Exploring immune cell migration and its prognostic and diagnostic potential by time-lapse video and light sheet fluorescence microscopy

The ability to migrate is inherent to most cells, regardless of their origin. Indeed, life, as we know it, only exists because cells can change their location in a highly organised way. Cell migration plays a pivotal role during fundamental processes in multi-cellular organisms, like implantation of the fertilised egg, morphogenesis, wound healing, and immune surveillance. For immune cells, migration is essential throughout their whole lifetime to patrol the tissues, follow cytokine gradients to a site of inflammation as well as find and ultimately battle a pathogen or degenerate host cell. Additionally, defective or abnormal migration can be both, cause and effect across a large collective of diseases, such as cancer, rheumatoid arthritis or vascular diseases. This work focusses on the visualisation and quantification of immune cell migration in man and mouse as a novel parameter for clinical and biological applications. In humans, specific immune cells were isolated from the peripheral blood and analysed in specifically tailored and standardised in vitro assays to study their migratory behaviour. This yielded novel insights into immune cell migration behaviour in healthy individuals, such as an independence of eosinophil and CD8+ T cell migration from age of the donor. Furthermore, immune cell migration in various disease settings was screened, revealing the power these assays have in clinical routine and surveillance. In this regard, neutrophil granulocytes from myelodysplastic syndrome (MDS) patients exhibited profound migratory defects in the more severe cases, while milder cases displayed relatively normal migration. Strikingly, these migration patterns correlated not only with disease severity and scoring, but they also correlated with therapy success. In a patient suffering from atypical chronic myeloid leukaemia (aCML), neutrophil migration remained impaired throughout the observation period. Yet, there is evidence that these neutrophils were still able to sense and react to on-going infections, as displayed by a peak in neutrophil migration shortly before infection. Additionally, patients suffering from metastatic malignant melanoma before and during immune checkpoint blocker therapy (ICBT) revealed a close relationship between eo-sinophil baseline migration and therapy success. Before therapy, neutrophil and eosinophil migration was indistinguishable from healthy patients, while CD8+ T cells were strikingly unresponsive. During ICBT, eosinophil migration proved to diminish in a progressive disease, while neutrophil migration increased during a partial remission. CD8+ T cells, however, remained unresponsive. In mice, the effect of induced ischemia on the influx of neutrophil granulocytes and on the heart vasculature was investigated using light sheet fluorescence microscopy. This end-point measurement of neutrophil migration revealed that the cells localised to the damaged tissue 24 hours after ischemia yet did not penetrate further into the healing tissue after 5 days. These findings spotlight immune cell migration as not only a highly important, but quantifiable parameter that can assist routine diagnostics and prognostics of human patients with a broad range of diseases. Additionally, these assessments might lead to future thera-peutic approaches in blocking or boosting immune cell migration and therefore their responses to battle opportunistic infections, reduce tissue damage or enhance cancer rejection.

Die meisten Zellen können sich eigenständig fortbewegen, unabhängig von ihrer Herkunft. In der Tat ist das Leben, wie wir es kennen, nur möglich, da Zellen ihre Position zielgerichtet verändern können. Zellmigration spielt daher eine zentrale Rolle während vieler fundamental wichtiger Prozesse in multizellulären Organismen, wie zum Beispiel während der Implantation der befruchteten Eizelle, der Morphogenese, der Wundheilung oder der Überwachung durch das Immunsystem. Gerade für letzteres ist Migration essenziell, damit die Zellen die Gewebe patrouillieren, entlang Zytokingradienten an einen Infektionsherd gelangen sowie Pathogene und entartete Körperzellen finden und diese eliminieren können. Des Weiteren kann fehlerhafte oder abnormale Migration sowohl der Grund für als auch die Auswirkung von einer Bandbreite an Krankheiten, wie zum Beispiel Krebs, rheumatoi-der Arthritis oder Gefäßerkrankungen, sein. Diese Arbeit befasst sich mit der Visualisierung und Quantifizierung von Immunzellmigration des Menschen und der Maus, um diesen Parameter für weitere klinische und biologische Anwendungen zugänglich zu machen. Im Menschen wurden spezifische Immunzelltypen aus dem Blut aufgereinigt und ihr Migrationsverhalten in speziellen und standardisierten in vitro Untersuchungen charakterisiert. Dadurch konnten neue Erkenntnisse über das Migrationsverhalten von Immunzellen aus gesunden Probanden gewonnen werden, wie zum Beispiel, dass die Motilität von Eo-sinophilen und CD8+ T- Zellen unabhängig vom Alter des Probanden ist. Des Weiteren wurde Immunzellmigration in verschiedenen Erkrankungen untersucht, was das Potential dieses Parameters und der etablierten Untersuchungen für die klinische Routine und Überwachung von Patienten aufzeigte. Hierbei weisen neutrophile Granulozyten von Patienten mit einer schweren Form von myelodysplastischem Syndrom (MDS) einen deutlichen Defekt ihrer Migration auf, während leichtere Fälle eine relativ normale Migration zeigten. Auffallend ist, dass diese Migrationsmuster nicht nur mit der Schwere und dem Scoring der Krankheit korrelierten, sondern auch mit dem Therapieerfolg. Bei einem Patienten, der an atypischer chronischer myeloischer Leukämie (aCML) litt, blieb die Migration der Neutrophilen während des gesamten Beobachtungszeitraums beeinträchtigt. Es gab jedoch Hin-weise darauf, dass diese Neutrophilen noch in der Lage waren, auf bevorstehende Infektio-nen zu reagieren, wie eine Spitze der neutrophilen Migrationsfähigkeit kurz vor einer Infektion zeigte. Darüber hinaus zeigten Patienten mit metastasierendem malignem Melanom vor und während der Immun-Checkpoint-Inhibitor Therapie (ICBT) einen engen Zusammenhang zwischen eosinophiler Basismigration und Therapieerfolg. Vor der Therapie war die Neutrophilen- und Eosinophilenmigration ununterscheidbar von gesunden Probanden, während CD8+ T-Zellen auffallend gering ansprachen. Während der ICBT zeigte sich, dass die Eosinophilenmigration bei einer fortschreitenden Erkrankung abnahm, während die Neutrophilenmigration während einer partiellen Remission zunahm. CD8+ T-Zellen blieben jedoch ohne Reaktion. Darüber hinaus wurde die Wirkung einer induzierten Ischämie auf den lokalisierten Einstrom neutrophiler Granulozyten und die Herzgefäße mit Hilfe der Lichtblatt Fluoreszenzmikroskopie in Mäusen untersucht. Diese Endpunktmessung der Neutrophilenmigration ergab, dass die Zellen 24 Stunden nach der Ischämie im geschädigten Gewebe lokalisiert waren, aber nach 5 Tagen nicht weiter in das nun heilende Gewebe eindrangen. Diese Ergebnisse weisen Immunzellenmigration nicht nur als einen sehr wichtigen, sondern auch quantifizierbaren Parameter aus, der die Routinediagnostik und -prognose von menschlichen Patienten mit einem breiten Spektrum von Krankheiten unterstützen kann. Darüber hinaus könnten diese Analysen zu zukünftigen therapeutischen Ansätzen führen, um die Migration von Immunzellen zu blockieren oder zu fördern und damit ihre Reaktionen auf opportunistische Infektionen zu erhöhen, Gewebeschäden zu reduzieren oder die Krebsabwehr zu verbessern.

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