other animals. This hypothesis is introducing the research questions of the present thesis: (1) How do the innate immune responses protect bats from fatal outcome of lyssavirus infections? Interferon (IFN) responses which can be induced by the recognition of viruses by pattern recognition receptors act as the first line of defense against lyssavirus infections. Therefore, type I and type III IFNs from European bats were cloned and functionally characterized in this thesis (Chapter 2 and 4). (2) How do the lyssaviruses adapt to escape the host defenses by counteracting the IFN-mediated immune responses? And how do the bats control the viral replication via the IFN responses? To explore the complicated interactions and understand how European bats (Eptesicus serotinus, Myotis myotis and Nyctalus noctula) interact with European bat lyssaviruses (EBLV-1 and 2), a natural host related model for investigations of the bat´s immune system and the virus-host interactions has to be established. Since all of 52 identified European bats species are endangered and strictly protected, stable cell lines from different tissues of M. myotis for in vitro studies were developed and used for molecular and functional studies (Chapter 3 and 4). The data obtained from this thesis revealed that: (a) European bat IFNs do have similar but also distinct molecular characteristics compared with other mammalian IFNs (Chapter 2 and 4); (b) Both investigated bat type I IFNs, IFN-Kappa; and IFN-Omega; present potent anti-lyssaviral activities and display a pathogen associated pattern in the tested cell line (Chapter 2); (c) The established immortalized M. myotis cell lines are differently susceptible to lyssaviruses and contain a functional IFN-mediated signaling cascade (Chapter 3); (d) Bat type III IFN-Lambda;s display cell-type specific functions due to the distinct expression of the IFN-Lambda; receptor (Chapter 4); (e) In bat cell lines a possible evasive strategy of lyssavirus is based on the counteraction of IFN production and/or IFN-mediated defensive pathways (Chapter 3); (f) The higher resistance of brain derived cell line MmBr compared to other cell lines to lyssavirus infection indicates the natural ability of bat´s central nervous system to control the growth of neurotropic virus, which might be an essential reason for the nonclinical outcome (Chapter 3). Overall, the present thesis provides first insights into IFN-mediated innate immune responses against RABV and EBLVs infection in their natural reservoir hosts and an useful toolbox for comparative analysis of virus-host interactions.
Staphylococcus aureus is present in around a third of the human population as a constant commensal in the anterior nares, in a third as an intermittent commensal, and a third are non-carriers. However, S. aureus is also a dangerous pathogen, responsible for many types of infections. Recently, the emerging of methicillin-resistant S. aureus strains has aggravated the health problem. Treating infections caused by the invasive strains has become ineffective with conventional antibiotics. Noticeably, transmission of S. aureus has occurred not only in healthcare settings but also in the community; furthermore, transmission between humans and domestic animals has been reported. Although studies about host-pathogen interactions of S. aureus have advanced our knowledge in the last decades, we still have not fully understood mechanisms of the immune system in responses to S. aureus. The aim of this study is to unravel interactions of the human adaptive immune system to selected S. aureus virulence factors. In particular, the study focuses on two aspects: the reaction of human antibodies to the bacterial extracellular proteins in S. aureus-induced furunculosis with an emphasis on Panton-Valentine Leukocidin and responses of the adaptive immune system to membrane-bound lipoproteins of S. aureus. Furunculosis is a variety of hair follicle infection in which S. aureus is one of the chief causal pathogens involved. The corresponding bacterial strains are generally capable of producing of a pore-forming toxin, known as Panton-Valentine Leukocidin (PVL). Recently, the emerging of pvl-positive methicillin-resistant S. aureus has become a problem for treating the bacterially caused furuncles. Colonization with the bacteria is a risk factor for development of chronic or recurrent boils. It is not yet known why furunculosis patients are largely infants or young adults. In this context, we untangled the responses of antibody IgG antibodies to S. aureus extra-cellular factors, notably the PVL toxin, in families in which the patients were children. Multiplex PCR demonstrated that S. aureus clones, isolated from the patients’ wounds but also from the nares of family members, harbored genes coding for PVL toxin. Spa-typing highlighted that bacterial genotypes were very similar in each family. This suggests that transmission of pvl-positive S. aureus took place between family members. The finding also raises the question why only the young patients but not family members who were colonized by the same S. aureus clones suffered from furunculosis. 2D immune proteomics procedures showed a tendency of higher IgG titers against bacterial virulence factors in family healthy members than in patients. PVL-specific antibodies were measured using ELISA, in which patients’ PVL-specific IgG titers were low. This supports the idea that antibodies, probably in conjunction with T cells, might contribute to clinical protection in furunculosis. This research will serve as a foundation for future studies, in which our results should be validated in a larger cohort. Among S. aureus’ virulence factors are lipoproteins, which are anchored in the bacterial cell membrane. Lipoproteins perform various functions in colonization, immune evasion, and immunomodulation. These proteins are potent activators of the complex of innate immune receptors termed Toll-like receptors (TLR) 2 and 6. This study addressed the specific B-cell and T-cell responses to lipoproteins in human S. aureus carriers and non-carriers. 2D immune proteomics and ELISA approaches revealed that titers of serum antibody (IgG) binding to the S. aureus lipoproteins were very low or even unmeasurable in healthy individuals except for the lipoprotein SaeP. Only patients with cystic fibrosis or epidermolysis bullosa who were heavily exposed to the bacteria, generated an antibody response also to lipoproteins. Proliferation assays and cytokine profiling data showed only subtle responses of T cells in healthy individuals; three out of eight tested lipoproteins did not elicit proliferation. Hence, the robust activation of the innate immune system by S. aureus lipoproteins does not translate into a strong adaptive immune response. Reasons for this may be inaccessibility of lipoproteins for B cells as well as ineffective processing and presentation of the antigens to T cells. The main findings implicate that family members can serve as S. aureus reservoirs causing recurrent furunculosis in young patients and that antibodies may provide partial protection from such infections by S. aureus. We have found that, different from proteins that are secreted by S. aureus, lipoproteins which anchored in the bacterial cell membrane, do not trigger strong responses from the human adaptive immune system. This suggests that these proteins remain mostly hidden in the bacterial cell-wall.
Die Regulation der adaptiven Immunantwort im Verlauf der schweren akuten Pankreatitis im Mausmodell
(2020)
Die akute Pankreatitis ist eine weit verbreitete gastrointestinale Erkrankung, die assoziiert sein kann mit Multiorganversagen und einer nicht unwesentlichen Mortalität. Die Pankreatitis beginnt mit einer sterilen Entzündung, die eine überschießende inflammatorische Immunantwort (SIRS) induzieren kann. Die dahinter stehenden Mechanismen sind bisher noch nicht verstanden und eine Behandlung aus diesem Grund schwierig.
Um die systemische Immunantwort während der Pankreatitis genauer zu untersuchen, wurde in dieser Studie in unterschiedlichen Mausstämmen (IL-12p40-, NLRP3- und IL-18 knockout Mäuse) eine akute Pankreatitis mittels Gangligatur und der Applikation von Caerulein induziert. Die Aktivierung der erworbenen Immunantwort wurde mittels durchflußzytometrischer Analyse der T-Zellen in der Milz gemessen. Die Differenzierung der T-Zellen zu Th1/Th2/Treg-Zellen wurde durch die Färbung der nukleären Transkriptionsfaktoren Tbet, Gata3 und FoxP3 und CD4+-Zellen untersucht.
Im Zuge dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass die Aktivierung des erworbenen Immunsystems abhängig von NLRP3 ist. Während der Pankreatitis zeigte sich eine klare Th2-Antwort in Abwesenheit einer Th1-Antwort. Diese Immunantwort war abhängig von IL-18 in Abwesenheit von IL-12. Die therapeutische Inhibition von NLRP3 zeigte eine deutliche Reduktion der T-Zell-Aktivierung und einen milderen Krankheitsverlauf der Pankreatitis.
Im Gegensatz zu anderen Arbeiten, die davon ausgehen, dass es erst zu einer überschießenden Inflammation (SIRS) und dann zu einer zu starken Gegenreaktion, Anti-Inflammation (CARS), kommt, konnte gezeigt werden, dass im Verlauf der Pankreatitis SIRS und CARS parallel verlaufen. Durch die Inhibition von NLRP3 kommt es zu einer milderen Immunantwort und milderen Krankheitsverlauf. Aus diesem Grund kann der Einsatz von Inhibitoren gegen NLRP3 ein guter therapeutischer Ansatz für den klinischen Alltag und bei der Behandlung der akuten Pankreatitis sein.
Die Pankreatitis ist eine relativ häufige gastrointestinale Erkrankung deren Pathomechanismus bisher nicht vollständig geklärt wurde. Besonders die Rolle des Immunsystems scheint einen wichtigen Einfluss auf den Verlauf dieser Erkrankung zu haben. Gut charakterisiert ist bereits die initiale lokale Immunantwort. Zerstörte Azinuszellen setzten DAMPs (engl. damage-associated molecular pattern) frei, die wiederum eine Infiltration von Zellen des angeborenen Immunsystems in das Pankreasgewebe induzieren und aktivieren. Zu diesen Zellen gehören Makrophagen und Neutrophile. T-Zellen, welche zum adaptiven Immunsystem gehören, wandern nicht in das Pankreas ein, sie werden jedoch systemisch aktiviert. Vor allem Th2-Zellen (T-Helferzellen Typ2) und Tregs (regulatorische T-Zellen) werden im Verlauf einer Pankreatitis induziert. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass Tregs während einer Pankreatitis nicht nur aktiviert werden, sondern ebenfalls eine höhere suppressive Kapazität besitzen.
Die genaue Rolle dieser antiinflammatorischen Immunantwort und im speziellen der Einfluss von Tregs sollte in dieser Arbeit mit Hilfe von DEREG Mäusen (engl. depletion of regulatory T cells) genauer charakterisiert werden. Durch gezielte Depletion von Tregs mittels DT (Diphtheria Toxin) kann die Auswirkung der Abwesenheit von Tregs im Pankreatitis-Mausmodell untersucht werden. Im akuten Modell kommt es zu einem systemischen Anstieg der T-Effektor-Immunantwort. Die Depletion von Tregs hat zudem eine Auswirkung auf den Schweregrad der Erkrankung. Unter Abwesenheit von Tregs sinkt im akuten Pankreatitis-Modell der pankreatische Schaden. Als eine mögliche Ursache konnte die Dysbalance der Treg/Th17 regulierten intestinalen Immunantwort identifiziert werden, welche zu einer Zerstörung der Darmbarriere führt und eine Translokation kommensaler Mikroorganismen ins nekrotische Pankreasgewebe initiiert.
Im chronischen Pankreatitis-Modell konnte gezeigt werden, dass die T-Zelldifferenzierung einen wichtigen Einfluss auf die Makrophagenpolarisation hat und dadurch den Verlauf der Chronifizierung der Pankreatitis mitbestimmt. Eine Depletion von Tregs in der chronischen Pankreatitis führt zu einer ungebremsten Th2-Antwort. Über die freigesetzten Zytokine, wie z.B. IL4, wird die Makrophagenpolarisation in Richtung der antiinflammatorischen Makrophagen verschoben. Diese Makrophagen induzieren über IL10 und TGFβ die Aktivierung ruhender PSCs (pankreatische Sternzelle) und regulieren somit Regenerationsprozesse. Kommt es zu einer Dysregulation dieser Makrophagenpolarisation, kann dieser Regenerationsprozess unkontrolliert erfolgen. Als Folge dessen kommt es nicht nur zu einer gesteigerten Aktivierung von PSCs, sondern auch zu einer exzessiven Kollagenproduktion, welche zu einer pathologische Fibrose führt. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen deutlich, dass Tregs einen entscheidenden Einfluss auf die Gewebeumstrukturierung des Pankreas haben. Eine Depletion von Tregs im chronischen Pankreatitis-Modell induziert über die Aktivierung antiinflammatorischer Makrophagen eine Expression von PSCs. Diese unkontrollierte Induktion führt zu einer gesteigerten Kollagenproduktion und Bildung von fibrotischem Pankreasgewebe unter gleichzeitigem Verlust von Azinuszellen. Diese exzessive Gewebeumstrukturierung resultiert in einem Funktionsverlust des exokrinen Gewebes. Mäuse deren Tregs depletiert wurden verloren im chronischen Pankreatitis-Modell bereits nach 14 Tagen signifikant an Gewicht.
Weitere wichtige Faktoren, die im Regenerationsprozess eine Rolle spielen, sind Wachstumsfaktoren. Genexpressionsanalysen und histologische Färbungen verdeutlichen, dass Tregs die Induktion von Wachstumsfaktoren mitbestimmen.
Zusammengefasst bedeutet dies, dass Tregs im akuten Pankreatitis-Modell die T-Effektor-Immunantwort supprimieren und dadurch den Verlauf der Pankreatitis verschlechtern. Im chronischen Pankreatitis-Modell sorgen Tregs dahingegen für eine Balance der Makrophagenpolarisation, und regulieren den Remodeling-Prozess, indem sie z.B. die Bildung fibrotischem Gewebes limitieren.