dc.contributor.author
Vogt, Annika
dc.date.accessioned
2018-06-07T21:10:31Z
dc.date.available
2010-07-05T09:11:16.014Z
dc.identifier.uri
https://refubium.fu-berlin.de/handle/fub188/7500
dc.identifier.uri
http://dx.doi.org/10.17169/refubium-11699
dc.description.abstract
The skin is one of the largest immune organs in the first line of contact with
pathogens and is rich in potent antigen-presenting cells (APCs), such as
Langerhans cells in the epidermis and dendritic cells (DCs) in the dermis. The
abundance and localization of skin APCs and their potent capacity to induce
immune responses make the skin an attractive tissue for APC targeting, e.g. by
transcutaneous (t.c.) vaccine delivery. In fact, vaccines have been very
successful in controlling infectious diseases, but several obstacles remain in
their development against pandemic chronic diseases, such as HIV, hepatitis C,
or cancer, where cellular immune responses play a crucial role in disease
control. The aim of this work was to study novel approaches for APC targeting
and vaccination. The first series of investigations focused on proof-of-
concept studies for vaccination against basal cell carcinomas (BCCs), the most
common type of skin cancer. Genetically predisposed individuals as well as
organ transplant recipients under long-term anti-rejection drug therapy are
especially prone to BCC development. Non-invasive therapy would substantially
improve life quality and disease management for those patients. Because BCCs
are characterized by a striking homogeneity and low genetic instability, these
tumors present an interesting experimental model for the investigation of
tumor vaccination strategies. Haired ptch1+/- mice develop endogenous BCC like
tumors after exposure to ultraviolet or ionizing radiation. In our studies we
demonstrated that long-term anti-rejection drug administration significantly
increased the BCC burden in ptch1+/- mice, which suggests that ptch1+/- mice
represent a suitable model to study BCC formation in high risk individuals.
Mutational activation of Hedgehog signalling with overexpression of Hedgehog
target genes such as Hedgehog-Interacting Protein (Hip) is the pivotal step in
BCC development. We defined Hip1 as a tumor-associated protein, and designed
recombinant Hip1 peptides for immunization to prevent the development of BCCs
in ptch1+/- mice. Immunization with either of two large recombinant Hip
polypeptides was well tolerated, induced B and T cell responses, and reduced
the number of BCCs despite the self-nature of this protein. We concluded that
immunization with proteins specifically upregulated by hedgehog signalling may
hold promise as a preventive option for patients destined to develop large
numbers of BCCs. The work on tumor vaccination fostered further questions
regarding possibilities to optimize conventional vaccination strategies.
Facilitating vaccine compound penetration into immunization sites rich in APCs
and improved APC targeting would benefit the efficacy of new vaccines in the
induction of protective immune responses. Implications of epithelial DCs in
CD8 cell cross-priming suggested that vaccination via the t.c. route may be
especially relevant in the induction of cellular immune responses. Meanwhile,
experimental evidence emerged that antigen adsorption to nanoparticles may
further help improve the efficacy of current vaccination strategies. These
findings encouraged us to explore the t.c. route of vaccination using
nanoparticles and particulate vaccines. We established two complementary
experimental models: human skin explants to study particle penetration and
translocation directly in human skin, and mouse studies for in vivo imaging of
particle trafficking and immunogenicity. We identified the hair follicle as a
major penetration pathway for nanoparticles and particulate model vaccines in
both model systems and found that the penetration depth into murine hair
follicles and human vellus hair follicles depends on the particle size. The
key finding in our studies was that solid 40 nm polystyrene particles, after
pre-treatment of the skin with cyanoacrylate skin surface stripping (CSSS,
human skin explants) or tape stripping (murine skin), not only penetrated
deeply into hai9r follicle openings, but also through the hair follicle
epithelium into the perifollicular tissue. We were even able to detect
topically applied Modified Vaccinia Ankara Virus expressing enhanced Green
Fluorescent Protein (MVA-eGFP) in barrier-disrupted murine skin and in
draining lymph nodes using in vivo confocal laser scanning microscopy, and to
demonstrate the capacity of this t.c. immunization method to generate immune
responses after topical application of DNA, protein or virus particles. In a
large series of investigations, we further generated important data on the
size and proportions of different hair follicle types. We found that hair
follicle types in different body regions represent rather homogenous groups,
suggesting that hair follicle targeting is feasible also in larger numbers of
individuals. Because direct imaging of single nanoparticles was not possible
with conventionally used microscopic techniques, we developed protocols for
the detection of single particles in human skin by scanning transmission X-ray
microscopy. In the future, this technology may also allow for the
investigation of particle-tissue interactions. Based on these experimental
findings we were able to build a strong rationale for nanoparticle-based t.c.
vaccination strategies, and we concluded that inclusion of CSSS, a method
which opens hair follicles for penetration without disrupting the epidermis,
into such t.c. vaccination protocols is probably crucial. Translation of our
ideas into clinical applications was key to the success of this project. We
developed a standard operating procedure for t.c. vaccination based on CSSS,
and also conducted a pilot study on healthy human volunteers to assess its
safety and efficacy. Cyanoacrylate Skin Surface Stripping was well tolerated
in all individuals. Transcutaneous vaccination according to our newly
established protocol induced both effector CD4 and CD8 T cell responses,
whereas i.m. injection induced strong effector CD4 in the absence of CD8 T
cells, as assessed by intracellular cytokine staining and tetramer analyses.
This is the first demonstration of such differences in quality of the cellular
immune responses by different routes of vaccination in humans, and it remains
a crucial step in the development of vaccination strategies.
de
dc.description.abstract
Die Haut gehört zu den größten Immunorganen des Menschen und steht in direktem
Kontakt mit der Umwelt und möglichen Pathogenen. Die Dichte und die
Lokalisation von Antigen-präsentierenden Zellen (APZ) machen die Haut zu einem
attraktiven Organ für das gezielte Heranbringen von Wirkstoffen, z.B. von
Impfstoffen, an das Immunsystem. Das Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung
neuartiger Strategien für das Heranbringen von Wirkstoffen an APZ der Haut.
Berichte über die Beteiligung von epithelialen dendritischen Zellen an der
Kreuzpräsentation von Antigenen und der Induktion von CD8 Zellen weisen darauf
hin, dass insbesondere transkutane (t.c.) Impfverfahren relevant für die
Induktion von zellulären Im-munantworten sein könnten. Hieraus ergeben sich
mögliche Anwendungen zur therapeuti-schen Impfungen bei chronisch viralen
Erkrankungen und Tumorerkrankungen. In den ersten Versuchsreihen untersuchten
wir am Beispiel von Basalzellkarzinomen (BCC) in ptch1+/-Mäusen Möglichkeiten,
Tumorwachstum durch Suppression oder Stimulation des Immunsystems zu
beeinflussen. BCC sind die häufigsten Tumoren der Haut und entstehen in
besonders hoher Anzahl in genetisch prädisponierten Individuen und in
organtransplantierten Patienten. Die Verfügbarkeit von nicht-invasiven,
idealer Weise vorbeugenden Therapien würde die Lebensqualität und die
Behandlung der Betroffenen wesentlich verbessern. Immun-suppressive Dosen von
Medikamenten, die üblicher Weise zur Vermeidung von Transplantat-abstoßung
eingesetzt werden, erhöhten die Tumorlast im Mausmodell. Umgekehrt ließ sich
die Tumorlast durch Vakzinierung mit rekombinanten Fragmenten des Tumor-
Antigens Hed-gehog-Interagierendem Protein (Hip) signifikant reduzieren, so
dass eine solche Vakzinierung eine viel versprechende Option für die
Behandlung von Hochrisikopatienten sein könnte. Ne-ben dem gezielten Targeting
von APZ in ihrer natürlichen Umgebung wie der Haut zeigten Daten verschiedener
Gruppen, dass die Adsorption von Antigen an Nanopartikel die Effekti-vität von
Impfverfahren zusätzlich verbessern könnte. Ausgehend von diesen Ergebnissen
untersuchten wir im Folgenden Möglichkeiten für das Heranbringen Partikel-
basierter Impf-stoffe an APZ der Haut. An exzidierter menschlicher Haut und am
Mausmodell identifizierten wir den Haarfollikel als hauptsächlichen
Penetrationsweg für topisch applizierte Partikel. Eine zentrale Beobachtung
war, dass solide 40 nm Polystyrenpartikel nicht nur tief in Haarfollikel-
öffnungen, sondern teilweise auch durch das Haarfollikelepithel hindurch in
das perifollikulä-re Gewebe penetrierten. Topisch applizierte modifizierte
Vakzinia Adenoviruspartikel, die grün fluoreszierendes Protein exprimierten
(MVA-eGFP), konnten im Follikelepithel und auch in drainierenden Lymphknoten
und der Milz nachgewiesen werden. T.c. Immunisierung gelang mit DNA, Protein
und Viruspartikeln, Der Durchführung von CSSS kommt bei der t.c. Vakzinierung
mit partikulären Impfstoffen wahrscheinlich eine zentrale Rolle . Ausgehend
von den experimentellen Protokollen entwickelten wir eine Standardprozedur zur
t.c. Vakzi-nierung und führten eine Pilotstudie an gesunden Probanden durch,
in der wir die Sicherheit und Effektivität dieses neu entwickelten
Impfverfahrens mit Hilfe eines kommerziell erhältli-chen Grippeimpfstoffs
überprüften. CSSS wurde von allen Probanden gut vertragen. Die transkutane
Impfung nach dem von uns entwickelten Protokoll induzierte Effektor CD4 und
CD8 Zellantworten, während intramuskuläre Injektion deutlich Effektor CD4
T-Zellen, aber keine nachweisbaren CD8 T Zellen induzierte. Diese Daten weisen
erstmals darauf hin, dass es in Abhängigkeit vom Weg der Impfstoffapplikation
zu Unterschieden in der Qualität von zellulären Immunantworten kommen kann.
de
dc.rights.uri
http://www.fu-berlin.de/sites/refubium/rechtliches/Nutzungsbedingungen
dc.subject
transcutaneous vaccination
dc.subject
follicular penetration
dc.subject
particle based drug delivery
dc.subject.ddc
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::610 Medizin und Gesundheit
dc.title
Targeting of Skin Antigen-Presenting Cells
dc.contributor.firstReferee
Prof. Dr. Eva Bröcker, Würzburg
dc.contributor.furtherReferee
Prof. Dr. Gerold Schuler, Erlangen
dc.date.accepted
2010-06-28
dc.identifier.urn
urn:nbn:de:kobv:188-fudissthesis000000017833-0
dc.title.subtitle
a Rationale for Nanoparticle-Based Transcutaneous Vaccination
dc.title.translated
Targeting von Antigen-präsentierenden Zellen der Haut
de
dc.title.translatedsubtitle
eine Rationale für die Verwendung von Nanopartikeln als Wirkstoffträger für
transkutane Impfsysteme
de
refubium.affiliation
Charité - Universitätsmedizin Berlin
de
refubium.mycore.fudocsId
FUDISS_thesis_000000017833
refubium.mycore.derivateId
FUDISS_derivate_000000007763
dcterms.accessRights.dnb
free
dcterms.accessRights.openaire
open access