Klinische Pneumologie
Zell. Allergologie
Projekte
- Schistosoma mansoni
Immunmodulation durch parasitäre Würmer
Parasitäre Würmer sind obligate und potente Induktoren der T-Helfer Typ 2 (Th2) -Antwort und der IgE-Synthese. Dennoch dämpfen parasitäre Würmer, insbesondere bei chronischer Infektion, die Th2- (wie auch die Th1-) Immunanwort durch hochaktive entzündungshemmende Moleküle. Somit besitzen parasitäre Würmer trotz ihrer Fähigkeit zur Th2-Induktion anti-allergische bzw. anti-entzündliche Wirksamkeit. Dieses scheinbare Paradox ist das Ergebnis der Koevolution zwischen Wurm und Wirt (Abb. 1). Diese ist geprägt durch das Bestreben des Wurms, die Abwehrmaßnahmen des Wirts zu unterdrücken, ihn dabei aber möglichst wenig zu schädigen, und andererseits das Bestreben des Wirts, durch eine effektive Immunantwort den Wurm zu eliminieren, ohne dabei "Kollateralschäden" zu setzen.
- Abb. 1. Parasitäre Würmer sind seit Urzeiten Begleiter des Menschen – das Ergebnis ist eine gegenseitige Anpassung. Auch Ötzi hatte Würmer: in seinen Eingeweiden wurden Eier des Peitschenwurms Trichuris trichiura gefunden.
Im Zentrum unserer Arbeit steht Schistosoma mansoni, ein Saugwurm mit hoher immunmodulatorischer Wirksamkeit. Wir haben drei Hauptimmunogene aus Eiern dieses Parasiten sequenziert und weiter charakterisiert: omega-1, IPSE/alpha-1 und kappa-5. Während omega-1 und IPSE/alpha-1 eine wichtige immunmodulatorische Funktion besitzen (Abb. 2), ist die biologische Rolle von kappa-5 noch nicht bekannt.
Mit der Entwicklung eines effektiven in vitro-Kultur Protokolls steht uns darüberhinaus ein wirksames neues Instrument für die Schistosomenforschung zur Verfügung.
- Abb.2. Schistosoma mansoni Eier sezernieren die immunmodulatorischen Moleküle omega-1 und IPSE/alpha-1. Omega-1 konditioniert dendritische Zellen dazu, eine Th2-Antwort anzutreiben. IPSE/alpha-1 triggert die Freisetzung großer Mengen an IL-4 und IL-13 aus basophilen Granulozyten und spielt daher vermutlich eine wichtige Rolle bei der Induktion einer anti-entzündlichen Immunantwort.
Hauptziele unserer Arbeit sind die Klärung des Mechanismus der Th2-Induktion durch parasitäre Würmer, um dadurch die Th2-Induktion durch Allergene besser zu verstehen, und die Identifikation Entzündungs-hemmender Wirkstoffe parasitärer Würmer für die Entwicklung neuartiger Strategien zur Therapie und Prophylaxe von Allergien und Autoimmun-Erkrankungen.
Nachdem wir früher gefunden hatten, dass Extrakte aus Schistosomen-Eiern basophile Blutzellen nicht-sensibilisierter Spender zur IL-4-Produktion stimulieren, haben wir das für diesen Effekt verantwortliche IL-4-induzierende Prinzip aus Schistosoma mansoni-Eiern = IPSE/alpha-1 identifiziert, kloniert und rekombinant exprimiert. Hinsichtlich des Wirkungsmechanismus ist IPSE/alpha-1 ein Immunglobulin-bindender Faktor mit hoher Affinität für IgE. Im Gegensatz zu anderen Immunglobulin-bindenden Faktoren ist IPSE/alpha-1 jedoch nicht in der Lage, IgE-Moleküle in Lösung querzuvernetzen. Die 3D-Struktur von IPSE/alpha-1 ist inzwischen geklärt (M. Sattler, München: NMR; J. Müller-Dieckmann, Hamburg: Kristallographie). Von der Strukturinformation erwarten wir wichtige Hinweise für die weitere Charakterisierung der funktionellen und biologischen Eigenschaften dieses Faktors. Die immunhistologische Untersuchung zeigt, dass IPSE/alpha-1 direkt unterhalb der Schale des Schistosomen-Eis angereichert, sezerniert und von zirkum-ovalen Zellen phagozytiert wird (Abb. 3).
- Abb. 3. Immunhistologischer Nachweis von IPSE/alpha-1 (rot) in Schistosoma mansoni-infizierter Mausleber.
Wir vermuten, dass IPSE auf Grund seiner ausgeprägten IL-4- und IL-13-induzierenden Potenz und seines engen Kontakts zu Entzündungszellen eine Rolle bei der Verstärkung der Th2- und der IgE-Antwort spielt. Darüber hinaus hat die IL-4-/IL-13-induzierende Kapazität dieses Moleküls einen anti-entzündlichen Effekt durch Induktion alternativ aktivierter Makrophagen und durch Hemmung der IL-17-Produktion.
In vitro-Kultur von Schistosoma mansoni – Kulturschale statt Säugetierendwirt
Ein wichtiges Instrument für parasitologische und immunologische Untersuchungen in unserem Labor ist die in vitro-Kultur von Schistosoma mansoni. Unser gegenwärtiges Protokoll gestattet die in vitro-Reifung von Schistosomula (= Schistosomenlarven) bis zum Adultstadium einschließlich Pärchenbildung und Ablage unreifer Eier (Abb. 4). Im Gegensatz zum Tierversuch (= Black Box, „Ein-Punkt-Messung“) bietet die in vitro-Kultur die direkte und kontinuierliche Beobachtung aller Entwicklungsstadien des Parasiten inklusive Video-Dokumentation morphologischer Veränderungen, z.B. nach Reagentien-Zusatz. Die daraus resultierende präzise Information hilft, die Zahl der Versuchstiere und die Kosten in der Schistosomenforschung zu reduzieren. Eine der Stärken der in vitro-Kultur ist es, potentielle neue Pharmaka gegen die Schistosomiasis im Hoch-Durchsatz-Verfahren zu testen.
Im Rahmen des BMBF-Programms „Alternative Methoden zu Tierversuchen“ ist es unser Ziel, die Kulturbedingungen weiter so zu optimieren, dass es zur kompletten Ei-Reifung in vitro mit Freisetzung infektiöser Mirazidien kommt. Durch den damit erfolgten kompletten Transfer des Lebenszyklus des Parasiten in die Zellkulturschale wird eine Infektion von Säugetieren überflüssig. Daneben soll die Kryokonservierung der Parasiten optimiert und eine Schistosomenbank erstellt werden, die den Bedarfs-gerechten Zugriff auf viable/infektiöse Exemplare verschiedener Schistosomenspezies und -stämme gestattet, ohne dafür permanent Tiere infizieren zu müssen.
- Abb. 4. Schistosomula (= Schistosomenlarven) werden in vitro zu adulten Parasiten inklusive Pärchenbildung und Ablage unreifer Eier kultiviert (blaue Pfeile). Unser Ziel ist es, die Kulturbedingungen so zu optimieren, dass es zur kompletten Ausreifung der Eier mit Freisetzung infektiöser Mirazidien kommt („Schließen des Kreises“; roter Pfeil)