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Abstract

Gut-derived bacteria enter the liver via the portal vein where they induce an innate immune response leading to inflammation. Lipopolysaccharide, a part the bacterial cell wall component endotoxin, functions as stimulus for toll-like receptors in non-parenchymal liver cells leading to secretion of di- verse cytokines. Among these cytokines tumor necrosis factor (TNF) is one of the first to be produced. It binds to the TNF receptors of hepatocytes and activates NF-κB signalling. The transcription factor NF-κB enhances gene expressions of acute phase proteins. Its signalling primes hepatocytes for cell proliferation. In this work, I have studied NF-κB signalling in hepatocytes in various ways, using computational models trained and validated with experimental data from primary murine cells. First, I extended an ODE model of canonical NF- κB signalling to include the experimentally validated influence of p38 MAPK signalling on this signalling pathway. Additionally, by including the receptor level to the model, I ensured an accurate description of dose response mea- surements for the main pathway components. This was especially important for the second part of this work, where I used the ODE intra-hepatocellular model to investigate the influence of different non-parenchymal cells on hepatocytes in the liver. By combining information on cell abundance and cell size, and experimental TNF secretion profiles in response to LPS with this ODE model, I was able to establish for the first time a computational model combing all liver cell types relevant to LPS-induced TNF secretion and intra-hepatocellular NF-κB signalling. I could show that liver resident macrophages and liver sinusoidal endothelial cells produce the most TNF in response to LPS. Furthermore, my simulations showed that not the final lev- els of TNF regulate the in vivo response, rather the initial cytokine increase defines how strongly NF-κB signalling is activated in hepatocytes. As a third part I converted the ODE model into a PDE model, which describes possible temporal and spatial aspects of single cell microscopy measurements. I was able to show that the relevant reaction parameters of the ODE model could be used for PDE simulations to describe experimental data on the localisa- tion of fluorescently labeled NF-κB molecules after TNF stimulation. Further- more, I could show that the dynamics observed on a population-based level were comparable to those observable on a single cell level. These new insights into NF-κB signalling in the liver may change experi- mental procedures with respect to cytokine administration when analysing inflammation. Furthermore, the new multi-cellular model can serve as a basis for simulating the influence of non-parenchymal cells on hepatocytes under various experimental conditions.

Translation of abstract (German)

Darmstämmige Bakterien gelangen über die Vena partae hepatis (Leber- pfortader) in die Leber. Dort aktiverien sie die unspezifische Immunantwort, welche zu Entzündungsprozessen führt. Lipopolysaccharide, Teile des Bak- terienzellwandbestandteils Endotoxin, sind Stimuli für Toll-Like-Rezeptoren von nicht-parenchymalen Zellen und führen zur Sekretion von diversen Zy- tokinen. Unter diesen Zytokinen ist Tumornekrosefaktor (TNF) eines der ers- ten, welches produziert wird. Es bindet an TNF-Rezepotren von Hepatozyten und aktiviert die NF-κB-Signaltransduktion. Der Transkriptionsfaktor NF-κB aktiviert die Genexpression von Akutphaseproteinen, seine Signaltransduk- tion bereitet Hepatozyten auf die Zellproliferation vor. In dieser Arbeit habe ich die NF-κB Signaltransduktion, unter Zuhilfenahme von computergestützen Modellen, die mit experimentellen Daten trainiert und validiert wurden, auf verschieden Arten studiert. Zuerst habe ich ein differentialgleichungsbasiertes Modell des kanonischen NF-κB-Signalweges erweitert, so dass es den experimentell validierten Einfluss der p38-MAPK- Signaltransduktion beinhaltet. Zusätzlich habe ich eine exakte Beschreibung von dosisabhängigen Messungen der Hauptbestandteile der NF-κB Signal- transduktion gewährleistet, in dem ich die Rezeptorebene mit eingebaut habe. Dies war besonders wichtig, da ich das ODE-Modell verwendet ha- be, um den Einfluss der nicht-parenchymalen Zellen auf Hepatozyten in der Leber zu analysieren. Indem ich Zellverteilungen und Zellgrößen mit TNF- Sekretionsprofilen als Antwort auf LPS-Stimulierung der nicht-parenchymalen Zellen und dieses ODE-Modell kombiniert habe, konnte ich zum ersten Mal ein computergestütztes Modell aller Zelltypen der Leber, die für die LPS in- duzierte TNF-Sekretion und die intrahepatozelluläre NF-κB-Signaltransduktion relevant sind, erstellen. Ich konnte zeigen, dass leberspezifische Makropha- gen und Lebersinusiodalendothelzellen am meisten TNF als Antwort auf LPS produzieren. Darüber hinaus haben meine Simulationen gezeigt, dass nicht die finalen TNF-Konzentrationen, sondern der initiale TNF-Ansteig bestimmt, wie stark die Hepatozytenantwort ausfällt. Als dritten Teil dieser Arbeit ha- be ich das ODE-Modell zu einem partiellen-Differentailgleichungs- (PDE) Mo- dell erweitert, das zeitliche und räumliche Aspekte der Mikroskopieeinzel- zellmessungen beschreibt. Ich konnte zeigen, dass die relevanten Reakti- onsparameter des ODE-Modells auch in PDE–Simulationen experimentelle Daten zur Lokalisation von fluoreszenzmarkiertem NF-κB gut beschreiben. Desweiteren konnte ich zeigen, dass die Dynamiken, die auf Populations- ebene beschrieben wurden, mit denen auf Einzellebene vergleichbar waren. Diese neuen Einsichten zur NF-κB-Signaltransduktion in der Leber zeigen, dass die experimentellen Protokolle zur Zytokinadmistration bei der Unter- suchung von Entzündungsprozessen überdacht werden sollten. Außerdem kann das neue multizelluläre Modell als Grundlage für Simulationen des Ein- flusses der nicht-parenchymal Zellen auf Hepatozyten unter diversen epxe- rimentellen Bedingungen genutzt werden.