Mukosale Immunologie und Diagnostik
Schwerpunkt
Unser Forschungsschwerpunkt liegt auf den molekularen und zellulären Strukturen, die wesentliche Rollen bei den Ursachen und der Auslösung von Mukosa-assoziierten Erkrankungen - insbesondere bei Asthma, COPD und Allergien - spielen und die wertvolle Biomarker für den Verlauf und die Schwere dieser Krankheiten darstellen können. Unser Ziel ist es, solche Strukturen zu identifizieren, ihren Zusammenhang zum Krankheitsverlauf aufzuklären, und Möglichkeiten aufzuzeigen, sie zu diagnostischen, prognostischen und therapeutischen Zwecken zu nutzen.
Obwohl die Schleimhäute die größte Kontaktfläche des Menschen mit seiner Umgebung darstellen und fast alle pathogenen Substanzen und Mikroorganismen über diese Route in den Körper eindringen, ist die Immunabwehr an dieser Körpergrenzfläche noch sehr unzureichend erforscht. Eine der zentralen noch ungelösten Fragen in der Schleimhautimmunologie ist die der Steuerung mukosaler Immunreaktionen, denn im Gegensatz zum systemischen Immunsystem, das alle Fremdantigene rigoros eliminieren darf, ist die Situation an den Schleimhäuten komplexer. Einerseits müssen gutartige Fremdantigene, wie z.B. Nahrungsmittel und Mikroorganismen der Mund-, Darm- und Atemwegsflora toleriert werden. Andererseits müssen bakterielle Gifte und feindliche Mikroorganismen als solche erkannt und ihre Aufnahme oder ihr aktives Eindringen verhindert werden. Werden gutartige Antigene als feindlich oder bösartige als freundlich eingestuft, kann das weitreichende Folgen, wie z.B. chronisch entzündliche Darm- oder Atemwegserkrankungen, Nahrungsmittelallergien, Autoimmunerkrankungen oder eine verminderte Abwehr gegen mukosale Erreger, nach sich ziehen.
Die Aufklärung dieser Steuerungsmechanismen und der Pathogenese von durch Fehlsteuerung verursachten Erkrankungen ist ein Fokus unserer grundlagenorientierten Forschungsarbeiten.
Im Einklang mit der translationalen Ausrichtung unserer Forschungseinrichtung möchten wir die mukosale Immunregulation aber nicht nur verstehen, sondern sie auch zum Wohle des Patienten ausnutzen und beeinflussen, z.B. für die Prävention und Therapie von allergischem Asthma und Nahrungsmittelallergien oder für die Entwicklung von Impfstoffen gegen mukosale Erreger. Die Beeinflussung einer mukosaler Immunreaktionen ist erheblich schwieriger als die Manipulation einer systemischen, denn das mukosale Immunsystem ist kompartimentiert, so dass das lokale immunologische Mileu am Ort des Antigen-/ Allergenkontaktes für die Art, Ausdehnung und Stärke einer mukosalen Immunreaktion oft von entscheidender Bedeutung ist. Für einen prophylaktischen oder therapeutischen Eingriff bedeutet das, dass er mit hoher Zell- bzw. Gewebespezifität erfolgen muss, um die gewünschte Wirkung zu erzielen. Dieses Dirigieren von Wirkstoffen an bestimmte Zelltypen oder Gewebe erfordert sog. Targetingsysteme.
Die Entwicklung und Evaluierung unterschiedlichster Targetingsysteme für die Wirkstoff- und Diagnostika-Applikation an die Mukosen ist daher ein Fokus unserer anwendungsorientierten Forschungsarbeiten.
Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf der Diagnostik von Schleimhauterkrankungen, um eine bessere Bestimmung von Erkrankungsrisiken oder eine Überwachung von Therapieverläufen zu ermöglichen.
Antikörperproduktion an den Schleimhäuten der Atemwege in Korrelation zu Asthma und allergischen Erkrankungen
Die Prävalenz von Allergien und allergischem Asthma hat sich in den Industrieländern in den letzten Jahrzehnten kontinuierlich erhöht, so dass mittlerweile bis zu 25% der Bevölkerung von diesen Erkrankungen betroffen sind. Allergien und Asthma werden häufig durch überschießende T-Helfer-2- (Th2)-Zell getriebene Immunabwehrreaktionen gegen Antigene wie z.B. Nahrungsmittel oder Blütenpollen verursacht, gegen die normalerweise entweder immunologische Toleranz entwickelt oder überhaupt keine Immunreaktion in Gang gesetzt wird (immunologische Ignoranz). In unseren Forschungsvorhaben wollen wir untersuchen, warum und wie Toleranz oder Ignoranz selektiv für bestimmte apathogene Antigene bzw. Allergene ausbleiben kann, und ob eventuell Zusammenhänge zu Expositionen / Infektionen mit bakteriellen Keimen bestehen können. Mit Hilfe synthetischer Zufalls-Peptidbibliotheken sind wir beispielsweise in der Lage, eine Vielzahl von Sequenzen im Hochdurchsatzverfahren auf ihre potentielle Erkennung durch Antikörper im Blut von Allergikern zu überprüfen und durch Datenbankvergleiche bislang unidentifizierte Allergene / Antigene zu benennen.
Analyse der Antigen-/Allergenstabilität bei Kontakt mit mukosalen Sekreten
Sowohl mukosale Immuntoleranz, als auch das Entstehen einer adversen mukosalen Immunreaktion kann darin begründet sein, dass ein Antigen bereits früh in den Schleimhäuten eine "Vorprozessierung" erfahren kann, wobei z.B. durch intestinale oder bronchiale Proteasen MHC Epitope vorzeitig abgebaut werden bzw. abhängig von individuellen Voraussetzungen gebildet werden. Nach Isolation und Charakterisierung von mukosalen Sekreten können wir mit Hilfe unseres umfangreichen methodischen Repertoires die Stabilitäten von proteinösen Antigenen, aber auch von Poly- und Oligopeptiden unter in vivo-ähnlichen Bedingungen untersuchen. Auf diese Weise können Halbwertszeiten und Fragmentierungsmuster von Antigenen/Allergenen bestimmt und verglichen werden. Damit möchten wir der Frage nachgehen, ob die Stabilität von Epitopen einen Einfluss auch die Entscheidung für Ignoranz, Toleranz oder Immunität hat.
Entwicklung von Liganden zur zielgerichteten Applikation von Wirkstoffen
Für eine optimal wirksame Applikation z.B. von Arzneistoffen, Vakzinen oder bildgebenden Diagnostika an die Schleimhäute oder über die mukosale Barriere hinweg ist der Einsatz spezifischer Targetingsysteme, die den Wirkstoff zielgerichtet an bestimmte biologische / biochemische Strukturen dirigieren können, erforderlich. Wir entwickeln spezifische Targetingsysteme, die auch die diversen Schutzmechanismen der Mukosa, wie z.B. Mukus, Immunglobulin A, Glykocalyx oder proteolytische Enzyme, überwinden können. Dazu haben wir eine eigene Technologie zur Identifikation von Peptid- oder Peptoidliganden im Größenbereich von ca. 2 kDa etabliert und ein flexibles Synthesesystem aufgebaut, das es erlaubt, maßgeschneiderte Peptide oder Peptidomimetika so zu gestalten, dass sie den obengenannten Schutzmechanismen entgehen. Mit Hilfe dieses Systems ist es uns beispielsweise gelungen, peptidische Transportmoleküle zur erleichterten Zellaufnahme zu optimieren und degradationsresistente Targetingliganden für das Ansteuern epithelialer Oberflächen zu entwickeln. Die Syntheseplattform wird kontinuierlich weiter ausgebaut und dazu eingesetzt, bei Bedarf neue peptidische / peptoide Liganden mit maßgeschneiderten Eigenschaften bereitzustellen.
Entwicklung einer neuen Impfstrategie zur Induktion von Antikörpern gegen Atemwegs-Pathogene und -Allergene
In diesem Projekt wird ein unorthodoxer Ansatz für eine mukosale Immunisierung verfolgt welcher den Feed-Back-Mechanismus des mukosalen Immunsystems ausnutzt, über den sekretierte Antikörper in einem gewissen Umfang reabsorbiert werden. In unserem "Hitch-Hiker"-Design ist ein sekretierter Antikörper mit dem Vakzinierungs-Antigen verbunden und bringt dieses, sobald er reabsorbiert wird, an die induktiven Regionen des mukosalen Immunsystems. Die Präsenz in dieser hoch immunstimulierenden Umgebung sollte dazu führen, dass eine spezifische IgA-Antwort gegen das Vakzinierungs-Antigen eingeleitet wird. Wir wollen zunächst im Tiermodell einen"proof-of-concept" für unsere Vakzinierungsmethode erbringen und das Verfahren dann an einer kleinen Kohorte gesunder Probanden in der Klinik validieren.
Point-of-Care Diagnosesystem für den Nachweis von Biomarkern im Vorfeld von Exazerbationen von Asthma und COPD
Chronische Erkrankungen stellen v. a. in den Industrieländern eine wachsende Herausforderung für die Gesundheitssysteme dar. Mit dem demografischen Wandel steigt die Zahl chronisch Erkrankter, zugleich ist mit einem Rückgang an ärztlicher Versorgung im ländlichen Raum zu rechnen. Telemedizin-fähige Point-of-Care (POC)-Diagnose-Systeme können für diese Problempunkte tragfähige Lösungen bereitstellen. Solche Systeme könnten für Patienten mit chronisch-entzündlichen Atemwegserkrankungen, wie z. B. Asthma oder chronisch obstruktive Lungenerkrankung (COPD), nutzbringend eingesetzt werden, um anfallartige Krankheitsverschlimmerungen (Exazerbationen) frühzeitig vorherzusagen, Ursachen-spezifische Therapien einzuleiten und Krankheitsverläufe mit geringem Aufwand zu überwachen. Ein derartiges POC-Diagnosesystem soll im Rahmen eines Verbundvorhabens in gemeinsamer Forschungsarbeit von neun Leibniz-Instituten entwickelt werden. Aufgabe unserer Gruppe innerhalb des Forschungsverbundes ist es anhand von experimentell ermittelten sowie klinisch dokumentierten Daten die prognostisch-diagnostische Güte unterschiedlicher Biomarker zu evaluieren und Chip-basierte Assays zu entwickeln, mit denen diese Biomarker in leicht zugänglichem Probenmaterial von Asthma- und COPD Patienten nachgewiesen werden können.
Die genannten Projekte sind zum Teil durch Mittel des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) und der VolkswagenStiftung gefördert:
Deutsches Zentrum für Lungenforschung (DZL)
- Projektbereiche "Asthma und Allergie" und "COPD"
BMBF-Forschungsschwerpunkt "Photonik-Forschung Deutschland":
- Projekt "Vor-Ort-basierte Exazerbations-Diagnostik bei Asthma & COPD: Proben, Modelle, Analyten & Fängersysteme" im Verbund "POC-Sensorplattform für chronisch-entzündliche Atemwegserkrankungen (EXASENS)"
Förderinitiative "Experiment!" der VolkswagenStiftung
- "A Hitch-Hiker's Ride to Immunity: Antigen backpacks as vaccines soliciting their own transportation by the mucosal immune system to induce protection against pathogens and allergens"
Immunologische Verfahren:
- Experimentelle Immunisierungen
- Gewinnung von Immunglobulinen aus Sekreten
- ELISA
- Epitopkartierungen
- Immunhistochemie
Zellbiologische & Histologische Verfahren:
- Zellkultur
- Mikroskopie
Bioinformatische Verfahren:
- Evolutive Optimierung von Peptidsequenzen
Biochemische & Chemische Verfahren:
- Synthese von Crosslinkern und Tags
- Synthese und Analyse von spezifischen Assay-Reagenzien
- Herstellung von Protein- und Peptidkonjugaten
- Festphasensynthese von Peptidbibliotheken
- Immobilisierung von Proteinen und Peptiden auf festen Oberflächen
- Screening von organisch-synthetischen Peptidbibliotheken
- Isolierung und Reinigung von mukosalen Sekreten, Zellen und sekretierten Proteinen
- Biochemische Analysen von humanen Probenmaterialien
- Proteolyseassays
Mikro- und Molekularbiologische Verfahren:
- Kultivierung unterschiedlicher Bakterien und Viren
- Screening von mikrobiellen Peptidbibliotheken
- Präparation von Nukleinsäuren aus Zellen
2024
Röckendorf, N, Ramaker, K, Gaede, K, Tappertzhofen, K, Lunding, L, Wegmann, M, Horbert, P, Weber, K & Frey, A 2024, 'Parallel detection of multiple biomarkers in a point-of-care-competent device for the prediction of exacerbations in chronic inflammatory lung disease', Scientific Reports, Jg. 14, Nr. 1, S. 12830. https://doi.org/10.1038/s41598-024-62784-8
2022
Kozlowski, PA, Mantis, NJ & Frey, A 2022, 'Editorial: Mucosal Vaccination: Strategies to Induce and Evaluate Mucosal Immunity', FRONTIERS IN IMMUNOLOGY, Jg. 13, S. 905150. https://doi.org/10.3389/fimmu.2022.905150
Röckendorf, N, Ramaker, K & Frey, A 2022, Artificial Evolutionary Optimization Process to Improve the Functionality of Cell Penetrating Peptides. in Methods in Molecular Biology . Bd. 2383, Methods in Molecular Biology, S. 45-61. https://doi.org/10.1007/978-1-0716-1752-6_3
Roeckendorf, N, Nehls, C & Gutsmann, T 2022, 'Design of Membrane Active Peptides Considering Multi-Objective Optimization for Biomedical Application', Membranes, Jg. 12, Nr. 2, 12020180. https://doi.org/10.3390/membranes12020180
Leitung der Forschungsgruppe
Wissenschaftliche Mitarbeiter:innen
Technische Mitarbeiter:innen