Für den Therapieerfolg der allogenen Knochenmarktransplantation (KMT) bei Patienten mit hämatologischen Neoplasien sind neben der hochdosierten Radio- bzw. Chemotherapie vor allem Spender-T-Zellen des Transplantats verantwortlich. Abgesehen von der gewünschten antitumoralen Wirkung (graft-versus-leukemia, GvL) lösen diese jedoch auch die Transplantat-gegen-Wirt-Erkrankung (graft-versus-host-disease, GvHD) aus - eine der Hauptursachen für die Morbidität und Mortalität nach allogener KMT. Im murinen Modell der allogenen KMT konnten wir bereits nachweisen, dass der adoptive Transfer CD4+CD25+ regulatorischer T¬-Zellen (Treg) des Spenders effektiv vor letaler GvHD schützt während die GvL-Aktivität alloreaktiver Spender-T-Zellen aufrechterhalten bleibt. Die phänotypischen und funktionellen Ähnlichkeiten muriner und humaner natürlicher Treg-Zellen lassen erwarten, dass der adoptive Treg-Zell-Transfer auch im Menschen prophylaktisch und therapeutisch wirksam ist. Um ausreichende Zellzahlen für die klinische Anwendung zu generieren, ist aufgrund der geringen Frequenz humaner natürlicher Treg-Zellen im peripheren Blut (PB) ihre in vitro Expansion notwendig. In der vorliegenden Arbeit wurden humane natürliche Treg-Zellen vor und nach Expansion phänotypisch und funktionell charakterisiert und ihre protektive Wirkung in einem xenogenen GvHD-Modell untersucht. Vor allem naive CD45RA+CD4+CD25high Treg-Zellen (RA+) behalten einen stabilen Treg-Phänotyp bei, während antigenerfahrene CD45RA-CD4+CD25high Treg-Zellen (RA-) nach repetitiver Stimulation ihre phänotypischen, molekularen und funktionellen Treg-charakteristischen Eigenschaften zunehmend verlieren. Nach präziser Charakterisierung des xenogenen Transplantationsmodells stellte sich heraus, dass im Verlauf der xenogenen Erkrankung zwar Lunge und Leber durch humane Lymphozyten infiltriert werden, entscheidende GvHD-Zielorgane wie Darm und Haut von der Erkrankung jedoch verschont bleiben. Die Letalität der xenogenen Erkrankung wurde nicht durch GvHD-typische Organzerstörungen sondern durch die Eradikation der murinen Hämatopoese verursacht. Trotz der Einschränkungen dieses Modells bezüglich der Aussagekraft für die klinische GvHD wurde es verwendet, um abzuklären, inwieweit die Eradikation der murinen Hämatopoese durch die expandierten humanen Treg-Zell Subpopulationen beeinflusst wird. Der adoptive Transfer RA+ Treg-Zellen führte zu einer wirkungsvollen Suppression der Expansion und der Effektorfunktionen xenoreaktiver T-Zellen früh nach Transplantation. Im Gegensatz dazu zeigten expandierte RA- Treg-Zellen nach Transfer keine immun¬regulierende Aktivität, sondern bewirkten nach zeitlich verzögerter Transplantation eine Verstärkung der xenogenen Erkrankung und einen Anstieg der Mortalität. Somit konnte auch in vivo bestätigt werden, dass expandierte RA+ Treg-Zellen keine pro-inflammatorischen Eigenschaften besitzen und stärkere suppressive Aktivität aufweisen als in vitro expandierte RA- Treg-Zellen. Die prophylaktische und therapeutische Anwendung in vitro expandierter RA+ Treg-Zellen stellt demnach eine viel versprechende Strategie in der Transplantationsmedizin dar.

Apart from high dose chemo- or radiotherapy donor T cells are critical for the clinical outcome of allogeneic bone marrow transplantation (BMT) in patients with haematological malignancies. They mediate beneficial graft-versus-leukemia effects (GvL) but also induce graft-versus-host disease (GvHD) – a major cause for morbidity and mortality after allogeneic BMT. In murine models of allogeneic BMT the adoptive transfer of donor-type CD4+CD25+ regulatory T cells (Treg) prevents lethal GvHD while maintaining the GvL activity of alloreactive T cells. Due to phenotypical and functional similarities of murine and human natural Treg cells we hypothesize, that the adoptive Treg cell transfer will be effective for prevention of GvHD also in humans. Since the frequency of human natural Treg cells in peripheral blood is very low, in vitro expansion strategies are essential to produce sufficient cell numbers for clinical applications. In this thesis human natural Treg cells were phenotypically and functionally characterized before and after in vitro expansion and their protective effect was analyzed in vivo in a xenogeneic GvHD model. Predominantly naive CD45RA+CD4+CD25high Treg cells (RA+) maintained a stable Treg cell phenotype while antigen experienced CD45RA-CD4+CD25high Treg cells (RA-) increasingly lost their phenotypic, molecular and functional Treg cell characteristics upon repetitive stimulation. Extensive analysis of the xenogeneic transplantation model showed that human T lymphocytes infiltrate lung and liver of RAG2-/-γc-/- recipients while critical GvHD target organs like gut and skin are not affected in this xenogeneic disease. Thus we found that lethality in this model was caused by the eradication of murine hematopoiesis rather than by GvHD-induced damage to solid organs. Despite the limited validity of the xenogeneic transplantation model for clinical GvHD it was used to examine the functional activity of in vitro expanded Treg cell subpopulations by studying their influence on the eradication of mouse hematopoiesis. The adoptive transfer of RA+ Treg cells suppressed the expansion and effector function of xenoreactive T cells effectively early after transplantation. In contrast, expanded RA- Treg cells showed no immunosuppressive activity after transfer but rather aggravated the xenogeneic disease and mortality. Thus, in vitro expanded RA+ Treg cells do not mediate pro-inflammatory effects but have increased suppressive activity compared to expanded RA- Treg cells not only in vitro, but also in vivo. Thus, the prophylactic and/or therapeutic application of in vitro expanded RA+ Treg cells seems a promising strategy in transplantation medicine.