Forschungszentrum Borstel
Forschungszentrum Borstel

Programmbereich Asthma und Allergie

Mukosale Immunologie und Diagnostik

Projekte

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 Genitalflora 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 der 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 Diagnose von Schleimhauterkrankungen und die Bestimmung von Erkrankungsrisiken, 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. In der Regel handelt sich dabei um zielsuchende Biokonjugate, die aus einem Liganden für die selektive Bindung an einen Biomarker sowie einem Wirkstoffmolekül oder einem Wirkstoff-tragenden Behälter, wie z.B. einem supramolekularen Komplex oder einem Nanopartikel, bestehen.

Die Entwicklung und Evaluierung von supramolekularen und nanopartikulären Targetingsystemen für die Wirkstoff- und Diagnostika-Applikation an die Mukosen ist der Fokus unserer anwendungsorientierten Forschungsarbeiten.

 

Aufnahme und Klassifizierung von Antigenen an mukosalen Grenzflächen

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 durch überschießende T-Helfer-2- (Th2)-Zell getriebene Immunabwehrreaktionen gegen Nahrungs- und Umweltantigene verursacht, gegen die normalerweise entweder immunologische Toleranz entwickelt oder überhaupt keine Immunreaktion in Gang gesetzt wird (immunologische Ignoranz). Im Falle der Induktion von Toleranz gegen Fremdantigene muss diese an den Grenzflächen zur Umwelt, d.h. an der Haut und an den Schleimhäuten, insbesondere an der gastrointestinalen Mukosa stattfinden. Warum und wie Toleranz oder Ignoranz selektiv für bestimmte apathogene Antigene bzw. Allergene ausbleiben kann und ob dieser Defekt ein Versagen der mukosalen Antigenklassifizierungsmechanismen darstellt, wird in diesem Vorhaben untersucht.

 

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 bereits im Verdauungstrakt z.B. durch intestinale 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 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 intestinale Stabilität von Epitopen einen Einfluss auch die Entscheidung für Ignoranz, Toleranz oder Immunität hat.

 

Entwicklung von Liganden zur Zelltyp-gerichteten Applikation von Wirkstoffen und Kontrastmitteln an mukosale Oberflächen

Da die Mukosa durch diverse Schutzmechanismen, wie z.B. Mukus, Immunglobulin A, Glykocalyx oder Verdauungsenzyme, abgeschirmt wird, muss ein Arzneistoff oder ein bildgebendes Diagnostikum zunächst diese Barrieren überwinden, um an die dahinterliegenden Zielzellen zu gelangen und dort die gewünschte Wirkung zu entfalten bzw. einen spezifischen (pathologischen) Zustand zu visualisieren. Dabei können Mukus und Immunglobulin A schädliche Agenzien verbrücken, umschließen oder adsorbieren und so unschädlich machen. Die Glycocalyx bildet einen porösen Filter, der Pathogene und partikuläre Noxen am Kontakt mit der Zellmembran hindert. Verdauungsenzyme schließlich greifen schädliche Agenzien direkt an und versuchen, sie zu zerstören. Um diese Hürden zu meistern, sollten mukosale Targetingsysteme selbst nicht an Mukus binden, um von diesem nicht abgefangen zu werden, und oberflächlich keine immunogenen Strukturen aufweisen, um keine Immunglobuline zu induzieren. Sie sollten größenmäßig skalierbar sein, um den Glycocalyxfilter zu durchdringen oder ihn als Barriere zu nutzen, und sie sollten degradationsresistent sein, um nicht vorzeitig zerstört zu werden. Klassische Targetingliganden, wie monoklonale Antikörper, Lektine oder mikrobielle Toxoide erfüllen diese Anforderungen nur unzureichend, denn sie sind degradationsanfällig, immunogen und schlecht größenskalierbar. Um molekulares Targeting und in vivo Bildgebung an Schleimhäuten realisieren zu können, wird von uns eine Technologie zur Identifikation von Peptid- oder Peptoidliganden im Größenbereich von ca. 2 kDa etabliert. Diese Technologie erlaubt die Entwicklung maßgeschneiderter Peptide oder Peptidomimetika, die so gestaltet werden können, dass sie den obengenannten Schutzmechanismen entgehen. Sobald diese Entwicklungsplattform voll funktionstüchtig ist, werden wir damit Peptid-basierte mukosale Targetingsysteme entwickeln.

 

Interaktionen von Nanopartikeln mit mukosalen Sekreten und Oberflächen

Die aktuellen und anvisierten Anwendungsgebiete von Nanopartikeln erstrecken sich von Halbleitern über Schmutz- und Mikroben-abweisende Oberflächenbeschichtungen bis hin zu Sonnenschutzlotionen und neuen pharmazeutischen Wirkstoffen. Durch eine derartige Omnipräsenz ist eine Exposition mit industriellen Nanopartikeln nahezu unvermeidbar. Eine Abschätzung der Gefährdung durch die Exposition und ihrer medizinischen Konsequenz ist daher dringend notwendig. Die Mukosa stellt den ersten Kontakt zu oral oder inhalativ aufgenommen Nanopartikeln dar. Hier entscheidet sich bereits, ob, in welcher Form oder über welche Route Nanopartikel aufgenommen werden. In diesem Projekt wird erforscht, in welcher Form Nanopartikel von mukosalen Sekreten verändert werden und in welcher Weise sie mit mukosalen Oberflächen interagieren und sie durchdringen können.

 

Die intestinale Glykocalyx als Biomarker

Die Glykocalyx - eine Schicht komplexer Kohlenhydrate, die mit der Epithelzelloberfläche verknüpft ist, - stellt neben der Mukusschicht eine weitere äußere Barriere der Mukosa dar. Dieses mehrere Nanometer hohe Netzwerk dient neben dem Schutz der Mukosa auch zur Adsorption von Nahrungsmittelbestandteilen und intestinalen Proteasen, so dass die Glykocalyx auch eine wesentliche Funktion bei der Nährstoffaufnahme ausübt. Schädigende physikalische oder chemische Einflüsse können zu einer Verletzung der Glykocalyx führen, was einen Zusammenbruch des mukosalen Schutzes und eine starke Beeinträchtigung bei der Nährstoffaufnahme nach sich ziehen kann. In diesem Projekt wollen wir unter anderem mit Hilfe von elektronenmikroskopischen Techniken untersuchen, ob neben exogenen Faktoren auch pathologische Zustände wie z.B. Krebs oder Ischämie zu einer Veränderung der Glykocalyx führen.