SFB 587:  Immunreactions of the Lung in Infection and Allergies

• Subject Area: Medicine ; Agriculture, Forestry and Veterinary Medicine
• Term: from 2002 to 2013
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 5485326

• Final Report Year: 2013

Final Report Abstract

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.

Publications

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