Bei allergischen Entzündungen spielen Th2-assoziierte Immunantworten und deren Schlüsselmediatoren wie Interleukin-4 und IL-13 eine zentrale Rolle. Unter dem Einfluss dieser Typ 2-spezifischen Immunmediatoren reagieren die Epithelzellen der unteren und oberen Atemwege beispielsweise über die Regulation von Transkriptionsfaktoren und die Sekretion von weiteren Mediatoren, die zusätzlich in das Entzündungsgeschehen hineinwirken. Das Ziel der vorliegenden Habilitation ist die Aufklärung der Mechanismen einer gestörten, mukosalen Immunität im Atemwegslumen und am Atemwegsepithel bei allergischen Erkrankungen. Im Besonderen sollen assoziierte Biomarker dieser aberranten Immunität erfasst werden. Im Weiteren sollen anti-inflammatorische Mechanismen, die durch die kausale Therapieoption einer Allergen-spezifischen Immuntherapie (AIT) induziert werden und der Inflammation entgegenwirken beleuchtet werden. Der erste Teil dieser kumulativen Habilitationsschrift zeigt in vitro krankheitsspezifische Muster von primären Epithelzellen und ex vivo Immunzellen im Atemwegslumen bei Patienten mit allergischer Rhinitis und allergischem Asthma. Der zweite Teil dieser Habilitationsschrift fokussiert sich auf die therapeutische Interaktion und zeigt die therapeutische Modifikation der aberranten epithelialen Immunologie durch eine AIT. In diesem Zusammenhang haben wir zunächst in vitro die Wirkung der prototypischen Mediatoren der Th1/Th2-Effektorzellen auf bronchiale Epithelzellen untersucht. Hier konnten wir erstmals ein IL-4-abhängiges, polarisiertes Transkriptom der Epithelzellen und die konsekutive Sekretion von Mediatoren wie IL-24 identifizieren. Zugrunde liegt eine epitheliale Aktivierung von Transkriptionsfaktoren wie GATA3, die üblicherweise bei Typ 2-Reaktionen in Immunzellen gefunden werden. Dies deutet auf eine verstärkende Rolle der Atemwegsepithelzellen im Entzündungsgeschehen hin. Eine pathogene Th2-assoziierte Signatur von distinkten sekretierten Proteinen konnten wir bei Asthmatikern in einer ex vivo Studie in nasalen Sekreten und Überständen des induzierten Sputums validieren und zeigen, dass die oberen Atemwege in diesem Falle die Pathophysiologie in den unteren Atemwege spiegeln. Ein Entzündungskontinuum, wie es nach der „United Airways Hypothese“ beispielsweise durch allergische Mechanismen abgebildet wird, kann dabei verschiedene Endotypen aufweisen und für therapeutisch relevante Phänotypen wichtig sein. Wir konnten lokale Analyte aus Sekreten der oberen und unteren Atemwege für das Vorliegen einer lokalen Th2-Antwort identifizieren, wobei wir zeigen konnten, dass IL-24 ein möglicher Marker für ein zugrundeliegendes Asthma sein kann. Dazu konnten wir in einer weiteren Arbeit ex vivo zeigen, dass in der allergischen Rhinitis und Asthma sowohl lokal als auch peripher durch eine AIT-Behandlung die Treg-Population numerisch und funktionell wieder induziert wird, während die Frequenzen an Th2- und Th9-Zellen sowie TGF-β-Spiegel während der Therapie abgesenkt wurden. Dieses Ergebnis weist darauf hin, dass eine AIT einen speziellen Zustand der Immunregulation induziert und die Wiederherstellung der natürlichen Allergentoleranz nicht bereits im ersten Jahr der Therapie erfolgt. In einer Studie zu krankheits- und therapiebedingten Veränderungen auf Ebene kleiner, nicht-kodierender microRNAs (miRNAs) konnten wir beobachten, dass auch auf dieser Ebene eine aberrante Regulation im Kontext eines Th2-geprägten Zytokinmilieus zu finden ist, welches sich ebenfalls in veränderten ILC2-Frequenzen widerspiegelt. Wir konnten nachweisen, dass miR-3935 und ihre Ziel-mRNA, der EP3 Rezeptor gegenläufig reguliert sind. Im Kontext der Allergenimmuntherapie bewerten wir die erhöhte Expression der miR-3935 als Gewebe-protektiv, die reduzierte Expression des Rezeptors als Surrogat einer Besserung des Asthmas. Mit dieser Studie konnten wir dokumentieren, dass die PGE2-Spiegel im Sputum mit pro-entzündlichen zellulären und klinischen Parametern korrelieren und bei AIT-behandelten Patienten niedriger sind. Eine epitheliale Typ 2-Signatur zeigen wir ebenfalls in einer ex vivo Studie, worin wir die Transkriptom-weite Untersuchung dieser Effekte gezielt im induzierten Sputum und den Überständen unter Berücksichtigung der Immunzell-Entitäten untersuchten. Während unter AIT proinflammatorische Mediatoren reduziert werden, zeigt sich im Atemwegsepithel ein Anstieg der Expression potentiell regulatorischer oder anti-inflammatorischer Mediatoren. Wir konnten Sekretoglobin1A1 als potentiell anti-inflammatorischen Indikator identifizieren. Dieser wurde durch die Therapie induziert, während die Expression pro-allergischer Th2-Mediatoren wie beispielsweise IL-24 reduziert wurde. Auch weitere prototypische Typ 2-assoziierte Mediatoren einer aberranten Immunität und ihre zellulären Ursprünge konnten wir im induzierten Sputum als Therapie-sensibel nachweisen. Die von uns beschriebenen, pro-allergischen Biomarker haben wir in einer Langzeit-Beobachtungsstudie zur AIT über den Verlauf von drei Jahren nachverfolgt. Diese Untersuchungen wiesen Immunzellen und Mediatoren nach, die mit Typ 2-Immunreaktionen assoziiert sind, ebenso wie anti-entzündlich wirkende regulatorische T- und B-Zellpopulationen und deren Mediatoren. Sowohl während der Aufdosierung als auch im Verlauf der Erhaltungstherapie der subkutanen Gräser-AIT zeigen sich Veränderungen der prototypischen Th2-assoziierten Biomarker-Muster bis hin zur Regulierung der fehlgeleiteten Immunität und einer Reinduktion der tolerogenen Mediatoren und Zellpopulationen verfolgen. Zusammengefasst zeigt die vorliegende Habilitationsschrift somit erstmals zugrundeliegendes epitheliales Transkriptionsfaktoren-Netzwerk in der fehlgeleiteten mukosalen Immunität der Atemwege, die über eine AIT als kausale Therapieoption in großen Teilen rückführbar ist und somit über die AIT therapeutisch greifbar ist. Für die Zukunft wäre zu klären, ob die mukosale Barrierefunktion, welche über die kausale Therapieoption der AIT rückführbar ist, auch im gleichen Maße über Antikörper-basierte Therapieoptionen möglich ist.     «

Bei allergischen Entzündungen spielen Th2-assoziierte Immunantworten und deren Schlüsselmediatoren wie Interleukin-4 und IL-13 eine zentrale Rolle. Unter dem Einfluss dieser Typ 2-spezifischen Immunmediatoren reagieren die Epithelzellen der unteren und oberen Atemwege beispielsweise über die Regulation von Transkriptionsfaktoren und die Sekretion von weiteren Mediatoren, die zusätzlich in das Entzündungsgeschehen hineinwirken. Das Ziel der vorliegenden Habilitation ist die Aufklärung der Mechan...     »

In allergic inflammation, Th2-associated immune responses and their key mediators such as interleukin-4 and IL-13 play a central role. Under the influence of these type 2-specific immune mediators, epithelial cells of the upper and lower airways respond, for example, by regulating transcription factors and secreting other mediators that also affect the inflammatory process. The aim of this cumulative habilitation thesis is to elucidate the mechanisms of impaired mucosal immunity in type 2 driven diseases of the airway lumen and epithelium. In particular, the identification of biomarkers associated with this aberrant immunity was aim of the studies. Furthermore, anti-inflammatory mechanisms induced by the causal therapeutic option of allergen-specific immunotherapy (AIT) were studied. The first part of this cumulative thesis shows in vitro disease-specific patterns of primary epithelial cells and ex vivo immune cells in the airway lumen of patients with allergic rhinitis and allergic asthma. The second part of this thesis focuses on the therapeutic interaction and shows the modification of aberrant epithelial immunology by an AIT. In this context, we first investigated the effect of prototypical mediators of Th1/Th2 effector cells on bronchial epithelial cells in vitro. For the first time, we identified an IL-4-dependent polarized transcriptome of epithelial cells and the subsequent secretion of mediators such as IL-24. This is based on an epithelial activation of transcription factors such as GATA3, which are normally found in type 2 responses in immune cells. This suggests an amplifying role of airway epithelial cells in the inflammatory process. We were able to validate a pathogenic Th2-associated signature of different secreted proteins in asthmatics in an ex vivo study in nasal secretions and supernatants of induced sputum, showing that the upper airways in this case mirror the pathophysiology in the lower airways. An inflammation continuum, as mapped by allergic mechanisms according to the "United Airways Hypothesis", may show different endotypes and be important for therapeutically relevant phenotypes. We were able to identify local analytes from upper and lower airway secretions for the presence of a local Th2 response and showed that IL-24 may be a possible marker for underlying asthma. To this end, in another paper, we demonstrated ex vivo that in allergic rhinitis and asthma, both local and peripheral, AIT treatment numerically and functionally re-induces the Treg population, while the frequencies of Th2 and Th9 cells as well as TGF-β levels were decreased during therapy. This result suggests that AIT induces a specific state of immunosuppression and that restoration of natural allergic tolerance does not occur during the first year of therapy. In a study of disease- and therapy-related changes at the level of small non-coding microRNAs (miRNAs), we observed that aberrant regulation also occurs at this level in the context of a Th2-dominated cytokine milieu, which is also reflected in altered ILC2 frequencies. We demonstrated that miR-3935 and its target mRNA, the EP3 receptor, are oppositely regulated. In the context of allergen immunotherapy, we evaluate increased expression of miR-3935 as tissue protective and decreased expression of the receptor as a surrogate for improvement of asthma. In this study, we demonstrated that sputum PGE2 levels correlate with pro-inflammatory cellular and clinical parameters and are lower in AIT-treated patients. We also demonstrate the epithelial type 2 signature in an ex vivo study where we performed a transcriptome-wide investigation of these effects specifically in induced sputum and supernatants, considering immune cell entities. While proinflammatory mediators are reduced under AIT, an increase in the expression of potentially regulatory or anti-inflammatory mediators is observed in the airway epithelium. We identified secretoglobin1A1 as a potential anti-inflammatory indicator. This was induced by therapy, while the expression of pro-allergic Th2 mediators such as IL-24 was reduced. We were also able to show that other prototypical type 2 associated mediators of aberrant immunity and their cellular origin are sensitive to therapy in the induced sputum. We followed the pro-allergic biomarkers we described in a long-term observational study of AIT over three years. These studies detected immune cells and mediators associated with type 2 immune responses, as well as anti-inflammatory regulatory T and B cell populations and their mediators. Changes in prototypical Th2-associated biomarker patterns, including regulation of misdirected immunity and reinduction of tolerogenic mediators and cell populations, were observed during both up-titration and maintenance treatment with subcutaneous grass AIT. In summary, this thesis shows for the first time the underlying epithelial transcription factor networks in the aberrant mucosal immunity of the respiratory tract, which can largely be traced back to AIT as a causal therapy option. For the future, it remains to be clarified whether the mucosal barrier function that can be targeted by AIT as a causal therapeutic option can also be targeted by antibody-based therapeutic options to the same extent.     «

In allergic inflammation, Th2-associated immune responses and their key mediators such as interleukin-4 and IL-13 play a central role. Under the influence of these type 2-specific immune mediators, epithelial cells of the upper and lower airways respond, for example, by regulating transcription factors and secreting other mediators that also affect the inflammatory process. The aim of this cumulative habilitation thesis is to elucidate the mechanisms of impaired mucosal immunity in type 2 drive...     »