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Mimotopes for therapy of grass pollen induced asthma

proof of concept studies in a pathophysiologically relevant memory mouse model

Julia Wallmann

Art der Arbeit

Dissertation

Universität

Universität Wien

Fakultät

Fakultät für Lebenswissenschaften

Betreuer*in

Erika Jensen-Jarolim

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DOI

10.25365/thesis.12276

URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-30350.97687.719661-1

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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)

Abstracts

Abstract

(Deutsch)

Die Immuntherapie mit Allergenen ist heute noch immer mit unerwünschten Nebenwirkungen assoziiert. Zum Teil ist dies bedingt durch die Induktion von anaphylaktogenen Antikörpern, die gegen irrelevante Moleküle oder gar irrelevante Epitope der eingesetzten Allergene gerichtet sind. Dies könnte durch epitopspezifische Immuntherapie verhindert werden, bei der Mimotope oder anti-idiotypische Antikörper mit Mimikry-Potential (Review in Chapter I) anstelle von Allergenen eingesetzt werden. Das Ziel dieser Doktorarbeit war es, die Mimotoptherapie gegen Gräserpollenallergie weiter zu optimieren und die hierfür notwendigen proof of concept Experimente zu etablieren und durchzuführen. Im ersten experimentellen Ansatz (Chapter II), wurde ein Mausmodell für allergisches Asthma für die Sensibilisierung mit dem Graspollen-Hauptallergen Phl p 5 adaptiert. Akutes Asthma wurde durch systemische Sensibilisierung, gefolgt von inhalativer Exposition mit dem Allergen induziert, wodurch Mukussekretion, Lymphfollikelbildung und eosinophile Entzündung der Atemwege ausgelöst wurden. Um zwischen allergischem Asthma und un-spezifisch getriggerter Hyperreagibilität zu unterscheiden, fügten wir noch Ovalbumin (OVA) als ein irrelevantes Kontrollallergen für die Aerosolisierung von Phl p 5-allergischen Mäusen hinzu. In einem neuartigen Ansatz führten wir Analysen des Austausches der Atemgase mithilfe indirekter Kalorimetrie vor und nach Provokationen mit aerosolisierten Antigenen durch. Verstärkte Atmung konnte nach 48 Stunden nur in der mit Phl p 5 nebulisierten Mausgruppe festgestellt werden, charakterisiert durch erhöhte O2 Konsumation und CO2 Freisetzung in die Ausatemluft. Obwohl die Atemwegsentzündung der mit OVA provozierten Gruppe generell schwächer als in Mäusen mit allergischem Asthma war, zeigten beide Gruppen eine signifikante Abnahme der motorischen Aktivität und wiesen Azidose kombiniert mit einem prägnanten Abfall von roten und weißen Blutkörperchen in der Peripherie auf, gepaart mit deren Umverteilung in die Lunge. Daher ist die pathophysiologische Relevanz dieses Mausmodells erwiesen. Es dient aus diesem Grund nicht nur der Erforschung der Mechanismen von allergeninduziertem Asthma versus nicht-spezifischer Atemwegsprovokation, sondern eignet sich auch für proof of concept Studien von Mimotopvakzinen. Folglich zeigt Chapter III einen Ansatz, bei dem solchermaßen sensibilisierte Phl p 5-asthmatische Mäuse zur therapeutischen Vakzinierung mit einem synthetisch hergestellten Mimotop gekoppelt an KLH, eingesetzt wurden. Als Mimotop-behandelte Mäuse mit dem aerosolisierten Phl p 5 re-exponiert wurden um die Allergenexposition in der Pollensaison beim Menschen nachzuahmen, wiesen diese eine signifikant geringere Zahl an Eosinophilen in der Bronchoalveolarlavage und im peribronchiolaren Gewebe, sowie eine beeindruckende Herunterregulation der Mukusproduktion im Vergleich zu den „sham“-behandelten Tieren oder zu Mäusen, die nur mit KLH behandelt wurden, auf. Um die Mimotoptechnologie weiter zu verbessern, konstruierten wir in Chapter IV eine Minigen Vakzine, indem wir das im Asthmamodell verwendete Peptidmimotop in eine DNA Vakzine übersetzten. Wir verglichen parallel zwei verschiedene Verabreichungswege für die Immunisierung mit der Genvakzine. Die Applikation mit der Gene gun war mehr mit einer Th2 –ausgerichteten Immunantwort assoziiert. Im Gegensatz dazu wurde durch intradermale Injektion des Minigenkonstruktes keine IgE Antwort induziert, sondern die Produktion blockierender IgG Antikörper ausgelöst, welche das allergenvermittelte Crosslinking von Effektorzell-gebundenem IgE inhibieren konnten. Darüber hinaus konnte keine Proliferation und Zytokinproduktion von allergen-spezifischen T-Zellen beobachtet werden. Die präklinischen Befunde welche in dieser Doktorarbeit erhoben wurden deuten darauf hin, dass Mimotope in Peptid oder DNA Form therapeutisches Potential für die Behandlung von allergischen Erkrankungen, im besonderen Asthma, besitzen. Dies ist wahrscheinlich auf die Tatsache zurückzuführen, dass Mimotope ausschließlich Allergen- B-Zellepitope repräsentieren, jegliche Aktivierung pro-inflammatorischer T-Lymphozyten jedoch ausgeschlossen werden kann.

Abstract

(Englisch)

Allergen immunotherapy is today still associated with undesired side effects. This is in part due to the induction of anaphylactogenic antibodies directed against irrelevant molecules or even irrelevant epitopes within the applied allergens. This could be avoided by epitope-specific immunotherapy using mimotope peptides or anti-idiotypic Fab fragments with mimicry potential (reviewed in Chapter I) instead of allergens. This thesis aimed to further optimize mimotope immunotherapy against grass pollen allergy, and to set up and perform the necessary proof of concept studies. Therefore, in the first experimental approach (Chapter II), a mouse model of allergic asthma was adapted to sensitization with grass pollen major allergen Phl p 5. Acute asthma was induced via systemic sensitization followed by inhalative allergen challenge rendering mucus secretion, lymphoid follicle formation and eosinophilic inflammation of the airways. To discriminate allergic asthma from non-specifically triggered airway hyperreactivity, we added ovalbumin (OVA) being an irrelevant control antigen for aerosolization of Phl p 5-allergic mice. In an innovative approach we performed respiratory gas exchange measurements by indirect calorimetry before and after challenges with aerosolized antigens. Enhanced respiration was found up to 48 hrs after provocation in the Phl p 5-nebulized mouse group only, characterized by significantly increased consumption of O2 and release of CO2 into exhaled air. Although airway inflammation of the OVA challenged group was overall milder than in mice with allergic asthma, both groups showed significantly less motor activity and exhibited acidosis combined with a sharp decline of white and red blood cells shown to be redistributed to the lung. This mouse asthma model therefore proved to be of pathophysiological relevance, being suitable not only for exploring the mechanisms of allergen- induced asthma versus non-specific airway provocation, but importantly also for proof of concept studies for mimotope vaccines. Consequently, Chapter III shows an approach using in such a way sensitized Phl p 5-asthmatic mice for therapeutical vaccination with a synthetic peptide mimotope linked to carrier KLH. When mimotope-treated mice were then re-exposed with the aerosolized Phl p 5 to mimic allergen re-exposure of humans in the pollen season, they exhibited significantly lower eosinophil numbers in the bronchoalveolar lavage and peribronchiolar tissue as well as an impressive downregulation of mucus production as compared to sham-treated animals or animals treated with KLH only. To further improve mimotope technology, we constructed in Chapter IV a minigene vaccine by translating the same peptide mimotope as used in the asthma model into a DNA vaccine. We compared head to head two different administration routes for immunization with the gene vaccine. Whereas gene gun bombardment was found to be associated with a Th2 biased immune response, intradermal injection did not induce IgE production but rendered blocking IgG antibodies able to inhibit allergen-mediated crosslinking of effector cell-bound IgE. In addition, no proliferation and cytokine production of allergen-specific T cells were observed. The pre-clinical evidence collected in this thesis work suggests that mimotopes in peptide or DNA form have therapeutic potency for the treatment of allergic diseases. This is possibly due to the fact that they represent pure B cell-epitope mimics and completely avoid the activation of any pro-inflammatory T-lymphocytes.

Autor*innen

Julia Wallmann

Haupttitel (Englisch)

Mimotopes for therapy of grass pollen induced asthma

Hauptuntertitel (Englisch)

proof of concept studies in a pathophysiologically relevant memory mouse model

Paralleltitel (Deutsch)

Mimotope als Therapieansatz für Gräserpollen-spezifisches allergisches Asthma: Proof of concept in einem pathophysiologisch relevanten Mausmodell

Paralleltitel (Englisch)

Mimotopes for therapy of grass pollen induced asthma: proof of concept studies in a pathophysiologically relevant memory mouse model

Publikationsjahr

2010

Umfangsangabe

92 S.

Sprache

Englisch

Beurteiler*innen

Erika Jensen-Jarolim ,

Holger Garn

Klassifikationen

44 Medizin > 44.45 Immunologie ,

44 Medizin > 44.78 Immunkrankheiten

AC Nummer

AC08448219

Utheses ID

11068

Studienkennzahl

UA | 091 | 441 | |

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