Dokument: Characterization of the immune response in elastase-induced AAA progression using scRNA-sequencing techniques

Titel:	Characterization of the immune response in elastase-induced AAA progression using scRNA-sequencing techniques
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=72137
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20260205-153308-0
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Elster, Christin [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 10,33 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 03.02.2026 / geändert 03.02.2026
Beitragende:	Prof. Dr. rer. nat. Gerdes, Norbert [Gutachter] Prof. Dr. rer. nat. Lercher, Martin [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften » 610 Medizin und Gesundheit
Beschreibungen:	Background: Cardiovascular diseases (CVDs) are the leading cause of death worldwide and inflammatory processes play a crucial role in their pathogeneses. Abdominal aortic aneurysm (AAA) is a multifactorial and progressive disease with high mortality rate due to rupture. Immune cell infiltration and inflammation contribute strongly to AAA development. The co-stimulatory molecules CD40 and CD40L play a key role in mediating the immune response and were previously shown to be involved in AAA formation. However, insights into the specific role of different immune cell types and pathophysiologic processes in AAA are scarce and pharmacologic treatment options are lacking. Aim: The overall aim of this study was to explore and characterize the immune cell heterogeneity in experimental elastase-induced AAA progression to identify key players, genes and signaling pathways. This included a broad comparison of AAA pathology with inflammatory processes involved in the related CVDs atherosclerosis and myocardial infarction (MI), a detailed characterization of immune cell types and dynamics involved in AAA progression, investigation of the role of CD40 signaling in AAA, and examination of T and B cell clonality in AAA. Methods: Different single-cell RNA sequencing (scRNA-seq) techniques, as well as flow cytometry and immunofluorescence stainings were used to study various aspects of the immune response in AAA progression. ScRNA-seq and scRNA-seq of T and B cell receptors were performed at day 3, 7, 14 and 28 of elastase-induced AAA formation in mice. Saline-perfused aortae at day 3 and 28 and aortae from non-operated mice served as controls. For a comprehensive comparison of AAA with atherosclerosis and MI, atherosclerotic aortae from aged apolipoprotein E-deficient (Apoe-/-) mice, elastase-induced AAA at day 3, 7 and 14, as well as hearts at day 1 and 5 post reperfused MI were subjected to Cellular Indexing of Transcriptomes and Epitopes by sequencing (CITE-seq). In addition, CITE-seq was used to determine the correlation between RNA and protein expression. CD40-deficient mice were used to investigate the contribution of CD40 signaling to angiotensin II-induced AAA formation, progression and rupture. In addition, expression patterns of CD40 and CD40L were examined using flow cytometry, immunofluorescence staining, and scRNA-seq. Results: CITE-seq revealed that immune cell proportions varied across the three CVDs, with T cells predominating in atherosclerosis and macrophages and neutrophils in AAA and MI. Moreover, specific immune cell subsets and pathways were identified for each disease. In addition, CITE-seq proved as powerful tool for characterizing subpopulations at the protein level, especially since the observed correlation between protein expression and mRNA expression was low. In AAA, the highest immune cell infiltration and the strongest intercellular communication were observed 7 days after elastase-perfusion. Neutrophils, macrophages, dendritic cells, NK, T and B cells, were detected at day 3, 7, 14 and 28 after elastase-perfusion, but differed in their proportion during AAA progression. Overall, macrophages were the predominant immune cells in AAA. In total, 30 distinct immune cell subsets were identified in AAA, including 7 neutrophil subtypes, 4 dendritic cell populations, 10 macrophage subsets and 9 lymphocyte clusters. Of all these subtypes, interferon-inducible cells (IFNIC) macrophages were identified as potential key player in AAA formation and progression, as they were highly inflammatory, accounted for the largest macrophage subset at day 7 and 14 after elastase-induced AAA formation, and were barely present in controls. IFNIC macrophages exhibited a type-I interferon gene signature, were responsive to IFN-b and showed a strong upregulation of the JAK-STAT-signaling pathway. Based on protein markers obtained from CITE-seq data, a flow cytometry panel for the detection and isolation of IFNIC macrophages was established to enable further investigations of these cells. CD40 and CD40L expression was observed at all studied time points of elastase-induced AAA progression. CD40-deficient mice had a significantly lower AAA incidence, significantly reduced abdominal aortic diameter and an improved survival 28 days after angiotensin II infusion compared to control mice. IFNIC macrophages and CD4+ T cells were identified as key players in CD40 signaling 7 days after AAA formation. ScRNA-seq of T and B cell receptors showed a clonal expansion of T cells, but not of B cells, in experimental elastase-induced AAA. For T cells several clones were identified in 11 of 16 AAA samples and 1 of 8 control samples. Only a few clones were shared between the individual AAA samples. Conclusion: This study provides the first in-depth analysis of immune cell subtypes and inflammatory processes involved in elastase-induced AAA progression using scRNA-seq, CITE-seq and scRNA-seq of T and B cells receptors. Overall, this study indicates day 7 as critical time point in experimental AAA development, highlights the crucial role of inflammation in the development of AAA and offers several options for new therapeutic approaches. In particular, IFNIC macrophages, type-I interferon signaling and CD40 signaling represent promising therapeutical targets in AAA. The observation of clonal expanded T cells, supports the notion that specific antigen-driven T cells play a role in AAA formation. Hintergrund: Kardiovaskuläre Erkrankungen (CVD) sind weltweit die häufigste Todesursache, und Entzündungsprozesse spielen eine entscheidende Rolle bei ihrer Entwicklung. Das Bauchaortenaneurysma (AAA) ist eine multifaktorielle und fortschreitende Erkrankung mit einer hohen Sterblichkeitsrate aufgrund von Rupturen. Die Infiltration von Immunzellen und Entzündungsprozesse tragen wesentlich zur Entstehung des AAA bei. Die ko-stimulatorischen Moleküle CD40 und CD40L spielen eine Schlüsselrolle bei der Vermittlung der Immunreaktion und sind nachweislich an der Entstehung des AAA beteiligt. Es fehlt jedoch an Erkenntnissen über die spezifische Rolle verschiedener Immunzellarten und –prozesse in der AAA-Pathologie und an pharmakologischen Behandlungsmöglichkeiten. Ziel: Das übergeordnete Ziel dieser Studie war es, die Heterogenität der Immunzellen bei der experimentellen Elastase-induzierten AAA-Progression zu erforschen und zu charakterisieren, um wichtige Faktoren, Gene und Signalwege zu identifizieren. Dies beinhaltete einen groben Vergleich der AAA-Pathologie mit Entzündungsprozessen, die bei den verwandten CVDs Atherosklerose und Myokardinfarkt (MI) auftreten, eine detaillierte Charakterisierung der Immunzelltypen und –dynamik, die an der AAA-Progression beteiligt sind, die Untersuchung der Rolle der CD40-Signalübertragung und der T- und B-Zell-Klonalität im AAA. Methoden: Verschiedene Einzelzell-RNA-Sequenzierungstechniken (scRNA-seq) sowie Durchflusszytometrie und Immunofluoreszenzfärbungen wurden verwendet, um verschiedene Aspekte der Immunantwort bei der AAA-Progression zu untersuchen. ScRNA-seq und scRNA-seq von T- und B-Zellrezeptoren wurden an Tag 3, 7, 14 und 28 der Elastase-induzierten AAA-Bildung bei Mäusen durchgeführt. Mit Kochsalzlösung perfundierte Aorten an Tag 3 und 28 sowie Aorten von nicht operierten Mäusen dienten als Kontrollen. Für einen umfassenden Vergleich von AAA mit Atherosklerose und MI wurden atherosklerotische Aorten von gealterten Apoe-/- Mäusen, Elastase-induzierte AAA an Tag 3, 7 und 14 sowie Herzen an Tag 1 und 5 nach reperfundiertem MI einer zellulären Indexierung von Transkriptomen und Epitopen durch Sequenzierung (CITE-seq) unterzogen. CITE-seq wurde zusätzlich verwendet, um die Korrelation zwischen mRNA- und Proteinexpression zu analysieren. CD40-defiziente Mäuse wurden verwendet, um die Rolle der CD40-Signalübertragung bei Angiotensin-II induzierter AAA-Bildung, -Progression und -Ruptur zu untersuchen. Darüber hinaus wurden die Expressionsmuster von CD40 und CD40L mittels Durchflusszytometrie, Immunfluoreszenzfärbung und scRNA-seq untersucht. Ergebnisse: CITE-seq zeigte, dass die Verteilung der Immunzellen bei den drei CVDs verschieden war, wobei T-Zellen in Atherosklerose und Makrophagen und Neutrophile in AAA und MI überwiegten. Außerdem wurden für jede Erkrankung spezifische Untergruppen von Immunzellen und bestimmte Signalwege identifiziert. Zusätzlich erwies sich CITE-seq als effizientes Mittel zur Charakterisierung von Subpopulationen auf Proteinebene, insbesondere da die beobachtete Korrelation zwischen Proteinexpression und mRNA-Expression gering war. Bei AAA wurde an Tag 7 nach Elastase-Perfusion die stärkste Immunzellinfiltration und interzelluläre Kommunikation beobachtet. Neutrophile, Makrophagen, dendritische Zellen, NK-, T- und B-Zellen wurden an Tag 3, 7, 14 und 28 nach Elastase-Perfusion nachgewiesen, unterschieden sich jedoch in ihrem Anteil während des Fortschreitens des AAA. Makrophagen waren die vorherrschenden Immunzellen im AAA. Insgesamt wurden im AAA 30 verschiedene Untergruppen von Immunzellen identifiziert, darunter 7 Neutrophil-Subtypen, 4 dendritische Zellpopulationen, 10 Makrophagen-Untergruppen und 9 Lymphozyten-Subpopulationen. Von all diesen Subtypen wurden IFNIC-Makrophagen als potenzielle Schlüsselakteure bei der Entstehung und dem Fortschreiten des AAA identifiziert, da sie hochentzündlich waren, an Tag 7 und 14 nach Elastase-induzierten AAA-Bildung die größte Makrophagen-Subpopulation darstellten und in den Kontrollen kaum vorhanden waren. IFNIC-Makrophagen wiesen eine Typ-I-Interferon-Gensignatur auf, reagierten auf IFN-b und zeigten eine starke Hochregulierung des JAK-STAT-Signalweges. Basierend auf Proteinmarkern, die aus CITE-seq-Daten gewonnen wurden, wurde ein Durchflusszytometrie-Panel zum Nachweis und zur Isolierung von IFNIC-Makrophagen erstellt, um weitere Untersuchungen dieser Zellen zu ermöglichen. Die Expression von CD40 und CD40L wurde zu allen untersuchten Zeitpunkten der Elastase-induzierten AAA-Progression nachgewiesen. CD40-defiziente Mäuse zeigten eine signifikant niedrigere AAA-Inzidenz, einen signifikant reduzierten abdominalen Aortendurchmesser und eine verbesserte Überlebensrate 28 Tage nach Angiotensin-II-Infusion im Vergleich zu Kontrollmäusen. IFNIC Makrophagen und CD4+ T-Zellen wurden als zentrale Akteure der CD40-Signalübertragung 7 Tage nach AAA-Bildung identifiziert. ScRNA-seq von T- und B-Zell-Rezeptoren zeigte eine klonale Expansion von T-Zellen, aber nicht von B-Zellen, im experimentellen Elastase-induzierten AAA. Für T-Zellen wurden in 11 von 16 AAA-Proben und in 1 von 8 Kontrollproben mehrere Klone identifiziert. Einige wenige Klone wurden in mehreren verschiedenen AAA Proben gefunden. Schlussfolgerung: Diese Studie ist die erste umfassende Analyse von Immunzellsubtypen und Entzündungsprozessen, die an der Elastase-induzierten AAA Progression beteiligt sind, die scRNA-seq, CITE-seq und scRNA-seq von T- und B-Zellrezeptoren verwendet. Insgesamt zeigt diese Studie, dass Tag 7 einen kritischen Zeitpunkt in der experimentellen AAA-Entwicklung darstellt, verdeutlicht die wesentliche Rolle von Immunzellen bei AAA und bietet mehrere Ansatzpunkte für neue therapeutische Strategien. Insbesondere IFNIC-Makrophagen, der Typ-I-Interferon-Signalweg und die CD40-Signalübertragung stellen vielversprechende therapeutische Ziele dar. Des Weiteren unterstützt die Beobachtung klonal expandierter T-Zellen die Theorie, dass spezifisch antigengesteuerte T-Zellen eine Rolle bei der AAA-Bildung spielen.
Lizenz:	Dieses Werk ist lizenziert unter einer Creative Commons Namensnennung 4.0 International Lizenz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät
Dokument erstellt am:	05.02.2026
Dateien geändert am:	05.02.2026
Promotionsantrag am:	27.05.2025
Datum der Promotion:	04.12.2025