Allergic contact dermatitis (ACD) is one of the most common immunotoxicological disorders of the skin. ACD is provoked by exogenous contact allergens that are mistakenly identified as a danger by the immune system and orchestrated by a T cell-mediated adaptive immune response. However, before a symptomatic response occurs (elicitation), a clinically silent sensitization phase precedes. The sensitization phase is characterized by complex interactions of different cell types with dendritic cells (DC) playing a central role. DCs may take up complexes of chemically-modified self-proteins, process and present them on their surface for T cell recognition. Subsequently, they undergo a maturation process and migrate to lymph nodes to initiate the priming and proliferation of allergen-specific T cells. The DCs are thus of crucial importance for the development of contact allergy. Despite this central role, the exact cellular signaling pathways leading to allergen-induced maturation of dendritic cells are not yet fully understood. As the current knowledge is mainly based on transcriptome data, state of the art mass spectrometry-based proteomics are applied in this thesis to complement and extend existing data to enhance the understanding of ACD pathomechanisms. In this work, it was shown for the first time that proteomic methods are suitable to distinguish activation of monocyte-derived dendritic cells (MoDC) triggered by the contact allergen NiSO4 from the bacterial activator lipopolysaccharide (LPS). NiSO4 caused not only a different MoDC phenotype but also the activation of divergent signaling pathways. Both treatments induced metabolic reprogramming towards aerobic glycolysis, which, however, manifested over a longer period in the case of NiSO4 and eventually activated hypoxia-like signaling pathways such as hypoxia-inducible factor (HIF) 1α upregulation. NiSO4 treatment further elicited a pronounced nuclear factor erythroid 2-related factor (Nrf) 2-dependent stress response in MoDCs. Most striking was the selective upregulation of cholesterol biosynthesis after treatment with NiSO4 which was absent upon stimulation with LPS. Concomitantly, the cells exhibited a significant decrease in cellular cholesterol levels. Thus, this signaling pathway was identified as a promising approach in the search for predictive biomarker signatures for sensitization with contact allergens. The second study was designed to verify the above-mentioned results in another cell model. Additional allergens were included to reveal similarities or differences in the activation of DCs by the allergens. THP-1 cells, which are standardly used for the prediction of contact allergens in vitro, were chosen as the cell model. The allergens NiSO4, p-dinitrochlorobenzene (DNCB), p-benzoquinone (BQ), and p-nitrobenzyl bromide (NBB) induced comparable proteomic changes and differed mainly in magnitude of induced proteomic changes. DNCB and NBB were the most potent activators of the cells. In direct comparison with MoDCs, THP-1 cells showed a much more pronounced Nrf2-mediated stress response. Based on these results, the Nrf2-mediated stress response should also be implemented into future in vitro DC test strategies for the prediction of contact allergens. Allergen-treated THP-1 cells developed a proinflammatory phenotype, which was supported by significant upregulation of the citrate cycle. Cholesterol biosynthesis was also significantly regulated in these cells - but in opposing direction to the findings from MoDCs. Overall, the comparison of MoDCs and THP-1 cells revealed relevant differences in the regulation of many proteins and signaling pathways between the cell models, but still resulted in the activation of similar superordinate systemic endpoints. THP-1 cells are therefore limited in their representation of MoDCs as primary DCs model in vitro. The further development of already validated in vitro methods in THP-1 cells is should thus focus on proteins that are differentially regulated by contact allergens in both cell types.
Die allergische Kontaktdermatitis (ACD) ist eine der häufigsten immunotoxikologischen Erkrankungen der Haut. Hierbei wird das körperfremde Kontaktallergen vom Immunsystem fälschlicherweise als Gefahr identifiziert und eine T zellvermittelte adaptive Immunreaktion initiiert. Bevor eine gezielte Immunantwort in der Auslösephase erfolgen kann, geht eine asymptomatische Sensibilisierung voran. Die Sensibilisierungsphase ist ein komplexes Zusammenspiel verschiedener Immunzellen. Eine zentrale Rolle spielen hierbei die dendritischen Zellen (DC). Diese können Komplexe aus körpereigenen Proteinen mit den Kontaktallergenen erkennen, aufnehmen, prozessieren und auf ihrer Oberfläche den T Zellen präsentieren. Hierbei durchlaufen sie einen Reifungsprozess und wandern in Lymphknoten, um dort die Bildung und Proliferation allergen-spezifischer T Zellen einzuleiten. Die DCs sind somit von elementarer Bedeutung für die Ausprägung einer Kontaktallergie. Trotz dieser zentralen Rolle, sind die exakten zellulären Signalwege, die zu der allergeninduzierten Reifung der dendritischen Zellen führen, noch nicht vollständig verstanden. Da der derzeitige Wissensstand hauptsächlich auf Transkriptomdaten beruht, werden in dieser Dissertation moderne massenspektrometrische Proteomanalysen durchgeführt, um die vorhandenen Daten zu ergänzen sowie zu erweitern und so die zugrundeliegenden Pathomechanismen von ACD besser zu verstehen. Im Rahmen dieser Arbeit konnte erstmals gezeigt werden, dass proteomische Methoden geeignet sind, die Aktivierung von MoDCs durch das Kontaktallergen NiSO4 von dem bakteriellen DC Aktivator Lipopolysaccharid (LPS) zu unterscheiden. NiSO4 induzierte nicht nur einen anderen Phänotyp, sondern auch die Aktivierung divergenter Signalwege in den Zellen. Beide Behandlungen induzierten eine metabolische Reprogrammierung hin zur aeroben Glykolyse, welche sich jedoch im Fall von NiSO4 über einen längeren Zeitraum manifestierte und schließlich Hypoxie-ähnliche Signalwege wie hypoxia-inducible factor (HIF) 1α aktivierte. Die NiSO4-Behandlung löste weiterhin eine ausgeprägte nuclear factor erythroid 2-related factor (Nrf) 2-abhängige Stressantwort in MoDCs aus. Besonders prominent war zudem die selektive Hochregulation der Cholesterolbiosynthese nach Behandlung mit NiSO4. Dies ging mit einer signifikanten Verminderung der zellulären Cholesterollevel einher. Dieser Signalweg stellt somit einen vielversprechenden Ansatz auf der Suche nach prädiktiven Biomarkersignaturen für die Sensibilisierung mit Kontaktallergenen dar. In einer zweiten Studie sollten die Ergebnisse der ersten Studie in einem anderen Zellmodell verifiziert und weitere Allergene untersucht werden, um Gemeinsamkeiten oder Unterschiede in der Aktivierung von DCs durch die Allergene aufzuzeigen. Als Zellmodell wurden THP-1 Zellen gewählt, welche standardmäßig für die Vorhersage von Kontaktallergenen in vitro genutzt werden. Die Allergene NiSO4, p-Dinitrochlorbenzol (DNCB), p-Benzoquinon (BQ) und p-Nitrobenzylbromid (NBB) induzierten vergleichbare proteomische Veränderungen und unterschieden sich hauptsächlich hinsichtlich ihrer Potenz. DNCB und NBB waren die potentesten Aktivatoren der Zellen. Im direkten Vergleich zu den MoDCs zeigten THP-1 Zellen eine deutlich ausgeprägtere Nrf2-vermittelte Stressantwort. Basierend auf diesen Ergebnissen sollte die Nrf2-vermittelte Stressantwort künftig auch in in vitro Teststrategien für die Vorhersage von Kontaktallergenen in DCs implementiert werden. Allergen-behandelte THP-1 Zellen entwickelten einen proinflammatorischen Phänotyp, welcher durch signifikante Hochregulation des Citratzyklus gestützt wurde. Auch in diesen Zellen war die Cholesterolbiosynthese signifikant reguliert – jedoch gegensätzlich zu den Befunden in den MoDCs. Insgesamt ergaben sich im Vergleich von MoDCs und THP-1 Zellen gravierende Unterschiede die Regulierung vieler Proteine und Signalwege betreffend, dennoch resultierte dies in der Aktivierung übergeordneter systemischer Endpunkte. THP-1 Zellen eignen sich folglich nur begrenzt als Modell für die Aktivierung von primären DCs in vitro. Die Weiterentwicklung von bereits validierten in vitro Methoden in THP-1 Zellen sollte sich somit auf Proteine stützen, die in beiden Zellentypen gleichsam durch Kontaktallergene exprimiert werden.
