individuelle Projekte – wP1: chronische Entzündungen

EINFÜHRUNG

Entzündungen und Autoimmunität werden an der Peripherie durch adaptive und angeborene Immunreaktionen kontrolliert. Veränderungen dieser Mechanismen können zur Entwicklung von Entzündungs- und Autoimmunerkrankungen, hämatologischen Malignitäten und soliden Tumoren beitragen. Der Zellstoffwechsel steuert nahezu jeden biologischen Prozess im Körper, auch die Immunität. Daraus ist ein neues Forschungsgebiet entstanden, das als „Immunstoffwechsel“ bezeichnet wird. Die Untersuchung des Stoffwechsels im Hinblick auf die störenden Einflüsse durch Schädigungsreaktionen ist ein äußerst vielversprechender Ansatz für die Behandlung immunvermittelter Erkrankungen und bietet das Potenzial, die nächste Welle innovativer Immuntherapien anzustoßen. Erst vor Kurzem hat das Brenner Lab einen wesentlichen Beitrag zu unserem Verständnis geleistet, wie der Stoffwechsel die Immunität kontrolliert (Kurniawan et al. 2020; Mak and Grusdat et al. 2017). Ein vertieftes Verständnis, wie sich der Stoffwechsel je nach Typ oder Funktion der Zellen verändert, wird daher neue Wege für die Behandlung vieler verschiedener Störungen eröffnen. 

ZIEL UND HYPOTHESE 

Das Ziel des vorgeschlagenen Promotionsprojekts besteht darin, neue molekulare und metabolische Signalwege in T-Zellen zu entschlüsseln, die Entzündungen kontrollieren; dies soll sowohl ex vivo als auch in vivo erfolgen. Dieses Projekt ist Teil eines größeren Programms in unserer Forschungsgruppe. Wir stellen die Hypothese auf, dass die Umleitung von Stoffwechselflüssen in T-Zellen Krankheitssymptome verbessern kann.  Wir werden tiefgehende molekulare und zelluläre Analysen mit Big-Data-Ansätzen und In-vivo-Erkrankungsmodellen kombinieren, die eine starke Verbindung zu Erkrankungen beim Menschen aufweisen. Eine Querschnittsstudie mit Arbeitspaket 2 (Immunonkologie) kann als Option in Frage kommen. Interessierte Bewerber sollten über fundierte Kenntnisse in Immunologie verfügen und sich für immunologische Spitzenforschung in Kombination mit molekularen und mechanistischen Analysen begeistern. 

METHODEN 

Wir werden mit In-vivo-Mausmodellen von Autoimmun-, Infektions- und Krebserkrankungen arbeiten. Unser Ziel ist eine detaillierte Untersuchung der T-Zellen-basierten Immunologie, verknüpft mit molekularen und metabolischen Analysen. Das Projekt wird mit Methoden wie metabolischer Profilierung, zielgerichtetem metabolischem Tracing, Analysen mit „Seahorse Analyzer“, RNAseq usw. arbeiten. Unsere Erkenntnisse aus Mausstudien werden an menschlichen Immunzellen validiert. 

HINTERGRUND

Lebensmittelallergien (LA) nehmen seit einigen Jahren dramatisch zu, vor allem bei Kindern, und gipfeln in einer zweiten Welle der „Allergieepidemie“. Neben dem konventionellen Ansatz, der strikten Vermeidung von Nahrungsmitteln und der medikamentösen Behandlung bei versehentlicher Exposition, zeichnen sich neue Forschungsarbeiten zur Prävention, Diagnose und allergenspezifischen oralen Immuntherapie (OIT) ab. Es besteht ein Bedarf an neuen Ansätzen, die dazu beitragen, diese Forschung in die klinische Praxis umzusetzen.

ZIELE

Ziel des Projekts ist es, die klinische Praxis der medizinischen Versorgung bei pädiatrischer LA zu beleuchten und die immunologischen Aspekte im Zusammenhang mit der Versorgung von LA im frühen Alter zu untersuchen.

METHODEN

Dieses translationale PhD-Projekt wird in enger Zusammenarbeit mit dem Nationalen Referenzzentrum für pädiatrische Allergien in Luxemburg (Centre Hospitalier de Luxembourg; Hauptprüfer F. Morel-Codreanu) durchgeführt. Beim ersten Projektarm handelt es sich um eine retrospektive Beobachtungsstudie an bestehenden Patientenakten, die darauf abzielt, Daten zu sammeln, um neue Informationen über die therapeutische Wirksamkeit der OIT zu gewinnen und die OIT von Erdnüssen und Baumnüssen zu vergleichen (Akronym: OroNuss). Der zweite Arm ist ein experimenteller Arm, der sich auf Immunanalysen von verfügbaren OIT-Bioproben konzentriert.

Außerdem werden wir eine neue Kohorte aufbauen (Akronym: Markers4Care). Wir werden prospektiv Patienten rekrutieren, um die Immunaspekte der OIT mit denen in Pilotkohorten zur LA-Prävention und zur etablierten LA zu vergleichen, wobei wir Immunmarker verwenden, die in einer kürzlich durchgeführten Studie (Akronym: APSIS; NCT04604912) entdeckt wurden. Die Integration umfassender Immundaten aus verschiedenen Krankheitsstadien wird neue Perspektiven für die Endotypen von LA-Patienten für ein fortschrittliches medizinisches Management aufzeigen.

EINFÜHRUNG 

Eine zu geringe Aufnahme von Ballaststoffen ist ein Ernährungs- und Gesundheitsproblem. In vielen Industrieländern, darunter auch Luxemburg, ist die Aufnahme häufig unzureichend (< 25 bzw. 36 g/Tag, Frauen/Männer) (Alkerwi et al., 2012) und wird mit einem erhöhten Risiko für die Entwicklung verschiedener Herz-Stoffwechsel-Komplikationen und höherer Mortalität (McRae et al., 2017) und auch mit Krebs (Kunzmann et al., 2015) in Verbindung gebracht. Der Verzehr von Ballaststoffen senkt den Fettgehalt im Blut (einschließlich Cholesterin) und steht im Zusammenhang mit entzündungshemmenden Reaktionen, was eine gesündere Darmflora fördert und sich positiv auf den gesamten Organismus auswirkt. Es gibt allerdings wenig Informationen, inwieweit die beobachteten Effekte vom genetischen Hintergrund des Wirts abhängen (Esworthy et al., 2010). Die Sequenzierung des gesamten Genoms wird eine detaillierte, vertiefte Untersuchung von Einzelnukleotid-Polymorphismen (single nucleotide polymorphisms, SNPs) und anderen mit den Wirkungen der Ballaststoffaufnahme verbundenen Effekten ermöglichen. 

ZIEL UND HYPOTHESE 

Es wurde nachgewiesen, dass eine höhere Ballaststoffaufnahme gesundheitlich vorteilhaft ist und dabei über entzündungshemmende und immunbezogene Signalwege wirkt, die durch das Mikrobiom vermittelt werden, aber es ist nicht klar, inwiefern die beobachteten Effekte vom genetischen Hintergrund abhängen; dies kann eine wichtige Überlegung sein, um gesundheitliche Effekte von Ernährungsmustern und Interventionen zu erklären. Ziel dieses Projekts ist es, genetische Varianten im Zusammenhang mit Reaktionen auf ballaststoffreiche Ernährungsweisen zu entdecken. 

METHODEN 

Das vorgeschlagene Projekt wird auf einer anderen Interventionsstudie zur menschlichen Ernährung aufbauen, die bereits im Zusammenhang mit einer anderen Dissertation am DII geplant wurde (Doktorandin: Erica Grant; MICROH DTU; darin geht es um die Effekte einer kurzfristigen Ballaststoffintervention auf das Darmmikrobiom und das Immunsystem mit besonderem Schwerpunkt auf dem Abbau („Abweiden“) der Schleimschicht durch Mikroorganismen). Im aktuellen Projekt der DTU wird ein neuer und spezieller Aspekt darin bestehen, Analysen des gesamten Genoms (MeGeno) gesunder Freiwilliger durchzuführen, die an der oben beschriebenen Interventionsstudie teilgenommen hatten. Die Genominformationen der gesunden Personen werden in Relation zu den in der Interventionsstudie ermittelten Daten analysiert. Konkret sollen die analysierten Genome (und ausgewählte Varianten von Interesse) erneut angeschaut (und dabei mit Pathway-Analysen wie z. B. KEGG… eingehend untersucht) und im Hinblick darauf verglichen werden, wie verschiedene Personen auf kurzfristige Ballaststoffinterventionen in Bezug auf Veränderungen im Darmmikrobiom und Veränderungen bei Entzündungsmarkern (CRP, miRNA, Zytokine) reagieren würden. Außerdem werden Immunzellenprofile erstellt und mit der Genetik des jeweiligen Wirts assoziiert. 

In einer parallelen Studie soll anhand der im Rahmen der Querschnittsstudie ORISCAV-LUX gewonnenen Proben der Zusammenhang von Ballaststoffaufnahme (z. B. oberstes gegenüber unterstem Quintil basierend auf Fragebögen zu Lebensmitteln/Häufigkeit), Entzündungsmarkern (CRP, miRNA, Zytokine usw.) und dem genetischen Hintergrund untersucht werden, um zu verifizieren, ob Ergebnisse aus der Interventionsstudie auch in dieser Population gefunden werden können. Angestrebt wird eine zielgerichtetere genetische Analyse, bei der die Varianten auf der Grundlage der Ergebnisse der Interventionsstudie ausgewählt werden. Bei diesem Projekt sollen entscheidende Datensätze generiert und Hypothesen erarbeitet werden, um zu verstehen, wie genetische Informationen möglicherweise mit verschiedenen Aspekten von Ernährung und Darmmikrobiom im Zusammenhang stehen können. Dieses Promotionsprojekt ist dadurch besonders innovativ und wird voraussichtlich zu zusätzlichen Publikationen mit hohem Impact-Faktor führen. 

EINFÜHRUNG 

TNF-[Symbol], IL-1 und IL-6 spielen bekanntlich eine zentrale Rolle in der Pathogenese vieler entzündlicher Erkrankungen. Als wichtige Akteure bei der Polarisierung von T-Zellen haben sie erneut das Interesse der Forschung geweckt, unter anderem wegen ihrer Fähigkeit, den Signalweg für die Differenzierung von Th2-Zellen zu regulieren. Beispielsweise wurde gezeigt, dass IL-6 eine wichtige hemmende Funktion bei der Differenzierung von Th2-Zellen ausübt, und zwar mit einem Mechanismus, durch den dendritische Zellen (DCs) die Th2-Immunität in einer dominant-repressiven Weise kontrollieren (Mayer et al., Eur. J. Immunol., 2014). Eine beeinträchtigte IL-6R-Funktion wurde kürzlich mit Atopie, Asthma, hohen IgE-Werten und systemischer Entzündung bei zwei verschiedenen Patienten in Verbindung gebracht, die funktionell beeinträchtigende Punktmutationen am IL-6R aufwiesen (Spencer et al., J. Exp. Med., 2019). Schließlich, und dies ist besonders wichtig, deuten neueste Daten aus einer klinischen Studie, die vom Department of Infection and Immunity des LIH zusammen mit der Abteilung „Immunologie – Allergologie“ des CHL in Luxembourg durchgeführt wurde (unveröffentlichte Daten; https://clinicaltrials.gov/ct2/show/NCT02931955) sowie Daten aus einem präklinischen Mausmodell für die Immuntherapie von Allergien (https://doi.org/10.22541/au.159557049.95398835) darauf hin, dass eine frühzeitige Erhöhung der Werte bei entzündlichen Zytokinen mit einem erfolgreichen Ergebnis der Immuntherapie in Verbindung steht. Insgesamt legen diese Beobachtungen nahe, dass neue Ansätze für eine erfolgreiche Allergen-Immuntherapie und Allergieprävention basierend auf der Modulation der beteiligten Zytokin-Signalwege entwickelt werden könnten. 

ZIEL UND HYPOTHESE 

Wir werden die Defekte in den Signalwegen von entzündlichen Zytokinen in genetisch modifizierten Mausmodellen untersuchen und die daraus resultierenden Modulationen bei der Entstehung von TH2-Zellen-vermittelten Atemwegsallergien und der Toleranzinduktion durch eine allergenspezifische Immuntherapiebehandlung analysieren. In den letzten Jahren haben wir ein sehr weit charakterisiertes Mausmodell von allergischem Asthma gegenüber Katzenallergenen entwickelt, das für präklinische Beurteilungen neuer immuntherapeutischer Ansätze verwendet werden kann. Die Anpassung dieses Modells an Mäuse mit Defekten in den Signalkaskaden entzündlicher Zytokine wird viele Gelegenheiten bieten, um die Rolle der Zytokin-Signaltransduktion in der Entwicklung einer Allergie bzw. einer Lösung dafür zu charakterisieren. Wir erwarten, dass Mäuse mit einem Funktionsverlust in diesen Zytokin-Signalwegen verstärkte Allergiesymptome wie Überreaktionen der Atemwege, höhere sIgE-Werte und eine schwerere Form der Eosinophilie in den Atemwegen entwickeln werden. Tiefe Immunphänotypisierung (Deep Immune Phenotyping) und die Erstellung von Genprofilen der beteiligten Signalwege werden wesentliche Informationen liefern, um die Mechanismen zu verstehen, die die beobachteten allergischen Phänotypen steuern. Andererseits vermuten wir, dass eine Verstärkung des Signals durch diese Zytokine und ihre Rezeptoren die Symptome einer Allergie lindern und klinische Toleranz induzieren könnte. 

METHODEN 

Unser Team hat bereits das Mausmodell der allergischen Sensibilisierung und alle Techniken aufgebaut, die die genaue Charakterisierung der Tiere durch einander ergänzende Datenauslesungen ermöglichen (Überreaktionen der Luftwege, Eosinophilie, Ig-Profile, tiefe Phänotypisierung von Zellen aus Lunge, Milz oder Lymphknoten mittels Durchflusszytometrie oder Massenzytometrie sowie Ex-vivo-Funktionalitätsassays). Wir beabsichtigen, Effektorzellen, T-Zellen und Treg-Zellen von Kontrollmäusen und Mäusen mit verschlimmerter Allergie für die Einzelzellensequenzierung und für Genomik-/Transkriptomik-/Epigenomikanalysen zu isolieren. Ein Teil der Arbeit wird der Entwicklung von Bioinformatik-Pipelines gewindet sein, um die in dem Projekt gesammelten riesigen Datenmengen zu verarbeiten und die Erkenntnisse aus dem präklinischen Modell mit Daten des menschlichen Genos aus bestehenden Patientenkohorten in Beziehung zu setzen. 

EINFÜHRUNG 

Die Sequenzierung der nächsten Generation (Next Generation Sequencing) hat das gesamte Gebiet von Grundlagen- und translationaler Genomforschung revolutioniert (Boycott et al., 2013). Dank ausreichender Abdeckung hat die aktuelle Sequenzierungstechnologie mit Ansätzen zur Konsensbildung basierend auf einer rechnergestützten Fehlerkorrektur eine genaue und schnelle Charakterisierung genetischer Mutationen oder Varianten des gesamten menschlichen Genoms ermöglicht (Salk et al., 2018). Bei der Identifizierung von ursächlichen/treibenden genetischen Varianten einer Vielzahl von Erkrankungen, darunter Krebs (Garraway et al., 2013), seltene Erkrankungen (Chen et al., 2014) und immunvermittelte Erkrankungen verschiedener Organe (Christodoulou et al., 2013), wurden bereits gewaltige Fortschritte erzielt. Nach wie vor besteht die Herausforderung jedoch darin, aus der langen Liste der erkannten, potenziell in Frage kommenden Varianten diejenigen ursächlichen Varianten zu identifizieren, die funktionelle, die Homöostase störende Auswirkungen haben. 

ZIEL UND HYPOTHESE 

Wir stellen die Hypothese auf, dass viele der komplexen nichtübertragbaren Krankheiten zumindest teilweise durch Mutationen oder genetische Veränderungen von Genen verursacht werden, von denen bekannt ist, dass sie eine Rolle in relevanten Funktionen und Signalwegen des Immunsystems spielen. Ziel des Projekt ist es, die ursächlichen genetischen Varianten für diese Erkrankungsphänotypen – sowohl subtile als auch offene – bei Patienten und gesunden Teilnehmern zu ermitteln, die in den Kohorten unter dem Dach der Doctoral Training Unit (DTU) rekrutiert werden und dazu ihre Einwilligung erteilen. 

METHODEN 

Wir werden mithilfe von Ansätzen zur Sequenzierung des gesamten Genoms und der Sequenzierung des gesamten Exoms eine tiefe Charakterisierung der genetischen Landschaft jedes Patienten oder gesunden Teilnehmers vornehmen, der dazu seine Einwilligung erteilt hat und aus ausgewählten Kohorten der aktuellen DTU stammt. Anschließend werden wir die identifizierten Varianten mit NGS-Ansätzen (Next Generation Sequencing) auf Gene verschiedener bekannter immunologischer Signalwege (z. B. aus der KEGG-Pathway-Sammlung) einschränken sowie auf Gene aus einer manuell annotierten Datenbank von Immunmutationen, die gerade von der Partnergruppe entwickelt wird, und auf die Proteine, die mit diesen bekannten immunologischen Signalwegen interagieren. Auf diese Weise können wir die Kandidatenliste unter Verwendung des Vorwissens in der Literatur, der auf die Immunfunktion bezogenen Signalwege und Netzwerke sowie des immunologischen Fachwissen deutlich eingrenzen. Die funktionellen Effekte der in die engere Wahl kommenden neuen Varianten auf das Immunsystem sollen dann in den entsprechenden Projekten weiter untersucht werden.