Projekte Experimentelle Infektionsforschung

Immunologische Erkennung des humanen Cytomegalovirus (HCMV)

Derzeit sind 60-100% unserer Weltbevölkerung latent mit HCMV infiziert. Diese Infektion stellt ein bedeutendes Gesundheitsproblem dar, da sie in immunsupprimierten Patientinnen und Patienten zu schweren entzündlichen Erkrankungen bis hin zum Tode führen kann. Von immunkompetenten Personen hingegen wird eine HCMV Infektion meist nicht bemerkt. Das Virus hat Unterwanderungsstrategien entwickelt, die es ihm erlauben die Immunantwort zu umgehen und so unbemerkt im Körper zu persistieren. Vor diesem Hintergrund wollen wir die Erkennung von HCMV durch das Immunsystem besser 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 antivirale Effekte vermitteln kann. Durch die Anwendung von Einzelzellanalysen wollen wir den schmalen Grat zwischen der induzierten Immunantwort und den Evasionsstrategien von HCMV besser aufklären.

Publikationen

Regulation aktuter Hepatitis

Die Pathogenese von Virus-induzierten Hepatitiden ist nur wenig verstanden und Therapien, die darauf abzielen, immunologische Prozesse wieder in ein Gleichgewicht zu bringen, existieren bisher nicht. Wir haben 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 Mäuse, denen der Typ I IFN Rezeptor selectiv 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 infiltrierende, myeloide Zellen ersetzt, welche den Kupffer-Zellen sehr ähneln. Das langfristige Ziel dieser Studien ist es, lokale Immunmechanismen in der Leber, die 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). Aktuell wollen wir herausfinden, wie das Herpes Simplex Virus Typ I (HSV) im ZNS wahrgenommen wird und wie Typ I IFN Antworten schützende Immunität auslösen.

Virale Enzephalitis führt oft zu akuten Anfällen und Epilepsien, die wiederum zu hippokampalern Neurodegenerationen und sogar zum Tod führen können. 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 komplexe 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 Adjuvans 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 Forschenden der Medizin und Immunologie 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 Medizinerinnen und Mediziner der MHH.

Entwicklung einer anti-inflammatorischen mAb Therapie

Frühere Studien konnten zeigen, dass der superagonistische Antikörper TGN1412 seine Wirkung, wie z.B. die T Zellrezeptor-unabhängige Stimulation von T-Zellen, ausschließlich nach Interaktion mit Fcγ-Rezeptor-exprimierenden Zellen entfalten kann. Entsprechend benötigte auch der CD4-agonistische Antikörper BT061 die Interaktion mit Fcγ-Rezeptor-exprimierenden Zellen, um die Expression von CD4 Molekülen auf T-Zellen herunter zu regulieren. Insbesondere die Interaktion mit dem hochaffinen Fcγ-Rezeptor CD64, welcher auf Entzündungszellen in entzündetem Gewebe zu finden ist, erwies sich dabei als entscheidend für die Wirkung von BT061. Deswegen soll die modulierende Wirkung von BT061 nach direkter Injektion in entzündete Gelenke von Patientinnen und Patienten getestet werden.

Publikationen

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 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. Ein solches System könnte helfen, Antibiotika-Resistenzen intrazellulärer Pathogene selbst mit herkömmlichen Antibiotika zu durchbrechen. Gleichzeitig könnten unerwünschte Arzneimittelwirkungen reduziert werden.

Publikationen

Entwicklung neuer zelltherapeutischer Optionen für MSMD Patienten

MSMD (Mendelian susceptibility to mycobacterial disease) beschreibt eine genetische Erkrankung die durch Mutationen im IFN-γ Signalweg charakterisiert ist. MSMD Patientientinnen und Patienten weisen ein hohes Risiko für eine schwerwiegende Erkrankung durch gering pathogene Mykobakterien wie den Impfstamm BCG auf. Insbesondere Menschen 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)

Hirche C, Frenz T, Haas SF, Doring 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.

Doring 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.

Paijo J, Doring 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.

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, Frenz T, Spanier J, Tegtmeyer PK, Chhatbar C, Skerra J, Ghita L, Namineni S, Lienenklaus S, Köster M, Heikenwaelder M, Sutter G, Kalinke U (2017) Type I interferon receptor signaling delays Kupffer cell replenishment during acute fulminant viral hepatitis. J Hepatol. 2017 Dec 21. pii: S0168-8278(17)32473-X.

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, Costa Jordão MJ, Mueller N, Sutton S, 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 (in press).

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 (in press)

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, 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.

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.

Entwicklung einer anti-inflammatorischen mAb Therapie

Bartholomaeus P, Semmler LY, Bukur T, Boisguerin V, Romer PS, Tabares P, Chuvpilo S, Tyrsin DY, Matskevich A, Hengel H, Castle J, Hunig T, Kalinke U (2014) Cell contact-dependent priming and Fc interaction with CD32+ immune cells contribute to the TGN1412-triggered cytokine response. J Immunol 192(5): 2091-2098.

Vogel S, Grabski E, Buschjager D, Klawonn F, Doring M, Wang J, Fletcher E, Bechmann I, Witte T, Durisin M, Schraven B, Mangsbo SM, Schonfeld K, Czeloth N, Kalinke U (2015) Antibody induced CD4 down-modulation of T cells is site-specifically mediated by CD64(+) cells. Sci Rep 5: 18308.

Zielgerichteter Transport von Wirkstoffen

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.