Die gezielte Beeinflussung des Immunsystems steht derzeit im Fokus der
Forschung bei der Behandlung von Autoimmunerkrankungen, Tumoren oder der
Vermeidung von Transplantatabstoßungen. Da Patienten auf die Modulation der
Immunantwort individuell ansprechen, sind Biomarker, welche den Therapieerfolg
frühzeitig anzeigen von größtem Interesse. Frühere Studien konnten anhand der
Genexpression des Toleranz-assoziierte Gens 1 (TOAG-1), bevorstehende
Abstoßungsreaktionen nach allogenen Organtransplantationen im Nager-Modell
frühzeitig anzeigen. Die funktionelle Charakterisierung dieses weitgehend
unbekannten Gens TOAG-1 in T-Zellen stand im Fokus dieser Arbeit. Es konnte
gezeigt werden, dass TOAG-1 ein kernkodiertes aber mitochondrial lokalisiertes
Protein ist, dessen mRNS-Expression in T-Zellen nach allogener Stimulation
transient vermindert wird. TOAG-1 überexprimierende murine T-Zellen zeigten
verringertes mitochondriales Membranpotential und verstärkte Apoptoseneigung.
Darüber hinaus wurden inflammatorische Zytokine wie z. B. IFNγ verringert
sezerniert, im Vergleich zur Transduktion mit dem Kontrollvirus. Daher könnte
TOAG-1 an der Modulation der T-Zellaktivierung beteiligt sein und als
potentieller Biomarker immunmodulatorischer Therapien dienen. Die in vitro
Behandlung mit dem Biologikum Alefacept hemmte die Proliferation von humanen
PBMCs und verhinderte den Verlust der TOAG-1-mRNS-Expression sowohl in naiven
und memory CD4+ T-Zellen, als auch in CD8+ T-Zellen. Auch der, nach allogener
Stimulation beobachtete, Anstieg der RHAMM (Rezeptor für Hyaluronan-
vermittelte Migration) Transkription wurde durch die Alefacept-Behandlung in
vitro verhindert. Weiterhin führte Alefacept, ähnlich wie die Überexpression
von TOAG-1, zur Reduktion des mitochondrialen Membranpotentials und zur
verstärkten Apoptoseneigung in den drei untersuchten T-Zellsubpopulationen.
Die Oberflächenexpression des negativ regulierenden PD-L1 wurde sowohl auf
CD4+ T-Zellen als auch auf antigenpräsentierenden Zellen nach Alefacept-
Behandlung induziert. Diese reduzierte Proliferation war abhängig von einer
gesteigerten PD-L1 Oberflächenexpression auf antigenpräsentierenden Zellen in
der Kultur. Zum Abschluss wurde das diagnostische Potenzial der Analyse der
TOAG-1 Transkription in einer Alefacept-Studie in Psoriasis-Patienten
getestet. Hierzu wurden 20 Patienten über einen Zeitraum von 12 Wochen mit 15
mg Alefacept wöchentlich behandelt. Die Therapie war in 9 von 20 Patienten
erfolgreich (PASI-Reduktion ≥ 50 %) Alle Patienten wiesen nach Therapie einen
Verlust von CD4+ und CD8+ memory T-Zellen auf. Wobei der Verlust von CD8+
T-Zellen in erfolgreich therapierten Patienten ausgeprägter, wenn auch nicht
signifikant, war. Eine Unterscheidung der Patienten mit und ohne genügenden
Therapieerfolg war anhand des PASI erst in Woche 9 möglich. Wohingegen die
mRNS-Expression von TOAG-1 bereits in Woche 2 der Therapie signifikant
unterschiedlich zwischen beiden Patientengruppen reguliert war. Auch die RHAMM
Transkription zeigte schon in Woche 3 signifikante Unterschiede. Die
Kombination beider Marker in Form einer Ratio verstärkte das
Unterscheidungspotential über den gesamten Therapieverlauf.Immune modulating therapies gain increasing importance in treatment of
autoimmune diseases, tumors or prevention of transplant-rejection. However,
none of the currently applied biologics achieves significant clinical
improvement in all treated patients. Since the therapy with biologics is cost
intensive and sometimes associated with side effects, non-invasive diagnostic
tools for early prediction of responders are of major interest. The tolerance
associated gene 1 (TOAG-1) has been described to be highly expressed in graft
infiltrating cells and whole blood of tolerance developing recipients in an
allogeneic rat kidney transplantation model. So far the subcellular
localization of TOAG-1 and its function is unknown. Here we show TOAG-1
protein to be located in mitochondria and its mRNA expression dramatically
decreased after T cell activation in vitro. Furthermore over expression of
TOAG-1 in murine primary CD4+ T cells led to a loss of mitochondrial membrane
potential, a higher susceptibility to apoptosis and decreased cytokine release
(e.g. IFNγ). These findings suggest a possible role of TOAG-1 during T cell
activation and it therefore might serve as a biomarker of immune modulatory
therapies. Furthermore we studied the effects of Alefacept (LFA3Ig), an
approved “biologic” for treatment of psoriasis, on leukocytes in vitro and in
vivo to identify gene markers (TOAG-1, RHAMM) predictive for treatment
response. Addition of Alefacept to cultures of human CD8+, naïve or memory
CD4+ T cells stimulated in vitro, resulted in increased TOAG-1 and reduced
RHAMM mRNA expression accompanied by reduced proliferation, loss of
mitochondrial membrane potential and apoptosis induction. This effect was
dependent on enhanced PD-L1 expression by antigen presenting cells present in
the culture. In an open-label study 20 psoriasis patients were treated weekly
with 15 mg Alefacept over 12 weeks. Therapy was successful in 9 of 20 patients
(PASI reduction ≥ 50 %). Memory CD4+ as well as memory CD8+ T cells were
reduced in all patients at the end of therapy. However, reduction of CD8+
memory T cells was more pronounced in responding patients though not
significantly different between both groups. Discrimination of both groups
based on PASI reduction was possible not until week 9 after therapy onset. In
contrast peripheral transcription of TOAG-1 was significantly up-regulated
whereas RHAMM transcription was down-regulated in PBMCs of responding patients
prior to clinical improvement (week 2 to 4). Our results indicate that
peripheral changes of TOAG-1 and RHAMM expression can be used to predict
clinical response to Alefacept treatment in psoriasis patients as early as 2
weeks after therapy onset. Combination of both genes via calculating a ratio
could further improve discriminatory power throughout Alefacept therapy
