SFB 587:  Immunreaktionen der Lunge bei Infektion und Allergie

• Fachliche Zuordnung: Medizin ; Agrar-, Forstwissenschaften und Tiermedizin
• Förderung: Förderung von 2002 bis 2013
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 5485326

• Erstellungsjahr: 2013

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Bei der lebenswichtigen Aufgabe der ständigen Sauerstoffaufnahme und Kohlendioxydabgabe nimmt die Lunge auch Schadstoffe in der Luft sowie mikrobielle Erreger und Allergene auf. Im Projektbereich A des Sonderforschungsbereichs wurde die Interaktion zwischen mikrobiellen Erregern und der Lunge in Zellkultur und Tiermodellen sowie im natürlichen Wirt mit molekular- und zellbiologischen Methoden untersucht. Im Projektbereich B standen die einzelnen Zellen des Immunsystems und deren Rolle bei Allergien und Infektionen der Lunge im Vordergrund. Ein zentrales Thema, das von mehreren Arbeitsgruppen des SFB während der gesamten Laufzeit bearbeitet wurde, waren Untersuchungen zu Struktur und Funktion des bronchusassoziierten lymphatischen Gewebes (BALT). Die Lunge des erwachsenen Menschen besitzt im Normalfall keine sekundären lymphatischen Organe. Diese können sich jedoch bei immunologischen Belastungen bzw. bei allergischen Lungenerkrankungen bilden. Solche BALT-Strukturen liegen meist in einem der größeren Luftwege direkt unter der Schleimhaut und gleichen in ihrer Architektur klassischen permanenten Lymphknoten. So bestehen sie aus separaten B- und T-Zellbereichen und beherbergen verschiedene Subtypen dendritischer Zellen. Zu Beginn der SFB-Förderung war unbekannt, in wieweit BALT an Reaktionen des Immunsystems in der Lunge beteiligt ist. Die Forschungsarbeiten im SFB haben belegt, dass BALT tatsächlich als Ort der Immunzellaktivierungen dienen kann und dass spezielle Immunzellen, die dendritischen Zellen, für die Aufrechterhaltung von BALT wichtig sind. Dendritische Zellen wandern in BALT-Strukturen ein und interagieren dort mit antigenspezifischen T-Zellen und induzieren in der Folge die Vermehrung der reagierenden CD8 +T-Zellen. Mit diesen Untersuchungen ist es zum ersten Mal gelungen, das Verhalten von Immunzellen in neu entstandenen sekundären lymphatischen Organen in der Lunge zu beschreiben. Der Respirationstrakt ist die am häufigsten genutzte Eintrittspforte für Infektionserreger. Human- und veterinärmedizinisch relevante Bakterien, Viren und Pilze, die Erkrankungen der Atemwege verursachen können, standen im Mittelpunkt des Projektbereichs A des SFB. Ein zentrales Thema war die Analyse von Virulenzdeterminanten und Pathogenitätsmechanismen in vitro, ex vivo und in vivo bei den ökonomisch wichtigsten bakteriellen Erregern von Atemwegserkrankungen des Schweins, Streptococcus suis und Actinobacillus pleuropneumoniae. Während der ersten Förderperiode wurde auch über Aspergillus fumigatus gearbeitet, dem wichtigsten opportunistischen Pilzpathogen für den Menschen. Bei diesen Untersuchungen gelang es u.a., die erste Virulenzdeterminante von A. fumigatus, die Polyketid- Synthase pks-P, zu identifizieren. In die 2. und 3. Förderperiode des SFB wurden vermehrt Forschungsprojekte aufgenommen, die Pathogeneseforschung an zentralen bakteriellen Atemwegspathogenen des Menschen (Streptococcus pneumoniae, Mycobacterium tuberculosis und Pseudomonas aeruginosa) durchführten. Parallel zu dieser stärkeren Fokussierung auf humanpathogene Erreger verschob sich auch das Spektrum der Forschungstätigkeiten zur Wirtsabwehr von der mukosalen Immunologie und Vakzinenentwicklung in der 1. Förderperiode verstärkt hin zur Rolle der adaptiven Immunantwort bei allergischen Erkrankungen in der 2. und 3. Förderperiode. Neue Schwerpunkte waren die genetische Disposition zum Asthma und die Rolle maternofetaler Tolerisierung bei der Asthma-Entstehung. Bei diesen Untersuchungen konnte erstmals gezeigt werden, dass der mütterliche Immunstatus vor der Konzeption das Allergierisiko der Nachkommen beeinflusst. Der Erfolg der Forschungsarbeiten war eng verknüpft mit der Etablierung und Anwendung von neuen Methoden. Für die genomweite Suche nach bisher unbekannten Virulenzdeterminanten wurden Protokolle für die differentiellen Vergleiche der Genexpression in vivo und in vitro über Proteomik und Massenspektrometrie und signaturspezifische Transposonbibliotheken entwickelt. Zum Studium chronisch im Latenzstadium persistierender Viren im Lungengewebe wurden replikationsdefiziente konditionale Mutanten generiert. Für die hypothesengetriebene Pathogeneseforschung an den Atemwegen wurden in mehreren Teilprojekten transgene oder konditionale Mausmodelle mit teilweise sogar zelltyp- oder gewebespezifischer Expression des rekombinanten Zielproteins generiert. Für Schwein, Ratte oder Maus wurden komplexe bakterielle Atemwegsinfektionsmodelle aufgebaut. Darüber hinaus wurden komplette Asthma-Modelle (inklusive Sensibilisierung, Boosterung und Inhalationen) sowie Messplätze für die Lungenfunktionsmessung an der Maus vorgehalten. Parallel dazu wurde eine vertiefte Expertise zur morphologischen Charakterisierung von Atemwegen aufgebaut. Zur Analyse der Immunzell-Nerv-Interaktion der allergisch entzündeten Lunge wurde mittels konfokaler Mikroskopie und 3D-Bildrekonstruktion an transgenen Tieren die anatomische Lage von dendritischen Zellen und Nerven in den Atemwegen der Maus aufgeklärt. Durch Kombination der sogenannten „whole mount“ Immunhistologie zusammen mit konfokaler Mikroskopie konnte die Lagebeziehung der DC-T-Zellcluster im Verhältnis zu strukturellen Zellen wie Nerven, Epithel- oder glatter Muskulatur dreidimensional dargestellt werden. Weiterhin wurde die Methode der sogenannten Scanning Laser Optical Tomography für die nicht destruktive Bildgebung der Mäuselunge ex vivo eingesetzt. Aus den Scans lassen sich volumetrische Datensätze mit beliebigen virtuellen Schnittebenen rekonstruieren, die mit der Lichtmikroskopie korrelieren und auf deren Basis Strukturen wie der Gefäßbaum oder einzelne Azini per Bildanalyse heraussegmentiert werden können. Außerdem wurde während der letzten Förderphase das Verfahren der Stereologie der Mäuselunge am Standort etabliert. Zusätzlich wurden schonende Verfahren zur Isolierung von Zellen des Atemwegsparenchyms wie z.B. die Isolierung von Alveolar-Typ 2-Zellen entwickelt. Des Weiteren konnte das Verfahren der sogenannten Durchflusszytometrie um die innovative neue Technologieplattform der iterativen-chipbasierten Zytometrie erweitert werden. Diese Plattform besteht aus microfluidic Chips und Antikörperfluorokonjugaten, automatisierter Fluoreszenzmikroskopie, Software zur Datenakquisition und Analyse und heuristischen GO- basierten Auswerteprogrammen. Die chipbasierte Zytometrie ermöglicht die tiefe phänotypische Analyse kleinster Zellmengen mit einer unbegrenzten Anzahl an beliebigen zellulären Markern. Dieses innerhalb des SFB entwickelte Verfahren hat mittlerweile weltweit Anwendung in verschiedensten Bereichen der Lebenswissenschaften gefunden, wo mit geringsten Zellmengen eine maximale Informationsdichte angestrebt wird. Neben diesen höchst innovativen Entwicklungen im Bereich der Morphologie und Zytometrie wurden auch genetische Verfahren ins Methodenspektrum des SFB integriert. Genannt seien die genomweite Assoziationsanalyse und die patentierte Neuentwicklung eines Mikroarrays zur schnellen Genotypisierung von Pseudomonas aeruginosa Bakterien. Ein weltweit einzigartiges Alleinstellungsmerkmal des SFB sind die Untersuchungsräume am Fraunhofer-Institut für Toxikologie und Experimentelle Medizin, wo in vivo am Menschen der Einfluss der Inhalation von Feinstäuben, Bioaerosolen wie LPS oder Pollen auf die Atemfunktion von Patienten mit Disposition zu Asthma oder Allergie untersucht werden kann. Lungensegmente werden mit Umweltpartikeln wie Feinstäuben und/oder LPS instilliert und am Folgetag im Rahmen einer 2. Bronchoskopie Material aus den provozierten Segmenten und nicht behandelten Segmenten gewonnen und untersucht. Die Verlagerung des Schwerpunkts innerhalb des SFBs von einer erregerorientierten Pathogeneseforschung während der 1. Förderperiode hin zu einer mehr auf den Wirt fokussierten allergologischen und immunologischen Forschung ist auch durch die Fluktuation der beteiligten Wissenschaftler zu erklären. Während der Laufzeit des SFB wurden inhaltliche Synergien zwischen den einzelnen Teilprojekten vor allen Dingen in folgenden Feldern erzielt: die Genese von BALT, die Rolle von dendritischen Zellen und regulatorischen T-Zellen bei Atemwegserkrankungen, Struktur- Funktions-Beziehungen am Surfactant, neuroimmune Interaktionen in den Atemwegen, die Interaktion von Atemwegsepithelzellen und Erregern im Zellkulturmodell und genomweite Ansätze zur Aufklärung der Disposition des Menschen zu Atemwegserkrankungen und zur Aufklärung von Virulenzdeterminanten von mikrobiellen Erregern.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• A single intratracheal dose oft he growth factor Flt3L induces a rapid differential increase of dendritic cells and lymphocyte subsets in lung tissue and bronchoalveolar lavage resulting in increased local antibody production. J Immunol 2003; 171: 325-330
  Pabst R, Lührmann A, Steinmetz I, Tschernig T
  
• Cooperating Mechanismus of CXCR5 and CCR7 in Development and Organization of Seondary Lymphoid Organs. J Exp Med 2003; 197: 1199-1204
  Ohl L, Henning G, Krautwald S, Lipp M, Hardtke S, Bernhardt G, Pabst O, Förster R
  
• Identification of a novel plasmin(ogen)-binding motif in surface displayed alpha-enolase of Streptococcus pneumoniae. Mol Microbiol 2003; 49:411-23
  Bergmann S, Wild D, Diekmann O, Frank R, Bracht D, Chhatwal GS, Hammerschmidt S
  
• Segmental allergen challenge in patients with atopic asthma leads to increased IL-9 expression in bronchoalveolar lavage fluid lymphocytes. J Allergy Clin Immunol 2003; 111:1319- 1327
  Erpenbeck VJ, Hohlfeld, JM, Volkmann B, Hagenburg A, Geldmacher H, Braun A, Krug N
  
• C5a initiates the inflammatory cascade in immune complex peritonitis. J. Immunol 2004; 173: 3437-3445
  Godau J, Heller T, Hawlisch H, Trappe M, Howells E, Best J, Zwirner J, Verbeck JS, Hogarth PM, Gerard C, Van Rooijen N, Klos A, Gessner JE, Kohl J
  
• CCR7 governs skin dendritic cell migration under inflammatory and steady-state conditions. Immunity 2004; 21: 279-288
  Ohl L, Mohaupt M, Czeloth N, Hintzen G, Kiafard Z, Zwirner J, Blankenstein T, Henning G, Förster R
  
• CD4 T Lymphocyte-mediated lung disease: steady state between pathological and tolerogenic immune reactions. Am J Respir Crit Care Med 2004;170:1145-1152
  Bruder D, Westendorf AM, Geffers R, Gruber AD, Gereke M, Enelow RI, and Buer J
  
• Eosinophil cationic protein alters pulmonary surfactant structure and function in asthma. J Allergy Clin Immunol 2004; 113: 496-502
  Hohlfeld JM, Schmiedl A, Erpenbeck VJ, Venge P, Krug N
  
• Identification of genes transcribed by Actinobacillus pleuropneumoniae in necrotic porcine lung tissue by using selective capture of transcribed sequences. Infect Immun 2004; 72:6711-6
  Baltes N, Gerlach GF
  
• Metal-rich ambient particles (particulate matter 2.5) cause airway inflammation in healthy subjects. Am J Respir Crit Care Med 2004; 170: 898-903
  Schaumann F, Borm PJ, Herbrich A, Knoch J, Pitz M, Schins RP, Luettig B, Hohlfeld JM, Heinrich J, Krug N
  
• Natural porcine surfactant augments airway inflammation after allergen challenge in patients with asthma. Am J Respir Crit Care Med 2004; 169:578-86
  Erpenbeck VJ, Hagenberg A, Dulkys Y, Elsner J, Bälder R, Krentel H, Discher M, Braun A, Krug N, Hohlfeld JM
  
• Non-encapsulated strains reveal novel insights in invasion and survival of Streptococcus suis in epithelial cells. Cell Microbiol. 2004;6:867-81
  Benga L, Goethe R, Rohde M, Valentin-Weigand P
  
• Thymic T cell development and progenitor localization depend on CCR7. J Exp Med 2004; 200: 481-491
  Misslitz A, Pabst O, Hintzen G, Ohl L, Kremmer E, Petrie HT, Förster R
  
• The conduit system transports soluble antigens from the afferent lymph to resident dendritic cells in the T cell area oft he lymph node. Immunity 2005; 22: 19-22
  Sixt M, Kanazawa N, Selg M, Samson T, Roos G, Reinhard DP, Pabst R, Lutz MB, Sorkin L
  
• tructure, regulation, and putative function of the arginine deiminase system of Streptococcus suis. J Bacteriol 2006; 188:361- 9
  Gruening P, Fulde M, Valentin-Weigand P, Goethe R
  
• CCR7 ligands stimulate the intranodal motility of T lymphocytes in vivo. J Exp Med 2007; 204:489-95
  Worbs T, Mempel TR, Bölter J, von Andrian UH, Förster R
  
• Population structure of Pseudomonas aeruginosa. Proc Natl Acad Sci USA 2007; 104:8101-6
  Wiehlmann L, Wagner G, Cramer N, Siebert B, Gudowius P, Morales G, Köhler T, van Delden C, Weinel C, Slickers P, Tümmler B
  
• Regulatory T cells interfere with the development of bronchus-associated lymphoid tissue. J Exp Med 2007; 204:723-34
  Kocks JR, Davalos-Misslitz AC, Hintzen G, Ohl L, Förster R
  
• Allergy prevention starts before conception: maternofetal transfer of tolerance protects against the development of asthma. J Allergy Clin Immunol, 2008. 122(5): p. 1022-1030 e5
  Polte, T., C. Hennig, and G. Hansen
  
• Endotoxin augments myeloid dendritic cell influx into the airways in patients with allergic asthma. Am J Respir Crit Care Med 2008; 177: 1307-13
  Schaumann F, Müller M, Braun A, Luettig B, Peden DB, Hohlfeld JM, Krug N
  
• (2009). Induced bronchus-associated lymphoid tissue serves as a general priming site for T cells and is maintained by dendritic cells. J Exp Med 206, 2593-2601
  Halle, S., Dujardin, H. C., Bakocevic, N., Fleige, H., Danzer, H., Willenzon, S., Suezer, Y., Hammerling, G., Garbi, N., Sutter, G., and Förster, R.
  
• 2009. Conditional and reversible disruption of essential herpesvirus proteins. Nat. Methods 6:577-9
  Glass M, Busche A, Wagner K, Messerle M, Borst EM
  
• Differential sensitivity of differentiated epithelial cells to respiratory viruses reveals different viral strategies of host infection. J Virol 2009; 83:1962-8
  Goris K, Uhlenbruck S, Schwegmann-Wessels C, Köhl W, Niedorf F, Stern M, Hewicker- Trautwein M, Bals R, Taylor G, Braun A, Bicker G, Kietzmann M, Herrler G
  
• Role of the transcriptional regulator RamB (Rv0465c) in the control of the glyoxylate cycle in Mycobacterium tuberculosis. J Bacteriol 2009; 191: 7260-9
  Micklinghoff JC, Breitinger KJ, Schmidt M, Geffers R, Eikmanns BJ, Bange FC
  
• Differential sensitivity of well-differentiated avian respiratory epithelial cells to infection by different strains of infectious bronchitis virus. J Virol 2010; 84:8949
  Abd El Rahman S, Winter C, El-Kenawy A, Neumann U, Herrler G
  
• (2011) An IL-9 fate reporter demonstrates the induction of an innate IL-9 response in lung inflammation. Nat Immunol 12(11): 1071-1077
  Wilhelm C, Hirota K, Stieglitz B, Van Snick J, Tolaini M, Lahl K, Sparwasser T, Helmby H, Stockinger B
  
• Afferent lymph-derived T cells and DCs use different chemokine receptor CCR7-dependent routes for entry into the lymph node and intranodal migration. Nat Immunol 2011; 12: 879- 87
  Braun A, Worbs T, Moschovakis GL, Halle S, Hoffmann K, Bölter J, Münk A, Förster R
  
• CD4+CD25+Foxp3+ regulatory T cells are dispensable for controlling CD8+ T cell-mediated lung inflammation. J. Immunol. 2011 Jun 1;186(11):6106-18. Epub 2011 Apr 25
  Tosiek, M.J., Gruber, A.D., Bader, S., Hoymann, H.G., Mauel, S., Tschernig, T., Buer, J., Gereke, M., and Bruder, D.
  
• Lymph node T cell homeostasis relies on steady state homing of dendritic cells. Immunity 2011; 35:945-57
  Wendland M, Willenzon S, Kocks J, Davalos-Misslitz AC, Hammerschmidt SI, Schumann K, Kremmer E, Sixt M, Hoffmeyer A, Pabst O, Förster R
  
• Segmental allergen challenge alters multimeric structure and function of surfactant protein D in humans. Am J Respir Crit Care Med 2011; 183: 856-64
  Atochina-Vasserman EN, Winkler C, Abramova H, Schaumann F, Krug N, Gow AJ, Beers MF, Hohlfeld JM
  
• (2012): Imaging of the mouse lung with scanning laser optical tomography (SLOT). J Appl Physiol 113:975-983
  Kellner M, Heidrich M, Beigel R, Lorbeer RA, Knudsen L, Ripken T, Heisterkamp A, Meyer H, Kühnel MP, Ochs M
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1117/12.2003955)
• A new role of the complement system: C3 provides protection in a mouse model of lung infection with intracellular Chlamydia psittaci. PLoS One 2012, 7:e50327
  Bode J, Dutow P, Sommer K, Janik K, Glage S, Tümmler B, Munder A, Laudeley R, Sachse KW, Klos A
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1371/journal.pone.0050327)
• Defective macrophage migration in Gai2- but not Gai3-deficient mice. J Immunol 2012;189:980-987
  Wiege K, Le DD, Syed SN, Ali SR, Novakovic A, Beer-Hammer S, Piekorz RP, Schmidt RE, Nürnberg B, Gessner JE
  
• ICOS mediates the generation and function of CD4+CD25+Foxp3+ regulatory T cells conveying respiratory tolerance, J Immunol, 2012, 189, 1975-82
  Busse M, Krech M, Meyer-Bahlburg A, Hennig C, Hansen G
  (Siehe online unter https://doi.org/10.4049/jimmunol.1103581)
• IL-4 attenuates pulmonary epithelial cell-mediated suppression of T cell priming. PLoS One. 2012; 7:e45916
  Albrecht M, Arnhold M, Lingner S, Mahapatra S, Bruder D, Hansen G, Dittrich AM
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1371/journal.pone.0045916)
• TNF-related apoptosis-inducing ligand (TRAIL) exerts therapeutic efficacy for the treatment of pneumococcal pneumonia in mice. J Exp Med 2012; 209: 1937-52
  Steinwede K, Henken S, Bohling J, Maus R, Ueberberg B, Brumshagen C, Brincks EL, Griffith TS, Welte T, Maus UA
  
• Toll-like receptor-2 agonist-allergen coupling efficiently redirects Th2 cell responses and inhibits allergic airway eosinophilia. Am J Respir Cell Mol Biol 2012; 47:852-63
  Krishnaswamy JK, Jirmo AC, Baru AM, Ebensen T, Guzmán CA, Sparwasser T, Behrens GM
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1165/rcmb.2011-0414OC)
• Aeroallergen challenge promotes dendritic cell proliferation in the airways. J Immunol. 2013;190(3):897-903
  Veres TZ, Voedisch S, Spies E, Valtonen J, Prenzler F, Braun A
  (Siehe online unter https://doi.org/10.4049/jimmunol.1200220)
• Anti-inflammatory and immunomodulatory properties of α1-antitrypsin without inhibition of elastase. Proc Natl Acad Sci USA 2013; 110: 15007-12
  Jonigk D, Al-Omari M, Maegel L, Müller M, Izykowski N, Hong J, Hong K, Kim SH,Dorsch M, Mahadeva R, Laenger F, Kreipe H, Braun A, Shahaf G, Lewis EC, Welte T, Dinarello CA, Janciauskiene S
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1073/pnas.1309648110)
• Gai2 is the essential Gai protein in immune complex-induced lung disease. J Immunol 2013;190:324-333
  Wiege K, Ali SR, Gewecke B, Novakovic A, Konrad FM, Pexa K, Beer-Hammer S, Reutershan J, Piekorz RP, Schmidt RE, Nürnberg B, Gessner JE