Infektionsimmunologie
Die Ausbildung von Granulomen ist ein typisches Merkmal einer Infektion mit Mycobacterium tuberculosis (Mtb) und stellt das histologische Korrelat einer Entzündungsreaktion des Gewebes dar, welche üblicherweise mit einer schützenden Immunantwort verbunden ist. In den meisten Fällen, ist der Wirt in der Lage, den Erreger in diesen schützenden Granulomen in Schach zu halten. Dennoch entwickelt sich in einigen infizierten Individuen die Krankheit Tuberkulose (TB), wenn ein ursprünglich schützendes Granulom seine Fähigkeit verliert, das Wachstum der Mykobakterien zu kontrollieren. Es nimmt an Größe zu und transformiert in ein zerstörendes Granulom, welches letzten Endes nekrotisiert. Die Forschungsgruppe Infektionsimmunologie ist daher daran interessiert, die Zytokin-vermittelte Regulation von (i) Schutz und (ii) Pathologie in diesem beiden Typen von Granulomen (Abb. 1) zu verstehen, um schützende und schädliche Mechanismen für adjuvante Vakzinierungs- und Therapieansätze voneinander zu entkoppeln (Control und Care). In diesem Zusammenhang werden (iii) neue Antibiotika und Therapeutika in optimierten präklinischen Modellen der TB evaluiert, um Erkenntnisse aus unserer Grundlagenforschung für neue Therapien und Prophylaxen gegen die TB zu nutzen.
Th1/Th17-induzierte Formation schützender Granulome
Interferon-gamma (IFN-γ) und Interleukin (IL)-17A sind die beiden Leitzytokine einer T Helfer (Th)1 bzw. einer Th17 Immunantwort, welche von kritischer Bedeutung für den Schutz gegen intrazelluläre Pathogene sind. Wie wir bereits gezeigt haben, sind Mäuse, denen IL-23 oder IL-17A fehlen, empfänglich gegenüber einer Infektion, so dass eine IL-23-abhängige Th17 Reaktion einen wichtigen Arm der schützenden Immunantwort darstellt (Hölscher 2001 J Immunol 167:6957; Schulz 2008 Int Immunol 20:1129; Werninghaus 2009 J Exp Med 206:89; Hernandez 2015 Nat Immunol). Auf der anderen Seite sind Th17 Zellen essentiell an der Entwicklung von chronischen Entzündungskrankheiten beteiligt, welche von T Effektor Zellen vermittelt werden. Zum Beispiel befördern Th17 Zellen die Pathogenese zahlreicher entzündlicher und autoimmuner Erkrankungen (Hölscher 2005 Curr Opin Investig Drugs 6:489; Paus 2009 J Am Soc Nephrol 20: 969; Gelderblom 2012 Blood 120: 3793). Diese Bedeutung als „zweischneidiges Schwert“ wird besonders deutlich durch unsere Studien in IL-27 Rezeptor-alpha (Rα)-defizienten Mäusen. In diesen Tieren resultiert eine erhöhte Entzündungsreaktion auf die Infektion mit Mtb in eine deutlich bessere Kontrolle des mykobakteriellen Wachstums, führt aber auch zu immunopathologischen Effekten und einen frühzeitigen Tod (Hölscher 2005 J Immunol 167:6957).
Wir können nun belegen, dass diese gegensätzlichen Effekte exklusiv durch eine erhöhte Expression von IL-17A induziert werden. Dennoch ist von entscheidender Bedeutung, dass die Überproduktion von IL-17A zur Formation von hoch strukturierten „schützenden“ Granulomen führt (Abb. 2). Der genaue Mechanismus, wie diese Granulome durch IL-17A geformt werden, ist zurzeit noch unklar. Berücksichtigt man generell, dass eine erhöhte IL-17A Produktion eine schützende Immunantwort fördert, mag eine kontrollierte Steigerung der Expression dieses Zytokins oder nachgeschalteter Effekte ein immunmodulatorischer Ansatz einer Wirts-gerichteten Therapie darstellen. Weiterführende Analysen von regulatorischen und von IL-17A-abhängigen Zell-spezifischen Mechanismen, welche einen protektiven Effekt vermitteln, sind hierzu notwendig. Referenzen: Sodenkamp 2011 Eur J Cell Biol 90:505; Sodenkamp 2012 Immunobiol 217:996; Heitmann 2013 Immunobiol 218:506; Erdmann 2013 Immunobiol 6:910; Behrends 2013 PLoS One 8:e57379; Berod 2014 PLoS One 9:e102804; Böhme 2016 Immunol; Erdmann 2016 Sci Rep; Stüve 2018 Front Immunol; Erdmann 2018 Muc Immunol.
Th2-vemittelte Bildung zerstörender Granulome
Faktoren, welche den Verlauf einer Infektion mit Mtb beeinflussen, sind bis jetzt nicht ganz verstanden. Ein Grund hierfür ist, dass es kein manipulierbares Mausmodell gibt, welches die Pathologie von Granulomen in TB Patienten widergibt: zentral nekrotisierende Läsionen, eine strikte Trennung des nekrotischen Zentrums vom umliegenden Lungengewebe durch eine Kollagenkapsel, Schaummakrophagen unterhalb dieser Kapsel und ein niedriger Sauerstoffpartialdruck (Hypoxie). Da diese Lipid-haltigen Schaummakrophagen und die mit der Nekrose verbundene Hypoxie vermutlich zentrale Faktoren darstellen, welche für die Pathogenese der post-primären TB und letzten Endes damit auch für die Verbreitung und den Erfolg von Mtb verantwortlich sein könnten, hat die Forschungsgruppe Infektionsimmunologie ein Mausmodell entwickelt, in dem die Infektion mit Mtb zu zentral nekrotisierenden Granulomen führt , welche sehr gut mit der Pathologie der menschlichen TB vergleichbar ist (Abb. 3). In diesen IL-13-überexprimierenden (tg) Mäusen, sind Arginase-1-exprimierende sog. alternative aktivierte Makrophagen, welche von uns zuvor als Wirtstellen definiert worden sind, welche das Wachstum von Pathogenen fördern (Herbert 2004 Immunity 20:623, Hölscher 2006 J Immunol 176:1115, Schreiber 2009 J Immunol 183:1301), an der Ausbildung der typischen Pathologie mit zentraler Nekrose, der Kollagenkapsel und Schaummakrophagen beteiligt. Weil IL-13 über den IL-4 Rezeptor-alpha (α) Signale weiterleitet, haben wir genetische Analysen in Menschen durchgeführt und eine Mutation in diesem Rezeptor gefunden, welcher mit dem Grad der Pathologie in TB Patienten verbunden ist. Diese genetischen Assoziationsstudien belegen erneut, dass IL-13/IL-4Rα-abhängige Mechanismen an der Ausbildung der Gewebepathologie in der humanen TB beteiligt sind. Da die Pathologie in Mtb-infizierten IL-13tg Mäusen viele Charakteristika der post-primären TB im Menschen aufweist, stellen diese Tiere ein ideales Modell dar, mit dem man die Pathogenese der Krankheit studieren und Faktoren bestimmen kann, welche diese beeinflussen. References: Heitmann 2014 J Pathol; Hölscher 2016 Mediators Inflamm; Herrtwich 2016 Cell; Schmok 2017 Front Immunol.
Evaluation von Antibiotika in optimierten präklinischen Modellen
Antibiotika-resistente Mtb stellen eine große Bedrohung der globalen Kontrolle der TB dar und neue Therapeutika sind dringend notwendig. Die Medikamenten-Entwicklung gegen multi-drug-resistent (MDR)-TB benötigt eine präklinische Evaluation in optimierten Tiermodellen, welche die pathobiologischen Aspekte der humanen TB berücksichtigen. Im Deutschen Zentrum für Infektionsforschung (DZIF) hat die Forschungsgruppe Infektionsimmunologie in Kollaboration mit andern Forschern eine präklinische Teststation eingerichtet (TTU-TB “New Drugs and Regimen”), welche vorhandene Modelle zur in vitro und in vivo Evaluierung von Antibiotika weiterentwickelt, um Substanzen oder therapeutische Maßnahmen für die spätere Verwendung im Menschen hinsichtlich ihrer anti-mykobakteriellen Wirkung zu überprüfen. Ein wichtiger Aspekt der DZIF Infrastruktur TTU-TB „MycoDrug and Trials“, welcher von der Forschungsgruppe Infektionsimmunologie behandelt wird, ist die Weiterentwicklung des Tiermodells der IL-13tg Mäusen (siehe oben) zur in vivo Analyse von anti-mykobakteriellen Substanzen unter den physiologischen Bedingungen der Pathologie der post-primären TB. Basierend auf proof of principle Studien mit Standard Antibiotika, werden IL-13tg Mäuse als „menschenähnliches“ präklinisches Modell eingesetzt, um die Wirkung neuer Antibiotika unter physiologischen Bedingungen zu untersuchen.
Die Entwicklung eines Impfstoffes gegen die Rickettsiose
Rickettsiosen sind neu auftretende fieberhafte, potenziell tödliche Infektionskrankheiten, die durch kleine intrazelluläre Bakterien (Rickettsien) verursacht werden. In Entwicklungsländern sind Rickettsieninfektionen weit verbreitet und stellen eine ernsthafte globale Gesundheitsbedrohung dar. In den letzten Jahrzehnten treten Infektionen mit diesen Bakterien weltweit mit zunehmender Häufigkeit und geografischer Verbreitung auf. Da die Bakterien nur auf sehr wenige Antibiotika ansprechen, führt eine Behandlung mit falschen Antibiotika oder eine verzögerte Behandlung aufgrund fehlender oder falscher Diagnose oft zu schweren Krankheitsverläufen. Problematisch ist, dass es Hinweise auf die Entwicklung von Antibiotikaresistenzen gibt. Darüber hinaus können einige Rickettsienarten persistieren und unabhängig von einer antibiotischen Behandlung wiederkehrende Erkrankungen verursachen. Schließlich sind bestimmte Rickettsienspezies als potenzielle biologische Waffen eingestuft. Aus diesen Gründen werden dringend prophylaktische Impfstoffe gegen eine Infektion mit diesen Bakterien benötigt. Ziel dieses Projekts ist es, tiefere Einblicke in schützende Immunmechanismen zu gewinnen und immunogene Determinanten dieser Pathogene zu identifizieren, die als Impfstoff dienen können. Rickettsia typhi, der Erreger des endemischen Fleckfiebers, dient dabei als Modellorganismus für diese Studien, die von Dr. Anke Osterloh durchgeführt und durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert werden (Nr. OS583).
Ausgezeichnet mit dem Memento Award for Neglected Diseases 2020
- BMBF; DZIF TTU-TB 02.705 Infrastructure „Myco Drug and Trials“
- BMBF; DZIF TTU-TB 02.806 Project „New Drugs and Regimen“
- BMBF; DZIF TTU-TB 02.906 FlexFund „Optimization of mycobacterial thioredoxin reductase inhibitors, novel lead compounds against M. tuberculosis“
- BMBF; DZIF TTU-TI 07.003_Garrelts MD Project „Local activity of anti-TB therapeutics in highly stratified human-like lesions of a novel pre-clincial mouse model“
- BMBF, DZIF „InhibitMycoRex: Optimization of mycobacterial thioredoxin reductase inhibitors, novel lead compounds against M. tuberculosis“
- DFG; IRTG191: "Immunoregulation of Inflammation in Allergy and Infection“: Project B6 "ProThe impact of Tr1 cells in aged mice on susceptibility and vaccination efficacy in TB“
- DFG; IRTG191: "Immunoregulation of Inflammation in Allergy and Infection“: MD Project "Spatial analysis of host and pathogen responses in highly structured tuberculous granulomas after laser capture microdissection“
- DFG; GRK 1727: „Modulation von Autoimmunität“ : Projekt A3: "Cell type-specific effects of interleukin-17 in Epidermolysis bullous acquisita"
- EU / Horizon 2020: CORVOS / Marie Sklodowska-Curie Joint European PhD:“ Complement regulation and variations in opportunistic infections“
- EU / Horizon 2020: ETBRA / „European tuberculosis regimen accelerator“
- Proteinbiochemische Methoden
- Kultivierung von Hybridomen, Produktion und Aufreinigung von monoklonalen Antikörpern
- Kultivierung, Präparation und Identifikation von BSL2 und BSL3 Pathogenen (z.B. Mycobacterium tuberculosis oder Trypanosoma cruzi)
- Infektion experimenteller Mäuseb (subkutan, intravenös, intraperitoneal, Aerosol Infektion mit Mykobakterien)
- In vitro Differenzierung, Infektion und Analyse von Knochenmark-Makrophagen und Dendritischen Zellen
- In vitro Differenzierung von TH1, TH2 und TH17 Zellen
- Isolation von Organen experimenteller Mäuse, Präparation von Einzelzellsuspensionen
- Isolierung von Zellen und Granulomen aus perfundierten Lungen und Lebern infizierter Tiere
- Magnetische Zellsortierung
- Durchflusszytometrie und Immunfluoreszenz
- Histologische und immunhistochemische Techniken
- Quantitative RT-PCR, real time PCR
- Nachweis von Antikörpern, Zytokinen und Chemokinen in Gewebehomogenaten, Überstände und Serum/Plasma
- Cytometric bead arrays
- Bestimmung von reaktiven Stickoxidintermediaten und der Arginase Aktivität
- Zytokin bioassays
- Funktionelle T Zell Analysen (Proliferation, Antigen-spezifische Zytokin-Seretions assays, ELISPOTs, Zytotoxische Analysen, Herstellung von Mtb-spezifischen MHC Klasse I und Klasse II Tetrameren und Markierung spezifischer CD4+ und CD8+ T Zellen)
2025
Ngara, B, Flori, L, van Wijk, RC, Ernest, JP, Tyagi, S, Soni, H, Hölscher, C, Walter, K, Dreisbach, J, Hoelscher, M, Nuermberger, EL & Savic, R 2025, 'Translational modeling of BTZ-043 in predicting phase IIA efficacy and evaluating drug-drug interactions with BPaL in murine models', JOURNAL OF INFECTIOUS DISEASES. https://doi.org/10.1093/infdis/jiaf088
Römpp, A, Treu, A, Kokesch-Himmelreich, J, Marwitz, F, Dreisbach, J, Aboutara, N, Hillemann, D, Garrelts, M, Converse, PJ, Tyagi, S, Gerbach, S, Gyr, L, Lemm, A-K, Volz, J, Hölscher, A, Gröschel, L, Stemp, E-M, Heinrich, N, Kloss, F, Nuermberger, EL, Schwudke, D, Hoelscher, M, Hölscher, C & Walter, K 2025, 'The clinical-stage drug BTZ-043 accumulates in murine tuberculosis lesions and efficiently acts against Mycobacterium tuberculosis', Nature communications, Jg. 16, Nr. 1, S. 826. https://doi.org/10.1038/s41467-025-56146-9
2024
Götz, MP, Duque Villegas, MA, Fageräng, B, Kerfin, A, Skjoedt, M-O, Garred, P & Rosbjerg, A 2024, 'Transient Binding Dynamics of Complement System Pattern Recognition Molecules on Pathogens', JOURNAL OF IMMUNOLOGY, Jg. 212, Nr. 9, S. 1493-1503. https://doi.org/10.4049/jimmunol.2300768
Neumann, M, Reimann, M, Chesov, D, Popa, C, Dragomir, A, Popescu, O, Munteanu, R, Hölscher, A, Honeyborne, I, Heyckendorf, J, Lange, C, Hölscher, C & Kalsdorf, B 2024, 'The Molecular Bacterial Load Assay predicts treatment responses in patients with pre-XDR/XDR-tuberculosis more accurately than GeneXpert Ultra MTB/Rif', Journal of infection, S. 106399. https://doi.org/10.1016/j.jinf.2024.106399
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2022
Brandenburg, J, Heyckendorf, J, Marwitz, F, Zehethofer, N, Linnemann, L, Gisch, N, Karaköse, H, Reimann, M, Kranzer, K, Kalsdorf, B, Sanchez-Carballo, P, Weinkauf, M, Scholz, V, Malm, S, Homolka, S, Gaede, KI, Herzmann, C, Schaible, UE, Hölscher, C, Reiling, N & Schwudke, D 2022, 'Tuberculostearic Acid-Containing Phosphatidylinositols as Markers of Bacterial Burden in Tuberculosis', ACS infectious diseases, Jg. 8, Nr. 7, S. 1303-1315. https://doi.org/10.1021/acsinfecdis.2c00075
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Ritter, K, Behrends, J, Rückerl, D, Hölscher, A, Volz, J, Prinz, I & Hölscher, C 2022, 'High-Dose Mycobacterium tuberculosis H37rv Infection in IL-17A- and IL-17A/F-Deficient Mice', Cells, Jg. 11, Nr. 18, 2875. https://doi.org/10.3390/cells11182875
Ritter, K, Rousseau, J & Hölscher, C 2022, 'Interleukin-27 in Tuberculosis: A Sheep in Wolf's Clothing?', FRONTIERS IN IMMUNOLOGY, Jg. 12, S. 810602. https://doi.org/10.3389/fimmu.2021.810602
Walter, K, Kokesch-Himmelreich, J, Treu, A, Waldow, F, Hillemann, D, Jakobs, N, Lemm, A-K, Schwudke, D, Römpp, A & Hölscher, C 2022, 'Interleukin-13 overexpressing mice represent an advanced pre-clinical model for detecting the distribution of anti-mycobacterial drugs within centrally necrotizing granulomas', ANTIMICROBIAL AGENTS AND CHEMOTHERAPY, Jg. 66, Nr. 6, S. e0158821. https://doi.org/10.1128/AAC.01588-21
Leitung der Forschungsgruppe
Wissenschaftliche Mitarbeiter:innen
Technische Mitarbeiter:innen
