Open Access

: An enhanced indoleamine 2,3-dioxygenase 1 (IDO1) activity is associated with an increased mortality risk in sepsis patients. Thus, the preventive inhibition of IDO1 activity may be a promising strategy to attenuate the severity of septic shock. 1-methyltryptophan (1-MT) is currently in the interest of research due to its potential inhibitory effects on IDO1 and immunomodulatory properties. The present study aims to investigate the protective and immunomodulatory effects of 1-methyltryptophan against endotoxin-induced shock in a porcine in vivo model. Effects of 1-MT were determined on lipopolysaccharide (LPS)-induced tryptophan (TRP) degradation, immune response and sickness behaviour. 1-MT increased TRP and its metabolite kynurenic acid (KYNA) in plasma and tissues, suppressed the LPS-induced maturation of neutrophils and increased inactivity of the animals. 1-MT did not inhibit the LPS-induced degradation of TRP to kynurenine (KYN)—a marker for IDO1 activity—although the increase in KYNA indicates that degradation to one branch of the KYN pathway is facilitated. In conclusion, our findings provide no evidence for IDO1 inhibition but reveal the side effects of 1-MT that may result from the proven interference of KYNA and 1-MT with aryl hydrocarbon receptor signalling. These effects should be considered for therapeutic applications of 1-MT.

The GATA1 transcription factor is essential for normal erythropoiesis and megakaryocytic differentiation. Germline GATA1 pathogenic variants in the N-terminal zinc finger (N-ZF) are typically associated with X-linked thrombocytopenia, platelet dysfunction, and dyserythropoietic anemia. A few variants in the C-terminal ZF (C-ZF) domain are described with normal platelet count but altered platelet function as the main characteristic. Independently performed molecular genetic analysis identified a novel hemizygous variant (c.865C>T, p.H289Y) in the C-ZF region of GATA1 in a German patient and in a Spanish patient. We characterized the bleeding and platelet phenotype of these patients and compared these findings with the parameters of two German siblings carrying the likely pathogenic variant p.D218N in the GATA1 N-ZF domain. The main difference was profound thrombocytopenia in the brothers carrying the p.D218N variant compared to a normal platelet count in patients carrying the p.H289Y variant; only the Spanish patient occasionally developed mild thrombocytopenia. A functional platelet defect affecting αIIbβ3 integrin activation and α-granule secretion was present in all patients. Additionally, mild anemia, anisocytosis, and poikilocytosis were observed in the patients with the C-ZF variant. Our data support the concept that GATA1 variants located in the different ZF regions can lead to clinically diverse manifestations.

The study of host-pathogen interactions is central to a better understanding of the human microbiome, infections and the inner workings of immune cells. One focal point of this research is how the human immune system recognises both harmful and harmless antigens, integrates the resulting signals and forms a response, and how, conversely, microbes can manipulate this reaction. In this thesis, Pseudomonas aeruginosa (P. aeruginosa), a critical pathogen in chronic and nosocomial infections, was in the focus. The aim was to search for bacterial proteins that favour a type 2 immune response, as it is orchestrated by CD4+ type 2 T helper cells (Th2 cells). The humoral arm of a type 2 response is dominated by IgG4 and IgE. Such immune responses are typically directed against multicellular pathogens like helminths and other parasites. However, type 2 immune responses are suboptimal for the defence against extracellular bacteria like P. aeruginosa. Previous research suggests that some bacterial proteins may promote a switch to such an insufficient immune response as a mechanism of immune evasion. To optimise the sensitivity of the search for type 2 response inducing proteins of P. aeruginosa, cystic fibrosis (CF) patients were studied, as many are exposed to the pathogen in their airways over prolonged time periods. As such, the humoral immune response of 9 CF patients to their own P. aeruginosa strain was examined. For this, the secretomes of 9 clinical P. aeruginosa isolates from CF patients and the P. aeruginosa reference strain PAO-1 were studied by 2D-immunoblotting for their ability to be bound by IgG4 and IgG1 from respective patient sera. IgG4 served as a proxy for IgE, as assays analysing IgE binding suffer from low sensitivity because of low serum concentrations of IgE. Antibody reactive P. aeruginosa proteins were then identified by liquid chromatography tandem mass spectrometry and the results were compared with proteomics data from literature. In total, 308 distinct protein spots were analysed. These belonged to 17 bacterial proteins, which comprise the entire known P. aeruginosa secretome. Of these spots, 232 were bound by IgG4, and 24 by IgG1 only. Notably proteases like serralysin and P. aeruginosa elastase presented with an IgG4 bias. This is concordant with previous research linking proteases to a type 2 immune response. Moreover, structural proteins like agellins were also immunodominant. Flagellins are known as common targets of immune detection in bacteria. These proteins also demonstrated a clear IgG4 bias. Thus, the search for secreted P. aeruginosa proteins that elicit an IgG4-dominated antibody response was successful. It remains to be shown whether these bacterial proteins are also recognized by IgE and Th2 cells, meaning whether they are truly driving a type 2 immune response in CF patients. It is also an open question whether the observed IgG4 bias in the antibody response to the exoproteome of P. aeruginosa is specific to CF or a general feature of the human immune response to the pathogen.

Infective endocarditis (IE) is a potentially life-threatening infection of the endocardial surfaces of the heart, most frequently the valves. It is typically caused by bacteria, less commonly by fungi. Over the past years, the morbidity and mortality of IE have gradually increased, and it is now the fourth most common life-threatening infection after sepsis, pneumonia, and intra-abdominal abscess. Despite advances in cardiac imaging and diagnostic techniques, the diagnosis of IE remains challenging. The lack of fast and reliable diagnosis of IE can lead to serious complications. Therefore, new diagnostic and therapeutic tools are urgently needed. This study had two main aims: (i) to investigate whether a pathogen-specific antibody response in IE patients is mounted against different IE pathogens and whether analysis of such a response might be useful for complementing the classical blood culture diagnosis, and (ii) generate and characterize neutralizing monoclonal antibodies (mAbs) against three virulence factors of Staphylococcus aureus (S. aureus), which is the most common etiological agent in IE. Our research group has recently established an xMAP® (Luminex®) technology-based serological assay that simultaneously quantifies the antibody response against 30 different pathogens. Within the research consortium Card-ii-Omics, we conducted a prospective, observational clinical discovery study involving 17 IE patients and 20 controls (i.e., patients with non-infectious heart-related conditions). Plasma samples were obtained on the day of IE diagnosis from all patients, while samples at later dates over the course of infection were available for only some patients. Invasive pathogens were identified by blood culture. The infection array revealed antibodies against a broad range of pathogens in both controls and IE patients, suggesting a broad immune memory. Overall, antibody levels did not significantly differ between both groups, but we observed high antibody titers against those pathogens that were detected by blood culture. Whenever available (in the case of 13/17 IE patients), back-up and follow-up plasma samples (obtained before or after diagnosis, respectively) were included in the analyses that provided valuable information about the kinetics of antibody response during the course of infection. Notably, infection array data confirmed (and extended) the blood culture data in only 2/13 cases. In three cases, serology contradicted the microbiological diagnosis, and in three cases, the infection array was able to identify pathogens, while the microbiological diagnosis failed. In three cases, serology was negative while microbiological diagnosis was positive, and in two cases, both serology and microbiological diagnosis were negative. In 6 out of 8 cases with increases in antibody levels, this response was directed against gut microbes. This supports the leaky gut hypothesis, which assumes that breaching of the gut barrier causes translocation of gut microbes into the bloodstream, which then infect the heart valves. Moreover, we observed an increase in antibody titers in 4 patients against the yeast C. albicans, suggesting a secondary fungal infection. Finally, this study emphasized that the timing of plasma collection is crucial for studying antibody kinetics in IE. After demonstrating that pathogen-specific antibodies are generated during IE, we aimed to generate mAbs against the prime IE pathogen S. aureus and study their functions on a molecular level. Using the hybridoma technology, our research group has recently generated mAbs against two S. aureus surface proteins/adhesion factors (clumping factor A (ClfA) and fibronectin-binding protein A (FnBPA)), both involved in biofilm formation, as well as an extracellular enzyme, the staphylococcal serine protease–like protein B (SplB), a virulence factor. In this work, the sequences of the mAbs were determined from hybridoma RNA. Then those mAbs were produced at a larger scale in order to determine their binding and neutralizing capacities using in vitro assays such as ELISA, Western blot, Dot blot, microscale thermophoresis, and in a mouse model. The anti-SplB mAb specifically targeted SplB, with no cross-reactivity to other Spls or extracellular proteins (ECP) of S. aureus. Though anti-SplB mAb showed moderate binding to SplB with a Kd value of 2.54 μM and high sequence homology to the germline sequence, it neutralized the enzymatic activity of SplB up to 99% in 5-fold molar excess as showed in an in vitro substrate cleavage assay. Previous work showed that SplB facilitates the release of proinflammatory cytokines in endothelial cells and induces endothelial damage in mice. Here, we demonstrated that the anti-SplB mAb efficiently blocked the function of SplB in vivo, thus markedly reducing the damage to the endothelial barrier. In conclusion, we identified the strong neutralizing potential of a mAb against SplB, which merits further investigation as a candidate for the immunotherapy of SplB-induced S. aureus pathologies, including IE. High antibody titers against S. aureus adhesins, including ClfA and FnBPA, have been reported in IE patients. Besides, ClfA is involved in serious S. aureus bloodstream and biofilm-related infections. Similarly, FnBPA facilitates biofilm formation and inhibits macrophage invasion. These important properties make the two bacterial adhesins ideal candidates for a passive vaccination strategy. We generated two murine ClfA-mAbs, ClfA-002 and ClfA-004, which showed strong specificity to ClfA. However, ClfA-004 showed reduced binding strength compared to ClfA-002 due to a single non-synonymous nucleotide change (Phe Tyr) at the CDR3 region. While the ClfA-002 mAb reduced the binding of ClfA to fibrinogen by around 60%, the ClfA-004 had no inhibitory capacity. We also generated two murine and twelve humanized anti-FnBPA mAbs, which showed similar and moderate binding to FnBPA. One murine mAb (anti-FnBPA D4) partially inhibited the binding of FnBPA to fibronectin. FnBPA contains 11 tandem repeats that can all bind to fibronectin. This redundancy could be the reason for the lack of complete inhibition. Hence, in this work, we characterized the properties of neutralizing mAbs against two adhesins of S. aureus. These mAbs should be tested in the future, alone and in combination with other mAbs and antibiotics, for their ability to reduce staphylococcal biofilm formation. In conclusion, we showed that antibody profiling of IE patients can provide valuable insights into the causative agent(s), and can help in guiding the antibiotic therapy. However, sampling is crucial in IE, which often dwells for many weeks before being clinically diagnosed. Because of the severity of IE, which can be life-threatening, I suggest to establish biobanks to store patient samples upon hospital admission that will provide a baseline in case of a later microbial infection. Moreover, our results suggest that C. albicans plays an important and so far underestimated role in IE. In the second part of the thesis, we characterized several mAbs against an S. aureus protease and two adhesins. Of high interest is a neutralizing mAb against SplB, which shows promising results in vitro and in vivo. Further in vitro and in vivo tests need to be conducted to study the anti-biofilm activity of the anti-FnBPA- and anti-ClfA-mAbs and explore their utility as therapeutic agents.

Background: Previous studies suggest that blood donation impacts blood donors’ psychological state, with either positive or negative effects, such as feeling more energetic or more exhausted. It has not yet been described how long these effects last. Materials and Methods: This prospective cohort study consisted of a qualitative and a quantitative part: (1) Psychological characteristics which changed after blood donation were identified by structured interviews of regular whole blood donors (n = 42). Based on this, a questionnaire addressing 7 psychological dimensions was established. (2) The psychological state of 100 blood donors was assessed after blood donation by applying the questionnaire 15–30 min before and during donation, as well as 15–30 min, 6 h, 24 h, 72 h, 1 week, and 8 weeks after donation. The resulting changes were summarized to a score. Furthermore, potential correlations of the score with pre-donation blood pressure, hemoglobin, or body mass index were calculated. Results: Seven items were identified which changed in at least 25% of blood donors (mood, concentration, satisfaction, resilience, spirit of initiative, physical well-being, energy level). In the 100 blood donors, the well-being score increased (positive effects, n = 23), showed minor changes (n = 53), or decreased (negative effects, n = 24). The positive effects lasted for about 1 week and the negative effects for 3 days. Conclusion: While the frequency of psychological effects following blood donation identified by our study was comparable to others, the changes of the psychological state in our donors were traceable for a longer period than previously acknowledged.

Das Gram-positive Bakterium S. aureus besiedelt rund 20 % der Menschen persistent und asymptomatisch, während sich bei den anderen Phasen der Kolonisation und Nicht-Kolonisation abwechseln. Als opportunistisches Pathogen kann S. aureus seinen Wirt auch infizieren und eine Vielzahl von Krankheitsbildern hervorrufen. Diese reichen von oberflächlichen Haut- und Weichteilinfektionen bis hin zu komplexen Infektionsgeschehen wie der Sepsis und können den Tod der betroffenen Person zur Folge haben. Antibiotika-resistente Varianten wie Methicillin-resistente S. aureus (MRSA) verkomplizieren die Therapie und sind als „Krankenhauskeime“ gefürchtet. Die Kolonisierung und Infektion mit MRSA beschränkt sich allerdings nicht nur auf Gesundheitseinrichtungen, sondern etablierte sich auch in der Allgemeinbevölkerung sowie in Landwirtschaftsbetrieben. Da S. aureus neben dem Menschen ebenfalls eine Vielzahl von Wild- und Nutztieren kolonisieren und infizieren kann, welche als Reservoir, Überträger sowie als Brutstätten neuer Varianten fungieren, ist ein holistischer Ansatz wie das „One Health“-Konzept gefordert, um Ausbreitung und Infektionen unter Kontrolle zu halten. Dies erfordert geeignete Tiermodelle, um die komplexen Interaktionen von S. aureus mit seinem Wirt zu analysieren und therapeutisch zu beeinflussen. Am häufigsten werden dafür etablierte Labormaus-Stämme (z.B. C57BL/6, BALB/c) eingesetzt und mit S. aureus-Stämmen des Menschen kolonisiert oder infiziert. Weil S. aureus jedoch einen Wirtstropismus ausbildet, ist die Aussagekraft solcher Mausmodelle durch die Inkompatibilität zwischen Erreger und Wirt limitiert. Manche Aspekte der Wirt-Pathogen-Interaktion lassen sich in diesen Modellen gar nicht untersuchen. Hier könnten murin-adaptierte S. aureus-Stämme eine bessere Option sein, zumal Vorarbeiten unserer Arbeitsgruppe zeigten, dass Mäuse natürliche Wirte von S. aureus sind. In dieser Arbeit sollte daher untersucht werden, ob Befunde aus dem Menschen in der Maus repliziert werden können, wo die Limitationen von Mausmodellen liegen und wie mögliche Optimierungsansätze aussehen könnten. Weitere Schwerpunkte lagen auf Analysen der Populationsstruktur von S. aureus in murinen Spezies unterschiedlicher Habitate und der Adaptation muriner S. aureus-Isolate an ihren Wirt. Außerdem wurden Maus-adaptierte Stämme in Infektions- und Kolonisationsmodellen eingesetzt, um ihre Eignung im Mausmodell zu testen. In einer Originalarbeit (Mrochen et al.; Front. Immunol.; 2021) haben wir anhand der Immunantwort auf die beiden S. aureus-Virulenzfaktoren SplB und GlpQ beschrieben, dass Daten aus klinischen Studien in der Maus rekapituliert werden können. S. aureus-naive Mäuse zeigten nach Vakzinierung mit SplB eine sehr ähnliche Polarität der Immunantwort wie Menschen nach natürlicher Besiedlung/Infektion mit S. aureus. Mäuse reagierten mit einer Th2-Antwort auf das nicht-adjuvantierte Protein SplB, zudem war die Anzahl an Eosinophilen in der Milz signifikant erhöht. Im Serum der Mäuse ließ sich SplB-spezifisches IgE messen. Damit spiegelte das Mausmodell den beim Menschen bekannten Typ2-Bias der Immunreaktion auf Spls von S. aureus wider. GlpQ löste hingegen ohne Adjuvans keine messbare Immunreaktion aus, hatte also eine geringe Immunogenität. Dies zeigt, dass S. aureus-naive Mäuse sich dazu eignen könnten, die intrinsische Immunogenität und das Immunpolarisationspotential von S. aureus-Proteinen zu untersuchen, was für die Entwicklung von S. aureus-Vakzinen von Bedeutung ist. In einem Übersichtsartikel (Mrochen et al.; Int. J. Mol. Sci.; 2020) haben wir die Limitationen von konventionellen S. aureus-Infektionsmodellen, bei denen Mäuse mit human-adaptierten S. aureus-Isolaten infiziert werden, veranschaulicht und Alternativen aufgezeigt. Zunächst stellten wir den Wirtstropismus von S. aureus und Mechanismen der Wirtsanpassung dar. Darauf aufbauend diskutierten wir einige Limitationen konventioneller Mausmodelle. Wir betrachteten Aspekte der genetischen Variation der verwendeten Maus- und S. aureus-Stämme, wirtsspezifische Virulenzfaktoren, Unterschiede des humanen und murinen Immunsystems, den Einfluss des murinen Mikrobioms und der verwendeten Infektionsdosen. Zusammenfassend kann dazu gesagt werden, dass durch die Inkompatibilitäten zwischen humanen S. aureus-Isolaten und der Maus die bakterielle Fitness und Virulenz eingeschränkt ist. Dies kann die Aussagekraft von Experimenten massiv einschränken. Beispielsweise können in ihrer Affinität verminderte Rezeptor-Ligand-Interaktionen die Akquisition von Nährstoffen erschweren und die Wirkungslosigkeit bestimmter Virulenzfaktoren (wie z.B. Superantigenen) die Immunevasion behindern. Wir haben daraufhin alternative Modell-Ansätze vorgestellt und diskutiert, welche unterschiedliche Aspekte der Wirt-S. aureus-Interaktion verbessern sollen (humanisierte Mäuse, dirty mice, Wildlinge). Die ebenfalls mögliche Verwendung murin-adaptierter S. aureus-Stämme beseitigt Inkompatibilitäten zwischen Maus und S. aureus komplett, kann aber manche humanspezifischen Vorgänge nicht modellieren. In zwei weiteren Originalarbeiten (Mrochen et al.; Int. J. Med. Microbiol.; 2018 und Raafat et al.; Toxins; 2020) haben wir die Populationsstruktur von S. aureus in Labormäusen bzw. Ratten unterschiedlicher Habitate (Labor, Wildnis) beschrieben und die Adaptation der Bakterien an diese Wirte dargestellt. Rund um den Globus sind Labormäuse mit S. aureus besiedelt. Einige murine Isolate gehörten zu klonalen Komplexen wie CC1, CC5, CC8 und CC15, die sich auch beim Menschen finden, sodass hier eine Übertragung vom Menschen auf die Maus wahrscheinlich ist. Dennoch zeigten viele der Isolate eindeutige Zeichen einer Wirtsadaptation. So waren humanspezifische Virulenzfaktoren seltener als bei humanen Referenzisolaten gleicher Linien vorhanden. 47 % der Isolate gehörten jedoch zum klonalen Komplex CC88, der selten beim Menschen ist. Diese Linie war in Vorarbeiten unserer Arbeitsgruppe bereits als murin-adaptiert identifiziert worden, was sich hier bestätigte. Bei Laborratten zeigte sich ein ähnliches Bild. Auch hier wurden viele Stämme isoliert, die zu typisch humanen Linien (z.B. CC1, CC8, CC15) gehören, außerdem CC88-Isolate. Sie zeigten Zeichen einer Adaptation an Ratten. S. aureus-Isolate aus Wildratten und aus von Wildratten abstammenden Ratten in Gefangenschaft besaßen eine vollkommen andere Populationsstruktur. Hier fanden sich u.a. Linien (CC49, CC130, ST890), die wir in einer anderen Studie aus Wildmäusen isoliert haben. Auch sie wiesen die Zeichen einer Wirtsadaptation auf. Diese Studien zeigen, dass die Besiedlung von Labormäusen und -ratten durch S. aureus weit verbreitet ist und vermutlich meist vom Menschen ausgeht. Dennoch weisen die Laborstämme Anzeichen einer Adaptation an die Nager auf, was eine längere Kontaktzeit voraussetzt, die diese evolutionären Vorgänge ermöglicht. Die Besiedlung der Labortiere hat zudem Folgen für die Konstitution des Immunsystems, da es auf dieses Bakterium geprimt wird. Weiterhin kann eine Besiedlung zu opportunistischen Infektionen führen. Folglich sollte bei Experimenten stets der S. aureus-Besiedlungsstatus erfasst werden, um einen etwaigen Einfluss auf die erzielten Ergebnisse ausschließen bzw. nachweisen zu können. Bei Wildnagern und ihren Verwandten weist S. aureus eine andere Populationsstruktur auf, welche über einen gewissen Zeitraum auch in Gefangenschaft stabil zu sein scheint. Wildtiere sind damit ein bedeutendes Reservoir und potentielle Überträger von S. aureus, aber ebenfalls eine Quelle neuer Stämme, die zu Forschungszwecken eingesetzt werden könnten. In zwei weiteren Originalarbeiten (Trübe et al.; Int. J. Med. Microbiol.; 2019 und Fernandes et al.; Microorganisms; 2021) haben wir die Eignung verschiedener murin-adaptierter Stämme in Infektions- und Kolonisationsmodellen diskutiert. S. aureus-Isolate aus Wild- und Labormäusen wurden in BALB/c-Mäusen mit dem humanen Stamm Newman verglichen. Ein CC49-Isolat (S. aureus DIP), das aus Rötel- und Gelbhalsmäusen stammte, erwies sich als besonders virulent und provozierte selbst in einer im Vergleich mit dem Stamm Newman zehnfach geringeren Infektionsdosis vergleichbare Symptome und Immunreaktionen. Die geringere Infektionsdosis ist wahrscheinlich klinisch relevanter, da pathophysiologische Eigenschaften von S. aureus auch dichteabhängig reguliert werden (quorum sensing). In einem Kolonisationsmodell mit dem murin-adaptierten Laborstamm JSNZ wurde die dekolonisierende Wirkung von Aurintricarbonsäure (ATA) evaluiert. ATA war zuvor in breit angelegten in vitro-Screenings als potenter Adhäsionsinhibitor identifiziert worden. C57BL/6-Mäuse wurden mit JSNZ kolonisiert und anschließend mit ATA behandelt. Leider war ATA im Mausmodell wirkungslos, während mit der in der Klinik eingesetzten Kontrollsubstanz Mupirocin eine vollständige Dekolonisation erreicht werden konnte. JSNZ bestätigte sich jedoch als persistierender Besiedler der Maus. Dieses Besiedlungsmodell ist daher sehr gut geeignet, um neue Agenzien für eine S. aureus-Dekolonisierung zu testen oder die Wirt-Pathogen-Interaktion bei der Kolonisation im Detail zu analysieren. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass sich Mausmodelle besser für die Forschung an S. aureus eignen als bisher angenommen. Trotzdem muss die Übertragbarkeit der Ergebnisse auf den Menschen stets kritisch überprüft werden. Die Maus-adaptierten S. aureus-Stämme sind ein neues und potentes Werkzeug, die S. aureus-Forschung zu optimieren. Von besonderem Interesse ist die Möglichkeit, Mäuse persistent zu kolonisieren, wie dies typisch für die Interaktion von S. aureus mit seinem menschlichen Wirt ist. Diese wichtige Facette im Zusammenspiel zwischen dem Erreger und seinem Wirt wird nun erstmals der experimentellen Forschung zugänglich.

Staphylococcus aureus (S. aureus) is among the most common infectious agents, burdening the global health care system and challenging physicians. Thus, the demand for vaccination is increasing, and despite many attempts, no vaccine is currently available. The iron-regulated surface determinant protein B (IsdB) is a highly conserved surface protein of S. aureus. It has an essential role in bacterial iron acquisition and cell attachment, functioning as a fitness factor. It has been shown that IsdB is critical for S. aureus virulence and growth in iron-restricted conditions, such as the human host. Therefore, IsdB was studied as a vaccine candidate. A nonadjuvant vaccine (V710) was developed based on IsdB, which showed promising results in the preclinical, phase I, and phase IIa trials. Unexpectedly, in a phase IIb/III, in cardiothoracic surgery patients that were infected by S. aureus, mortality was significantly higher in the vaccinated group than the placebo. Despite increased antibody levels against IsdB in the vaccinated patients, V710 failed to prevent S. aureus infection. Therefore, a better understanding of the interaction between S. aureus and the immune system is required. We have discovered that IsdB has an important role in host-pathogen interaction. This bacterial protein activated human monocytes and murine bone marrow-derived dendritic cells (mBMDCs) to produce proinflammatory cytokines, such as IL-6, TNF-α, IL-12, IL-23, IL-33, and IL-1β. In silico molecular docking and DimPlot analysis predicted that IsdB binds to -TLR4 via non-covalent interactions. Microscale thermophoresis confirmed that IsdB has a high affinity to recombinant human TLR4 in the nanomolar range. Inhibition of TLR4 completely abolished the production of all the cytokines mentioned above in both cell types. Furthermore, we characterized the TLR4 signaling pathway triggered by IsdB. In human monocytes, blocking the myeloid differentiation factor 88 (MyD88) adaptor protein and NF-κβ transcription factor caused complete abrogation of proinflammatory cytokines in response to IsdB, revealing that IsdB induces cytokine release via the TLR4-MyD88-NF-κβ dependent pathway. The consistent release of IL-1β suggested that IsdB induced activation of the inflammasome, a multi-molecular complex known to play a crucial role in innate immunity. We corroborated our observations in human monocytes and mBMDCs by inhibiting essential components of the NLRP3 inflammasome. Blocking NLRP3, caspases in general and caspase-1 completely inhibited the release of IL-1β. In monocytes, IsdB alone was sufficient to induce NLRPdependent IL-1β release, suggesting an alternative pathway of inflammasome activation. In contrast, mBMDCs required an additional stimulus, such as ATP or MSU (known stress signals) besides IsdB, to release IL-1β, indicating a classical inflammasome activation. These results demonstrate that IsdB induces the release of IL-1β via the TLR4-NLRP3-Caspase-1 axis. Next, we addressed the molecular mechanisms involved in IsdB-induced IL-1β in monocytes. A low concentration of intracellular potassium (K+) resulting from K+ efflux is known to trigger the NLRP3 inflammasome-mediated IL-1β release. We demonstrated that blocking potassium efflux by inhibition of ion channels, such as pannexin channels (P2X)7, and addition of extracellular KCl significantly reduced IsdB-induced IL-1β. Other common inflammasome activators, such as phagolysosome rupture and reactive oxygen species (ROS), did not contribute to the release of IL-1β in response to IsdB. In summary, we revealed yet another role of IsdB beyond iron acquisition from Hb and attachment to the host cells via vitronectin and integrins. It is conceivable that IsdB’s interaction with innate immune cells modulates the quality of the adaptive immune response, showing a new facet in the pathogen-host relationship of S. aureus that should be considered in future vaccine development.

Infection and inflammation can augment local Na+ abundance. These increases in local Na+ levels boost proinflammatory and antimicrobial macrophage activity and can favor polarization of T cells towards a proinflammatory Th17 phenotype. Although neutrophils play an important role in fighting intruding invaders, the impact of increased Na+ on the antimicrobial activity of neutrophils remains elusive. Here we show that, in neutrophils, increases in Na+ (high salt, HS) impair the ability of human and murine neutrophils to eliminate Escherichia coli and Staphylococcus aureus. High salt caused reduced spontaneous movement, degranulation and impaired production of reactive oxygen species (ROS) while leaving neutrophil viability unchanged. High salt enhanced the activity of the p38 mitogen-activated protein kinase (p38/MAPK) and increased the interleukin (IL)-8 release in a p38/MAPK-dependent manner. Whereas inhibition of p38/MAPK did not result in improved neutrophil defense, pharmacological blockade of the phagocyte oxidase (PHOX) or its genetic ablation mimicked the impaired antimicrobial activity detected under high salt conditions. Stimulation of neutrophils with phorbol-12-myristate-13-acetate (PMA) overcame high salt-induced impairment in ROS production and restored antimicrobial activity of neutrophils. Hence, we conclude that high salt-impaired PHOX activity results in diminished antimicrobial activity. Our findings suggest that increases in local Na+ represent an ionic checkpoint that prevents excessive ROS production of neutrophils, which decreases their antimicrobial potential and could potentially curtail ROS-mediated tissue damage.

Our modern understanding of the hygiene hypothesis is that bacteria are not only the cause of disease but also essential for a healthy immune response and regulation. Varied microbial exposure prenatally and in early childhood protects us from pathological immune reactions such as autoimmune diseases and allergies. Against this background, the hypothesis that bacteria can act as allergens appears paradoxical. Nevertheless, there is growing evidence that Staphylococcus aureus (S. aureus) is associated with allergic reactions and serine protease-like proteins (Spls) produced by S. aureus have been identified as pacemakers of allergic reactions. To open prospects for treatment or causal therapy in patients at risk, the underlying mechanism of allergy induction by Spls was studied, focusing on the IL-33 pathway in airway inflammation. In a murine asthma model C57BL/6 J wild-type mice were repeatedly exposed to SplD via intratracheal application. After two weeks a Th2-biased inflammatory response was observed in the airways: IL-33 and eotaxin production, eosinophilia, bronchial hyperreactivity, and goblet cell hyperplasia. Blocking IL-33 activity with its soluble receptor ST2 counteracted these effects: significantly decreased numbers of eosinophils, IL-13+ type 2 ILCs, IL-13+CD4+ T cells as well as reduced IL-5 and IL-13 production by lymph node cells were observed. This study indicates that SplD induces allergic airway inflammation via the IL-33/ST2 axis. IL-33 upregulation was not accompanied by cell death, which indicates that IL-33 may not be passively released by dying cells but actively secreted by the airway epithelium. Future identification of the physiological substrates of the Spls may help to shed light on the source of IL-33 in SplD-induced airway inflammation. While the causes of allergy induction by S. aureus Spls were addressed by investigating the underlying mechanism, the consequences of this were also of interest: Does the pro-allergenic response to S. aureus affect patients exposed to S. aureus in their airways? Therefore, the humoral and cellular immune response against Spls was studied in cystic fibrosis (CF) patients who are more frequently colonized with S. aureus than the healthy population and suffer from frequent recurrent airway infections. In this patient cohort a Th2 shift of the Spl-specific immune response became evident, including high Spl-specific serum IgE levels, strong induction of Th2 cell differentiation and production of type 2 cytokines following ex vivo stimulation with recombinant Spls. The observed response seems to be specific for Spls rather than being a general feature of S. aureus proteases since other putative allergens of S. aureus (ScpA, SspB) did not show increased IgE binding in CF sera. The Th2-driven immune response might impede antibacterial clearance and worsen the clinical picture. Larger clinical studies are needed to validate this notion by correlating the anti-S. aureus immune response with clinical parameters and testing new therapy options. These results and findings shed light on a novel, possibly underestimated facet of the immune response against S. aureus and give impetus for further research on bacterial allergens in general, reaching beyond the species S. aureus.

Our goal was to provide a comprehensive overview of the antibody response to Staphylococcus aureus antigens in the general population as a basis for defining disease-specific profiles and diagnostic signatures. We tested the specific IgG and IgA responses to 79 staphylococcal antigens in 996 individuals from the population-based Study of Health in Pomerania. Using a dilution-based multiplex suspension array, we extended the dynamic range of specific antibody detection to seven orders of magnitude, allowing the precise quantification of high and low abundant antibody specificities in the same sample. The observed IgG and IgA antibody responses were highly heterogeneous with differences between individuals as well as between bacterial antigens that spanned several orders of magnitude. Some antigens elicited significantly more IgG than IgA and vice versa. We confirmed a strong influence of colonization on the antibody response and quantified the influence of sex, smoking, age, body mass index, and serum glucose on anti-staphylococcal IgG and IgA. However, all host parameters tested explain only a small part of the extensive variability in individual response to the different antigens of S. aureus.

Staphylococcus aureus(S. aureus) is a pathobiont of humans as well as a multitude of animalspecies. The high prevalence of multi-resistant and more virulent strains ofS. aureusnecessitatesthe development of new prevention and treatment strategies forS. aureusinfection. Major advancestowards understanding the pathogenesis ofS. aureusdiseases have been made using conventionalmouse models, i.e., by infecting naïve laboratory mice with human-adaptedS. aureusstrains. However,the failure to transfer certain results obtained in these murine systems to humans highlights thelimitations of such models. Indeed, numerousS. aureusvaccine candidates showed promising resultsin conventional mouse models but failed to offer protection in human clinical trials. These limitationsarise not only from the widely discussed physiological differences between mice and humans, but alsofrom the lack of attention that is paid to the specific interactions ofS. aureuswith its respectivehost. For instance, animal-derivedS. aureuslineages show a high degree of host tropism and carry arepertoire of host-specific virulence and immune evasion factors. Mouse-adaptedS. aureusstrains,humanized mice, and microbiome-optimized mice are promising approaches to overcome theselimitations and could improve transferability of animal experiments to human trials in the future.

Abstract Mechanical characteristics of individual cells play a vital role in many biological processes and are considered as indicators of the cells’ states. Disturbances including methyl‐β‐cyclodextrin (MβCD) and cytochalasin D (cytoD) are known to significantly affect the state of cells, but little is known about the real‐time response of single cells to these drugs in their physiological condition. Here, nanoindentation‐based atomic force microscopy (AFM) was used to measure the elasticity of human embryonic kidney cells in the presence and absence of these pharmaceuticals. The results showed that depletion of cholesterol in the plasma membrane with MβCD resulted in cell stiffening whereas depolymerization of the actin cytoskeleton by cytoD resulted in cell softening. Using AFM for real‐time measurements, we observed that cells mechanically responded right after these drugs were added. In more detail, the cell´s elasticity suddenly increased with increasing instability upon cholesterol extraction while it is rapidly decreased without changing cellular stability upon depolymerizing actin cytoskeleton. These results demonstrated that actin cytoskeleton and cholesterol contributed differently to the cell mechanical characteristics.

Abstract Background Heparins are usually produced from animal tissues. It is now possible to synthesize heparins. This provides the abilities to overcome shortages of heparin, to optimize biological effects, and to reduce adverse drug effects. Heparins interact with platelet factor 4 (PF4), which can induce an immune response causing thrombocytopenia. This side effect is called heparin‐induced thrombocytopenia (HIT). We characterized the interaction of PF4 and HIT antibodies with oligosaccharides of 6‐, 8‐, 10‐, and 12‐mer size and a hypersulfated 12‐mer (S12‐mer). Methods We utilized multiple methodologies including isothermal calorimetry, circular dichroism spectroscopy, single molecule force spectroscopy (SMFS), enzyme immunosorbent assay (EIA), and platelet aggregation test to characterize the interaction of synthetic heparin analogs with PF4 and anti‐PF4/heparin antibodies. Results The synthetic heparin‐like compounds display stronger binding characteristics to PF4 than animal‐derived heparins of corresponding lengths. Upon complexation with PF4, 6‐mer and S12‐mer heparins showed much lower enthalpy, induced less conformational changes in PF4, and interacted with weaker forces than 8‐, 10‐, and 12‐mer heparins. Anti‐PF4/heparin antibodies bind more weakly to complexes formed between PF4 and heparins ≤ 8‐mer than with complexes formed between PF4 and heparins ≥ 10‐mer. Addition of one sulfate group to the 12‐mer resulted in a S12‐mer, which showed substantial changes in its binding characteristics to PF4. Conclusions We provide a template for characterizing interactions of newly developed heparin‐based anticoagulant drugs with proteins, especially PF4 and the resulting potential antigenicity.

Neue Antibiotika und Präventionsmaßnahmen gegen S. aureus sind aufgrund der starken Ausbreitung multiresistenter S. aureus-Stämme dringend erforderlich. Zur Entwicklung von Therapie- und Präventionsmaßnahmen werden geeignete Infektionsmodellen benötigt, die die klinische Situation möglichst exakt widerspiegeln. Da die Spezies S. aureus stark wirtsspezifisch ist, könnten wirtsadaptierte S. aureus-Stämme hierbei äußerst hilfreich sein. In der Infektionsforschung werden vor allem Mausmodelle verwendet. Da bisher jedoch angenommen wurde, dass Mäuse keine natürlichen Wirte von S. aureus sind, sind S. aureus-Forscher davon ausgegangen, dass Mäuse kein geeignetes Modell darstellen. Das wurde durch unsere und andere Arbeitsgruppen allerdings in den letzten Jahren widerlegt. Wir konnten zeigen, dass Labor- und Wildmäuse mit S. aureus besiedelt sind. Im Rahmen dieser Arbeit sollte geklärt werden, ob murine Infektionsmodelle durch die Verwendung von mausadaptierten S. aureus-Stämmen optimiert werden können. Aus über 250 S. aureus-Stämmen, die aus Labor und Wildmäusen isoliert wurden, wurden vier mausadaptierte S. aureus-Isolate ausgewählt und mit dem humanen S. aureus-Isolat Newman in einem Pneumonie- und Bakteriämiemodell vergleichen. Diese Stämme wiesen einen repräsentativen spa-Typ sowie typischen Phagenmuster und Virulenzgene auf. Zudem waren sie in der Lage, murines Plasma zu koagulieren und in murinem Vollblut zu replizieren. Es zeigte sich, dass das murine Isolat S. aureus DIP sowohl im Pneumonie- als auch im Bakteriämiemodell deutlich virulenter war als das humane Isolat Newman und die anderen getesteten mausadaptierten Stämme. Nach kürzester Zeit starben alle Tiere, die mit S. aureus DIP infiziert wurden. Wurde die Infektionsdosis im Vergleich zu Newman um 90 % reduziert, waren die bakterielle Last, der Belastungsscore, sowie die Zytokin- und Chemokinkonzentrationen nach Infektion mit S. aureus DIP bzw. S. aureus Newman vergleichbar. Im Besiedlungsmodell konnte gezeigt werden, dass die mausadaptierten Stämme S. aureus JSNZ sowie S. aureus DIP in der Lage sind, Mäuse über einen Zeitraum von 7 Tagen stabil zu besiedeln. Mäuse, die mit S. aureus Newman besiedelt waren, konnten den Stamm innerhalb dieses Zeitraums eliminieren. Die Genomsequenzierung der in vivo verwendeten S. aureus Stämme zeigte, dass lediglich S. aureus DIP für das Leukozidin LukMF‘ kodiert. Das lässt vermuten, dass die Präsenz des Virulenzfaktors für die gesteigerte Virulenz von S. aureus DIP verantwortlich sein könnte. Des Weiteren sollten in dieser Arbeit ein Besiedlungsmodell mit murinen S. aureus-Isolaten etabliert und die beteiligten Immunzellen quantifiziert werden. Es zeigte sich, dass Mäuse mit murinen S. aureus-Isolaten bis zu 7 Tage besiedelt werden können wohingegen S. aureus Newman zu diesem Zeitpunkt nur noch in 20 % der Tiere nachweisbar war. Zudem konnte bei der intranasalen Besiedlung mit einer hohen Dosis S. aureus DIP [1 × 10^8 CFU] gezeigt werden, dass sowohl Th17-Zellen als auch γδ-T-Zellen nach 7 Tagen IL-17A, IL-17F und IL-22 produzieren. Jedoch konnte die Zytokinproduktion nur in Tieren nachgewiesen werden, die einen hohen Belastungsscore aufwiesen. Da nach 24 Stunden bei Tieren mit hohem Belastungsscore auch Bakterien in der Lunge detektiert wurde, ist anzunehmen, dass S. aureus diese Tiere nicht nur besiedelt, sondern bei ihnen auch eine Atemwegsinfektion verursacht hatte. Durch den geringen prozentualen Anteil an ILCs in den zervikalen Lymphknoten war es nicht möglich Rückschlüsse auf deren Zytokinproduktion zu ziehen. Somit gelang es zwar ein murines S. aureus-Besiedlungsmodell zu etablieren, jedoch kann keine Aussage zu den beteiligten Zellen des Immunsystems getroffen werden. Zusammenfassend konnte gezeigt werden, dass Labormäuse mit mausadaptierten S. aureus-Stämmen länger besiedelt werden können als mit dem humanen Referenzstamm Newman. Zudem konnte mit Hilfe des mausadaptierten Stammes S. aureus DIP die Infektionsdosis im Pneumonie- und Bakteriämiemodell erheblich reduziert werden. Somit gelang es Mausmodelle durch die Verwendung von mausadaptierten S. aureus-Stämmen zu optimieren, auch wenn das nicht auf alle getesteten Isolate zutrifft. Durch die Anpassung an den murinen Wirt stellen mausadaptierte S. aureus-Stämme wie DIP und JSNZ ein physiologischeres Modell der Pathogen-Wirts-Interaktion dar. Die Verwendung eines solchen Stammes ermöglicht es ein besseres Verständnis für Infektionsprozesse und die Pathogen-Wirt-Interaktionen zu erlangen und dadurch eventuell neue Therapiemöglichkeiten zu entwickeln. Es ist zu berücksichtigen, dass auch die Verwendung mausadaptierter S. aureus-Stämme in murinen Besiedlungs- und Infektionsmodellen lediglich ein Modell darstellt, welches Vor- und Nachteile hat. Daher ist es essenziell, dass Wissenschaftler die Grenzen jedes Modellsystems kennen und das richtige Infektionsmodell (oder eine Kombination davon) auswählen, um ihre Forschungsfragen zu beantworten.

In murine abdominal sepsis by colon ascendens stent peritonitis (CASP), a strong increase in serum IgM and IgG antibodies was observed, which reached maximum values 14 days following sepsis induction. The specificity of this antibody response was studied in serum and at the single cell level using a broad panel of bacterial, sepsis-unrelated as well as self-antigens. Whereas an antibacterial IgM/IgG response was rarely observed, studies at the single-cell level revealed that IgM antibodies, in particular, were largely polyreactive. Interestingly, at least 16% of the IgM mAbs and 20% of the IgG mAbs derived from post-septic mice showed specificity for oxidation-specific epitopes (OSEs), which are known targets of the innate/adaptive immune response. This identifies those self-antigens as the main target of B cell responses in sepsis.

Staphylococcus aureussuperantigens (SAgs) are among the most potent T cell mitogensknown.They stimulate large fractions of T cells by cross-linking their T cell receptor withmajor histocompatibility complex class-II molecules on antigen presenting cells, resulting in Tcell proliferation and massive cytokine release. To date, 26 different SAgs have been described in thespeciesS. aureus; they comprise the toxic shock syndrome toxin (TSST-1), as well as 25 staphylococcalenterotoxins (SEs) or enterotoxin-like proteins (SEls). SAgs can cause staphylococcal food poisoningand toxic shock syndrome and contribute to the clinical symptoms of staphylococcal infection. Inaddition, there is growing evidence that SAgs are involved in allergic diseases. This review providesan overview on recent epidemiological data on the involvement ofS. aureusSAgs and anti-SAg-IgEin allergy, demonstrating that being sensitized to SEs—in contrast to inhalant allergens—is associatedwith a severe disease course in patients with chronic airway inflammation. The mechanisms by whichSAgs trigger or amplify allergic immune responses, however, are not yet fully understood. Here, wediscuss known and hypothetical pathways by which SAgs can drive an atopic disease

Background: Postoperatively acquired immune dysfunction is associated with a higher mortality rate in case of septic complications. As details of this severe clinical problem are still unknown, animal models are essential to characterise the mechanisms involved. Methods: Mice were laparotomised and the small intestine was pressed smoothly in antegrade direction. For extension of trauma, the intestine was manipulated three times consecutively. Following this, the ex vivo cytokine release of splenocytes was determined. The degree of surgical trauma was analysed by detection of HMGB1 and IL-6 in serum and by neutrophil staining in the muscularis mucosae. Results: We adapted the previously described animal model of intestinal manipulation to provide a model of surgically induced immune dysfunction. Following intestinal manipulation, the mice showed elevated serum levels of HMGB1 and IL-6 and increased infiltration of granulocytes into the muscularis mucosae. Ex vivo cytokine release by splenocytes was suppressed in the postoperative period. The degree of suppression correlated with the extent of surgical trauma. Conclusions: In this study, we describe a surgically induced immune dysfunction animal model, in which a significant surgical trauma is followed by an immune dysfunction. This model may be ideal for the characterisation of the postoperative immune dysfunction syndrome.

Background: The high incidence of methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA) strengthens the need for new effective antibiotics and a protective vaccine. Up till now, mainly human-adapted Staphylococcus aureus strains were used to study S. aureus pathogenicity in mouse models. However, it is known that S. aureus is highly host-specific. Recently, a mouse-adapted S. aureus strain, JSNZ, was identified. This strain could be a promising tool in developing more appropriate infection models. JSNZ produces high amounts of a putative extracellular protease, named JSNZ extracellular protease (Jep). Since the jep gene was only detected in S. aureus isolates from laboratory mice and wild small rodents and shrews, we hypothesize that Jep is important for colonization and infection in mice. The jep deletion mutant previously created by our collaborators from the University of Auckland, New Zealand, intriguingly showed a reduced survival and growth fitness in murine serum and whole blood as compared to the JSNZ wild type (WT) strain. Objective: To elucidate the role of Jep in the interaction between S. aureus and its host by comparing the impact of JSNZ WT with a mutant and a complement strain on the murine immune system. In addition, the elucidation of possible genetic factors behind host-adaptation of S. aureus strains isolated from wild rodents and shrews. Methods: A jep complemented strain was generated by chromosomal replacement. JSNZ WT, the jep mutant and the complement strain were subjected to functional assays (whole blood survival assay, coagulation assay). In addition, the genetic background that might confer host specificity was tested by staph array genotyping. Results: The mutant strain JSNZDjep was successfully complemented with the jep gene using a chromosomal integration approach. The WT strain and the complemented strain produced the Jep protein in comparable amounts. Unexpectedly, the complemented strains did not behave like the WT strain but rather like the mutant in a series of in vitro assays. Firstly, the growth of both the deletion mutant and the complemented strains was slightly reduced in TSB as compared to the WT strain. Secondly, the jep knockout strain showed a strongly reduced survival in murine whole blood compared to its wild type counterpart, but so did the complemented strain. Finally, the coagulation of murine plasma was less pronounced for the jep deletion mutant and the complemented strain as compared to the JSNZ WT. To exclude a defect in jep gene expression, we compared the amount of Jep expressed during growth in TSB medium for the three strains. The complemented strain produced Jep in a manner similar to the WT strain in a growth-phase dependent manner, suggesting that Jep expression was not affected during the creation of the complemented strain. The array data showed some differences in the genetic makeup between animal isolated strains and matched human strains. For example, while all animal isolates of the CC88 lacked the resistance mecA gene it was found in some human isolates of the same strain. Conclusion: In conclusion, our unidentified mutation created during the generation of the jep knock-out strain rather than the jep gene itself manipulated the murine immune response. The responsible gene and the underlying mechanisms remain to be clarified. Genetic profiling of S. aureus strains allowed us to obtain some valuable information including data about CC49, the most frequently isolated lineage in wild rodents and shrews where compared to the human isolates the murine strains showed clear signs of host adaptation. However, the analysis had several limitations including the small sample size.

Das Pankreaskarzinom gehört zu den wenigen malignen Erkrankungen mit einer Fünf-Jahres-Überlebensrate im nur einstelligen Bereich, die sich seit mehr als dreißig Jahren nicht wesentlich verändert hat. Trotz intensiver Forschung sind die Therapieerfolge bei Patienten mit Pankreaskarzinom noch immer unzureichend. Die in den letzten Jahren in den Fokus gerückten Immuntherapien zeigen erste vielversprechende Ergebnisse, die immunologische Charakterisierung von Virotherapien im Pankreaskarzinom, steht noch am Anfang. Die onkolytische Wirkung des NDV Feldisolates R75/98 wurde bisher nicht untersucht. Daher wurden in dieser Arbeit zunächst das direkte onkolytische Potential sowie die NDV-induzierte Expressionsänderung immunmodulatorischer Moleküle in sechs humanen und vier murinen Tumorzelllinien pankreatischen Ursprungs evaluiert. Mit Ausnahme der murinen Panc02 Zelllinie waren alle Zelllinien zu unterschiedlichem Ausmaß durch NDV infiziert. In humanen Zellen war neben einer Proliferationsinhibition ebenfalls Apoptose zu verzeichnen. Diese Effekte waren in murinen Zelllinien weniger stark ausgeprägt, diese Zelllinien reagierten mit deutlich gesteigerter Expression von MHC I und Rae-1δ sowie verminderter TGF-β Sekretion. Die Ergebnisse der in vitro Untersuchungen stellen eine Verbindung zwischen den für die Tumorentstehung verantwortlichen Mutationen und dem dadurch bedingten Phänotyp mit der Anfälligkeit für eine NDV-Infektion dar. Zur Charakterisierung der Immunantwort nach NDV-Infektion hinsichtlich der Induktion einer sekundären anti-Tumor Immunantwort wurde ein murines, orthotopes Pankreastumormodell genutzt, in welchem zwei verschiedene syngene Zelllinien in das Pankreas implantiert wurden. Die Infektion von Mäusen mit NDV R75/98, denen spontan entstandene DT6606PDA Zellen implantiert wurden, führte bereits zwei Tage nach Infektion zu einer Verkleinerung des Tumors durch direkte Onkolyse und die zeitgleiche Induktion der NK-Zell-Antwort. Außerdem wurde das durch TGF-β vermittelte inhibitorische Milieu durch die NDV-Infektion aufgehoben. Die NK-Zellen wurden durch das Fehlen von MHC I und die Expression viraler Proteine und Rae-1δ auf den DT6606PDA Zellen zur Zell-vermittelten Lyse aktiviert. Im weiteren Verlauf kam es zur Aktivierung des adaptiven Arms des Immunsystems und die Infiltration von CD8+ und CD4+ T-Zellen in das Tumorgewebe und zur Zell-vermittelte Tumorlyse. Die Bildung von NDV-spezifischen Antikörpern ermöglichte zudem die Opsonierung der Tumorzellen durch infiltrierte Makrophagen. Unter Verwendung von UV-inaktiviertem Virus konnte diese Induktion der humoralen Immunantwort ebenfalls beobachtet werden, die Tumorabstoßung blieb allerdings aus. Der adoptive Transfer NDV-aktivierter Splenozyten zeigte, dass die Erhöhung der Immunogenität durch NDV zwar förderlich ist, jedoch keine Voraussetzung für eine erfolgreiche Tumorabstoßung darstellt. So ist in diesem Modell die Aktivierung der Immunsystems durch NDV und damit die Aufhebung der Tumor-assoziierten Immuninhibition der Schlüssel zu einer erfolgreichen Tumorabstoßungsreaktion. Die adaptive, spezifische anti-Tumor Immunantwort verhindert weiterhin das Rezidiv im murinen Modell des Pankreaskarzinoms. Diese Erkenntnisse wurden durch die Verwendung von Panc02 Zellen im Pankreastumormodell bestätigt. So führte die NDV-vermittelte Rekrutierung und Aktivierung von NK-Zellen zwar zu einer starken Reduktion der Tumormasse innerhalb der ersten Woche nach Infektion, jedoch blieb die Induktion der spezifischen adaptiven Immunantwort aus. Zurückzuführen war dies auf die Implantation dieser Zellen, die zu einer zu einer generellen Immunsuppression durch TGF-β führte. Die NK-Zell-vermittelte Tumorzelllyse begünstigte das immunoediting und führte so zur Bildung eines nicht-immunogenen, immunsuppressiv wirkenden Tumors. Dadurch wurde nicht nur die Induktion der adaptiven Immunantwort verhindert, sondern auch eine anhaltende NK-Zell-vermittelte Lyse unterbunden und führte zum Rezidiv im Panc02 Modell. Insgesamt zeigen die Ergebnisse dieser Arbeit, dass NDV R75/98 in der Lage ist, sowohl direkte Onkolyse auszulösen als auch die Immunogenität der Tumorzellen zu erhöhen. Diese wiederum steigert die Zell-vermittelte Tumorzelllyse und fördert ein pro-inflammatorisches Milieu. Die NDV-vermittelte Induktion der adaptiven Immunantwort und damit die Aufhebung der Tumor-assoziierten Immunsuppression stellen jedoch die Grundvoraussetzung der erfolgreichen Ausbildung einer anti-Tumor Immunantwort dar und gewährleisten gleichzeitig die Verhinderung eines Rezidivs. In Anbetracht der unzureichenden Therapieerfolge mit klassischen Chemotherapien und der ersten Erfolge immunmodulatorischer Therapien sollte die NDV-vermittelte Tumorabstoßung weiter aufgeklärt und als mögliche Alternative in klinischen Studien zur Therapie von Bauchspeicheldrüsenkrebs in Betracht gezogen werden.

Cancer is one of the leading causes of death in industrialized nations. Nowadays, cancer therapy mainly consists of surgery, radiation and chemotherapy. Thanks to intensive research alternative treatment strategies like gene therapy and especially immunotherapies are on the rise. Immunotherapies base on the idea of stimulating and supporting the patients immune system to generate an effective anti-tumor immune response. Dendritic Cells are perfect targets for this purpose, since these potent antigen-presenting immune cells influence the balance of the immune system by defining the route of action. Stimulation of these cells by activation of cellular signaling pathways results in maturation, upregulation of surface molecules and secretion of cytokines. A20 has been identified as a regulator of dendritic cell maturation and attenuator of their immune stimulating properties. Hence, the blockade of that natural inhibitor reveals an elegant way to activate cellular pathways of DCs. A siRNA against A20 obtains a functional blockade via RNA interference if it can be delivered into the cytoplasm of the target cells. CpG oligodeoxynucleotides can be used for this intracellular transport. CpGs contain DNA motifs similar to those found in bacteria. Innate immune cells can detect this DNA via the toll-like receptor 9 getting activated and stimulated. CpG oligodeoxynucleotides are already in clinical use as adjuvants in vaccines and in cancer therapy approaches. Linking A20-specific siRNA to CpG enables A20 regulation and cell stimulation selectively in toll-like receptor 9 expressing cells, like dendritic cells. Aim of this study was to investigate if these constructs trigger immune cell activation and if they are able to break immune-suppression in the tumor environment to enhance anti-tumor immunity. A long-term growth factor dependent bone marrow-derived dendritic cell culture has been established in order to analyze the CpG-siRNA A20 effects on murine dendritic cells. The constructs were internalized shortly after administration (1 hour) and led to cell stimulation/activation. The intraperitoneal treatment with the constructs induced local cellular activation and systemic IL-6, TNF-α cytokine production in healthy mice. Subcutaneous growing B16 melanoma tumors were treated peritumorally to analyse whether the observed immune-stimulation has effects on established tumors. The silencing of A20 enhances CpG-induced activation of NF-κB followed by elevated expression of IL-6, TNF-α and IL-12 in this tumor model. These changes led to enhanced anti-tumor immune responses manifested by increased numbers of tumor-specific cytotoxic T cells, high levels of tumor cell apoptosis and delayed tumor growth. New constructs were designed and tested on dendritic cells isolated from healthy donors in order to test whether the obtained results for the murine system are applicable to the human system. CpG-siRNA A20 constructs induced cell activation and cytokine expression (IL-6, TNF-α) significantly more than CpG alone. Even though responds of the donor DCs were variable, there are promising similarities to the results of the mouse experiments. The significant role of A20 in controlling the immune-stimulatory activity of DCs has been confirmed in this study. The novel CpG-siRNA A20 constructs provide a strategy for simultaneous A20 silencing and CpG-mediated cell stimulation directly in vivo. This therapeutic approach induces potent adaptive and innate immune responses against established tumors in mouse melanoma model leading to prolongation of survival. CpG-targeted A20 blockade is a new immune-stimulatory approach, which could be suitable for supplementation or optimization of clinical tumor treatments.

Die Sepsis ist trotz zahlreicher Fortschritte in der intensivmedizinischen Versorgung auch heute noch schwer zu beherrschen und mit einer hohen Letalität verbunden. Infolge einer immer schneller einsetzenden Antibiotikatherapie und supportiven Maßnahmen verstirbt nur ein kleiner Teil der Patienten in der Phase der Hyperinflammation. Im weiteren Verlauf kommt es jedoch zur Ausprägung einer Immunsuppression. Ein Großteil der Patienten verstirbt hier aufgrund nicht eradizierter primärer oder zusätzlicher sekundärer Infektionen. In dieser Arbeit wurde ein murines in vivo-Modell zur Untersuchung der Sepsis-bedingten Immunsuppression etabliert und diese umfassend charakterisiert. Überraschend war, dass das adaptive Immunsystem zu Beginn einer Sepsis voll kompetent auf Antigen reagiert. Eine Suppression des adaptiven Immunsystems entwickelte sich dann innerhalb einiger Tage. Neben Immundefekten durch Apoptose und/oder Funktionsverlust der T- und B-Zellen spielte die aktive Suppression durch regulatorische T-Zellen dabei eine große Rolle. Sie könnte Angriffsmöglichkeiten für die Behandlung in der Klinik bieten. In einem Immunisierungsmodell wurde darüber hinaus untersucht, ob die Immunsuppression bei Sepsis vom operativen Trauma abgetrennt werden kann. Die Ergebnisse zeigen, dass es auch infolge einer „einfachen“ Impfung zur transienten Suppression des adaptiven Immunsystems kommt. Die untersuchten Aspekte der „Sepsis-induzierten“ Immunsuppression lassen sich somit vom operativen Trauma und von der systemischen bakteriellen Infektion – d. h. von der Sepsis – trennen.

Bei der Bekämpfung chlamydialer Infektionen spielen CD8+ T-Zellen eine wichtige Rolle. Für diese ist die Aktivierung durch MHCI-präsentierte Peptidantigene auf der Oberfläche Chlamydien-infizierter DCs von entscheidender Bedeutung. Die intrazellulären Mechanismen, die zu einer effektiven MHCI-Präsentation führen sind jedoch weitestgehend unbekannt. In dieser Arbeit wurde die Antigenprozessierung und -präsentation chlamydialer Peptidantigene anhand von in vitro-Infektionsstudien und funktionaler Antigenpräsentations-Assays untersucht. Dafür wurde die immortalisierte murine DC-Zelllinie JAWSII und CD8+ T-Zellen aus der Milz Chlamydien-infizierter C57BL/6-Mäuse verwendet. Es konnte gezeigt werden, dass Chlamydien nach der PDI-abhängigen Aufnahme durch Clathrin- beziehungsweise Caveolin-vermittelte Endozytose eine PV ausbilden, die durch ein Gerüst aus Vimentin stabilisiert wird. Durch die Infektion kommt es zur Reifung der DCs einhergehend mit einer erhöhten Oberflächenexpression von MHCI-Molekülen. Für die Neusynthese dieser ist die TLR-2-abhängige Aktivierung des NF-kB-Signalweges verantwortlich. Für die erhöhte Oberflächenexpression scheint jedoch der p38- und ERK1/2- abhängige Transport vorgefertigter MHCI-Moleküle vom GA zur Plasmamembran der zeitbestimmende Schritt zu sein. Neben dem Oberflächentransport sind p38 und ERK1/2 auch entscheidend für die Aktivierung der cPLA2. Diese produziert nach Hspb-1- vermittelter Translokation an das Vimentin-Gerüst der PV, Arachidonsäure, die sich in die Membran der PV einlagert und somit zur Destabilisierung derselben führt. Dadurch gelangen akkumulierte CPAF-Moleküle ins Zytosol der DCs, wo sie beginnen das Vimentin- Gerüst abzubauen. Dies wiederum führt zur Freisetzung der Chlamydien ins Zytosol. Mit Hilfe verschiedener mikroskopischer Bildgebungsverfahren konnte gezeigt werden, dass die freigesetzten zytosolischen Chlamydien zunächst ubiquitiniert und durch den Adaptorkomplex p62/SQSTM-1 erkannt werden. Dieser führt die Chlamydien anschließend LC-3- positiven Autophagosomen zu, in denen die chlamydialen Antigene durch Cathepsine prozessiert werden. Dabei werden ausschließlich chlamydiale Proteine prozessiert, die im bakteriellen Zytoplasma oder der Membran lokalisiert sind. Die prozessierten Peptidantigene werden im Zytosol weiterprozessiert und gelangen entweder über den klassischen MHCI-Präsentationsweg oder den vakuolaren Kreuzpräsentations-Weg auf die Zelloberfläche. Da Epithelzellen die primären Zielzellen einer Chlamydien-Infektion sind, ist die Erkennung und Eliminierung dieser durch CD8+ T-Zellen essentiell für die anti-chlamydiale Immunantwort. In dieser Arbeit konnte erstmals gezeigt werden, dass Chlamydien-infizierte Epithelzellen in der Lage sind Peptidantigene auf MHCI-Molekülen zu präsentieren und dass die postulierte CPAF-vermittelte Reduzierung der MHCI-Oberflächenexpression nicht stattfindet. Zudem konnte gezeigt werden, dass IFN-gamma-stimulierte Epithelzellen einen DC-Infektionsphänotyp, charakterisiert durch erhöhte cPLA2-Aktivität und Lokalisation der Chlamydien in Autophagosomen, zeigen. Dies deutet daraufhin, dass Epithelzellen, die durch IFN-gamma von aktivierten Effektor-T-Zellen stimuliert wurden, in der Lage sind, chlamydiale Antigene autophagosomal zu prozessieren und zu präsentieren. Die Ergebnisse dieser Arbeit erlauben erstmals ein erweitertes Verständnis der MHCI- vermittelten Antigenpräsentation in Chlamydien-infizierten DCs und liefern entscheidende Hinweise für zukünftige immunologische Therapieansätze und Impfstrategien.