Endothelial dysfunction during Graft-versus-Host Disease Inaugural-Dissertation to obtain the academic degree Doctor rerum naturalium (Dr. rer. nat.) submitted to the Department of Biology, Chemistry and Pharmacy of Freie Universität Berlin by Steffen Cordes from Stadtlohn 2017 The present thesis was prepared from August 2012 until November 2017 at the Medical Department of Hematology, Oncology and Tumor Immunology, Charité University Medicine under the supervision of PD Dr. Olaf Penack. First Reviewer: PD Dr. Olaf Penack Second Reviewer: Prof. Dr. Rupert Mutzel Date of defense: 01.02.2018 Abstract (English version) Für meine Familie Abstract (English version) Acknowledgements Ich möchte die Gelegenheit nutzen, all jenen meinen Dank auszusprechen, die mich während der Zeit in Berlin sowohl innerhalb als auch außerhalb des Labors unterstützt und damit zum erfolgreichen Gelingen meiner Promotion beigetragen haben. Meinem Doktorvater, PD. Dr. Olaf Penack, möchte ich für die Möglichkeit danken, das spannende Feld der hämatopoetischen Stammzelltransplantation in seiner Arbeitsgruppe erforschen zu dürfen. Durch das hohe Maß an Vertrauen, welches mir entgegengebracht wurde, konnte ich sowohl wissenschaftlich als auch persönlich wachsen. Obwohl das Projekt lange Phasen der Etablierung erforderte und Misserfolge mit sich brachte, hast Du nie Deine Geduld verloren und mich darin unterstützt, das Projekt zu einem erfolgreichen Ende zu bringen. Dafür möchte ich mich ganz speziell bei Dir bedanken. Nach langer Suche war Herr Prof. Dr. Mutzel bereit, die Begutachtung meiner fortgeschrittenen Promotion anzunehmen. Dafür möchte ich Ihnen meinen Dank aussprechen. Aus der Welt des Laboralltags, möchte ich mich bei meinen aktuellen und ehemaligen Arbeitskollegen; Martina, Katarina, Sarah, Andrea, Tharsana, Aleix, Jörg und Yu bedanken. Ohne Euch wäre diese Arbeit nicht möglich gewesen. Mein besonderer Dank gilt meinen beiden PhD Kolleginnen, Dr. Katarina und Sarah. Danke für Eure Kompetenz, Kollegialität und Geduld. Ihr hattet immer ein offenes Ohr für mich. Mein Dank gilt auch Jörg und Yu. Ihr habt einige Anstöße für die Richtung dieser Arbeit geliefert. Bei Martina möchte ich mich im besonderen Maße für die tatkräftige Unterstützung bedanken. Dein hoher Einsatz und Deine unermüdliche Bereitschaft haben einen großen Teil zum Gelingen dieser Arbeit beigetragen. Ich möchte mich auch bei allen Kooperationspartnern für ihre Kompetenz und das Gelingen der Arbeit bedanken. Zeinab und Andreas für die wunderbaren LSFM Bilder und deren Analyse, Johanna für das Mounten der Arterien, Petra für die exzellente Assistenz beim CTEM, Maria für die Färbungen der humanen Biopsien und Dir, Jens, für die Lösungen etlicher Probleme bei den Sort Runden. Mein Dank gilt auch den Menschen außerhalb des Labors: Meinen Freunden: Jonas, Ismail, Lennart, Anna, Heppe, Adam, Nadine und allen, die ich aus Platzgründen nicht nennen kann. Vielen Dank für Eure Ratschläge und Diskussionsrunden. Meinen Eltern: Vielen Dank, dass Ihr mich immer unterstützt habt und die Promotion so erst ermöglicht habt. Meinen Geschwistern: Christin, Janek und Miklas. Ich bin dankbar mit Euch aufgewachsen zu sein. Durch Euch bin ich der Mensch, der ich heute bin. Ganz besonders möchte ich mich bei meiner eigenen kleinen Familie bedanken, die die letzten Wochen vor Abgabe nochmal sehr spannend gestaltet haben. Meiner lieben Frau, Magdalena, die mich auf meinem Weg aus Düsseldorf begleitet hat und mir immerzu Motivation und Zuversicht zugesprochen hat. Vielen Dank für Deinen bedingungslosen Rückhalt und Deine Liebe. Meiner lieben kleinen Tochter, Kalina, möchte ich für ihr fröhliches und unkompliziertes Gemüt danken. Du schenkst mir jeden Tag viel Freude und volle Windeln. Ich liebe Euch. Abstract (English version) Table of contents Abstract (English version) .......................................................................................................................................................................................... 8 Abstract (German version)......................................................................................................................................................................................... 9 Abbreviations ............................................................................................................................................................................................................. 11 1 Introduction ............................................................................................................................................................................................................. 15 1.1 Hematopoietic stem cell transplantation .................................................................................................................................................... 15 1.2 Indications for HSCT .................................................................................................................................................................................... 16 1.2.1 Beneficial graft versus tumor effect ................................................................................................................................................... 17 1.3 Complications after HSCT with endothelial involvement....................................................................................................................... 17 1.3.1 Infections ................................................................................................................................................................................................ 18 1.3.2 Engraftment syndrome ........................................................................................................................................................................ 18 1.3.3 Thrombotic microangiopathy ............................................................................................................................................................. 19 1.3.4 Veno-occlusive disease .......................................................................................................................................................................... 19 1.3.5 Capillary leak syndrome ...................................................................................................................................................................... 19 1.3.6 Diffuse alveolar hemorrhage ............................................................................................................................................................... 20 1.4 GVHD; a major complication ...................................................................................................................................................................... 20 1.4.1 Immunological background of GVHD .............................................................................................................................................. 20 1.4.2 Model of GVHD pathobiology ............................................................................................................................................................ 22 1.4.3 Treatment of GVHD ............................................................................................................................................................................. 25 1.4.4 Steroid refractory GVHD .................................................................................................................................................................... 26 1.5 The endothelium ............................................................................................................................................................................................ 26 1.5.1 Functions of the healthy endothelium ................................................................................................................................................ 27 1.5.2 Endothelial activation ........................................................................................................................................................................... 28 1.5.3 Recruitment of immune cells by endothelial cells ............................................................................................................................ 28 1.5.4 Endothelial cells as APCs ..................................................................................................................................................................... 29 1.5.5 Endothelium in GVHD ......................................................................................................................................................................... 31 1.6 Aim of this study ............................................................................................................................................................................................ 33 2 Material and methods ............................................................................................................................................................................................ 35 2.1 In vivo methods ............................................................................................................................................................................................... 35 2.2 Ex vivo methods .............................................................................................................................................................................................