SFB854 - B31N Dynamische Bildgebung und Modellierung der Regulierung des Gleichgewichts zwischen T-Zellen und Pathogenen während einer chronischen Infektion

Die Mechanismen, die bei chronischen Infektionen den Ausgleich der Immunantwort mit der Erregerlast ermöglichen, sind nach wie vor rätselhaft. Insbesondere ist unbekannt, wie sich die Interaktionen von Effektor- und regulatorischen T-Zellen (T_eff und T_reg) untereinander und mit dem Erreger auf die Etablierung eines persistierenden Erregerreservoirs auswirken könnten. Wir haben kürzlich ein genetisch kodiertes Reportersystem entwickelt, um in vivo die Lebensfähigkeit des intrazellulären Erregers Leishmania major (L. major) zu analysieren. Dieses System wird es uns ermöglichen, die Lebensfähigkeit des Erregers zusammen mit der Rekrutierung und Aktivierung von Immunzellen während der Etablierung einer chronischen Infektion zu untersuchen.
Die quantitativen Daten aus diesen Experimenten werden zur Entwicklung und Validierung von auf Differentialgleichungen basierenden Modellen für das Gleichgewicht zwischen der Erregerlast und der T_eff-Reaktion im Verlauf der Infektion verwendet. Die datengesteuerte Modellauswahl wird es ermöglichen, die Wirkungsweise der T-Zell-vermittelten Aktivierung von Phagozyten zu analysieren, die den Parasiten im Verlauf der Infektion kontrolliert (d. h. direkte Erregerabtötung oder Wachstumshemmung, Phagozyten-interne oder gewebeübergreifende Kontrolle). Darüber hinaus werden wir die molekulare Signaldynamik analysieren, die der Bereitstellung der T_eff- und T_reg-Funktion am Ort der Infektion zugrunde liegt. Zu diesem Zweck werden wir mittels intravitaler 2PM das Verhalten von T-Zellen untersuchen, die fluoreszierende in vivo Reporter für die proximale TCR-Signalübertragung exprimieren. Diese Daten werden als Grundlage für ein räumlich-zeitliches agentenbasiertes Modell der Immun-Pathogen-Interaktionen dienen. Das mathematische Modell wird es ermöglichen, in silico verschiedene Hypothesen darüber zu testen, wie sich die Interaktionen zwischen T_eff, T_reg und Antigen-präsentierenden Zellen (APCs) auf die Aktivierung der T-Zellen während der Etablierung und Aufrechterhaltung einer chronischen Infektion auswirken. Diese Hypothesen werden in vivo durch Manipulation der Zytokin-Signalübertragung, der Antigenpräsentation und der immunologischen Kontrollpunkte während der intravitalen 2-Photonen-Mikroskopie (2PM) validiert. Insgesamt wird das vorgestellte Projekt (1) die Art und Weise der Erregereindämmung aufklären, in der T-Zell-Effektor-Funktionen während der Etablierung chronischer Infektionen umgesetzt werden, und (2) die Dynamik der T-Zell-Aktivierungssignalisierung aufzeigen, die den Interaktionen von T_eff, T_reg und APCs in diesem Prozess zugrunde liegt. Diese Ergebnisse werden zum einen T-Zell-Strategien im Kampf gegen eindringende Krankheitserreger und zum anderen Strategien der Krankheitserreger zur Umgehung des Immunsystems aufzeigen. Beides könnte neue Ansatzpunkte für antimikrobielle und immunmodulatorische Therapieansätze definieren.

SFB854 - B31N Dynamic imaging and modelling of the regulation of T cell - pathogen equilibration during chronic infection

The mechanisms which, during chronic infections, permit the equilibration of the immune response with pathogen burden have remained enigmatic. In particular, it is unknown how the interactions of effector and regulatory T cells (T_eff and T_reg) among each other, and with the pathogen, might impact the establishment of a persisting pathogen reservoir. We have recently developed a genetically encoded reporter system for analyzing in vivo the viability of the intracellular pathogen Leishmania major (L. major). This system will enable us to map pathogen viability concomitantly with immune cell recruitment and activation during the establishment of a chronic infection.
Quantitative data from these experiments will be used to develop and validate differential equation-based models for equilibration of pathogen burden versus the T_eff response over the course of the infection. Data-driven model selection will allow dissecting by which mode of action the T cell-mediated activation of phagocytes controls the parasite throughout the course of the infection (i.e. direct pathogen killing versus growth inhibition, phagocyte-intrinsic versus tissue-wide control). Furthermore, we will analyze the molecular signaling dynamics underlying T_eff and T_reg function delivery at the site of infection. For this, we will investigate by intravital 2PM the behavior of T cells expressing fluorescent in vivo reporters for proximal TCR signaling. These data will be used to inform a spatio-temporal agent-based model of immune-pathogen interactions. The mathematical model will allow testing in silico different hypotheses of how the interactions between T_eff, T_reg and antigen-presenting cells (APCs) impact on the activation of the T cells during the establishment and maintenance of chronic infection. These hypotheses will be validated in vivo by manipulating cytokine signaling, antigen presentation and immunological checkpoints during intravital 2-photon microscopy (2PM). Taken together, the presented project will elucidate (1) the modes of pathogen containment into which T cell effector functions are translated during the establishment of chronic infections, and (2) the dynamics of T cell activation signaling underlying the interactions of T_eff, T_reg and APCs in this process. These results will reveal, on the one hand, T cell strategies in the fight against invading pathogens and, on the other hand, pathogen strategies for immune evasion. Both might define novel intervention points for antimicrobial as well as immunomodulatory therapeutic approaches.