Erkrankungen durch Infektionserreger zählen weiterhin zu den

Forschungsschwerpunkte
Prof. Dr. Klaus Pfeffer
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Erkrankungen durch Infektionserreger zählen weiterhin zu den bedeutenden Problemen der
modernen Medizin. Die Entwicklung von effektiven Impfstoffen, die Einführung von neuen
Antibiotika und die Verbesserung der hygienischen Standards haben zwar bereits zu einer
Steigerung der Überlebenschancen bei Infektionserkrankungen geführt, trotzdem haben
Infektionen in den letzten Jahrzehnten nichts an ihrer Bedeutung verloren. Insbesondere die
zunehmende Entwicklung der (Multi-) Resistenzen von Erregern gegen etablierte
antibiotische Substanzen, der zunehmende Ferntourismus verbunden mit der Exposition
von exotischen Erregern und das Auftreten von neuen Infektionskrankheiten (Tuberkulose,
Legionärskrankheit, erworbenes Immundefizienz-Syndrom [AIDS], variante Creutzfeld Jakob
Erkrankung [vCJD], severe acute respiratory syndrome [SARS] u.a.) stellen auch in
Industrieländern gegenwärtig und zukünftig große Herausforderungen an die
mikrobiologisch-immunologisch ausgerichtete Grundlagenforschung.
Die Abwehr eines eingedrungenen Infektionserregers erfolgt durch das Immunsystem des
Menschen. Wesentlich für das Überleben einer Infektion sind die Erkennung und die
unverzügliche Verhinderung einer ungebremsten Vermehrung des Erregers im Körper. Dies
erfolgt durch Bestandteile des angeborenen Immunsystem. Ein kritischer Vorgang bei der
unmittelbaren Abwehr des Erregers ist die Bildung von Botenstoffen (Zytokinen) durch
infizierte Zellen, die benachbarte Zellen alarmieren und anti-mikrobielle Abwehrsysteme
aktivieren. Während der Evolution haben sich hochspezialisierte molekulare Mechanismen
entwickelt, um die eingedrungenen Erreger abzutöten. Allerdings wurden auch auf
Erregerseite evolutionär Strategien, d.h. Virulenzfaktoren selektiert, welche die spezifischen
Abwehrmechanismen des Körpers ausschalten oder umgehen können. Die Erforschung
dieser, synoptisch als Wirt- Pathogen- Beziehung bezeichneten Vorgänge, auf molekularer
Ebene erfolgt im Rahmen der modernen Infektionsimmunologie. Dabei zeigt sich, dass
evolutionär zur Abwehr von Krankheitserregern entwickelte immunologische Erkennungsund Effektormechanismen des Wirtes auch zentral die Abstoßung von transplantierten
Organen oder, bei Deregulation, das Auftreten von Autoimmunerkrankungen bzw. einer
Sepsis bedingen können.
Mit Bezug auf die vorgenannten Thematiken liegt einer der Schwerpunkte meiner
Forschungsaktivitäten auf der Analyse der molekularen Funktionsweisen von Botenstoffen
des angeborenen Immunsystems. Hierbei stehen die engeren Mitglieder der Tumor Nekrose
Faktor Superfamilie (TNF, Lymphotoxin a, LTb, LIGHT) und Interferone im Zentrum des
Interesses. Wir nehmen an, dass ungefähr 20 – 25% der ca. 40 000 Gene unseres Genoms
für Moleküle kodieren, die für die Differenzierung und Aktivierung der Zellen des
Immunsystems sowie für lösliche Faktoren benötigt werden, die die Voraussetzung zur
Abwehr von Krankheitserregern sind. Während der Evolution wurden die weitgehende
Mehrzahl der im Immunsystem aktiven Gene zwischen dem Mensch und der Maus fast
identisch weitergegeben. Diese Annahme hat sich nach der kompletten Sequenzierung des
Erbguts (DNA) des Menschen und der Maus eindrucksvoll bestätigt. Deshalb stellt die Maus
ein exzellentes Modellsystem zur Aufklärung der biologischen Prinzipien eines
hochentwickelten Immunsystems dar.
Mittels der homologen Rekombination von
molekularbiologisch hergestellten DNA – Konstrukten wurde es möglich, gezielt einzelne
Gene im Erbgut einer Maus auszuschalten. Durch die Analyse der auftretenden funktionellen
Ausfälle (Erkrankungen) ist es möglich, die natürlichen Funktionen des gezielt inaktivierten
Genes zu definieren. Mittels Einsatz dieser Methodik konnte belegt werden, dass
insbesondere zum Überleben von Infektionen mit intrazellulär wachsenden Bakterien der
Tumor Nekrose Faktor Rezeptor p55 benötigt wird. Intrazellulär wachsende Bakterien sind
z.B. Listeria monocytogenes, Erreger einer schweren Hirnhautentzündung und
Mycobacterium tuberculosis sowie Mycobacterium bovis, Erregern der Tuberkulose. Neueste
Untersuchungen zeigen eine ebenso wichtige Rolle des Lymphotoxin-b Rezeptors bei der
Abwehr dieser Bakterienklasse. Bisher wurde angenommen, dass die Botenstoffe TNF und
Lymphotoxin a, die an den TNFRp55 binden, bzw. Lymphotoxin ab, das an den
Lymphotoxinb Rezeptor bindet, in Makrophagen zur Bildung von Sauerstoff- und
Stickstoffmonoxid- Radikalen führt, welche die Abtötung der eingedrungenen
Infektionserreger bewirken. Detaillierte Analysen nach Listerieninfektion ergaben aber, dass
in Tieren mit inaktivierten Genen für den TNFRp55 und den Lymphotoxin b Rezeptor diese
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klassischen anti-bakteriellen Effektormechanismen intakt sind, diese aber trotzdem nicht
überleben. Weitergehende Arbeiten meiner Forschungsgruppe mittels sog. "functional
genomics Methoden“ zielen nun darauf ab, systematisch Gentranskriptionsprogramme, die
durch den TNFRp55, den Lymphotoxin b Rezeptor oder den Interferon g Rezeptor reguliert
werden, zu identifizieren. Die durch diese Botenstoffe regulierten Gene sollen auf ihre
Eigenschaften bei der Abtötung von intrazellulär replizierenden Bakterien überprüft werden.
Im Vordergrund steht dabei im Moment die Entschlüsselung der Wirkungen des PUMA-G
Gens im angeborenen Immunsystem. PUMA-G und weitere bereits identifizierte Gene
werden ebenfalls auf die Eignung zum therapeutischen Einsatz getestet werden. Unter
anderem handelt es sich hierbei um zwei neue regulierte Klassen von GTP-bindenden
Proteinen und ca. 50 weiteren TNF und / oder Interferon g regulierten Genen. Funktionell
sollen auch Abwehrleistung dieser Gene, in von unserer Arbeitsgruppe entwickelten,
neuartigen Modellen einer systemischen Infektion / Sepsis charakterisiert werden. Mit
Sicherheit ermöglicht die Zuerkennung des Förderpreises im Gottfried Wilhelm LeibnizProgramm eine wesentliche Beschleunigung und Vertiefung der Forschungsarbeiten.
Ein weiterer Schwerpunkt meiner Arbeiten liegt auf dem Gebiet der Entstehung
(Ontogenese) der Organe des Immunsystems im Körper. Die Zellen des Immunsystems
patroullieren sämtliche Körpergewebe und sind diskret verteilt. Die Differenzierung der Zellen
erfolgt in den primären lymphatischen Organen, dem Knochenmark (Granulozyten,
Makrophagen, dendritische Zellen, natürliche Killerzellen, B-Zellen) und dem Thymus (TZellen, natürliche Killerzellen). Auf dem Patroullienweg sammeln sich die unterschiedlichen
Zellen in den sog. sekundären lymphatischen Organen (Lymphknoten, Peyer´sche Plaques,
weiße Pulpa der Milz) in denen die adaptive Immunabwehrleistung generiert wird. Nach
Inaktivierung der Gene für Lymphotoxin b oder des Lymphotoxin b Rezeptors in der Maus
fanden wir neben anderen Defekten, dass die Lymphknoten und die Peyer´schen Plaques
nicht mehr ausgebildet werden konnten. Diese Defekte werden begleitet durch eine
Auflösung der Milzstruktur und dem Verschwinden normalerweise dort vorhandener
spezialisierter Zellen des Immunsystems. Eingehende Analysen zeigten interessanterweise,
dass das ontogenetische Entwicklungsprogramm des lymphatischen Gefäßsystems
unabhängig von dem der sekundären lymphatischen Organe ist.
Nach der Erkennung und Phagozytose eines Erregers differenzieren Monozyten zu
Makrophagen, sezernieren aktivierende Botenstoffe (s.o.) und bilden sog. kostimulatorische
Moleküle an der Zelloberfläche aus. Diese kostimulatorischen Moleküle, als CD80 und CD86
bekannt, interagieren mit dem CD28 Rezeptor der T Zellen und stehen somit am „Interface“
des angeborenen und des adaptiven Immunsystems. Bisher nahm man an, dass die
Expression dieser Moleküle eine Voraussetzung für die Aktivierung des adaptiven
Immunsystems
darstellt.
Während
der
Untersuchung
der
immunologischen
Abstoßungsmechanismen von transplantierten Organen stellten wir jedoch fest, dass auch in
der Abwesenheit von CD28 Herztransplantate abgestoßen wurden. Eine Klärung dieser
Beobachtung ergab eine bisher unbekannte Rolle der natürlichen Killerzellen bei der
Abstoßung von soliden Organen, die den Ausfall des CD28 Moleküls kompensieren konnte.
Um die Lebensdauer von transplantierten Organen weiter zu verlängern, sollten daher
zukünftig spezifisch Medikamente entwickelt werden, die eine Aktivierung der natürlichen
Killerzellen verhindern können.
In parallelen Arbeiten konnten wir in den letzten Jahren eine Anzahl an Mauslinien mit
spezifischer Cre- Rekombinaseaktivität etablieren, die für die konditionale Geninaktivierung
in definierten Geweben oder Zelltypen genutzt werden können. Diese, sowie die oben
beschriebenen Linien, werden in einer Vielzahl von nationalen und internationalen
Kooperation
analysiert.
Methodische
Weiterentwicklungen
von
konditionalen
Inaktivierungsstrategien mit dem Ziel der genetischen Reaktivierung mittels „gefloxter“ IntronGene-Traps werden momentan vorangetrieben.
Zusammenfassend haben diese Forschungsarbeiten die detaillierte funktionelle
Charakterisierung von neu entdeckten Genen bei der Abwehr von intrazellulären
Krankheitserregern, bei der Organentwicklung des Immunsystems und bei der Abstoßung
von transplantierten Geweben zum Ziel.