Arbeitsgruppe Infektionsimmunologie

Aktuelle Forschungsprojekte der Arbeitsgruppe Infektionsimmunologie

Die Arbeitsgruppe Infektionsimmunologie unter Leitung von Prof. Dr. Wallich führt derzeit eigenverantwortlich oder unter Beteiligung weiterer Wissenschaftler, Einrichtungen oder Organisationen Forschungen auf den folgenden Gebieten durch:

Charakterisierung neuer Borrelia burgdorferi Antigene für die Impfstoffentwicklung und Untersuchungen zu Pathogenese der Lyme Borreliose

Escape Mechanismen von Lyme Borreliose und Rückfallfieber Spirochäten

Thema

• Charakterisierung neuer Borrelia burgdorferi Antigene für die Impfstoffentwicklung und Untersuchungen zu Pathogenese der Lyme Borreliose
• Struktur-/Funktionsanalyse Faktor H/FHL-1 bindender Moleküle von Lyme Borreliose und Rückfallfieber Spirochäten

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DFG Wa533/8-1

Zusammenfassung

Die Lyme-Borreliose stellt eine durch Zecken übertragene bakterielle Infektionskrankheit dar. Klinisch manifestiert sich die Erkrankung u. a. in der Haut, den Gelenken und am Nervensystem. Wir beschäftigen uns mit der Aufklärung der molekularen Mechanismen der Erreger-Wirts-Interaktion bei der Lyme-Borreliose. Im Vordergrund stehen dabei insbesondere die Interaktion von Borrelien mit humanen T-Lymphozyten, Monozyten und dendritischen Zellen. Wir konnten zeigen, daß Lipoproteine von Borrelia burgdorferi kostimulatorisch auf die Aktivierung von Leukozyten wirken.

Hinsichtlich der Fähigkeit, sich der lytischen Wirkung des Komplements (wichtiger Bestandteil der angeborenen Immunsystems) zu entziehen, konnten die Borrelien in drei Gruppen mit unterschiedlicher Sensitivität gegenüber humanem Serum eingeteilt werden. Serum (Komplement) resistente Borrelien Isolate exprimieren auf Ihren Oberflächen sog. CRASP (complement regulator acquiring surface protein) Moleküle, mit deren Hilfe die Regulatorproteine, Faktor H und FHL-1, der Komplementaktivierung aus dem Serum gebunden werden können. Dadurch sind Borrelien in der Lage, ihre Abtötung zu verhindern. Es wurden verschiedene CRASP Moleküle, die als potentielle Virulenzfaktoren angesehen werden, inzwischen erfolgreich kloniert und als rekombinante Proteine hergestellt. Zukünftige Studien sollen die 3D Struktur der CRASP Moleküle aufklären und Ansatzpunkte für therapeutische Interventionen liefern.

Impfstoff gegen die Lyme Borreliose

Im Rahmen unserer Arbeiten wurde ein prophylaktischer Impfstoff gegen die Lyme Borreliose entwickelt, der nach erfolgreichem Abschluß der klinischen Prüfungen in den USA zugelassen worden ist. Der Impfstoff basiert auf dem rekombinanten Lipoprotein (OspA) von Borrelia burgdorferi Stamm ZS7. Das OspA Molekül weist bei europäischen Borrelien Isolaten eine ausgeprägte Heterogenität auf. In Europa wird ein polyvalenter Impfstoff notwendig sein. Die neueste Entwicklung im Bereich der Impfungen stellt die "genetische Immunisierung" dar. Sie beruht auf der Injektion von Plasmid-DNA. Wir konnten bereits im Maus-Modell der Lyme Borreliose die erfolgreiche Anwendung der DNA Vakzinierung nachweisen. Unsere experimentellen Daten weisen darauf hin, daß neben dem OspA noch andere Proteine als Impfstoff geeignet sind.

Escape Mechanismen von Borrelien 

Die Erreger der Lyme Borreliose und die Rückfallfieber-Spirochäten, Borrelia burgdorferi und Borrelia hermsii, binden über Oberflächenproteine, sog. CRASPs, wirtsspezifische Komplementinhibitoren, Faktor H und/oder FHL-1, und können über diesen Escape-Mechanismus der angeborenen Immunabwehr entgehen. Komplementresistente B. burgdorferi Stämme exprimieren auf ihrer Oberfläche bis zu fünf verschiedene CRASPs, die verschiedenen Proteinfamilien angehören. BbCRASP-1 wird von komplementresistenten B. burgdorferi Stämmen während des Infektionszyklus in der Zecke und im Säugerwirt exprimiert. Kürzlich konnten wir die atomare Struktur des Faktor H/FHL-1 bindenden BbCRASP-1 Proteins aufklären. Die Struktur des BbCRASP-1 Homodimers weist eine bisher unbekannte Proteinfaltung auf. BbCRASP-1 bietet somit eine neue Zielstruktur für die Entwicklung von Therapieansätzen.

Weiterhin sollen vergleichende Analysen auch mit Faktor H/FHL-1 bindenden Strukturen von Rückfallfieber Spirochäten durchgeführt werden, die von uns identifiziert werden konnten. Mit Hilfe von Expressionsgenbanken der verschiedenen Rückfallfieber Spirochäten (B. parkeri, B. hermsii, B. recurrentis und B. duttonii) sollen die entsprechenden Faktor H/FHL-1 bindenden Proteine (Fhb) kloniert und charakterisiert werden. Die strukturelle Aufklärung von CRASP Molekülen verwandter Borrelien soll dazu beitragen, den molekularen Mechanismen der Komplementinhibition durch pathogene Mikroorganismen aufzuklären. Über detaillierte Studien zur bakteriellen Expression von CRASP Molekülen im Verlauf der Zoonose und unter Verwendung von CRASP-defizienten Borrelia Mutanten soll die Rolle der Faktor H/FHL-1 bindenden Moleküle bei der Persistenz des Erregers, sowie der Pathogenese und Protektion aufgeklärt werden. Im Zusammenhang mit unseren früheren Erkenntnissen könnten diese Untersuchungen zur Entwicklung eines Impfstoffes gegen Rückfallfieber Borrelien beitragen.

Literatur zum Thema:

1. Production of a recombinant bacterial lipoprotein in higher plant chloroplasts. Nat Biotechnol. 2006 Jan;24(1):76-7.
2. Borrelia burgdorferi regulates expression of complement regulator-acquiring surface protein 1 during mammal-tick infection cycle. Infect Immun. 2005 Nov;73(11):7398-405.
3. Identification and functional characterization of complement regulator-acquiring surface protein 1 of the Lyme disease spirochetes Borrelia afzelii and Borrelia garinii. Infect Immun. 2005 Apr;73(4):2351-9.
4. A novel fold for the factor H-binding protein BbCRASP-1 of Borrelia burgdorferi. Nat Struct Mol Biol. 2005 Mar;12(3):276-7.
5. A fusion product of the complete Borrelia burgdorferi outer surface protein A (OspA) and the hepatitis B virus capsid protein is highly immunogenic and induces protective immunity similar to that seen with an effective lipidated OspA vaccine formula. Eur J Immunol. 2005 Feb;35(2):655-65.
6. Direct Toll-like receptor 2 mediated co-stimulation of T cells in the mouse system as a basis for chronic inflammatory joint disease. Arthritis Res Ther. 2004;6(5):R433-46.
7. Quantitative analysis of Borrelia burgdorferi gene expression in naturally (tick) infected mouse strains. Med Microbiol Immunol. 2005 Jan;194(1-2):81-90.
8. Complement resistance of Borrelia burgdorferi correlates with the expression of BbCRASP-1, a novel linear plasmid-encoded surface protein that interacts with human factor H and FHL-1 and is unrelated to Erp proteins.J Biol Chem. 2004 Jan 23;279(4):2421-9.
9. Artificial-infection protocols allow immunodetection of novel Borrelia burgdorferi antigens suitable as vaccine candidates against Lyme disease.Eur J Immunol. 2003 Mar;33(3):708-19.
10. Immune evasion of Borrelia burgdorferi: mapping of a complement-inhibitor factor H-binding site of BbCRASP-3, a novel member of the Erp protein family.Eur J Immunol. 2003 Mar;33(3):697-707.

Beteiligte Wissenschafler

• Prof. Dr. Wallich, Institut für Immunologie, Heidelberg
• Prof. Dr. Simon, Max-Planck-Institut für Immunbiologie, Freiburg
• Prof. Dr. Zipfel, Hans-Knöll-Institut für Naturprodukt Forschung, Jena
• Prof. Dr. Kraiczy, Institut für Medizinische Mikrobiologie, Universität Frankfurt