Jahrbuch der Max-Planck-Gesellschaft

Neue Befunde aus dem Institut erlauben Einblicke in die molekularen und zellulären Mechanismen des Erregers Helicobacter pylori im Verlauf chronischer Magenschleimhautentzündungen und wie diese letztendlich zur Krebsentstehung führen können. Grundsätzlich verfügt die menschliche Schleimhaut über empfindliche Sensoren, pathogene Keime zu erkennen, und auch über Mechanismen, diese effizient zu eliminieren. Im Fall von H. pylori aber funktioniert zwar die Erregererkennung, die nachfolgende Abwehrreaktion wird jedoch unterbunden.

Ein Leben lang sind hämatopoietische Stammzellen die Quellen der Zellen des Immunsystems. Wir haben ihre embryonalen Ursprünge, ihre Wanderung aus Blut in fötale Leber, ihre Residenz im Knochenmark und ihre Fähigkeiten dahingehend untersucht, reife Zellen des Immunsystems zu bilden. Überraschenderweise bieten sie ruhenden latenten Formen von Tuberkulose (TB)-Bakterien eine langzeitige Bleibe. So stellen sie eine ständige Gefahr für den Ausbruch von aktiver TB, aber auch die Quelle eines dauernd produzierten TB-Impfstoffs dar.

Weiterhin bleibt die Tuberkulose (TB) eine globale Bedrohung für die Gesundheit, zu deren Bekämpfung ein neuer Impfstoff dringend benötigt wird. Wir haben einen neuen TB-Impfstoff mit hohem Effizienz- und Sicherheitsprofil entwickelt; der Impfstoff hat seine Sicherheit und Immunogenität in klinischen Studien an Erwachsenen und Kleinkindern in Deutschland und Südafrika bewiesen. Derzeit wird er in einer Studie an Neugeborenen von HIV infizierten Müttern in Südafrika überprüft und für 2016 ist eine groß angelegte Studie an Erwachsenen mit erhöhtem TB-Risiko in Indien geplant.

Malaria ist eine Armuts-bedingte Infektionskrankheit der Tropen und eine Herausforderung der medizinischen Grundlagenforschung. Ein besseres molekulares Verständnis der Mechanismen der Plasmodium-Wirts-Wechselwirkung und des komplexen Lebenszyklus ist Voraussetzung für neue, Evidenz-basierte Kontrollstrategien. Neue Erkenntnisse aus der klinisch unauffälligen Leberphase und von verwandten Parasiten in Afrotropischen Fledermäusen bieten bislang unerkannte Möglichkeiten, den Parasiten vor dem Ausbruch der Malaria aufzuhalten und dem Wirt einen entscheidenden immunologischen Vorsprung zu geben.

Malaria ist eine von Mücken übertragene Krankheit, die jährlich rund 600.000 Menschen das Leben kostet. Stark betroffen ist der afrikanische Kontinent. Verursacht wird die Malaria durch den Parasiten Plasmodium, dessen effizientester Vektor Mücken der Art Anopheles gambiae sind. Uns interessiert, was diese Mücke als Wirt für den Parasiten so attraktiv macht, wie sie den Krankheiterreger erkennt und sich vor ihm schützt. Ziel ist, die dafür zugrunde liegenden molekularen Mechanismen zu verstehen und deren Rolle bei der Malaria-Übertragung aufzudecken.

Neutrophile machen beim Menschen den Hauptteil der weißen Blutkörperchen aus. Diese Immunzellen haben viele Strategien, um Krankheitserreger zu bekämpfen. So können sie netzartige extrazelluläre Strukturen, genannt Neutrophil Extracellular Traps (NETze), auswerfen. NETze bestehen aus DNA, Histonen und spezifischen Proteinen. DNA und Histone sind jedoch auch für die Organisation der Erbinformation und damit für die geregelte Entwicklung eines Lebewesens zuständig. Die Abteilung Zelluläre Mikrobiologie erforscht diese enge Verknüpfung von Immunabwehr und Entwicklung.

Forscher am Institut verfolgen innovative Ansätze zur resistenzsicheren Behandlung von akuten wie auch chronischen Infektionskrankheiten. Die Strategie beruht auf der Erkenntnis, dass Infektionen in ganz entscheidendem Maß von Wirtsfaktoren abhängen, die man medikamentös blockieren kann. Mithilfe moderner RNAi-Technologie wurde das menschliche Genom auf essenzielle Faktoren der Vermehrung von Influenzavieren und Chlamydien durchsucht. Die daraus gewonnenen Daten liefern Grundlagen für neue Medikamente und die Impfstoffgewinnung wie auch überraschende Einblicke in Infektionsabläufe.

Jährlich erkranken an Tuberkulose zehn Millionen Menschen neu, von denen zwei Millionen sterben. Weltweit sind geschätzte zwei Milliarden Menschen mit dem Erreger infiziert. Neue Impfstoffe, Medikamente und Diagnostika werden dringend benötigt. Hier kann zielgerichtete Grundlagenforschung einen wesentlichen Beitrag leisten. Unsere Gruppe deckte Mechanismen der frühen Infektabwehr auf und gewann tiefere Einsichten in das Granulom als histologisches Korrelat von Schutz und Schaden. Weiterhin wird die Entwicklung eines Impfstoffs und die Aufschlüsselung von Biomarkern vorangetrieben.

An Malaria erkranken jährlich mehr als 300 Millionen Menschen, etwa 1 - 2 Millionen Kinder sterben daran. Maßnahmen, den Überträger der Krankheit zu bekämpfen (Vektorkontrollprogramme), und imprägnierte Bettnetze können Malaria eindämmen, zeigen in Afrika jedoch nicht die gewünschte Wirkung. Eine Impfung wird daher dringend benötigt. Da sich der Erreger dem Immunsystem weitgehend entzieht, müssen gegen die Malaria völlig neue Wege der Immunisierung beschritten werden.

Alle wesentlichen Zellen des Blutes können aus den embryonalen Stammzellen der Maus entwickelt und durch Transplantation in Empfängermäuse eingeführt werden. Damit ist es möglich geworden, den Einfluss einer größeren Anzahl von Genen mit unterschiedlichen Funktionen bei der Bildung des angeborenen und des adaptiven Immunsystems unter natürlichen Bedingungen zu untersuchen. Weil ein defektes Gen in embryonalen Stammzellen durch die intakte Form desselben Gens durch so genannte homologe Rekombination ersetzt werden kann, lassen sich Immundefekte sogar fehlerlos reparieren.

Somatische Rekombination und Mutation bilden die Vielfalt des Immunglobulin (Ig) Repertoires. Beide Mechanismen generieren Ig, die Fremd-Antigene erkennen, und Ig, die körpereigene Antigene binden. Die Frequenz, mit der letztere Ig gebildet und wo und wann sie zur Vermeidung von Autoimmunität kontrolliert werden, ist unklar. Die Herstellung monoklonaler Antikörper aus einzeln humanen B-Zellen hilft, diese Fragen zu beantworten.

Die Entdeckung tausender unbekannter RNA-Moleküle in allen nur erdenklichen Organismen hat der RNA-Forschung neuen Schwung gegeben. Früher sah man die RNA vorrangig nur als Bindeglied zur Genausprägung zwischen DNA und Proteinen. Doch nun findet man immer mehr molekulare Schaltkreise, in denen RNA als Regulator operiert. Solche RNA-Moleküle werden nicht in Proteine übersetzt, man nennt sie daher nichtkodierend. Die Arbeitsgruppe RNA-Biologie am Max-Planck-Institut für Infektionsbiologie erforscht die Funktion solcher RNA-Moleküle in humanpathogenen Bakterien.

Bakterien der Gattung Shigella gehören zu den verbreitesten Verursachern entzündlicher Darmerkrankungen und sind Auslöser der Bakterienruhr (Dysenterie, Shigellose), einer schweren, blutigen Durchfallerkrankung, die insbesondere in Entwicklungsländern und Gebieten mit krisenbedingt schlechter Wasserversorgung zu einem hohen Krankenstand und Sterblichkeit führt. Mit weltweit jährlich ca. 165 Millionen Shigellose-Fällen und mindestens 1,1 Millionen Todesfällen, vor allem bei Kindern, ist sie ein gesundheitspolitisch ernst zu nehmendes Problem. Die meisten infizierten Menschen überleben eine Infektion, denn die durch Shigella ausgelöste Entzündungsreaktion ist durch eine hohe Konzentration so genannter Neutrophile gekennzeichnet. Neutrophile sind, ebenso wie Makrophagen, ein zellulärer Anteil des angeborenen Immunsystems und in der Lage, Shigellen mit hoher Effizienz abzutöten. Wie von unserer Arbeitsgruppe vor kurzem entdeckt wurde, können Neutrophile überraschenderweise Bakterien auch außerhalb der Zelle bekämpfen, indem sie eine netzartige Struktur produzieren (Neutrophil Extracellular Traps, NETs). In diesem Netz werden die Bakterien gefangen und abgetötet.

Helicobacter pylori als vielseitiges Modell der Wirt-Pathogen-Interaktion: Genetische Fingerabdrücke weltweit isolierter Stämme reflektieren Völkerwanderungen; Transfer bakterieller Pathogenitätsfaktoren (CagA) irritiert Magenzellen; Impfstoffgewinnung ergibt Einblick in Prinzipien der Immunabwehr des Magens.

Tuberkulose ist die häufigste bakterielle Infektionskrankheit weltweit und wird durch den Erreger Mycobacterium tuberculosis verursacht. Schützende Immunität gegen Tuberkulose wird durch T-Lymphozyten vermittelt, wobei neben CD4-Helfer-T-Zellen zytotoxische CD8-T-Zellen und lipid-spezifische, CD1-reaktive T-Lymphozyten eine wesentliche Rolle spielen. Forscher der Abteilung Immunologie des Max-Planck-Instituts für Infektionsbiologie konnten nun einen neuen Weg der Präsentation mykobakterieller Antigene als Voraussetzung für die Aktivierung von CD8-T-Zellen beschreiben. Dieser Weg nimmt seinen Ursprung von mit M. tuberculosis infizierten Makrophagen, die den programmierten Zelltod (Apoptose) sterben. Dabei geben sie apoptotische Vesikel ab, die mykobakterielle Substanzen enthalten und von dendritischen Zellen aufgenommen werden, um nach Prozessierung der Antigene, effektiv CD8-T-Zellen zu stimulieren. Weiterhin konnte mit den Saposinen eine neue Gruppe von Helfermolekülen entdeckt werden, die die Antigenpräsentation von Lipiden über CD1-Moleküle überhaupt erst ermöglicht. Die Saposine überbrücken dabei die biophysikalische Kluft zwischen membrangebundenem Fett und hydrophilem Präsentationsmolekül. Lipid-spezifische T-Lymphozyten treten im Rahmen der Tuberkulose auf, da M. tuberculosis über eine wachsartige, fettreiche Zellwand verfügt. Die Erkenntnisse zur Präsentation mykobakterieller Antigene sind die Grundlage für ein besseres Verständnis der T-Zell-Aktivierung und der erfolgreichen Impfstoffentwicklung gegen Tuberkulose.