Forschungsbericht

TWINCORE
Institut für Infektionsimmunologie
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Leiter: Prof. Dr. Tim Sparwasser
Tel.: 0511 / 220027-201 • E-Mail: offi[email protected] • www.twincore.de/infektionsimmunologie.html
Forschungsprofil
Am Institut für Infektionsimmunologie am Zentrum für Experimentelle und Klinische Infektionsforschung, Twincore,
beschäftigen sich derzeit über 20 Mitarbeiter unter der Leitung von Prof. Tim Sparwasser mit Fragestellungen der immunologischen Infektionsforschung. Die wissenschaftliche Ausrichtung liegt dabei auf der Entwicklung neuer, verbesserter
Impfstrategien und Behandlungsmethoden gegen Infektionserkrankungen. Auf diesem Gebiet arbeitet das Institut
erfolgreich mit einer Vielzahl nationaler und internationaler Kooperationspartner zusammen. Über Kooperationen und
Forschungsverbünde wie SFBs, Klinische Forschergruppen und sog. „Twinning Projekte“, die translationale Ansätze der
Immuntherapie und -diagnostik ermöglichen sollen, ist das Institut zudem sehr gut in den Standort Hannover integriert.
Ein wichtiger Schwerpunkt unserer Forschung liegt auf der Untersuchung der Bedeutung von Mustererkennungsmolekülen z.B. aus der Familie der Toll-like Rezeptoren (TLRs) und der C-Typ Lektine (CLRs) für die Aktivierung der
wichtigsten positiven Regulatoren des Immunsystems und Initiatoren adaptiver Immunantworten, der dendritischen
Zellen (DCs). DCs zeigen eine besonders ausgeprägte Fähigkeit, Antigene aufzunehmen, diese zu prozessieren und
T-Zellen zu präsentieren. Je nachdem wie zusätzliche Signale über Mustererkennungsmoleküle aufgenommen werden,
kann das zu einer starken, protektiven (TH1, TH2 oder TH17) Immunantwort oder zur Entwicklung von regulatorischen
T-Zellen (Treg) führen. Diese besonderen Eigenschaften machen DCs zu einem wertvollen Ziel für die Entwicklung von
optimierten Vakzinierungsstrategien gegen Pathogene, die neben der Aktivierung bestimmter DC-Subpopulationen
gleichzeitig die Induktion bzw. Expansion von Treg Populationen verhindern. Allerdings besitzen Studien, die im murinen
Modellsystem auf DCs abzielen mehrere Limitationen: Tregs und DC Subpopulationen haben gemeinsam, dass sie einer
detaillierten Untersuchung schlecht zugänglich sind. So existieren z.B. Subpopulationen von DCs in extrem geringer
Anzahl in verschiedenen lymphatischen Organen, die teilweise sehr spezialisierte Aufgaben bis hin zur Induktion
von Toleranz besitzen sollen. Aus diesem Grunde entwickeln wir in unserem Labor transgene Mausmodelle, die eine
Untersuchung und Manipulation dieser Zellpopulationen in vivo erlauben. In „humanisierten“ Mausmodellen analysieren wir die Rolle von DC-spezifischen humanen C-Typ Lektinen wie z.B. DC-SIGN auf ihre Anwendungsmöglichkeit
für Vakzinierungen in vivo. Die Verwendung weiterer transgener und gendefizienter Mausmodelle ermöglicht uns die
Untersuchung der Rolle von Molekülen der TLR-Familie und des TLR Signalwegs in DCs und DC Subpopulationen bei
der Induktion bzw. Regulation von Immunantworten nach Infektionen mit unterschiedlichen infektiösen Erregern.
Dr. Matthias Lochner leitet am Institut eine Nachwuchsgruppe zum Thema „Interaktion von DCs, TH17 Zellen und
Tregs in gastrointestinalen Infektionen“. Neben der Untersuchung der Entstehung und Funktion von spezialisierten
Lymphgeweben im Darm steht die Erforschung der TH17 T-Zellpopulation im Fokus dieser Arbeit. TH17 T-Zellen, die
im Verdacht stehen stark entzündungsfördernd in Autoimmunerkrankungen zu wirken, spielen im Darm nicht nur eine
wichtige Rolle bei Entzündungsreaktionen, sondern auch bei der Immunantwort gegen infektiöse Erreger. In diesem
Zusammenhang liegt ein weiterer Schwerpunkt auf der Interaktion zwischen den infektiösen Erregern und DCs speziell
im Darm. Hier untersuchen wir, wie Signale von DCs aufgenommen und in entsprechende inflammatorische TH17 bzw.
regulatorische T-Zell Antworten übersetzt werden.
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TWINCORE
Forschungsprojekte
ROR(gamma)t Defizienz erhöht die Anfälligkeit für eine Darmentzündung durch eine verstärkte Bildung
von Mikroflora-induzierten tertiären lymphoiden Geweben im Darm
In Säugetieren beginnt die Entwicklung der sekundären lymphoiden Organe, wie Lymphknoten und den Peyer’schen
Plaques im Darm, bereits während der embryonalen Phase. Die Entwicklung dieser Organe ist vorprogrammiert, d.h.
es wird kein äußeres Signal für die Induktion der Entwicklung benötigt. Im Gegensatz dazu wird die Entwicklung
isolierter lymphoider Follikel (ILF), lymphoide Gewebe, die sich in großer Zahl in der Lamina Propria des Darmes finden
lassen, erst nach der Geburt über Signale der bakteriellen Flora in Darm induziert. Trotz dieser Unterschiede wird die
Entwicklung beider Typen von lymphoiden Organen von einem bestimmten hämatopoetischen Zelltyp, den sog. lymphoid
tissue inducer (LTi) Zellen, initiiert. Dabei ist für die Entwicklung und Funktion der LTi Zellen der Transkriptionsfaktor
ROR(gamma)t (retinoic acid related orphan receptor (gamma) t) von entscheidender Bedeutung.
Neben diesen beiden Typen von lymphoiden Geweben kann durch Infektionen oder chronische Entzündungen
noch eine dritte Art von lymhoiden Geweben induziert werden, die als tertiäre lymphoide Gewebe (tertiary lymphoid
tissues, tLT) bezeichnet werden. Solche induzierten tLTs spielen eine wichtige Rolle für die Induktion der Immunantwort
vor Ort. Ob ROR(gamma)t positive LTi Zellen bei der Entstehung dieser tLTs im Darm benötigt werden und wie tLTs die
entzündliche Reaktion im Darm beeinflussen, ist bislang allerdings ungeklärt.
Interessanterweise spielt ROR(gamma)t neben seiner Funktion in LTi Zellen auch eine entscheidende Rolle bei der
Entwicklung von Interleukin (IL)-17 produzierenden TH17 T-Zellen. Analog zu T-bet für Th1 und Foxp3 für regulatorischen
T-Zellen wird ROR(gamma)t als „Schlüssel“-Transkriptionsfaktor für TH17 Zellen bezeichnet. Th17 Zellen sind in den
letzten Jahren in den Fokus der internationalen immunologischen Forschung gerückt, als klar wurde, dass IL-23, welches
die Entwicklung von pathologischen TH17 T-Zellen stark beschleunigt, der entscheidende Faktor bei der Induktion von
Autoimmunerkrankungen, wie z.B. der experimentellen autoimmunen Enzephalomyelitis (EAE), ist. Seitdem wurde in
einer Vielzahl von Publikationen das pathogene, entzündungsfördernde Potential der TH17 T-Zellen beschrieben. Unter
normalen Bedingungen findet sich die größte Anzahl von TH17 T-Zellen in der Lamina Propria des Darms. In diesem
Zusammenhang konnten wir zeigen, dass Bakterien der normalen Darmflora ROR(gamma)t positive TH17 T-Zellen
induzieren können (Lochner et al. (a)). Allerdings weisen einige Arbeiten darauf hin, dass TH17 Zellen auch im Darm in
erster Linie bei entzündlichen Prozessen wie z.B. bei chronisch-entzündlichen Erkrankungen wie Morbus Crohn beim
Menschen eine Rolle spielen. In diesem Fall wäre zu erwarten, dass Mäuse, denen aufgrund einer genetischen Defizienz
für ROR(gamma)t sowohl TH17 Zellen, als auch sekundäre lymphoide Organe und ILFs fehlen, eine weitaus geringere
Anfälligkeit für eine entzündliche Immunantwort im Darm aufweisen. Wir haben diese These direkt in ROR(gamma)
t-defizienten Mäusen getestet und zunächst festgestellt, dass sich im Darm von ROR(gamma)t-defizienten Mäusen
trotz der beschriebenen immunologischen Defizite, eine mit Wildtypmäusen vergleichbare bakterielle Mikroflora
ausbildet (Lochner et al. (b)). Allerdings fand sich im Darm der ROR(gamma)t-defizienten Mäuse eine große Zahl an
Mikroflora-induzierten tLTs und im Serum konnte ein im Vergleich zu Wildtypmäusen stark erhöhter Titer an Mikroflora
spezifischen IgG Antikörpern nachgewiesen werden. In der Abwesenheit von IL-17-produzierenden TH17 Zellen war
zudem die Frequenz an IFN(gamma) positiven TH1 Zellen im Darm deutlich erhöht. Das Immunsystem in ROR(gamma)
t-defizienten Mäusen ist demnach über die verstärkte Aktivierung alternativer Mechanismen des Immunsystems in der
Lage, die spezifischen immunologischen Defizite zu kompensieren, um den optimalen selektiven Druck auf die intestinale
Mikroflora aufrecht zu erhalten. Allerdings stellte sich auch die Frage, ob diese veränderte Immunantwort gegenüber
der bakteriellen Mikroflora Konsequenzen hat und wichtiger noch, ob der Verlust der ROR(gamma)t-abhängigen TH17
Immunantwort, wie erwartet, mit einer geringeren Anfälligkeit für entzündliche Prozesse einhergeht. Hier konnten wir
feststellen, dass genau das Gegenteil der Fall war. Wenn ROR(gamma)t-defiziente Mäuse mit Natrium-Dextran-Sulfat
(DSS) behandelt wurden, entwickelten sie nicht nur eine große Zahl an zusätzlichen tLTs im Kolon (Abb. 1), sondern
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Abb.1: Immunfluoreszenzfärbung von lymphoiden Geweben im Kolon von Wildtypmäusen und ROR(gamma)t-defizienten Mäusen
vor bzw. nach der Behandlung mit DSS. Blau: Kernfärbung; rot: Färbung B220/CD45R als Marker für lymphoide Follikel.
auch eine im Vergleich zu Kontroll-Tieren deutlich verstärkte entzündliche Immunpathologie im Darm.
Während TH1 T-Zellen keine Rolle bei der Pathologie spielten, zeigte sich, dass eine abnorm große Zahl von
B-Zellen in den Darm rekrutiert wurde. Die zahlreichen tLTs im Kolon der ROR(gamma)t defizienten Mäuse wiesen
zudem eine deutlich erhöhte Expression des Enzyms AID (activation-induced deaminase) auf, welches für die Reifung
der Immunglobulin Gene benötigt wird. Die starke Immunpathologie im Darm der ROR(gamma)t-defizienten Mäuse
konnte verhindert werden, wenn den Tieren während der DSS-Behandlung ein LT(beta)R-Ig Fusionsprotein verabreicht
wurde, welches den LT(beta)R- Signalweg blockiert und damit die Entstehung der tLTs im Darm verhindert. Eine deutliche
Verbesserung der Pathologie konnte ebenso durch eine Behandlung mit intravenösen Immunglobulinen (IVIG) über
eine Saturierung der Fc-Rezeptoren erreicht werden. Zusammengenommen ergeben sich damit klare Hinweise auf eine
zentrale Rolle für B-Zellen, Immunglobulin G und tLTs für die verstärkte DSS-induzierte entzündliche Immunpathologie
in der Abwesenheit der TH17 Immunantwort. In Übereinstimmung mit diesen Resultaten konnte eine Verbesserung der
Pathologie ebenfalls durch einen vorherigen Transfer von TH17-kompetenten Milzzellen in die ROR(gamma)t-defizienten
Mäuse erreicht werden.
Ursächlich für die starke Pathologie im Darm der ROR(gamma)t-defizienten Mäuse war das durch die DSS Behandlung verursachte Eindringen von Bakterien der Mikroflora über das Epithel des Darms. Entsprechend konnte die
Krankheitsentwicklung durch Antibiotikabehandlung komplett verhindert werden.
Die Ergebnisse dieser Untersuchungen zeigen, dass ROR(gamma)t-defiziente Mäuse im Normalzustand den Verlust
von pro-inflammatorischen Immunmechanismen wie der TH17 Immunantwort über die Entwicklung von Mikroflora
spezifischen IgG kompensieren können. Die Strategie wirkt allerdings dann fatal, wenn das Eindringen von Bakterien
der Darmflora über das Darmepithel erhöht wird, wie hier über die Behandlung mit DSS.
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Daraus lässt sich für uns folgern, dass die pro-inflammatorische TH17 Immunantwort von der Evolution zunächst
dafür selektiert wurde, eine optimale Homöostase der Darm-Mikroflora mit dem Wirt aufrecht zu erhalten. Die TH17
Immunantwort verhindert in erster Linie eine entzündliche Immunpathologie, ist also anti-inflammatorisch- indem sie
bakterielles Eindringen verhindert und zu einer optimalen Regulation der Immunreaktionen im Darm beiträgt. Erst wenn
die mukosale Barriere und damit die normale intestinale Homöostase chronisch beeinträchtigt ist oder bereits andere
entzündliche Veränderungen vorliegen, entfaltet die TH17 Immunantwort ihre beschriebene pro-inflammatorische,
immunpathogene Eigenschaft.
Weitere Informationen s. (a) Lochner et al. J Immunol 186:1531-7 und (b) Lochner et al. J Exp Med 208:125-34
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Projektleitung: Lochner, Matthias (Dr.); Förderung: DFG (a, b), HiLF MHH (a)
Weitere Forschungsprojekte
E. faecalis CECT7121 als neue adjuvante Strategie
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Projektleitung: Sparwasser, Tim (Prof. Dr.); Kooperationspartner: Manghi, Marcela A., (Dr.), Universidad de Buenos
Aires; Förderung: DAAD/BMBF PROALAR
Novel DC-based vaccines for breast cancer
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Projektleitung: Sparwasser, Tim (Prof. Dr.); Kooperationspartner: Kruisbeek, Ada, DC Prime, Schoevers, Peter, DC4U
BV; Förderung: EuroTransBio
Mechanismen der Toleranz und Immunität in der mykobakteriellen Infektion
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Projektleitung: Sparwasser, Tim (Prof. Dr.); Förderung: DFG SFB 900
Epigenetische Marker zur Quantifizierung von inflammatorischen und regulatorischen T-Zellen in
Autoimmunpatienten
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Projektleitung: Sparwasser, Tim (Prof. Dr.), Lochner, Matthias (Dr.); Kooperationspartner: Hühn, Jochen (Prof. Dr.),
HZI Braunschweig; Förderung: DFG KFO 250
The role of TLR signalling in dendritic cell and macrophage-mediated host defence against
pneumococcal infection
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Projektleitung: Sparwasser, Tim (Prof. Dr.); Kooperationspartner: Henriques-Normark, Birgitta (Prof.), Karolinska
Institutet; Förderung: IRTG 1273 TP B2
Die Rolle von Untergruppen von dendritischen Zellen bei der Reduktion der Entzündung bei allergischem
Asthma bronchiale
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Projektleitung: Sparwasser, Tim (Prof. Dr.); Förderung: GRK 1441 TP 10
Gezielte Aktivierung von regulatorischen T Zellen
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Projektleitung: Sparwasser, Tim (Prof. Dr.); Förderung: Wirtschaft
Untersuchung der Rolle regulatorischer Immunzellen in der allergischen Immunantwort der Lunge
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Projektleitung: Sparwasser, Tim (Prof. Dr.); Förderung: DFG SFB 587
A glycomics approach for the treatment of cancer: Role of human DC-SIGN in humanized mouse models
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Projektleitung: Sparwasser, Tim (Prof. Dr.); Kooperationspartner: van Kooyk, Yvette (Prof. Dr.), VUmc, Amsterdam;
Förderung: EU
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Forschungsbericht 2010
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Dendritic Cells for novel Immunotherapies
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Projektleitung: Sparwasser, Tim (Prof. Dr.); Kooperationspartner: Manz, Markus (Prof. Dr.), IRB Bellinzona ; Förderung:
EU
Evaluation of the inhibitory activity of a library of small molecules against T regulatory cells (Treg)
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Projektleitung: Sparwasser, Tim (Prof. Dr.), Lochner, Matthias (Dr.); Kooperationspartner: Hühn, Jochen, (Prof. Dr.),
Frank, Ronald (Dr.), HZI Braunschweig; Förderung: DAAD
Mechanisms of host-pathogen interaction and immune regulation in intestinal infections with
Citrobacter rodentium
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Projektleitung: Sparwasser, Tim (Prof. Dr.), Lochner, Matthias (Dr.); Förderung: ZIB / MHH
Analysis of dendritic cell function in vivo
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Projektleitung: Sparwasser, Tim (Prof. Dr.) ; Förderung: Boehringer Ingelheim Fonds
Immune mechanisms involved in suppressing asthma post infection by Salmonella typhimurium
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Projektleitung: Sparwasser, Tim (Prof. Dr.); Förderung: Molecular Medicine, MHH
Targeting of regulatory T cells

Projektleitung: Sparwasser, Tim (Prof. Dr.); Förderung: Studienstiftung des deutschen Volkes
Role of human DC-SIGN in anti-fungal immunity
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Projektleitung: Sparwasser, Tim (Prof. Dr.); Förderung: ZIB, MHH
Originalpublikationen
Arnold I, Lee JY, Amieva MR, Roers A, Flavell RA, Sparwasser
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Abstracts
2010 wurden 28 Abstracts publiziert.
Stipendien
Mayer, Christian: Studienstiftung des deutschen Volkes: Targeting
of regulatory T cells.
Schrauf, Catharina: Boehringer Ingelheim Fonds: Analysis of dendritic cell function in vivo.
Ginter, Wiebke: Zentrum für Infektionsbiologie (ZIB): Role of human
DC-SIGN in anti-fungal immunity.
Ganesh, Venkateswaran: Molecular Medicine: Immune mechanisms
involved in suppressing asthma post infection by Salmonella
typhimurium.
Nandan, Amrita: DAAD: Evaluation of the inhibitory activity of a
library of small molecules against T regulatory cells (Treg).
Wang, Zuobai: Zentrum für Infektionsbiologie (ZIB): Mechanisms
of host-pathogen interaction and immune regulation in intestinal
infections with Citrobacter rodentium.
Kleinert, Christina: Graduiertenkolleg 1441 (GRK): Role of dendritic
cell subsets in curbing asthma pathology.
Weitere Tätigkeiten in der Forschung
Sparwasser, Tim (Prof. Dr.): Vorstandsmitglied SFB 587; Projektkoordinator der Studienstiftung des deutschen Volkes, Lebenswissenschaftliches Kolleg, Fachbereich Immunologie; Projektkoordinator der internationalen niedersächsischen Sommerakademie
in Immunologie (DAAD); Gutachter der DFG, EU (EULARINET),
Israel Science Foundation, Stiftung Rheinland-Pfalz für Innovation,
Telethon (Italien), The Wellcome Trust; Archives of Microbiology,
BioTechniques, European Journal of Immunology, Experimental
Dermatology, Expert Review of Vaccines, FEMS Immunology & Medical Microbiology, Frontiers in Immunological Tolerance (Editorial
Board), Future Medicine , Future Microbiology, Genesis, Human
Immunology, Immunobiology, Immunology, Immunology Letters,
International Archives of Allergy and Immunology, J. Immunology,
J. of Neuroinflammation, Journal of Investigative Dermatology,
Life Sciences, Nature Immunology, PNAS, Transgenic Research,
Trends in Immunology.
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