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Department Immunology and Cell Biology

Cellular Allergology

Projects

Schistosoma mansoni
Schistosoma mansoni

The members of Research Group Cellular Allergology have moved to the Research Group Experimental Pneumology

Immunomodulation by Parasitic Worms

Recent summary of our activities in International Innovation*.

Parasitic worms are potent inducers of a T helper type 2 (Th2) and IgE response. However, during chronic worm infections, Th2 (and also Th1) responses are down-regulated by worm-derived highly active anti-inflammatory molecules. Thus, parasitic worms – despite being powerful inducers of a Th2 response – possess an anti-allergic/anti-inflammatory effect. This seemingly paradoxical activity results from the co-evolution (Fig. 1) between worms and their host characterized by the endeavour of the worms to dampen the defence of the host without harming the same, and the endeavour of the host, to get rid of the undesired guests without causing "collateral damage".

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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.
Würmer und Menschen

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.
Wirkstoffentwicklung

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 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 durch Entzündungszellen phagozytiert wird (Abb. 3).

Abb. 3. Immunhistologischer Nachweis von IPSE/alpha-1 (rot) in Schistosoma mansoni-infizierter Mausleber.
immunohistological analyses

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 (Achtung, längere Ladezeiten, Video mit 194 MB) (vgl.: reife Eier aus infizierter Mausleber inklusive Schlüpfen eines Mirazidiums sowie adulte ex vivo Schistosomen aus infizierten Hamstern nach 10-tägiger in vitro-Kultur). Einblick in die Haltung von Wasserschnecken (Zwischenwirte für Schistosoma mansoni) und unsere „Wurmfarm“ gibt das folgende Video.


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.

Dieses Projekt wurde durch das BMBF-Programm „Alternative Methoden zu Tierversuchen“ gefördert (0315277). Unser Ziel ist es, die Kulturbedingungen weiter so zu optimieren, dass es zur kompletten Ei-Reifung in vitro mit Freisetzung infektiöser Mirazidien kommt. Der Transfer des Parasiten in die Zellkulturschale macht eine Infektion von Säugetieren überflüssig und leistet damit einen Beitrag im Sinne des 3 R-Konzepts (Refine, Reduce, Replace) zur Einsparung von Tierversuchen.

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)
Schistosoma in vitro culture