The respiratory system comprises specialized cell types that maintain homeostasis and facilitate air conductance and gas exchange. Disease states often involve dysregulation of this balance, leading to changes in cell composition and molecular profiles. Single-cell RNA sequencing (scRNA-seq) is a powerful tool for investigating disease-specific transcriptional changes in individual cells, shedding light on different epithelial and immune cell types and disease-associated alterations. By using non-invasive nasal swab samples, scRNA-seq provides a promising method to study airway pathophysiology and reveal disease mechanisms in the respiratory tract. This thesis focuses on scRNA-seq data from the upper airways of pediatric and adult patients with corona virus disease 2019 (COVID-19) and children diagnosed with cystic fibrosis (CF), alongside healthy controls, for the study of disease progression and treatment responses of these respiratory diseases. With the emergence of COVID-19 as a pandemic, the need to understand the molecular mechanisms underlying disease severity arose, particularly with regard to age-related differences in susceptibility to severe outcomes. By comparing the upper airway cells of healthy children to those of adults, this study revealed an already activated interferon response in conjunction with higher expression levels of pattern recognition receptors in children. This pre-activated antiviral cell state may facilitate a robust and rapid innate antiviral response upon infection, which likely protects children from severe disease progression. CF is a genetic disorder caused by mutations on the cystic fibrosis transmembrane conductance regulator (CFTR) gene. CF is a life-limiting condition that manifests with excessive mucus production and inflammation, significantly impacting quality of life. The triple combination therapy elexacaftor/tezacaftor/ivacaftor (ETI) has improved CF treatment, but its effects on transcriptional changes remained unclear. This study analyzed pre- and post-therapy samples of children with CF, investigating the effects of ETI on mucosal homeostasis following pharmacologic improvement of CFTR function. The results showed an increase in the expression of genes involved in interferon signaling and major histone compatibility complex in different epithelial cell types. Furthermore, the study revealed a decrease in the inflammatory response, specifically related to the TNF and IL1 pathways, in macrophages and neutrophils of children with CF. These results highlight the advantages of ETI treatment in reducing the burden of CF and offer additional understanding of early stages of disease progression. By introducing scRNA-seq of nasal swab samples to investigate COVID-19 resilience in children and the efficacy of triple combination ETI in CF treatment, this thesis significantly advanced the understanding of respiratory diseases at a molecular level. The research highlights how applying scRNA-seq to study the transcriptional landscapes of COVID-19 resilience among children and the outcomes of CFTR modulator therapies in CF can elucidate the pathophysiology of diseases and the mechanisms of treatment effects. As single-cell technology continues to evolve, its application will provide deeper insights into disease complexity and therapeutic advancements.
Das respiratorische System besteht aus spezialisierten Zelltypen, die die Homöostase aufrechterhalten und den Lufttransport sowie den Gasaustausch ermöglichen. Krankhafte Veränderungen führen oft zu einer Dysregulation dieses Gleichgewichts, was Veränderungen in der Zellzusammensetzung und den molekularen Profilen zur Folge hat. Die Einzelzell-RNA-Sequenzierung (scRNA-seq) ist ein leistungsfähiges Verfahren zur Untersuchung krankheitsspezifischer transkriptioneller Veränderungen in einzelnen Zellen. Es gibt Aufschluss über verschiedene Epithel- und Immunzelltypen sowie krankheitsassoziierte Veränderungen. Durch die Verwendung nicht-invasiver Nasenabstriche bietet scRNA-seq eine vielversprechende Methode zur Untersuchung der Pathophysiologie der Atemwege und zur Aufdeckung von Krankheitsmechanismen in den Atemwegen. Diese Arbeit untersucht den Krankheitsverlauf und die Behandlungsreaktionen von oberen Atemwegserkrankungen bei pädiatrischen und erwachsenen Patienten mit der Coronavirus-Krankheit 2019 (COVID-19) sowie bei Kindern mit Mukoviszidose im Vergleich zu gesunden Kontrollpersonen anhand von scRNA-seq-Daten aus den oberen Atemwegen. Mit dem Auftreten von COVID-19 als Pandemie entstand die Notwendigkeit, die molekularen Mechanismen der Krankheitsschwere zu verstehen, insbesondere hinsichtlich altersbedingter Unterschiede in der Anfälligkeit für schwere Krankheitsverläufe. Diese Studie zeigt, dass in den Zellen der oberen Atemwege von gesunden Kindern im Vergleich zu Erwachsenen bereits eine Interferonantwort aktiviert ist und höhere Expressionswerte von Mustererkennungsrezeptoren vorliegen. Dieser voraktivierte antivirale Zellzustand könnte eine schnelle und robuste angeborene antivirale Antwort auf eine Infektion ermöglichen. Dadurch könnten Kinder vor einem schweren Krankheitsverlauf geschützt werden. Mukoviszidose ist eine genetische Erkrankung, die durch Mutationen am Cystic Fibrosis Transmembrane Conductance Regulator (CFTR)-Gen verursacht wird. Sie äußert sich durch übermäßige Schleimproduktion und Entzündungen, was die Lebensqualität signifikant beeinträchtigt und die Lebenserwartung verkürzt. Die Dreifachkombination Elexacaftor/Tezacaftor/Ivacaftor (ETI) hat die Behandlung von Mukoviszidose erheblich verbessert. In dieser Dissertation wurden Proben von Kindern mit Mukoviszidose vor und nach Beginn der Behandlung mit ETI analysiert, um die Auswirkungen auf transkriptionelle Veränderungen zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigen eine Zunahme der Genexpression im Interferon-Signalweg und im Haupthistokompatibilitätskomplex in verschiedenen Epithelzellen. Zudem wurde festgestellt, dass die Entzündungsantwort abnimmt, die speziell mit den TNF- und IL1-Signalwegen in Makrophagen und Neutrophilen von Kindern mit Mukoviszidose zusammenhängt. Diese Ergebnisse zeigen, dass die Behandlung mit ETI hilft, die Belastung durch CF zu verringern, und liefern weitere Erkenntnisse über den frühen Krankheitsverlauf. Durch die Einführung von scRNA-seq von Abstrichen der Nasenschleimhaut zur Untersuchung der COVID-19-Resistenz bei Kindern sowie der Wirksamkeit der Dreifachkombination ETI in der CF-Behandlung wurde im Rahmen dieser Dissertation das Verständnis von Atemwegserkrankungen auf molekularer Ebene wesentlich verbessert. Die Forschung zeigt, wie die Anwendung von scRNA-seq zur Untersuchung der transkriptionellen Landschaften der COVID-19-Resistenz bei Kindern und der Ergebnisse von CFTR-Modulator-Therapien bei CF die Pathophysiologie von Krankheiten und die Mechanismen der Behandlungseffekte aufklären kann. Mit weiterentwickelten Einzelzellentechnologien werden tiefere Einblicke in die Komplexität von Krankheiten und therapeutische Fortschritte möglich sein.
