monograph 2022-03-23 2010-07-08 Publikationsserver der Universitätsbibliothek Marburg Universitätsbibliothek Marburg doctoralThesis Allergic Asthma 2010 Philipps-Universität Marburg Physiologische Chemie Die Rolle von Toll-like Rezeptoren bei der Entwicklung immunologischer Toleranz bei Neugeborenen Epidemiologische und klinische Studien unterstützt durch die Hygiene Hypothese beweisen, dass die mütterliche Exposition gegenüber einer bakteriellen Umwelt allergische Erkrankungen im späteren Leben modulieren kann. Es ist nachgewiesen, dass die Ursachen dieser Immunantwort gegen Allergene bereits in utero zu finden sind. Das ist eine Lektion der Natur, die durch die Schwangerschaftsimmunität gelehrt wird:die angeborene (via Plazenta-TLR Signalen) und die adaptive Immunität der Mutter. Die Antikörper bieten nicht nur einen passiven Schutz, sondern sind aktiv am Immunsystem des Kindes beteiligt. Toll-like Rezeptoren (TLR) wie z. B. am Darm-Lymphgewebe sowie den Epithelzellen des Magen-Darm-Trakts, der Atemwege und der Plazenta interagieren mit bakteriellen molekularen Mustern der Umwelt (z. B. Endotoxin- LPS, DNA, LTA, dsRNA, ssRNA, Flagellin etc.) und modulieren die angeborene und adaptive Immunantwort der Mutter. Parallel dazu scheint auch das T-Zell- System der Mutter die Entwicklung der kindlichen Immunantwort zu beeinflussen. So trägt eine geeignete Besiedelung der Mutter mit Probiotika dazu bei, eine ausgewogene T-Helferzellen-Antwort (TH1/TH2) zu produzieren. Ein wichtiger Aspekt der Studie war es, die Auswirkungen der nicht-pathogenen Gram+ Bakterien (LGG), Gram- Bakterien (Ac.lwoffii) oder bakteriellen Komponenten (E.coli/LPS/LA) auf allergisches Asthma zu untersuchen. Diesbezüglich wird die Hypothese aufgestellt, dass die Aktivierung von Toll-like Rezeptoren in der Plazenta eine wichtige Rolle in der pränatalen Übertragung einer immunologischen Schutzwirkung von der Mutter zum Fötus spielt. Folglich ist die Expression des mütterlichen TLR sowie die Fähigkeit, durch diese Rezeptoren Signale zu senden, für die volle Entfaltung der angeborenen Reaktionen des Abwehrsystems in der Lunge der Nachkommen erforderlich. Die Rezeptoren steigern die Expression von IL-1beta, TNF-alfa, IL-4, IL-10 und IFN-gamma. Ein Gleichgewicht der TH1- und TH2-Zytokine reguliert die Intensität und Art der Immun-Antwort. Dies bedeutet, dass – im Gegensatz zu den bekannten verschlimmernden Auswirkungen auf Asthma – die Exposition gegenüber Gram+ Bakterien, Gram- Bakterien oder anderen TLR-Liganden in der frühen Kindheit Schutz übertragen oder zu einer Abnahme der Häufigkeit von Asthma im späteren Leben führen kann. Der mütterliche Anti-Allergie-Mechanismus mittels TLR-Signalisierung wird allgemein mit der Reifung von dendritischen Zellen der Lunge und ihrer Migration zu den Lymphknoten sowie der Produktion von TH1-Zytokin (IL-12) verbunden, was zu einem Anstieg der IFN-gamma Produktion in der Lunge und der frühen Plazenta führt. Auf diese Weise wurde der Zusammenhang zwischen der Unterdrückung der durch Allergene hervorgerufenen entzündlichen Reaktionen in der Plazenta und einer Reihe weiterer Phänomene festgestellt: cross-talk-Mechanismus zwischen Trophoblasten und aktivierten Lymphozyten, der die TLR-Signalwege unter Wahrung der Balance von TH1/TH2 in der Schwangerschaft verwendet; Sekretion von immunsuppressiven Molekülen, wie z. B. Steroidhormone (Progesteron, Estradiol), Prostaglandine, TGF-beta durch Trophoblasten und Dezidua-Immunzellen; signifikante Zunahme der mRNA TNF-alfa und mRNA IL-1beta Zytokinen in der Plazenta, was unter der Kontrolle von Steroidhormonen eine Unterdrückung der mRNA IFN-gamma zur Folge hat; passives Blockieren der Lymphozyten-Aktivierung durch essentielle Zytokine, die für die Zellteilung erforderlich sind, wie z. B. IL-10; immunregulatorischer Effekt, ausgelöst durch die lokale Produktion von bestimmten Arten von Zytokinen oder Chemokinen, wie IL-4 und MCP-1, in der Plazenta; dominanter Trend in der behandelten Gruppe, vermutlich aufgrund einer spezifischen zytostatischen Wirkung der plazenta eigenen CD8 Tc-Zellen; deziduale NK-Zellen – sie sind in großer Menge in der frühen Schwangerschaft vorhanden und werden im 3. Trimester reduziert, da sie nicht in der Lage sind, IFN-gamma zu produzieren – womit der TH2-Phänotyp der Schwangerschaft unterstützt und eine Fehlgeburt vermieden wird; starke Induktion der mRNA TLR4 Expression und variieren in der mRNA TLR1, TLR2, TLR5, TLR7, TLR9 Expression in der Plazenta, der mit Gram-Bakterien/Komponenten behandelten Gruppe; Modulierung der TLR Genexpression erfolgt durch plazenta eigenes Zytokin, aber die Wirkung ist bei verschiedenen Zelltypen unterschiedlich; mütterliche Antikörper werden an den Fötus weitergegeben (ein Mechanismus, der über den FcRn IgG-Komplex der Trophoblasten und des Darms abläuft und durch eine TLR-Signalkaskade angestoßen wird). Darüber hinaus unterdrückt häufige perinatale bakterielle Belastung der prädisponierten Nachkommen: die allergen-spezifische Sensibilisierung - IgEProduktion; die Zahl der Entzündungszellen, wie Eosinophile in BALF und TH2- Zytokinen (IL-4, IL-5, IL-13) exprimiert in BALF und Serum; in vivo Atemwegsreaktivität als Immunantwort auf Methacholine; die Produktion von Lungenschleim. Dennoch besteht kein Zweifel daran, dass eine frühe Programmierung in großem Maße zu der Entwicklung von einem normalen Zustand der Immunabwehr beiträgt. Erklärung der geringen adaptiven Immunantworten beitragen, die die Anfälligkeit für Infektionen und Allergien der Nachkommen erhöhen. Sobald sich jedoch eine Schwangerschaft gut entwickelt hat, hat das Neugeborene eine schwach verzerrte TH2-Immunantwort. Dann ist eine schnelle postnatale Unterdrückung der Immunität erforderlich. Daher könnte die Entwicklung von TH1-Immunität bei Neugeborenen, einem Anti-Allergie-Phänotyp, mit dem IFN-gamma Ausgleich zusammenhängen, der durch eine stabile und spezifische perinatale nichtpathogene bakterielle Antigenbelastung angestoßen wird. Gram+ Bacteria Schwangerschaft The role of Toll-like receptors in the development of immunological tolerance in neonates Epidemiological and clinical studies based on Hygiene hypothesis indicate that maternal exposure to bacterial environment may modulate allergic diseases later in life. Also, evidences suggest that priming of the immune responses against allergens happens already in utero. This is a natures lesson taught by pregnancy immunity: maternal innate immunity via placental TLR signaling and adaptive immunity via maternal IgG and IgA transfer to fetus. The antibodies provide not only a passive protection, but are actively involved in the immunity of the child. Toll-like receptors (TLR) expressed on gut lymphoid tissue and epithelial cells of gastrointestinal-/respiratory tract, placenta etc. interact with environmental bacterial molecular patterns (e.g. endotoxin - LPS, DNA, LTA, dsRNA, ssRNA,flagellin etc.) and modulate maternal innate-/adaptive immune responses. In parallel, it also seems the T-cell system of the mother influences the development of children immune responses. Thus, in mother an appropriate colonization with probiotics helps to produce a balanced T helper cell response(TH1/TH2). Nevertheless, the (maternal and infant) respiratory tract has an obvious relationship with the environment and continuous exposure to microbial environment. Regarding, an important aspect of the study was to investigate the impact of non-pathogenic Gram+ (LGG), Gram- bacteria (Ac.lwoffii) or bacterial gears, (LA/LPS/ E.coli) to allergic asthma, and hypothesised that the activation of Toll-like receptors in the placenta plays an important role in prenatal transmission of protective immunological effects from mother to fetus. Consequently, the full development of innate host defense responses in the offspring lung requires expression of the maternal TLR in placenta. The receptors enhance expression of IL-1beta, TNF-alfa, IL-4, IL-10 and IFN-gamma. A balance of TH1/TH2 cytokine regulates the intensity and nature of the response. Maternal anti-allergic mechanism via TLRs signaling is in general associated with the maturation and migration of the lung dendritic cells to the lymph nodes and production of TH1 cytokine (IL-12), increasing the IFN-gamma production either in the lung and in the early placenta. Thus, we associated suppression of allergen-mediated inflammatory responses in placenta with: a cross-talk between trophoblasts and activated lymphocytes, using TLR pathways by maintaining the TH1/TH2 cytokine balance in pregnancy; secretion of immuno-suppressive molecules such as steroid hormones (progesterone,estradiol), prostaglandins, TGF-beta by trophoblasts and decidual immune cells; a significant increase of placental mRNA TNF-alfa and mRNA IL-1beta cytokine, resulting in a down-regulation of mRNA IFN-gamma expression under control of steroid hormones; passive blocking of lymphocyte activation by essential cytokine required for cell division, like IL-10; an immunoregulatory effect caused by the placental local production of specific sets of cytokine or chemokine, such as IL-4 and MCP-1; a specific cytostatic action of placenta CD8+ Tc cells, where the trend appears dominant in supplemented group; decidual NK cells – high amount in the early pregnancy are reduced in the 3rd trimester being unable to produce IFN-gamma, supporting the TH2 pregnancy phenotype and avoiding abortion; a strong induction of placental mRNA TLR4 and variation in expression of mRNA TLR1, TLR2, TLR5, TLR7, TLR9 expression into Gram- bacteria/gears supplemented group; placental cytokine modulate the TLR gene expression, but the effect varied between different cell types; maternal antibodies transfer to the fetus (a mechanism via trophoblast’s and gut’s IgG-FcRn complex induced by TLR signaling cascade). Moreover, frequent perinatal bacterial exposure suppressed in susceptible offspring: the allergen-specific sensitization - IgE production; the numbers of inflammatory cells, such as eosinophils in BALF and TH2 cytokines (IL-4, IL-5, IL-13) expressed in BALF and serum; in vivo, airway reactivity in response to Methacholine; lung mucus production. There is no doubt that early programming contributes to a large extend to the development of a normal state of immunological responses in offspring. A diminished expression and function of maternal TLR may help explain the poor adaptive immune responses, increasing the susceptibility to infections and allergies in the offspring. However, once a pregnancy is well developed, the newborn has a weakly TH2-biased immune response, and there is required a rapid postnatal down-regulated immunity. Therefore, the development of TH1 anti-allergic immunity in neonates, could be associated with the IFN-gamma compensation induced through a stable and specific perinatal non-pathogenic bacterial antigen exposure. urn:nbn:de:hebis:04-z2010-03762 Neugeborenes ppn:225708140 opus:2955 TLR-Liganden Immunität https://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2010/0376/cover.png TLR-Ligands Conrad ML, Ferstl R, Teich R, Brand S, Blümer N, Yildirim AO, Patrascan CC, Hanuszkiewicz A, Akira S, Wagner H, Holst O, von Mutius E, Pfefferle PI, Kirschning CJ, Garn H, Renz H. Maternal TLR signaling is required for prenatal asthma protection by the nonpathogenic microbe Acinetobacter lwoffii F78 https://doi.org/10.17192/z2010.0376 Immunity Medical sciences Medicine Medizin TLRs application/pdf Gram- Bacteria 2010-06-17 Medizin Allergisches Asthma Gram- Bakterien Pregnancy ths Prof. Dr. Renz Harald Renz, Harald (Prof. Dr.) MD-2, a molecule that confers lipopolysaccharide responsiveness on toll- like receptor 4. J Exp Med, 189: 1777-1782 Wissenschaftliche Mitarbeiterin, Institut für Physiologisches Chemie, Medizin Fakultät, Philipps Universität Marburg, Marburg/Lahn, Hessen, Deutschland 03/2005 – 02/2008 Wissenschaftliche Mitarbeiterin, Biomedizinisches Forschungszentrum (BMFZ), Abteilung für Klinische Chemie und Molekulare Diagnostik, Marburg/Lahn, Hessen Deutschland 05/2003 – 10/2004 Wissenschaftliche Hilfskraft, Max-Bergmann-Zentrum für Biomaterialien, Abteilung für Biopolymer Forschung, Dresden, Sachsen, Deutschland 10/2000 – 06/2002 Gymnasiallehrerin, FB Chemie, Waldorf Gymnasium, Cluj- Napoca, Cluj, Rumänien 12/1992 – 06/1997 Medizinische Assistentin im Klinischen Laboratorium, Zentralklinik und Psychiatrische Klinik, Abteilung für Klinisches Laboratorium, Bistrita und Beclean, Bistrita- Nasaud, Rumänien H o c h s c h u l s t u d i u m Seit 03/2005 Promotion in Medizin, FB Humanbiologie, Thema: The role of Toll-like receptors in the development of immunological tolerance in neonates, Philipps Universität Marburg, Medizinische Fakultät, Marburg/Lahn, Hessen, Deutschland Cecilia-Carmen Patrascan, PhD Thesis Philipps-University of Marburg / Lahn, Hessen, Germany C U R R I C U L U M V I T A E ________________________________________________________________ Cecilia-Carmen Patrascan, PhD Thesis Philipps-University of Marburg / Lahn, Hessen, Germany 217 H o c h s c h u l s t u d i u m 10/2002 – 10/2004 Master of Science in Molecular Bioengineering, FB Tissue Engineering, Thema: The 2D and 3D polymer microstructures to direct the orientation of adherent myoblasts, Technische Universität Dresden (TUD), Biotechnologische Zentrum (BIOTEC), Internationaler Masterstudiengang in Molecular Bioengineering, Dresden, Sachsen, Deutschland 10/1998 – 07/2002 Gymnasiallehrerin, FB Chemie, Babes-Bolyai-Universität (UBB), Fakultät für Chemie und Chemieingenieurwesen, Abteilung für Ausbildung von Lehrkräften, Cluj-Napoca, Cluj, Rumänien 10/1997 -07/2002 Sipes SL, Medaglia MV, Stabley DL, DeBruyn CS, Alden MS, Catenacci V, Landel CP, 1996. A new major histocompatibility complex class Ib gene expressed in the mouse blastocyst and placenta. Immunogenetics, 45: 108-120 Simister NE, Story CM, Chen HL, Hunt JS, 1996. An IgG-transporting Fc receptor expressed in the syncytiotrophoblast of human placenta. Eur J Immunol, 26:1527-1531 Szekeres-Bartho J, Wegmann TG, 1996. A progesterone-dependent immunomodulatory protein alters the Th1/Th2 balance. J Reprod Immunol, 31:81-95 Stewart CL, Kaspar P, Brunet LJ, Bhatt H, Gadi I, Kontgen F, Abbondanzo SJ, 1992. Blastocyst implantation depends on maternal expression of leukemia inhibitory factor. Nature, 359: 76-79 Sibley CP, Boyd RD, 1988. Control of transfer across the mature placenta. Oxf Rev Reprod Biol, 10: 382-435 Soares MJ, Chapman BM, Rasmussen CA, Dai G, Kamei T, Orwig KE, 1996. Differentiation of trophoblasts endocrine cells. Placenta, 17: 277-289 Expression of the Fas ligand in cells of T cell lineage. J Immunol, 154: 3806 Marburg/Lahn, Germany), PD. Dr. Philipp Yu (Researcher at the Immunology Institute, Biomedical Research Center of the Philipps-University of Marburg/Lahn, Germany) and Prof. Dr. Dr. med Robert Bals + Pneumology Research Group (Biomedical Research Center of the Philipps-University of Marburg/Lahn, Germany) providing MyD88 -/-, TLR2 -/-and TLR4 -/-deficient mice, respective wild types littermates, C57BL/6 background with respect to my research aims. I deeply appreciate their constant suggestions, reminders and much needed motivation, assisting the collection of my results. Special thanks should be given to Prof. Dr. Heinz Fehrenbach + Research Group for Chronic Respiratory Diseases (Clinical, Department of Internal Medicine -SP Pneumology -Clinic of the Philipps-University Marburg/Lahn, Germany) and PD. Dr. med. Nadia Al-Fakhri (Researcher at the Department of Clinical Chemistry and Molecular Diagnostics + Hospital Routine Central Laboratory of the Philipps-University of Marburg/Lahn, Germany) for their support in Immunohistochemistry/Immunoflurescence methods, in light, fluorescence and electron microscopy, and fortunate discussions about placenta barrier, fetal/infant lung tissue development. I deeply appreciate the helping-hand in offering me comprehension and time, resources and professional guidance in microscopy field. Simister NE, Story CM, 1997. Human placental Fc receptors and the transmission of antibodies from mother to fetus. J Reprod Immunol, 37: 1-23 Svinarich DM, Bitonti OM, Araneda H, Romero R, Gonik B, 1996. Induction and postranslational expression of G-CSF and RANTES in a first trimester trophoblast cell line by lipopolysaccharide. Am J Reprod Immunol, 36: 256-9 Szekeres-Bartho J, Chaouat G, 1990. Lymphocyte-derived progesterone induced blocking factor corrects resorbtion in a murine abortion system. AM J Reprod Immunol, 23:26-28 Szekeres-Bartho J, Reznikoff-Etievant MF, Varga P, Varga Y, Chaouat G,1989. Lymphocytic progesterone receptors in human pregnancy. My grateful thanks are also extended to Prof. Dr. Stefan Bauer (Director of the Immunology Institute, Biomedical Research Center of the Philipps-University of Peptidoglycan-and lipotheicoic acid-induced cell activation is mediated by toll- like receptor 2. J Biol Chem, 274: 17406-17409 Blümer N, Sel S, Virna S, Patrascan CC, Zimmermann S, Herz U, Renz H, Garn H. Perinatal maternal application of Lactobacillus rhamnosus GG suppresses allergic airway inflammation in mouse offspring. Clin Exp Allergy. 2007 Mar;37(3):348-57 Cecilia-Carmen Patrascan, PhD Thesis Philipps-University of Marburg / Lahn, Hessen, Germany 7. References ________________________________________________________________ 197 Zybina EV, Zybina TG, 1996. Polytene chromosomes in mammalian cells. Int Rev Cytol, 165, 53–119 References ________________________________________________________________ 7. References ________________________________________________________________ 196 Szekeres-Bartho J, Kinsky R, Chaouat G, 1990. The effect of a preogesterone induced immunologic blocking factor on NK-mediated resorbtion. Am J Reprod Immunol, 24:105-107 Simon C, Mercader A, Gimeno MJ, Pellicer A, 1997. The interleukin 1 system and human implantation. Am J Reprod Immunol, 37(1): 64-72 – 07/1992 Medizinische Assistentin für Klinisches Laboratorium, Thema: The main analysis and tests of women during pregnancy, Gheorghe-Marinescu Medizinische Schule, Abteilung für Klinisches Laboratorium, Targu-Mures, Mures, Rumänien 09/1986 – 07/1990 Abitur (Bakkalaureate), Naturwissenschaftliches Gymnasium, Bistrita, Bistrita-Nasaud, Rumänien Publikationen ________________________________________________________________ Cecilia-Carmen Patrascan, PhD Thesis Philipps-University of Marburg / Lahn, Hessen, Germany 218 Chemie Diplomingenieurin, FB Biochemie und Biochemieingenieurwesen, Thema: The process and design of an industrial installation to obtain -phenil-1, 2- dihydroxypropionic acid of 5 kg/charge, Babes-Bolyai Universität, Fakultät für Chemie und Chemieingenieurwesen, Cluj-Napoca, Cluj, Rumänien B e r u f s -+ S c h u l a u s b i l d u n g Schneider H, 1991. The role of the placenta in nutrition of the human fetus. Am J Obstet Gynecol, 164: 967-973 Smith KD, Andersen-Nissen E, Hayashi F, Strobe K, Bergman MA, Barrett SL, Cookson BT, Aderem A, 2003. Toll-like receptor 5 recognizes a conserved site on flagellin required for protofilament formation and bacterial motility. Nat Immunol, 4: 1247-1253 Schnare M, Barton GM, Holt AC, Takeda K, Akira S, Medzhitov R, 2001. Toll- like receptors control activation of adaptive immune responses. Nat Immunol, 2: 947-950 Conrad ML, Ferstl R, Teich R, Brand S, Blümer N, Yildirim AO, Patrascan CC, Hanuszkiewicz A, Akira S, Wagner H, Holst O, von Mutius E, Pfefferle PI, Kirschning CJ, Garn H, Renz H. Maternal TLR signaling is required for prenatal asthma protection by the nonpathogenic microbe Acinetobacter lwoffii F78. J Exp Med. 2009 Dec 21;206(13):2869-77 Spencer TE, Johnson GA, Burghardt R, Bazer FW, 2004. Progesterone and placental hormone act on the uterus: Insights from domestic animals. Biol Reprod, 71: 2-10 Schaefer TM, Desouza K, Fahey JV, Beagley KW, Wira CR, 2004.Toll-like receptors (TLR) expression and TLR-mediated cytokine/chemokine production by human uterine epithelial cells. Immunology, 112: 428-36 Newborn Die Rolle von Toll-like Rezeptoren bei der Entwicklung von immunologischen Toleranz bei Neugeborenen Gram+ Bakterien TLRs English The role of Toll-like receptors in the development of immunological tolerance in neonates Patrascan, Cecilia-Carmen Patrascan Cecilia-Carmen