Die Besiedlung des Darms mit seinem natürlichen Mikrobiom stellt eine erste immunologische Herausforderung für das Neugeborene dar. Eine Fehlbesiedlung (Dysbiose) ist mit entzündlichen Veränderungen assoziiert, eine regelrechte Darmbesiedlung (zum Beispiel durch spontane Geburt und Muttermilch) bewirkt hingegen eine Abnahme von pro-inflammatorischen Ereignissen in der Neonatalperiode wie Sepsis, Nekrotisierende Enterokolitis (NEC) oder Bronchopulmonale Dysplasie (BPD). Das aktuelle Projekt definiert am fetalen Mausmodell inwieweit die pränatale, maternale Gabe von Probiotika das immunologische Outcome von Früh- und Neugeborenen verbessern kann. Dieses Projekt ist inhaltlich eng an die klinische Studie des PRIMAL-Konsortiums gekoppelt (https://primal-studie.de). 

Funding: BMBF (01GL1746E)

Project Lead: Hannes Hudalla

In diesem Projekt wird anhand der fetalen Intravital-Mikroskopie die Rolle von ER-Stress in der LPS-induzierten Endotoxämie untersucht. Hauptaugenmerk ist hierbei die Rekrutierung von Neutrophilen und der pharmakologische Manipulation. Vorarbeiten konnten zeigen, dass ER-Stress eine wichtige regulatorische Zielgröße in der klinischen Sepsis darstellt. Aktuell werden chemische Chaperone, welche ER-Stress modulatorische Eigenschaften besitzen und für die klinische Anwendung am Patienten zugelassen sind, auf ihre möglichen immunmodulatorischen Eigenschaften überprüft.

Funding: DFG (277333310)

Project Lead: Maylis Braun

Arginin ist eine Aminosäure und bildet im Körper NO – ein potenter Vasodilator und immunologischer Mediator über Second Messenger Pathways. Bei Geburt sind die Arginin-Spiegel im Blut von Frühgeborenen deutlich reduziert und fallen in der klinischen Sepsis weiter ab. In funktionellen Flusskammerexperimenten konnten wir einen Gestationsalter-abhängigen Einfluss von Arginin auf die Leukozytenrekrutierung zeigen. Aktuell wird die Supplementation von Arginin in der klinischen Sepsis anhand von humanen Blutproben und in präklinischen Tiermodellen erforscht.

Project Lead: Raphaela Tschada

Muskeldystrophie Duchenne (DMD) wird durch eine Mutation im Dystrophin kodierenden Gen verursacht. Neben einer strukturellen Schädigung des Muskels ist auch eine pro-inflammatorische Aktivierung bei DMD-Patienten bekannt. Betroffene Muskelgruppen zeigen eine deutliche Infiltration mit Leukozyten und Zytokine sowie Chemokine sind stark hochreguliert. Interessanterweise zeigen sich jedoch pro-inflammatorische Veränderungen lange bevor eine klinische Muskelschwäche eintritt. Wir konnten bereits zeigen, dass die Leukozytenrekrutierung in einem präklinischen Modell (mdx-Maus) durch Dystrophindefizienz stark gesteigert ist. Das aktuelle Forschungsvorhaben beschäftigt sich mit möglichen Dystrophin-abhängigen primären Immundefekten. Ziel ist eine mögliche neonatale Behandlung bei noch nicht symptomatischen DMD-Patienten.

Project Lead: Simon Kranig

Das Immunsystem von Neugeborenen besteht aus unreifen Immunzellen, insbesondere angeborenen Immunzellen, die kontinuierlich Immunreaktionen gegen externe oder interne Faktoren auslösen, während sie reifen. Das angeborene Immunsystem wurde lange Zeit als archaisch angesehen, aufgrund des Mangels an immunologischem Gedächtnis; dieser Paradigma wurde jedoch durch mehrere Studien herausgefordert, die eine neue Fähigkeit dieses Teils der Immunität zur Entwicklung von unspezifischen (adaptiven) Gedächtnis-artigen Entzündungsreaktionen zum Schutz gegen sekundäre Infektionen - trainierte Immunität - oder zur Unterstützung von immunsuppressiven Reaktionen, die reparierende Reaktionen unterstützen - Endotoxin-Toleranz - anzeigen. Neutrophile sowie Mikroglia sind bekannt dafür, in koordinierter Weise an verschiedenen physiologischen und pathologischen Prozessen während des Lebens teilzunehmen, insbesondere bei wichtigen Prozessen (z.B. Abwehr, Neuroinflammation, Homöostase, Musterbildung und Verdrahtung des Gehirns) während der frühen Entwicklung.

Bis heute wurde berichtet, dass das Mikrobiom die Immunfunktionen des Wirts beeinflusst, insbesondere die angeborenen Immunzellen (z.B. Neutrophile, Mikroglia) [Pronovost et al., Immunity (2019)]. Dennoch bleibt das Potenzial von Neutrophilen und Mikroglia, sich kontinuierlich verschiedenen pathogenen Erregern wie Lipopolysaccharid (LPS; gramnegative Bakterien), Lipoteichonsäure (LTA; grampositive Bakterien) oder Mikrobiota-abgeleiteten Exosomen (Exo; Größe 30 - 150 nm) anzupassen und gegensätzliche adaptive Entzündungsreaktionen zu fördern, unklar und kann von entscheidender Bedeutung sein, um angemessene Immunreaktionen zu ermöglichen oder die übermäßigen Entzündungsreaktionen während der frühen Entwicklung zu begrenzen. Zusammenfassend könnte ein besseres Verständnis dieser Interaktionen ein wichtiges transnationales Potenzial bieten.

Project Lead: Dr. Trim Lajqi, MPharm

Neugeborene sind infektionsanfälliger als Erwachsene – Grund dafür ist eine verminderte Immun Reaktivität des angeborenen Immunsystems, insbesondere der Monozyten. Im Rahmen einer Sepsis lagern Monozyten vermehrt Eisen ein, sodass dieses einem bakteriellen Erreger verringert als Nährstoff zur Verfügung steht. Wir möchten die Rolle von Eisen in den Stressmechanismen der neonatalen Monozyten untersuchen und herausfinden, ob sich neonatale Monozyten dabei von denen Erwachsener unterscheiden. Mithilfe von quantitativer Echtzeit-PCR (qPCR), Durchflusszytometrie, ELISA und der Messung mitochondrialer Aktivität (Seahorse Assay) wollen wir erfassen, wie sich in vitro mit Lipopolysaccharid (LPS) stimulierte Monozyten verhalten, wenn sie zusätzlich mit Eisen oder einem Eisenchelator behandelt werden.

Zudem möchten wir herausfinden, ob ein Eisenmangel der Mutter zum Zeitpunkt der Geburt einen Einfluss auf das Verhalten der Monozyten, sowie den klinischen Verlauf des Kindes hat. Dafür werden zusätzlich diverse Eisenparameter im Blut der Mutter erhoben, sowie klinische Parameter bei Mutter und Kind wie ein vorzeitiger Blasensprung und das Auftreten von Infektionen innerhalb von 30 Tagen.

Ziel des Projekts ist, ein besseres Verständnis für die Pathophysiologie schwerer Infektionen bei Neugeborenen zu entwickeln und gegebenenfalls mit Eisen oder Eisenchelatoren einen möglichen Präventions- oder Therapieansatz zu finden.

Funding: DZIF (MD Programm/Stipendium)

Project Lead: Soumya Lutterbach (Doktorandin; Kooperation mit AG Fischer und AG Muckenthaler)

Neugeborene sind aufgrund ihres unreifen Immunsystems, das hauptsächlich auf die Reaktionen des angeborenen Immunsystems angewiesen ist, sehr anfällig für Infektionskrankheiten. Das angeborene Immunsystem besteht aus angeborenen Immunzellen, die einen unspezifischen Erregerschutz gegen verschiedene Infektionen bieten und in den frühen Lebensphasen weitere Toleranzmechanismen regulieren. Es ist bekannt, dass verschiedene angeborene Immunzellen (d.h. Monozyten, Makrophagen, dendritische Zellen (DCs)) als Antigen-präsentierende Zellen (APCs) typischerweise dazu neigen, sich in einer entzündungshemmenden (toleranten) Umgebung zu verewigen, wobei es im Vergleich zu erwachsenen angeborenen Immunzellen signifikante Unterschiede im Hinblick auf das Zytokin Profil gibt.

Mikroglia als immunkompetente Zellen des zentralen Nervensystems (ZNS) regulieren die Homöostase des Gehirns, indem sie dessen Strukturierung und Vernetzung von der frühen Entwicklung bis zum Lebensende kontrollieren. Neue Studien haben gezeigt, dass der immuntolerante Phänotyp der angeborenen Immunzellen des Neugeborenen, vor allem der Mikrogliazellen, während der fetalen Entwicklung von entscheidender Bedeutung ist, um vor extensiven entzündlichen Immunreaktionen zu schützen, die zur Pathologie verschiedener entzündlicher Erkrankungen beitragen könnten. Darüber hinaus ist die Hypoxie des Fötus oder Neugeborenen die häufigste Ursache für zerebrale Behinderungen und den Neugeborenen Tod. Die genaue Rolle, die Hypoxie bei der Entwicklung von Immuntoleranzreaktionen in Mikrogliazellen spielt, ist bisher jedoch noch nicht geklärt. Unter Verwendung immortalisierter BV-2-Zellen als geeignete Alternative für murine Mikrogliazellen werden wir die Rolle der Hypoxie bei der Entwicklung von Immuntoleranz durch Lipopolysaccharid (LPS) in vitro untersuchen.

Project Lead: Alicia Chavero (Doktorandin)

Die angeborenen Immunzellen wurden aufgrund des Mangels an Gedächtnisfunktionen als evolutionär primitiv betrachtet. In letzter Zeit wurde dieses Paradigma durch eine zunehmende Anzahl von Studien in Frage gestellt, die gezeigt haben, dass angeborene Immunzellen in der Lage sind, gedächtnisähnliche Eigenschaften aufzuweisen, die zu einer erhöhten Reaktionsfähigkeit auf spätere Herausforderungen führen, ein Prozess, der als trainierte Immunität (auch als angeborenes Gedächtnis bekannt) bezeichnet wird [Netea et al. Nat Rev Immun. (2020); Lajqi et al. Biomedicines (2023)]. Im Gegensatz dazu ist die Endotoxintoleranz seit vielen Jahren bekannt und wird als ein immunsuppressiver Zustand von myeloiden Zellen beschrieben, der sich durch eine signifikante Reduktion der entzündlichen Kapazität auszeichnet [Cavaillon et al. J Endotox Res. (2003)]. Bisher haben Netea und Kollegen eine stressorabhängige Induktion dieser entgegengesetzten entzündlichen Reaktionen gezeigt, bei der myeloide Zellen, die durch β-Glucan (C. albicans) oder Bacillus Calmette-Guerin (BCG) vor einer nachfolgenden Herausforderung mit Lipopolysaccharid (LPS) geprägt sind, eine erhöhte Reaktionsfähigkeit auslösen - Training, während die Prägung durch LPS nur tolerante Reaktionen fördert [Netea et al. Nat Rev Immun. (2020); Lajqi et al. Biomedicines (2023)]. Während das Training einen angemessenen Schutz gegen Sekundärinfektionen bietet, fördert die Induktion der Endotoxintoleranz Reparaturmechanismen in den Zellen. Sowohl Training als auch Toleranz als adaptive Eigenschaften gehen mit epigenetischen und metabolischen Veränderungen in den Zellen einher.

Neugeborene sind aufgrund ihres beeinträchtigten Immunsystems, das hauptsächlich auf die Funktion der angeborenen Immunzellen basiert, äußerst anfällig für verschiedene virale, bakterielle und pilzliche Infektionen [Levy et al. Nat. Rev. Immunol. (2007)]. Es ist bekannt, dass myeloide Zellen (d.h. Monozyten) von Neugeborenen niedrige Spiegel proinflammatorischer Mediatoren, reduzierte Chemotaxis, beeinträchtigte Rekrutierung sowie eine geringe Expression von kostimulierenden und Adhäsionsmolekülen aufweisen, was zu einer höheren Anfälligkeit für infektiöse Erreger führt [Kollmann et al. Immunity (2017)]. Vorläufige Arbeiten aus unserem Labor haben gezeigt, dass mononukleäre Zellen aus Nabelschnurblut (CBMCs) im Vergleich zu mononukleären Zellen aus peripherem Blut von Erwachsenen (PBMCs) weniger empfindlich für die Prägung durch verschiedene pathogene Stressoren (LPS, LTA, β-Glucan, HKCA) sind. Hier werden wir die Rolle dieser Stressoren (LPS, LTA, β-Glucan, HKCA) bei der Unterstützung entgegengesetzter entzündlicher Reaktionen in menschlichen neonatalen Monozyten im Vergleich zu adulten Monozyten untersuchen. Bisher ist die Rolle pathogener Stressoren bei der Förderung von Training oder toleranten Effekten in menschlichen neonatalen Monozyten noch nicht vollständig geklärt.

Funding: Erasmus+ Stipendium

Project Lead: Merel Goedkoop (Master Projekt; Kooperation mit Prof. Assoc. Dr. Marianne Boes von UMC Utrecht)