Projekte Experimentelle Infektionsforschung

Immunologische Erkennung des Cytomegalovirus (CMV)

Derzeit sind 60-100% unserer Weltbevölkerung latent mit HCMV infiziert. Diese Infektion stellt ein bedeutendes Gesundheitsproblem dar, da die Reaktivierung des Virus in immunsupprimierten Patienten zu schweren entzündlichen Erkrankungen bis hin zum Tode führen kann. Von immunkompetenten Individuen hingegen wird eine primäre HCMV Infektion meist nicht bemerkt. Das Virus hat Unterwanderungsstrategien entwickelt, die es ihm erlauben, die Immunantwort zu umgehen und unbemerkt im Körper zu persistieren. Unser Ziel ist es, die Erkennung von HCMV durch das Immunsystem sowie die Induktion der antiviralen Immunmechanismen besser zu verstehen. Wir untersuchen die Erkennung von CMV durch myeloide Zellen im humanen und murinen System sowie die Induktion von IFN-I, das während einer HCMV Infektion pro- und anti-virale Effekte vermitteln kann. Durch die Anwendung von Einzelzellanalysen wollen wir den schmalen Grat zwischen der induzierten Immunantwort und den Evasionsstrategien von CMV besser aufklären. 

So konnten wir herausfinden, dass die Erkennung einer HCMV-Infektion durch humane, aus Monozyten abstammenden myeloiden Zellen von einer produktiven Infektion abhängig ist und durch die cGAS/STING Achse vermittelt wird (Pajo et al., 2016). Des Weiteren konnten wir feststellen, dass die IFN-β Produktion in der frühen Phase der MCMV-Infektion in den Kupffer-Zellen der Leber induziert wird. Auch unter diesen Bedingungen wird MCMV über die cGAS/STING Achse erkannt (Tegtmeyer et al., 2019). Interessanterweise infiziert MCMV aus den Hepatozyten keine anderen Körperzellen bis Tag 5 nach der Infektion. An Tag 8 nach Infektion breitet sich das Virus dann in die Speicheldrüsen aus (Tegtmeyer et al., 2019). Diese Verteilung ist abhängig von dem viralen Bestandteil MCK2 und wird von MCMV-infizierten myeloiden Zellen vermittelt. Zukünftig werden wir detailliertere Analysen durchführen, um herauszufinden, welche myeloiden Zell-Subtypen hauptsächlich zu der Verteilung des MCMVs beitragen (AFR-DFG Deutsch-Französisches Projekt).

Vor kurzem konnten wir zeigen, dass Typ-I-IFN nur von Monozyten abstammenden Zellen exprimiert wird, wenn diese durch freies HCMV oder durch HCMV-infizierte Zellen, die bereits freies Virus produzieren, stimuliert werden. Jedoch können auch ohne freie Viren, beispielswiese im Rahmen einer Ko-Kultivierung von infizierten Epithel- und Endothelzellen mit aus Monozyten gereiften Makrophagen (moMΦ) oder dendritischen Zellen (moDC) antivirale Antworten induziert werden, welche die Ausbreitung des HCMV vermindern (Becker et al., 2018). In Kombination mit den jüngsten Daten bezüglich der Antigenpräsentation von humanen dendritischen Zellen (Döring et al., 2019) können diese Erkenntnisse dazu beitragen, innovative HCMV-spezifische T-Zell-Therapien für Patienten mit schweren HCMV-Infektionen zu entwickeln (Forschergruppe 2830, P04). 

Das empfindliche Gleichgewicht zwischen der Immunantwort des infizierten Wirtes und der Umgehung eben dieser Antwort durch HCMV wird weiterführend durch Einzelzellsequenzierungen von HCMV-infizierten humanen dendritischen Zellen näher charakterisiert. Dadurch soll ein besseres Verständnis der Entwicklung latenter HCMV-Infektionen in myeloiden Zellen geschaffen werden (SFB 900, B2).

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Regulation aktuter Hepatitis

Die Pathogenese von Virus-induzierten Hepatitiden ist nur wenig verstanden und Strategien, die darauf abzielen, immunologische Prozesse in der Leber wieder in ein Gleichgewicht zu bringen, existieren bisher nicht. Diesbezüglich haben wir untersucht, aus welchem Grund Enterovirusinfektionen unterschiedliche Krankheitsverläufe nehmen können, die von leichten Symptomen bis hin zu schwerwiegender Myokarditis reichen. Wir fanden heraus, dass bei einer Infektion mit dem Coxsackievirus B3 (CVB3) murine Hepatozyten eine Schlüsselrolle bei der Bildung von schützenden Typ I IFN Antworten spielen. So konnten Mäusen, denen der Typ I IFN Rezeptor selektiv auf Hepatozyten fehlt ebenso wenig die CVB3 Infektion kontrollieren wie Mäuse, denen der Typ I IFN Rezeptor auf allen Zellen fehlt (Koestner et al., 2018). Darüber hinaus untersuchen wir, wie in der Leber vorkommende Kupffer-Zellen und infiltrierende periphere Myeloidzellen auf eine Leberinfektion reagieren (Borst et al., 2017). Zu diesem Zweck untersuchten wir sowohl Infektionen durch das Vaccinavirus als auch MCMV-Infektionen in Mäusen. So konnten wir zeigen, dass mit der Infektion Kupffer-Zellen aus der Leber verschwinden. Diese werden mit abklingender Infektion durch periphere myeloide Zellen ersetzt, welche in die Leber infiltrieren und den Kupffer-Zellen sehr ähnlich sind. Des Weiteren wird der Verlauf der Hepatitis durch Typ-I-IFN-Rezeptor Signale myeloider Zellen beeinflusst, wohingegen Typ-I-IFN Rezeptor Signale von Hepatozyten, zumindest bei der durch VACV- und MCMV-induzierten Hepatitis, keinen Einfluss auf den Krankheitsverlauf haben. Zurzeit untersuchen wir, wie sich infiltrierende myeloide Zellen zu Kupffer-Zellen-ähnlichen Zellen in der Leber differenzieren. Das langfristige Ziel dieser Studien ist es, lokale Immunmechanismen in der Leber, welche die antivirale Abwehr und die Entzündung regulieren, besser zu verstehen. Zudem sollen diese Modelle verwendet werden, um neue Tracer für die In-vivo-Bildgebung zu untersuchen und somit neue diagnostische Methoden für die Klinik zu entwickeln.

Publikationen

Viruskontrolle im CNS

Virusinfektionen des zentralen Nervensystems (ZNS) kommen zwar selten vor, dennoch verursachen sie oftmals schwere Krankheitsverläufe, die häufig sogar tödlich enden. Zurzeit gibt es nur wenige wirksame Therapien, da die Pathogenese und die molekularen Vorgänge einer antiviralen Immunantwort im ZNS kaum verstanden sind. Nach einer intranasalen Infektion infiziert VSV sensorischen Neuronen im Riechepithel. Hauptsächlich produzieren Astrozyten das schützende Typ I IFN, was letztendlich eine letale Enzephalitis verhindern kann (Detje et al., 2015). Zwischen dem 3. und 6. Tag nach Infektion werden Mikrogliazellen aktiviert, vermehren sich im Riechkolben und sammeln sich in peripheren Bereichen an, um anschließend einen dauerhaften Immunschutz zu etablieren. Interessanterweise werden Typ I IFN-Rezeptor Signale in Astrozyten und Neuronen benötigt, um eine vollständige Mikroglia-Aktivierung zu erhalten. Wenn Mikroglia entfernt oder nicht ausreichend aktiviert werden können, schreitet die Virusverbreitung fort, was auch zu einer letalen Enzephalitis führt (Chhatbar et al., 2018). Kürzlich haben wir herausgefunden, dass von infiltrierenden Leukozyten an Tag 6 die CD8+ T-Zellen unabkömmlich für das Überleben der Infektion sind. Signale der RIG-I-ähnlichen (RLR) sowie der Toll-ähnlichen Rezeptoren (TLR) stoßen die IFN-β Antwort im Gehirn an, jedoch werden Leukozyten lediglich durch TLR Signale von Astrozyten und Neuronen in das Gehirn rekrutiert. Aktuell untersuchen wir, wie das Herpes Simplex Virus Typ I (HSV) im ZNS wahrgenommen wird und wie Typ I IFN Antworten schützende Immunität gegen das Virus auslösen (Helmholtz Zukunftsthema „Immunology and Inflammation“).

Virale Enzephalitis wird oft mit akuten Anfällen und Epilepsien assoziiert, welche von hippokampalen Neurodegenerationen herrühren. Die relative Rolle von Mikroglia im Vergleich zu Monozyten bei der Entwicklung von Anfällen und Epilepsien nach einer viralen Enzephalitis sind nach wie vor nicht vollständig verstanden. In Zusammenarbeit mit Prof. Wolfgang Löscher, Institut für Pharmakologie, Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover, untersuchen wir sowohl genetische als auch pharmakologische Ansätze, um die Rolle von Mikroglia und Monozyten bei der Entwicklung von Anfällen und der Schädigungen des Hippocampus zu verstehen. Unsere Studien zeigen, dass die Infiltration von Monozyten im ZNS nach einer viralen Enzephalitis an der Anfallsentwicklung beteiligt ist, aber letztendlich nicht zur Schädigung des Hippocampus beiträgt (Waltl et al., 2018). Interessanterweise verhindert das Fehlen von CCR2 und CX3CR1, zwei Chemokinrezeptoren, welche die Reaktionen von Monozyten und Mikroglia regulieren, zwar Hippocampusschäden, aber nicht die Entwicklung von Anfällen. Hippocampusschäden und Anfälle nach einer viralen Enzephalitis sind somit auf die komplexen Interaktionen zwischen ZNS-Zellen, einschließlich Mikroglia und infiltrierenden Monozyten, und eine durch Enzephalitis ausgelöste ZNS-Entzündung, zurückzuführen (Kaeufer et al., 2018).  

Publikationen

Molekulare Mechanismen bei HBV Impf-Nonrespondern

Der Impfstoff gegen HBV wird intramuskulär verabreicht. In der Folge werden Immunzellen aktiviert und B-Zellen zur Produktion von schützenden, das Virus neutralisierenden Antikörpern angeregt.

Seit 1986 sind HBV Impfstoffe der zweiten Generation auf dem Markt, die aus dem rekombinant hergestellten Oberflächenprotein (HBsAg) des Hepatitis B Virus bestehen. Die rekombinanten Proteine werden in Hefezellen hergestellt und mit Alum als Adjuvant formuliert. Der HBV Impfstoff gilt als der erste Impfstoff, der die Entstehung von Krebs verhindert. Obwohl diese Impfung als sehr sicher und effektiv gilt, bauen doch etwa 5 % der geimpften Personen keinen Immunschutz auf. Unser Ziel ist es, die immunologischen und genetischen Ursachen für das Impfversagen einiger Personen zu entschlüsseln. Basierend auf unseren Ergebnissen hoffen wir Strategien entwickeln zu können, um das Phänomen des Impfversagens überwinden zu können. Das Projekt wird von einem interdisziplinären Team aus Medizinern und Immunologen von verschiedenen Einrichtungen durchgeführt. Dies beinhaltet das Deutsche Krebsforschungszentrum (DKFZ), das Helmholtz Zentrum in München, das Helmholtz Institute für Infektionsforschung (HZI), der Technischen Universität München (TUM) sowie Mediziner der MHH.

Zielgerichteter Transport von Wirkstoffen

Glycan-decorated liposomes enhance targeting of APCs such as macrophages and dendritic cells, while providing a preferential delivery of their payload to endo/lysosomal compartments.

Die systemische Applikation neuer Medikamente birgt stets die Gefahr des Auftretens unerwünschter Arzneimittelwirkungen und erschwert so die Entwicklung neuer Wirkstoffe. Deswegen entwickeln wir zunächst Systeme zum gerichteten Transport bereits bekannter Wirkstoffe mit bekanntem Nebenwirkungsprofil direkt in ausgewählte Zielzellen. Momentan untersuchen wir den Transport und die Wirkung unterschiedlicher Antibiotika, verpackt in Glycan-markierten Liposomen, in unterschiedlichen in vitro und in vivo Testsystemen. Mit diesen Studien zielen wir darauf ab, Antibiotika bevorzugt in alveoläre Makrophagen zu transportieren, da dieser Zelltyp hauptsächlich von frühen Mycobacterium tuberculosis (Mtb)-Infektionen betroffen ist. Ein solches System könnte helfen, Antibiotika-Resistenzen von Mtb selbst mit herkömmlichen Antibiotika zu durchbrechen. Gleichzeitig könnten unerwünschte Arzneimittelwirkungen reduziert und Behandlungsschemata vereinfacht werden. 

Publikationen

Entwicklung neuer zelltherapeutischer Optionen für MSMD Patienten

MSMD (Mendelian susceptibility to mycobacterial disease) beschreibt eine genetische Erkrankung welche durch Mutationen im IFN-γ Signalweg charakterisiert ist. MSMD Patienten weisen ein hohes Risiko auf, eine schwerwiegende Erkrankung durch gering pathogene Mykobakterien wie den Impfstamm BCG zu erleiden. Insbesondere Patienten mit autosomal rezessiver, kompletter IFNgR1 Defizienz haben derzeit eine schlechte Behandlungsprognose und versterben oftmals früh in der Kindheit durch disseminierte Infektionen mit BCG und/oder anderen Umwelt Mykobakterien. In Zusammenarbeit mit PD Dr. Nico Lachmann (Institut für experimentelle Hämatologie der MHH) entwickeln wir neuartige iPSC basierte Behandlungsmethoden für MSMD Patienten (Neehus et al., 2018; Hetzel et al., 2018).

Publikationen

Immunologische Erkennung des humanen Cytomegalovirus (HCMV)

Tegtmeyer PK, Spanier J, Borst K, Becker J, Riedl A, Hirche C, Ghita L, Skerra J, Baumann K, Lienenklaus S, Doering M, Ruzsics Z, Kalinke U (2019) STING induces early IFN-β in the liver and constrains myeloid cell-mediated dissemination of murine cytomegalovirus. Nat Commun 10(1): 2830.

Doering M, Blees H, Koller N, Tischer-Zimmermann S, Müsken M, Henrich F, Becker J, Grabski E, Wang J, Janssen H, Zuschratter W, Neefjes J, Klawonn F, Eiz-Vesper B, Tampé R, Kalinke U (2019) Modulation of TAP-dependent antigen compartmentalization during human monocyte-to-DC differentiation. Blood Adv 3(6): 839-850.

Becker J, Kinast V, Doering M, Lipps C, Duran V, Spanier J, Tegtmeyer PK, Wirth D, Cicin-Sain L, Alcamí A, Kalinke U (2018) Human monocyte-derived macrophages inhibit HCMV spread independent of classical antiviral cytokines. Virulence 9(1): 1669-1684.

Hirche C, Frenz T, Haas SF, Doering M, Borst K, Tegtmeyer PK, Brizic I, Jordan S, Keyser K, Chhatbar C, Pronk E, Lin S, Messerle M, Jonjic S, Falk CS, Trumpp A, Essers MAG, Kalinke U (2017) Systemic Virus Infections Differentially Modulate Cell Cycle State and Functionality of Long-Term Hematopoietic Stem Cells In Vivo. Cell Rep 19(11): 2345-2356.

Paijo J, Doering M, Spanier J, Grabski E, Nooruzzaman M, Schmidt T, Witte G, Messerle M, Hornung V, Kaever V, Kalinke U (2016) cGAS Senses Human Cytomegalovirus and Induces Type I Interferon Responses in Human Monocyte-Derived Cells. PLoS Pathog 12(4): e1005546.

Doering M, Lessin I, Frenz T, Spanier J, Kessler A, Tegtmeyer P, Dag F, Thiel N, Trilling M, Lienenklaus S, Weiss S, Scheu S, Messerle M, Cicin-Sain L, Hengel H, Kalinke U (2014) M27 expressed by cytomegalovirus counteracts effective type I interferon induction of myeloid cells but not of plasmacytoid dendritic cells. J Virol 88(23): 13638-13650.

Regulation aktuter Hepatitis

Koestner W, Spanier J, Klause T, Tegtmeyer PK, Becker J, Herder V, Borst K, Todt D, Lienenklaus S, Gerhauser I, Detje CN, Geffers R, Langereis MA, Vondran FWR, Yuan Q, van Kuppeveld FJM, Ott M, Staeheli P, Steinmann E, Baumgärtner W, Wacker F, Kalinke U (2018) Interferon-beta expression and type I interferon receptor signaling of hepatocytes prevent hepatic necrosis and virus dissemination in Coxsackievirus B3-infected mice. PLoS Pathog 14(8): e1007235.

Borst K, Graalmann T, Kalinke U (2019) Reply to: "Unveiling the depletion of Kupffer cells in experimental hepatocarcinogenesis through liver macrophage subtype-specific markers". Who are you?, new markers needed to discriminate tissue resident Kupffer cells and infiltrating myeloid cells. J Hepatol 71(3): 633-635.

Borst K, Graalmann T, Kalinke U (2019) Reply to: "Lack of Kupffer cell depletion in diethylnitrosamine-induced hepatic inflammation". Stay here or get away, Kupffer cell behavior during liver injury. J Hepatol 70(4): 815-816.

Borst K, Frenz T, Spanier J, Tegtmeyer PK, Chhatbar C, Skerra J, Ghita L, Namineni S, Lienenklaus S, Köster M, Heikenwaelder M, Sutter G, Kalinke U (2018) Type I interferon receptor signaling delays Kupffer cell replenishment during acute fulminant viral hepatitis. J Hepatol 68(4): 682-690.

Pfaender S, Grabski E, Detje CN, Riebesehl N, Lienenklaus S, Steinmann E, Kalinke U, Pietschmann T (2016) Hepatitis C Virus Stimulates Murine CD8alpha-Like Dendritic Cells to Produce Type I Interferon in a TRIF-Dependent Manner. PLoS Pathog 12(7): e1005736.

Grabski E, Wappler I, Pfaender S, Steinmann E, Haid S, Dzionek A, Pietschmann T, Kalinke U (2015) Efficient virus assembly, but not infectivity, determines the magnitude of hepatitis C virus-induced interferon alpha responses of plasmacytoid dendritic cells. J Virol 89(6): 3200-3208.

Viruskontrolle im CNS

Chhatbar C, Detje CN, Grabski E, Borst K, Spanier J, Ghita L, Elliott DA, Jordão MJC, Mueller N, Sutton J, Prajeeth CK, Gudi V, Klein MA, Prinz M, Bradke F, Stangel M, Kalinke U (2018) Type I Interferon Receptor Signaling of Neurons and Astrocytes Regulates Microglia Activation during Viral Encephalitis. Cell Rep 25(1): 118-129.

Kaeufer C, Chhatbar C, Bröer S, Waltl I, Ghita L, Gerhauser I, Kalinke U, Löscher W (2018) Chemokine receptors Ccr2 and Cx3cr1 regulate viral encephalitis-induced hippocampal damage but not seizures. PNAS 115(38): E8929-E8938.

Waltl I, Käufer C, Bröer S, Chhatbar C, Ghita L, Gerhauser I, Anjum M, Kalinke U, Löscher W (2018) Macrophage depletion by liposome-encapsulated clodronate suppresses seizures but not hippocampal damage after acute viral encephalitis. Neurobiol Dis 110: 192-205.

Detje CN, Lienenklaus S, Chhatbar C, Spanier J, Prajeeth CK, Soldner C, Tovey MG, Schluter D, Weiss S, Stangel M, Kalinke U (2015) Upon intranasal vesicular stomatitis virus infection, astrocytes in the olfactory bulb are important interferon Beta producers that protect from lethal encephalitis. J Virol 89(5): 2731-2738.

Detje CN, Meyer T, Schmidt H, Kreuz D, Rose JK, Bechmann I, Prinz M, Kalinke U (2009) Local type I IFN receptor signaling protects against virus spread within the central nervous system. J Immunol 182(4): 2297-2304.

Zielgerichteter Transport von Wirkstoffen

Durán V*, Yasar H*, Becker J, Thiyagarajan D, Loretz B, Kalinke U*, Lehr CM* (2019) Preferential uptake of chitosan-coated PLGA nanoparticles by primary human antigen presenting cells. Nanomedicine 21: 102073. * shared first and last authorship

Frenz T, Grabski E, Duran V, Hozsa C, Stepczynska A, Furch M, Gieseler RK, Kalinke U (2015) Antigen presenting cell-selective drug delivery by glycan-decorated nanocarriers. Eur J Pharm Biopharm 95(Pt A): 13-17.

Entwicklung neuer zelltherapeutischer Optionen für MSMD Patienten

Neehus AL, Lam J, Haake K, Merkert S, Schmidt N, Mucci A, Ackermann M, Schubert M, Happle C, Kühnel MP, Blank P, Philipp F, Goethe R, Jonigk D, Martin U, Kalinke U, Baumann U, Schambach A, Roesler J, Lachmann N (2018) Impaired IFNγ-Signaling and Mycobacterial Clearance in IFNγR1-Deficient Human iPSC-Derived Macrophages. Stem Cell Reports 10(1): 7-16.

Hetzel M, Mucci A, Blank P, Nguyen AHH, Schiller J, Halle O, Kühnel MP, Billig S, Meineke R, Brand D, Herder V, Baumgärtner W, Bange FC, Goethe R, Jonigk D, Förster R, Gentner B, Casanova JL, Bustamante J, Schambach A, Kalinke U, Lachmann N (2018) Hematopoietic stem cell gene therapy for IFNγR1 deficiency protects mice from mycobacterial infections. Blood 131(5): 533-545.