Die Rolle von antigenspezifischen Helfer-T-Zellen im murinen Krankheitsmodell der Ovalbumin-induzierten Arthritis

Abstract

Die Rheumatoide Arthritis (RA) ist eine häufig auftretende schwere Erkrankung mit autoimmunem Charakter, die durch eine chronische Entzündung von Gelenken zur irreparablen Zerstörung von Knochen- und Knorpelschichten führt. Trotz bereits erfolgreich angewandter Immuntherapien sind die genaue Ursache der Erkrankung und der Beitrag einzelner Zellpopulationen an der Krankheitsentstehung weiterhin unklar. Außerdem sind nicht alle RA Patienten für die vorhandenen Therapieformen gleichermaßen zugänglich. Um neue Therapien mit möglichst wenigen Nebenwirkungen und größerer Effizienz zu entwickeln, erfolgte in der vorliegenden Arbeit eine differenzierte Analyse des Beitrages einzelner Zellpopulationen an der Ausbildung einer Arthritis. Dazu wurde ein neues vorklinisches murines Modell, die Ovalbumin-induzierte Arthritis (OIA), etabliert. Eine OIA wird nach zweimaliger Immunisierung durch eine Injektion von Ovalbumin (OVA) in ein Kniegelenk einer Maus induziert. Zunächst bildet sich eine akute Entzündung im induzierten Kniegelenk, die durch eine Schwellung des Gelenkes und durch Infiltrate von neutrophilen Granulozyten gekennzeichnet ist. Die Chronifizierung der Gelenksentzündung zeichnet sich dann durch Infiltrate von mononuklearen Zellen, die Aktivierung von Fibroblastenzellen und schließlich durch Knochen- und Knorpeldestruktionen aus. Dieses Modell bietet den Vorteil, durch adoptiven Transfer von potentiell pathogenen oder protektiven ovalbuminspezifischen Helfer-T-(Th)-Zellen den Beitrag von verschiedenen Th-Zell-Populationen an der Entstehung einer Arthritis zu bestimmen. Im Verlauf der Arbeit konnte festgestellt werden, dass die akute Phase einer OIA wesentlich durch das pro-inflammatorische Zytokin TNF-a, die chronische Phase einer OIA jedoch unabhängig von TNF-a durch pro- inflammatorisches IL-17 vermittelt wird. Das Th1-Zytokin IFN-g spielt im OIA Modell nur eine geringe anti-inflammatorische Rolle. In vitro generierte Th17-Zellen, die TNF-a und IL-17 produzieren, können nach adoptivem Transfer allerdings weder eine induzierte OIA verschlimmern noch selbst eine chronische OIA verursachen. Ähnlich wie vergleichsweise untersuchte IFN-g+/TNF-a+ Th1-Zellen können Th17-Zellen allerdings die akute Phase einer OIA in Form von granulozytären Infiltraten induzieren. Jedoch im Gegensatz zu Th1-Zellen können Th17-Zellen weder im OIA Modell noch im Entzündungsmodell der DTH eine akute Schwellung der Entzündungsstelle verursachen. Damit in Zusammenhang stehend konnte gezeigt werden, dass die migrationsrelevanten Chemokinrezeptoren CCR5 und CXCR3 von Th1- aber nicht von in vitro generierten Th17-Zellen exprimiert werden, welche damit übereinstimmend 2-3-mal schlechter in entzündete Gewebe einwandern als Th1-Zellen. Für die Etablierung einer chronischen OIA benötigen Th-Zellen die Hilfe von B-Zellen, denn in B-Zell- defizienten Mäusen kann sich zwar eine akute jedoch keine chronische OIA entwickeln. Dabei scheint die Fähigkeit von B-Zellen, T-Zellen zu aktivieren, wichtig zu sein, wohingegen die Produktion von Antikörpern entbehrlich ist, denn selbst wenn die Antikörpertiter drastisch erniedrigt sind, entwickelt sich eine schwere OIA. Um den kritischen Schritt der Knieinjektion bei der OIA-Induktion zu umgehen, wurden am DRFZ transgene Mäuse generiert, bei denen eine Ovalbuminexpression in den Gelenken induziert werden kann (tet-LPOVA Mäuse). Diese Mäuse entwickeln jedoch eine antigen- und gelenkspezifische Toleranz gegen eine OIA. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass sich die Toleranz entwickelt, obwohl sowohl ovalbuminspezifische T-Zellen als auch B-Zellen in tet-LPOVA Mäusen aktiviert werden, wenn auch in geringerer Zahl verglichen mit Wildtypmäusen. An der Toleranzausbildung sind hauptsächlich Th- Zellen, aber auch nicht-hämatopoetische mesenchymale Zellen beteiligt, wie Versuche mit Knochenmarkchimären zeigen. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit bieten einerseits ein neues vorklinisches Tiermodell für RA an, indem die Wirksamkeit zukünftiger Medikamente innerhalb einer chronischen Entzündung ohne Beeinflussung des zentralen pro-inflammatorischen Zytokins TNF-a überprüft werden kann. Außerdem zeigen die Ergebnisse deutlich, dass Th-Zellen im Tiermodell der Ovalbumin-induzierten Arthritis zwar eine akute Entzündung vermitteln können. Für die Etablierung einer durch IL-17 vermittelten chronischen Arthritis dagegen benötigen sie die Hilfe von B-Zellen, die durch Antigenpräsentation bzw. Aktivierung von Th-Zellen, jedoch nicht durch die Produktion von Antikörpern, für eine Chronifizierung der Arthritis essentiell sind.

Rheumatoid Arthritis (RA) is a frequent severe autoimmune disease which is characterised by chronic joint inflammations resulting in irreparable bone and cartilage destructions. Despite different current effective therapies, the origin of RA and the input of diverse cell types to the disease development are still unknown. Moreover, many RA patients do not respond to current therapeutic approaches. To develop new possible therapies with fewer side effects and high efficacy, the present thesis answered the question of the input of different T cell populations to arthritis onset and progression. For this purpose, a new pre-clinical murine arthritis model, the Ovalbumin-induced Arthritis (OIA), was established. Here, after two subcutaneous immunisations, the OIA is induced by an intra-articular (i.a.) OVA injection in one particular knee joint. First, an acute inflammation of the affected joint characterised by infiltrations of granulocytes and swelling of the joint is rising. Afterwards, a chronic arthritis which is characterised by infiltration of mononuclear cells, activation of fibroblasts, hyperplasia of the synovial membrane and finally destruction of bone and cartilage is developing. By using the OIA model it was possible to analyse the input of Helper T cells (Th cells) to arthritis progression by adoptive transfer of OVA specific Th cells. The data of the present thesis clearly show that the acute and the chronic OIA phase are mainly mediated by the pro-inflammatory cytokine TNF-a and IL-17, respectively. The Th1 associated cytokine IFN-g do not contribute to disease development but rather act anti-inflammatory. Surprisingly, in vitro differentiated Th17 cells, which express IL-17 as well as TNF-a, can neither exacerbate an established disease nor induce a chronic OIA by themselves after adoptive transfer. However, similar to IFN-g and TNF-a expressing Th1 cells, Th17 cells are able to induce acute granulocyte infiltrations. But in contrast to Th1 cells, Th17 cells cannot induce a swelling of the inflamed site neither in the OIA nor in the DTH model, which is a model for acute inflammation. Supporting this, the data show that Th1 cells express the important migratory chemokine receptors CCR5 and CXCR3 but Th17 cells do not, resulting in a two to three times weaker migratory behaviour of Th17 cells into inflamed sites in comparison to Th1 cells. For inducing a chronic OIA, Th cells need the help of B cells which appear to be essential for establishing chronic arthritis symptoms. Antibody production by B cells is of minor importance for disease progression, because even in mice with drastically reduced antibody titers a severe OIA develops. Possibly, B cells are necessary to stimulate T cells e.g. via MHC class II, for Th cell activation is clearly hampered in B cell deficient mice. To circumvent the most critical step of the OIA protocol, namely the i.a. OVA injection, transgenic mice (tet-LPOVA) were generated at the DRFZ by our cooperation partners. OVA expression in joints can be induced in these mice by simply feeding the antibiotics doxycyclin, which should make the i.a. injection dispensable. Surprisingly, tet-LPOVA mice are protected from OIA development showing an antigen and joint specific tolerance for the induction of arthritis, even if OVA is injected i.a. in one knee joint. Tet- LPOVA mice are resistant to OIA development in spite of slightly reduced but clearly detectable numbers of activated OVA specific Th cells and B cells. The data of this thesis suggest that the tolerance in tet-LPOVA mice is mainly mediated by Th cells but an influence of non-hematopoietic cells cannot be excluded. The results of the present thesis first suggest a new pre-clinical animal model for human RA which can be used for analysing the efficacy of new anti-arthritis drugs without any influence of TNF-a mediated pro-inflammatory functions. Also, the data suggest that Th cells can induce acute inflammations mediated by TNF-a. But, to induce IL-17 mediated chronic arthritis B cells are necessary, rather for antigen presentation than for antibody production.