Dermatoimmunologie und Tumorimmunologie
Biologie der Antigenpräsentation
Um eine
zelluläre
Immunantwort
neu auszubilden müssen T Zellen mit Antigen-präsentierenden Zellen (APC)
interagieren. Diesen
Prozess nennt man Antigenpräsentation. Hierbei wird ein Antigen vor der APC
zunächst
aufgenommen, verarbeitet (prozessiert) und anschließend an der
Zelloberfläche im
Zusammenhang mit MHC Molekülen exprimiert. Erkennt die T Zelle die gesamte
Struktur aus MHC
und Antigen mit Hilfe ihres spezifischen T Zell-Rezeptors (TCR), wird eine Signalkaskade in
das Zellinnere
weitergeleitet, die letztlich zur Aktivierung der T Zelle führt. Der Kontakt mit
Antigen-MHC allein
reicht dafür jedoch nicht aus, sondern es bedarf der weiteren Stimulation der T Zelle
über
kostimulatorische Moleküle. Aufgrund ihrer besonderen Effizienz der
Antigenpräsentation sind
dendritische Zellen (DC) die physiologisch bedeutsamsten wichtigsten APC. Die Analyse der
Physiologie der
Antigenpräsentation durch DC sowie deren immuntherapeutische Anwendung bilden den
Schwerpunkt
des wissenschaftlichen Interesses der Arbeitsgruppe.
Biologie der epidermalen Langerhanszellen
Langerhanszellen
sind die dendritischen Zellen der Epidermis. Wir beschäftigen uns mit der Regulation der
Langerhanszell-Funktion durch Zytokine, Neuropeptide und UV-Licht, wobei das allergische
Kontaktekzem,
tumorspezifische Immunantworten und die Induktion von Immuntoleranz nach ultravioletter
(UV) Bestrahlung
typische Untersuchungssysteme darstellen. In diesem Zusammenhang wurde die Bedeutung
von T Zellen
für die Langerhanszell-Funktion mit Hilfe von T Zell-defizienten Mäusen
untersucht, und die
Relevanz einer Reihe von Zytokinen (u.a. IL-1, IL-3, IL-6, IL-10, GM-CSF, TNF-alpha, TGF,
IFN-alpha)
für die Langerhanszellfunktion wurde bestimmt. Weiterhin untersuchten wir die
Wirkungen von
Neuropeptiden und Neurohormonen (insbesondere alpha-MSH und CGRP) auf die
Antigenpräsentation.
Für beide dieser Faktoren konnte erstmals eine immunmodulatorische Funktion im
Hinblick auf die
Antigenpräsentation nachgewiesen werden. Zudem
wurden transgene Mausstämme hergestellt, in denen die Funktion epidermaler
Langerhanszellen gezielt
beeinflusst wurde, indem unter Kontrolle des hautspezifischen K14-Promoters oder des
DC-spezifischen
CD11c-Promoters Moleküle der TNF/TNF-R Genfamilie transgen überexprimiert
wurden. Durch
Überexpression des Langerhanszell-aktivierenden Faktors CD40L in der Epidermis
konnte
nachgewiesen werden, dass eine chronische Überaktivierung von Langerhanszellen nicht
nur zu einer
lokalen Entzündungsreaktion, sondern zu systemischer Autoimmunität
führt. Weitere
transgene Mausmodelle, die bei uns konstruiert wurden, exprimieren die Zytokine IL-10 oder
Il-15, bzw. die
Moleküle RANKL oder TRAIL unter der Kontrolle des K14 Promoters. Der
Phänotyp dieser
Tiere wird z.Zt. analysiert.
Biologie der dendritischen Zellen
Die Zellmigration ist essentieller Bestandteil der Funktion dendritischer Zellen, da diese
zum einen aus
dem Blut in ihre Zielorgane einwandern sind zum anderen nach Aktivierung aus diesen wieder
auswandern, um
Antigene in die lymphatischen Organe zu transportieren. Daher untersuchen wir sowohl die
Wanderung
dendritischer Zellen aus dem Blut in periphere Gewebe als auch deren Migration aus den
Geweben in regionale
Lymphknoten, wobei uns besonders die hierfür relevanten Selektine und Integrine
interessieren. Wir
konnten zeigen, dass DC weder Selektine noch beta2-Integrine für die transendotheliale
Migration
benötigen. Weiterhin wurde die Bedeutung von beta2-Integrinen für die
Antigenpräsentation untersucht, und insbesondere der Immunphänotyp von
CD18-genmutanten
Mäusen charakterisiert. Hier konnten wir zeigen, dass beta2-Integrine von DC exprimiert
werden, diese
jedoch im wesentlichen nicht funktionell sind. Gleichzeitig weisen aber
beta2-Integrin-defiziente Mäuse
überraschenderweise eine spontane Überaktivierung des B- und T-Zell
Kompartments auf.
Zusätzlich wurde die Interaktion von DC mit Strukturen der extrazellulären Matrix
untersucht.
Hierzu wurde die Methodik der Zeitraffer-Videomikroskopie im Durchlicht- und konfokalen
Mikroskop im
Labor etabliert. Zudem wurden mehrere T Zell Rezeptor-transgene Maussysteme etabliert, um
so
antigenspezifische Immunantworten in vivo bzw. die Aktivierung naiver T Zellen ex vivo
untersuchen zu
können. Mithilfe dieser Methodik konnten wir die Interaktion von dendritischen Zellen
mit T Zellen im
Kontext einer dreidimensionalen Bindegewebsmatrix während der
Antigenpräsentation
analysieren, und beschäftigen und z.Zt. intensiv mit einem Vergleich der Interaktion
verschiedener
Typen antigenpräsentierender Zellen mit T Zellen während der
Antigenpräsentation.
Pathophysiologie des allergischen Kontaktekzems
Durch Verwendung verschiedener gendefizienter
Mausstämme (u.a. GM-CSF, IL-10, Thy-1, CD18) sowie durch medikamentöse
Depletion von
Langerhanszellen aus der Haut wurde die Bedeutung von Langerhanszellen bei der
Auslösung des
allergischen Kontaktekzems untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass keines der
untersuchten Gene
für die normale Langerhanszell-Dichte in der Haut bzw. deren Funktion erforderlich ist.
Weiterhin
wurde gezeigt, dass die Anwesenheit von Langerhanszellen in der Haut für die
Auslösung eines
Kontaktekzems nicht erforderlich ist, da das allergische Kontaktekzem auch in
Langerhanszell-depletierter
Haut normal oder gar verstärkt auslösbar war. Hierauf aufbauend untersuchten
wir
anschließend, inwieweit die Auslösung des allergischen Kontaktekzems von der
Dosis des
verabreichten Allergens abhängig ist, und ob die Fähigkeit zur Auslösung
einer
Ekzemreaktion eine intrinsische Eigenschaft von Allergenen ist. Es wurde gezeigt, dass
Allergene
dosisabhängig eine unspezifische inflammatorische Reaktion auslösen, und dass
diese für
die allergenspezifische Immunantwort von großer Bedeutung ist.
Relevanz von Antigenpräsentierenden Zellen für
tumorspezifische
Immunantworten
Ein weiterer Schwerpunkt
unseres wissenschaftlichen Interesses ist die Tumorantigen-Präsentation und
Tumor-Immuntherapie mit
Hilfe von Langerhanszellen bzw. dendritischen Zellen. Wir konnten erstmals nachweisen, dass
epidermale
Langerhanszellen und andere dendritische Zellen zur Immuntherapie von Tumoren geeignet
sind.
Verschiedene Untersuchungsreihen beschäftigten sich mit dem Einfluss von Zytokinen
auf die
Fähigkeit von DC, tumorspezifische Antigene zu präsentieren, wobei insbesondere
die
Modulation der Tumor-Immunantwort in vivo als Zielkriterium verwendet wurde. In letzter
Zeit wurde die
Regulation der Tumorantigen-Präsentation sowie Faktoren, die die Effizienz einer
Immuntherapie mit
dendritischen Zellen beeinflussen, untersucht. Zum einen wurden dendritische Zellen mit
Zytokin-Genen
transfiziert, um die Bedeutung dieser immunmodulatorischen Faktoren für die
Antigenpräsentation in vivo zu evaluieren, und um mögliche gentherapeutische
Wege zur
Verbesserung der Immuntherapie mit dendritischen Zellen aufzuzeigen. In einer anderen
Versuchsreihe wurde
die migratorische Kapazität von dendritischen Zellen, die zur Tumor-Immuntherapie
subkutan appliziert
werden, untersucht. Die aus diesen Untersuchungsreihen gewonnenen Erkenntnisse wurden zur
Durchführung einer klinischen Therapiestudie zur Behandlung von Patienten mit
fortgeschrittenem
Malignen Melanom verwendet. In dieser Studie konnte erstmals die Möglichkeit einer
Immuntherapie
mit dendritischen Zellen bei soliden Tumoren aufgezeigt werden, und es konnten bereits in
mehreren
Fällen erfreuliche Therapieerfolge erzielt erden. In jüngster Zeit steht die
Kombination einer
Immuntherapie mit dendritischen Zellen und anderer immuntherapeutischer Verfahren im
Mittelpunkt unseres
diesbezüglichen Interesses. Hier werden sowohl im Maussystem verschiedene
Untersuchungsreihen
durchgeführt, als auch eine erneute Therapiestudie beim Menschen konzipiert.
Photokarzinogenese
Zusätzlich beschäftigen wir uns mit der durch UV-Bestrahlung induzierten
Immunmodulation. Hier konnte die essentielle Bedeutung mehrerer Zytokine, insbesondere
von IL-10 und
IL-12, in der Pathophysiologie dieser Veränderungen aufgezeigt werden. Weiterhin
wurde die
Bedeutung von T Zell Subpopulationen und von antigenpräsentierenden Zellen in diesem
Kontext
untersucht. Es konnten Hinweise dafür erbracht werden, dass CD8+
immunregulatorische T Zellen die
UV-bedingte Immunsuppression vermitteln, und dass der Wirkmechanismus in der Induktion
der Apoptose
von antigentragenden antigenpräsentierenden Zellen liegt. Darüberhinaus
befasst sich ein weiteres Projekt mit der Bedeutung von Zytokinen und kostimulatorischen
Molekülen
für die Entstehung von Hauttumoren nach chronischer UV-Bestrahlung. Hier konnte
gezeigt werden,
dass kostimulatorische Moleküle der B7-Familie für die Entstehung
tumorspezifischer
Immunantworten von wesentlicher Bedeutung sind und dass die Antigenpräsentation und
die daraus
resultierende Balance zwischen Typ 1 und Typ 2 T Zellen ein wichtiger Regulator der
UV-Karzinogenese und
der immunologischen Erkennung und Destruktion von UV-induzierten Tumoren ist.
Klinische Forschung
Ziel
der klinisch orientierten Forschung ist die Etablierung einer immunmodulatorischen Therapie
auf der
Grundlage dendritischer Zellen. Hierbei bilden diese Zellen entweder das Target für eine
medikamentöse Immunmodulation, oder die DC können selbst als zelluläres
Therapeutikum
verwendet werden. In diesem Zusammenhang werden die Wirkungen von
immunmodulatorischen Substanzen
auf DC, sowie die Immuntherapie mit DC selbst anhand von experimentellen Modellen
untersucht.
Insbesondere wird an der Entwicklung der Tumor-Immuntherapie mit Hilfe von DC anhand
von Tiermodellen
sowie in klinischen Studien gearbeitet. Hier gehöre ich weltweit zu den Wissenschaftlern
mit der
längsten Erfahrung auf diesem Gebiet. Seit Jahren produziert mein Labor DC zur
klinischen
Immuntherapie des metastasierten Melanoms. Wir führen derzeit mehrere klinische
Studien zur
Evaluierung der klinischen Wirksamkeit der DC-vermittelten Tumor-Immuntherapie durch.
Beteiligter Wissenschaftler:
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