| Axel Nogai: Induktion von Autoimmunität durch Kreuzreaktivität und „Bystander-Aktivierung“ in transgenen Mäusen |
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Aus dem Deutschen Rheumaforschungszentrum Berlin
DISSERTATION
Induktion von Autoimmunität durch Kreuzreaktivität und „Bystander-Aktivierung“ in transgenen Mäusen
Zur Erlangung des akademischen Grades Doctor medicinae (Dr. med.)
vorgelegt der Medizinischen Fakultät der Charité – Universitätsmedizin Berlin
von Axel
Nogai
aus Berlin
Dekan: Prof. Dr. med. Martin Paul
Gutachter:
1. PD Dr. med. Thomas Kamradt
2. Prof. Dr. med. Stefan Meuer
3. Prof. Dr. med. Hartmut Wekerle
Datum der Promotion: 22. November 2004
Induktion von Autoimmunität durch Kreuzreaktivität und „Bystander-Aktivierung“ in transgenen Mäusen
In der Arbeit wurde die Rolle von Bakterien für das Entstehen von Autoimmunität untersucht. Insbesondere wurde untersucht, inwieweit Bakterien entweder spezifisch (über „Kreuzreaktivität“) oder antigenunabhängig (über „Bystander-Aktivierung“) eine Aktivierung von autoreaktiven CD4+- T-Zellen induzieren können.
Es konnte gezeigt werden, dass es bei dem untersuchten, MBP-spezifischen T-Zellrezeptor multiple, natürlich vorkommende, kreuzreaktive Peptide mikrobiellen Ursprungs gibt, die eine Aktivierung der T-Zellen hervorrufen und in vivo experimentelle autoimmune Enzephalomyelitis (EAE) induzieren können.
Weiterhin wurde untersucht, inwieweit Lipopolysaccharid (LPS) als unspezifischer Aktivator des Immunsystems eine Aktivierung der autoreaktiven T-Zellen in vitro hervorrufen kann und inwieweit in vivo EAE durch LPS hervorgerufen werden kann.
Es wurde gezeigt, dass LPS in vitro einen kleinen Anteilder CD4+ - T-Zellen aktiviert.
Wurden den transgenen T+α- -Mäusen LPS appliziert, erkrankten diese an EAE.
Somit gibt es sowohl in vitro als auch in vivo in den T+α- -Mäusen Hinweise für eine Relevanz von „Bystander-Aktivierung“.
Abschließend wurde diskutiert, inwieweit entweder „Kreuzreaktivität“ oder „Bystander-Aktivierung“ als Auslöser für Autoimmunität unter physiologischen Bedingungen in Frage kommt. Aufgrund der in dieser Arbeit gezeigten Ergebnisse wurde postuliert, dass keine der beiden Mechanismen alleiniger Auslöser sei, da es aufgrund der Häufigkeit von Infektionen, kreuzreaktiven Peptiden und des Vorkommens von autoreaktiven T-Zellen auch in gesunden Individuen ansonsten sehr viel häufiger zu Autoimmunität kommen müsste.
Unter bestimmten Bedingungen könnte die Aktivierung von T-Zellen über Kreuzreaktivität oder über „Bystander-Aktivierung“ Autoimmunität auslösen oder verstärken, wenn bereits andere Mechanismen des Immubnsystems, die Autoimmunität verhindern, versagt haben.
Eigene Schlagworte:
Autoimmunität,
Kreuzreaktivität,
Bystander-Aktivierung,
Experimentelle autoimmune Enzephalomyelitis,
T-Zellimmunität
Induction of autoimmunity by cross-reactivity and „bystander-activation“ in transgenic mice
In this thesis the role of bacteria for the induction of autoimmunity was investigated.
In detail, it was examined if bacteria activate autoreactive CD4+-T-cells antigen-specific („cross-reactivity“) or antigen-unspecific („bystander-activation“).
It was shown that the examined transgenic MBP-peptide specific T-cell-receptor recognized many natural occurring cross-reactive peptides of microbial origin, which induced an activation of the T-cells in vitro and which could induce autoimmune encephalomyelitis (EAE) in the T-cell-receptor transgenic mice in vivo.
Furthermore, it was examined, whether lipopolysaccharide (LPS) as activator of the innate immune system could induce an unspecific activation of the autoreactive T-cells in vitro and whether administration of LPS in the transgenic mice could induce EAE in vivo.
It was shown that LPS activates a small percentage of CD4+ - T-cells.
Application of LPS to the transgenic T+alpha- mice induced EAE.
Therefore, the role of bystander-activation was indicated in vitro and in vivo.
Finally, it was discussed, whether either cross-reactivity or bystander-activation could be sufficient for inducing autoimmunity under physiologic conditions.
Due to the results presented in this work, it is postulated that none of the both mechanisms could be inductor of autoimmunity alone. If one of these mechanisms was sufficient, autoimmunity in humans should be a frequent event, because infections and autoreactive T cells are both findings which occur in healthy humans very often.
However, under certain conditions either cross-reactivity or bystander-activation could trigger or exacerbate autoimmunity, when other mechanisms which inhibit autoimmunity have failed.
Keywords:
Autoimmunity,
Cross-reactivity,
Bystander-activation,
Experimental autoimmune encephalomyelitis,
T cell immunity
Inhaltsverzeichnis
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1
Einführung
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1.1
Historischer Abriss
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1.2 MHC-Moleküle und deren Aufgabe
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1.3
Die Reifung der T-Zellen
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1.4 Autoimmunkrankheiten
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1.5
Hypothesen zum Entstehen von Autoimmunität
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1.5.1 Autoantigen wird im Thymus nicht präsentiert
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1.5.2
Zusammenbruch immunologischer Schranken
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1.5.3 Expression zweier T-Zellrezeptoren auf einer T-Zelle
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1.5.4 Autoimmunität durch antigenunabhängige T-Zellaktivierung
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1.5.4.1
Molekulare Mimikry
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1.5.4.2
Indirekte Aktivierung von T-Zellen durch Zytokine (Bystander activation)
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1.6
Experimentell autoimmune Enzephalomyelitis
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1.6.1 Historische Entwicklung des Modells
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1.6.2
Charakteristika des Modells
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1.6.3
Die Wirkung der Adjuvantien
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1.6.4
Die Rolle der CD4+ T-Zellen
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1.6.5 T-Zellrezeptor transgene Mäuse und EAE
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2
Ziel der Arbeit
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3
Materialien und Methoden
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3.1 Materialien
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3.2
Methoden
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3.2.1 Zellbiologische Methoden
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3.2.1.1 Zellkultur
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3.2.1.2
Präparation von Einzelzellsuspensionen
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3.2.1.3 Lyse der Erythrozyten
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3.2.1.4 Test der Viabilität von Zellen
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3.2.1.5
Messung der Zellproliferation durch 3H-Thymidin
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3.2.1.6 Magnetische Zellaufreinigung
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3.2.1.7 Durchflusszytometrie
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3.2.1.8
Blockade der T-zellrezeptorabhängigen Aktivierung der T-Zellen
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3.2.2 Methoden zur EAE Induktion
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3.2.3
Histologische Methoden
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3.2.3.1 Perfusion und Fixation der Mäuse
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3.2.3.2 Entwässern und Färben der Gewebe
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3.2.3.3 Beurteilung der Hirnschnitte
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4
Resultate
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4.1 Übersicht
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4.2 Das Supertop des T+α- T-Zellrezeptors
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4.3
Mikrobielle, kreuzreaktive Peptide
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4.4
Charakterisierung der T-Zellantwort auf ausgewählte mikrobielle Peptide
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4.4.1 Mikrobielle Peptide induzieren Proliferation von T+α- Milzzellen
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4.4.2 Zytokinproduktion T+α- Milzzellen induziert durch mikrobielle Peptide
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4.4.3 Induktion von EAE durch mikrobielle Peptide
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4.5 Induktion von EAE durch „Bystander Activation“
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4.5.1 Antwort der T-Zellen auf Lysate von S. typhimurium
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4.5.2
In vitro Antwort der T-Zellen auf LPS im Vergleich zu Lysaten und Peptiden
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4.5.2.1
Proliferation von T-Zellen
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4.5.2.2
Änderung von aktivierungsabhängigen Oberflächenmolekülen nach LPS Stimulation
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4.5.2.3 Die Abhängigkeit der Aktivierung von CD4+ T-Zellen vom TCR
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4.5.2.4 In vitro Effekte in nicht-transgenen Mäusen
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4.5.3
In vivo Antwort der T-Zellen auf LPS und bakterielle Lysate
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4.5.4
Histologien LPS- und MBP –immunisierter Mäuse
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4.5.5 T-Zellabhängige Induktion von EAE durch LPS
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5 Diskussion
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5.1 Aussagen über Molekulare Mimikry
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5.1.1
Aussagen über die Spezifität des T-Zellrezeptors
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5.1.2
Konsequenzen für das Verständnis der T-Zellrezeptor-Antigen-Erkennung
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5.1.3
Hypothetisches Konzept zum Verständnis des Immunsystems bei eingeschränkter Spezifität des T-Zellrezeptors
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5.1.4 Molekulare Mimikry – Auslöser für Autoimmunität?
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5.1.5 Methoden zur Definition eines Supertops
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5.1.6 Diskussion des verwendeten Mausmodells
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5.2 Aussagen über Bystander-Aktivierung
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5.2.1 Definition der Bystander-Aktivierung
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5.2.1.1 Untersuchungen zu Bystander-Aktivierung an murinen T-Zellen
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5.2.1.2 Untersuchungen zu Bystander-Aktivierung an humanen CD4+-Zellen
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5.2.1.3 Einfluss von LPS auf murine CD4+-T-Zellen – Adjuvante Wirkung
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5.2.2
Bystander-Aktivierung als Auslöser CD4+-T-Zellvermittelter Autoimmunität
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5.2.3 Bystander-Aktivierung – Ergebnisse dieser Arbeit
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5.2.3.1 In vitro Effekte der Lysate und LPS
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5.2.3.2 Beeinflussung von Oberflächenmolekülen
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5.2.4 Ergebnisse von Bystander-Aktivierung in vivo
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5.2.4.1 Induktion von EAE durch Lysate und LPS
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5.2.4.2 Hypothesen zum Entstehen der Autoimmunität durch LPS
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5.3
Ausblick: Autoimmunität durch Bakterien
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6 Zusammenfassung: Infektion und Autoimmunität
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Referenzen
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Danksagung
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Curriculum vitae von Axel Nogai
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Selbständigkeitserklärung
Bilder
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Abbildung
1
Schema der Bindung eines Peptides an MHC-II-Molekül und einen T-Zellrezeptor einer CD4
+
T-Zelle. Dargestellt ist das MHC-II-Molekül der antigenpräsentierenden Zelle (APC), an die das Peptid an bestimmten Ankerpositionen in der Bindungsgrube des Moleküls gebunden ist. Auf der anderen Seite geht das Peptid auch Bindungen mit dem T-Zellrezeptor (TCR) der T-Zelle ein. Die Bindung wird noch verstärkt, da ein CD4-Molekül der T-Zelle an das MHC-II-Molekül bindet. Zur Vereinfachung sind andere kostimulatorische Moleküle weggelassen. In der Realität geht das MHC-Molekül auch eine direkte Verbindung mit dem T-Zellrezeptor ein.
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Abbildung
2
: Hypothese der molekularen Mimikry. Ein Fremdorganismus, hier beispielsweise ein Bakterium, enthält ein kreuzreaktives Peptid. Das Bakterium wird von antigenpräsentierenden Zellen (APC) aufgenommen und prozessiert, das kreuzreaktive Peptid wird präsentiert. T-Zellen werden durch dieses Peptid aktiviert. In der Peripherie würden sie auch Immunzellen aktivieren, die ein kreuzreaktives Selbstpeptid präsentieren. Es kommt dann zu einer Zerstörung von körpereigenem Gewebe, also zu Autoimmunität.
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Abbildung
3
: Hypothese der „Bystander-Aktivierung“. LPS-enthaltende Bakterien infizieren einen Organismus. Durch das LPS werden Zellen des Immunsystems wie Makrophagen oder B-Zellen unspezifisch aktiviert und produzieren Zytokine. Durch diese Zytokine werden nach der Hypothese der „Bystander-Aktivierung“ T-Zellen aktiviert. Unter diesen T-Zellen sind nun auch autoreaktive T-Zellen, die Zellen des Immunsystems aktivieren, wenn diese das Selbstpeptid präsentieren. Es kommt dann zu einer Zerstörung von körpereigenem Gewebe, also zu Autoimmunität.
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Abbildung
4
Substitutionsanalyse T
+
a
-
Zellen: Milzzellen der T
+
a
-
Mäuse wurden mit Peptiden stimuliert, bei welchen eine Aminosäure des MBP
Ac1-11
-Peptids für eine andere substituiert wurde. Jede Messung wurde dreimal durchgeführt und aus den Werten das arithmetische Mittel gebildet. Die Standardabweichung betrug zwischen 15 und 20%. Die erste Zeile gibt die Sequenz des MBPAc1-11-Peptids wieder. Jede Spalte der Tabelle stellt eine Position des MBPAc1-11-Peptids dar. Die erste Spalte gibt an, welche Aminosäure substituiert wurde. Die Proliferation ist durch den Stimulationsindex (Absolutwert dividiert durch die Negativkontrolle) angegeben. Ein Stimulationsindex (=SI) von größer gleich 15 wurde als signifikante Proliferation gezählt (durch schwarzen Hintergrund hervorgehoben). Der Absolutwert der Negativkontrolle (=kein Peptid zugegeben) betrug 2893 Signale pro Minute (counts per minute, CPM), der Absolutwert der Positivkontrolle (=MBPAc1-11 zugegeben) betrug 198467 CPM. Der SI der Positivkontrolle betrug somit 69, der SI der Negativkontrolle 1.
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Abbildung
5
: 61 Peptide mikrobieller oder viraler Herkunft lösen Proliferation in Milzzellen der T
+
a
-
-Mäuse aus. Die Messung wurde drei Mal durchgeführt und das geometrische Mittel gebildet. Angegeben ist die Signalstärke in counts per minute (CPM). Die Standardabweichung der Signalstärke betrug zwischen 15 und 20%. Die Signalstärke der Negativkontrolle betrug 2083 CPM. Peptide, die eine Proliferation hervorriefen, dass die Signalstärke 50-mal so groß wie die Negativkontrolle ist (104134 CPM), wurden als positiv gewertet. Insgesamt wurden 832 Peptide getestet. Substituierte Aminosäuren, d.h. Aminosäuren, die sich von der MBPAc1-11-Peptid-Sequenz unterscheiden, sind schwarz hinterlegt.
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Abbildung
6
: In Pulverform synthetisierte Peptide: Die Peptide MBP
Ac1-11
, 378 und 383 lösen Proliferation von T
+
a
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Milzzellen aus. Das Peptid MBPAc1-11 ist als Positivkontrolle synthetisiert worden. Die Peptide 200 und 387 lösen keine Proliferation aus und sind als Negativkontrolle synthetisiert worden.
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Abbildung
7
Proliferation der T
+
a
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Milzzellen auf verschiedene Peptidkonzentrationen. T+α- Milzzellen wurden mit unterschiedlichen Peptidkonzentrationen stimuliert und die Inkorporation von radioaktiv markiertem Thymidin gemessen. Es ist die Peptidkonzentration gegen die induzierte Proliferation aufgetragen.
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Abbildung
8
TNF-a Produktion nach Stimulation mit mikrobiellen Peptiden. Milzzellen von T+α-Mäusen wurden mit 10 µg/ml der angegebenen Peptide stimuliert. Nach der extrazellulären CD4-Färbung und der intrazellulären TNF-α Färbung wurde eine durchflusszytometrische Analyse durchgeführt. Um das Ausmaß unspezifischer Bindungen des TNF-α-Antikörper zu ermitteln, wurde mit einem isotypischen Antikörper (Ratten IgG1) gefärbt (Isotypkontrolle). Die y-Achse kennzeichnet die Intensität der TNF-α-Färbung, die x-Achse die Intensität der CD4-Färbung. Jeder Punkt repräsentiert eine Zelle. Die Zahlen geben den Anteil TNF-α produzierender (obere Zahl) bzw. nicht produzierender (untere Zahl) CD4+-Zellen in Prozent an.
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Abbildung
9
EAE Induktion in T
+
a
-
-Mäusen. 5 T+α-wurden mit je 200 µg der angegebenen Peptide immunisiert. Die Peptide waren in 100 µl PBS gelöst, wurden in 100 µl Kompletten Freunds Adjuvant emulgiert Jeder Maus wurden je 100 µl des Emulgats subkutan zu beiden Seiten der Schwanzbasis injiziert. Nach 24 und 48 Stunden wurde jeder Maus 200 ng Pertussis Toxin in 100 µl PBS intravenös injiziert. Die Mäuse wurden alle 2 bis 3 Tage auf Symptome von EAE untersucht. Klinischer Index (siehe auch Seite 46): 0 - Maus gesund; 1 – Schwanz gelähmt; 2 – Teilweise Paraparese der Hinterläufe; 3 – Vollständige Paralyse der Hinterläufe; 4 – Paralyse der Hinter- und Vorderläufe; 5 – Tod. Bei einem Index von 4 wurden die Mäuse getötet und für den Rest des Experiments als Index 5 gewertet.
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Abbildung
10
Geringe T-Zellproliferation nach LPS Stimulation. Milzzellen von T+α--Mäusen (A) und PL/J-Mäusen (B) wurden mit CFSE gefärbt und den angegebenen Substanzen stimuliert. PBS diente dabei als Negativkontrolle. Die Konzentrationen der verschiedenen Substanzen sind: LPS 2 µg/ml, 1x106 /ml lysierte S. typhimurium , MBP 10 µg/ml. Nach 3 Tagen wurden die Zellen geblockt mit Rattenimmunglobulin und anti-Fcγ-Rezeptor, um unspezifische Bindungen zu verhindern. Die Zellen wurden gefärbt mit anti-CD4-Cy5 und B220-PE. Vor der durchflusszytometrischenMessung wurde Propidiumiodid zugegeben. B220+ und PI+ Zellen wurden bei der Analyse ausgegrenzt.
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Abbildung
11
Beeinflussung der Expression von T-Zellaktivierungsmarkern durch LPS. Milzzellen von T+α- Mäusen wurden mit PBS, LPS (2 µg/ml), lysierten S. typhimurium (1x106), MBP (10 µg/ml) oder Peptid 383 (10 µg/ml) stimuliert. Nach drei Tagen wurden die Zellen gewaschen und mit Rattenimmungobulin und anti-Fcγ-Rezeptor blockiert. Anschließend wurden die Zellen mit anti-CD4-biotin, anti-CD62L-Cy5 und anti-CD25L gefärbt. Nach 15 min Inkubation und einem Waschschritt wurde Streptavidin-PerCP als Sekundärfärbung zugegeben. Eine durchflusszytometrische Analyse wurde durchgeführt. Nur die CD4+ Zellen sind angezeigt.
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Abbildung
12
Blockade von CD4 verhindert Aktivierung der CD4
+
T-Zellen durch Peptide, aber nicht durch LPS. Milzzellen von T+α- Mäusen wurden in Suspension gebracht und entweder direkt in Kultur gebracht (A), oder die T-Zellrezeptoren wurden mit dem anti-CD4-Antikörper L3T4 blockiert (B). Anschließend wurden die Zellen mit PBS, MBPAc1-11 (10 µg/ml) oder mit LPS (2 µg/ml) stimuliert. Nach drei Tagen Inkubation wurden die Zellen resuspendiert. Nach Zugabe von anti-Fcγ-Rezeptor und Ratten IgG wurden die Zellen mit anti-MHC-II-FITC, anti-CD25-PE, CD4-biotin und CD62L-Cy5 gefärbt. Eine Sekundärfärbung mit Streptavidin-PerCP wurde durchgeführt. Anschließend wurden die Zellen durchflusszytometrisch analysiert. Nur T-Helfer-Zellen (CD4+MHC-II- Zellen der richtigen Größe und Granularität) sind dargestellt.
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Abbildung
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In vitro
Effekt von LPS auf T-Zellaktivierung in PL/J Mäusen. PL/J Mäusen wurden die Milzen entnommen und eine Zellsuspension wurde hergestellt. Die Zellen wurden mit den angegebenen Substanzen stimuliert (MBP und Peptid 383: 10 µg/ml, LPS: 2 µg/ml, S. typhimurium Lysat: 1x106 Bakterien/ml). Nach drei Tagen Inkubation wurden die Zellen gewaschen, geblockt und mit anti-CD62L-Cy5, und anti-CD4-biotin gefärbt. Anschließend wurde als Sekundärfarbstoff Streptavidin-PerCP zugegeben. Eine durchflusszytometrische Analyse wurde durchgeführt.
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Abbildung
14
: Induktion von EAE durch LPS. T+α- Mäuse wurden mit LPS (50 µg/Maus), MBPAc1-11 (200 µg/Maus), lysierten S. typhimurium (1x108/Maus) oder PBS (100 µl/Maus) immunisiert. Alle Lösungen wurden vor Applikation in kompletten Freunds Adjuvant emulgiert und anschließend subkutan in die Schwanzbasis injiziert. 200 ng Pertussis Toxin wurden 24 und 48 Stunden später intravenös gegeben. Klinischer Index (siehe auch Seite 46): 0 - Maus gesund; 1 – Schwanz gelähmt; 2 – Teilweise Paraparese der Hinterläufe; 3 – Vollständige Paralyse der Hinterläufe; 4 – Paralyse der Hinter- und Vorderläufe; 5 – Tod. Bei einem Index von 4 wurden die Mäuse getötet und für den Rest des Experiments als Index 5 gewertet.
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Abbildung
15
Histologien von an EAE erkrankten Mäusen. T+α- Mäuse wurden mit LPS (50 µg/Maus) oder MBPAc1-11 (200 µg/Maus) immunisiert. Alle Lösungen wurden vor Applikation in komplettem Freunds Adjuvant emulgiert und anschließend subkutan in die Schwanzbasis injiziert. 200 ng Pertussis Toxin wurden 24 und 48 Stunden später intravenös gegeben. Bei einem klinischen Index von 3 wurden die Mäuse perfundiert und histologisch aufgearbeitet. Es sind mit HE, CD3, Mac-3 und B220 gefärbte Schnitte gezeigt. Die Infiltrate scheinen bei beiden Immunisierungen gleich aufgebaut zu sein. Auch bei mit S. typhimurium-Lysat immunisierte Mäusen zeigte sich kein Unterschied (Daten nicht gezeigt).
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Abbildung
16
: Hypothetische Induktion von Autoimmunität durch Molekulare Mimikry und Bystander-Aktivierung. Obwohl auch im gesunden Individuum autoreaktive T-Zellen vorhanden sind, ist deren Frequenz normalerweise zu gering, um eine klinisch manifeste Autoimmunität hervorzurufen. Bei Infektion mit Bakterien, die kreuzreaktive Peptide enthalten, könnten diese T-Zellen proliferieren. Bei rezidivierender oder chronischer Infektion würde deren Frequenz im Gesamtrepertoire besonders zunehmen. Ab einer bestimmten Frequenz würde dann ein Reiz wie eine unspezifische Aktivierung durch Bystander-Aktivierung ausreichen, um Autoimmunität auszulösen. Kreuzreaktive Peptide in den Bakterien wären nicht mehr nötig, um Exazerbationen hervorzurufen. In einem solchen Modell würde eine Behandlung von spezifischen Infektionen bei bereits bestehender Autoimmunität keine wesentliche Wirkung erzielen. Es käme auf unspezifische Infektionsverhütung an, wie dies auch klinisch beschrieben ist. Nach diesem Modell kämen auch Assoziationen zwischen bestimmten Infektionen und Autoimmunität vor, in diesen Krankheitserregern kämen kreuzreaktive Peptide vor. Da es allerdings nach unseren Befunden viele Infektionserreger mit kreuzreaktiven Peptiden geben sollte, würden Assoziationen nicht nur zwischen einer Infektion und einer Autoimmunkrankheit gefunden werden, sondern mehrere Infektionen könnten zu dem Entstehen von Autoimmunität beitragen. Auch dies wird klinisch gefunden.
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| DiML DTD Version 3.0 | Zertifizierter Dokumentenserver der Humboldt-Universität zu Berlin | HTML-Version erstellt am: 05.01.2005 |