Forschungsschwerpunkte & Kooperationspartner

An dieser Stelle geben wie einen Überblick über die laufenden Forschungsprojekte inklusive Kooperationen.

Grundlagenforschung

Molekulare Kontrolle der Aktivierung, Differenzierung und Funktion konventioneller CD4+ und CD8+ T-Zellen als auch Foxp3+ regulatorischer T-Zellen

Wirkungsweise des toleranz-assoziierten Gens TCAIM

beteiligte AG-Mitglieder: Christina Iwert, Christine Appelt; ehemalig: Kathrin Keeren, Julia Schumann, Doreen Weigel

Kooperationen: Frederike Berberich-Siebelt (Universität Würzburg), Jan Lisec (Charité)

Für die Entwicklung neuer Behandlungskonzepte inflammatorischer Erkrankungen ist unter anderem ein besseres Verständnis von konventionellen und regulativen T-Zellen, hinsichtlich ihrer Aktivierung und Differenzierung in Effektor- und Gedächtnis-T-Zellen, von essentieller Bedeutung.
Um Gene zu identifizieren, die eine zentrale Rolle für die Aktivierung und Differenzierung von allo-reaktiven Effektor-T-Zellen besitzen, haben wir vor einigen Jahren die Genexpression von in das Transplantat einwandernden Immunzellen toleranter und abstoßender Empfängertiere miteinander verglichen (Sawitzki et al. EJI 2002, Sawitzki et al. Am J Transpl 2007). Erstaunlicherweise erwies sich gerade die Transkription von mitochondrialen Proteinen als unterschiedlich reguliert.
Mitochondrien oder vor allem deren Funktionen können auf vielfältige Weise die Aktivierung von T-Zellen beeinflussen. Sie regulieren den Metabolismus und die ATP-Produktion, kontrollieren als Ca2+-Puffer dessen Einstrom in die Zelle und modulieren damit Ca2+-abhängige Signalwege. Als Nebenprodukt oder nach Entkopplung der Atmungskette produzieren sie reaktive Sauerstoffspezies (mROS), die ebenfalls zelluläre Signalwege verstärken können. 

Eines der von uns identifizierten differentiell exprimierten mitochondrialen Proteine in toleranten und abstoßenden Empfängertieren, ist das Protein „T cell activation inhibitor - mitochondrial“ (Tcaim). Eine stabile und hohe Expression von Tcaim (ehemals als Toag-1 bezeichnet) im Transplantat und im peripheren Blut, ist eng mit der Induktion und Aufrechterhaltung einer Toleranz assoziiert. Unsere Daten zeigten, dass Tcaim als mitochondriales Protein das mitochondriale Potential und die Aktivierung von T-Zellen beeinflusst (Keeren et al. J Immunol 2009).Untersuchungen an generierten konditionellen tcaim knock-in Mäusen ergab, dass Tcaim die Fission und Akkumulation von Mitochondrien an der immunologischen Synapse sowie die Produktion von mROS reduziert und darüber die Aktivierung und Differenzierung von CD4+ und CD8+ T-Zellen inhibiert (Schumann et al. Am J Transpl 2014, siehe auch Abbildung 2).Es ist seit einigen Jahren bekannt, dass sich konventionelle und regulatorische T-Zellen in ihrem Metabolismus und damit auch der Mitochondrienfunktion unterscheiden. Diese Unterschiede scheinen mitverantwortlich für die Ausprägung ihrer inflammatorischen respektive regulatorischen Funktion zu sein.

Deswegen führen wir momentan eine systematische Analyse der Rolle der Mitochondrien und der von ihnen beeinflussten Prozesse für die T-Zellaktivierung durch. Hierfür untersuchen wir, ob und wie Tcaim bzw. andere mitochondriale Proteine die Entstehung, den Phänotyp und die Funktion konventioneller und regulatorischer T-Zellen beeinflussen. 

Abb. 2 (zum Vergröern auf Bild klicken):
Überexpression von Tcaim in T-Zellen inhibiert die Akkumulation von Mitochondrien an der immunologischen Synapse (A) und reduziert deren aktivierungsabhängige mROS-Produktion (B).

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Phänotypische und funktionelle Charakterisierung der Heterogenität von Th9 Zellen

beteiligte AG-Mitglieder: Katarina Stanko, Katrin Vogt, Christine Appelt, Christine Iwert, Franziska Strunk; assoziierte: Stephan Schlickeiser, ehemalige: Julia Schumann

Kooperationen: Anja Kühl (Charité), Chiara Romagnani (Charité)

CD4+ T-Helferzellen lassen sich aufgrund ihres produzierten Zytokinmusters und ihrer Funktion in verschiedene Subpopulationen unterteilen. So wurden bereits vor über 20 Jahren IFN-γ-produzierende Th1-Zellen und IL-4/IL-5-produzierende Th2-Zellen beschrieben. In den letzten Jahren kamen mit Th9-, Th17- und Tfh-Zellen weitere Subpopulationen dazu.   
Th9-Zellen weisen eine hohe Expression von IL-9 auf und kontrollieren vornehmlich die Immunantwort gegenüber Parasiten. Jedoch werden den Th9-Zellen sowohl protektive als auch pathologische Funktionen zugesprochen. Widersprüchliche Daten gibt es auch für ihre Rolle bei der Induktion einer Toleranz oder Abstoßung allogener Transplantate. Dies deutet auf eine Heterogenität der Th9-Zellen bezüglich ihres Phänotyps und ihrer Funktion hin, die wir momentan unter Verwendung „Single Cell Transcriptomics“ näher untersuchen.
Die Arbeiten zur Charakterisierung der Th9-Zellen werden sowohl in Mausmodellen als auch an Proben von gesunden Probanden und Patienten mit inflammatorischen Erkrankungen durchgeführt.

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Phänotypische und funktionelle Charakterisierung von humanen T-Gedächtniszellpopulationen

Förderung durch DFG SFB650/3 Zelluläre Ansätze zur Suppression unerwünschter Immunreaktionen

TP14 „Influence of the early immune monitoring profile on outcome (rejection / induction of tolerance) after liver transplantation”

beteiligte AG-Mitglieder: David Boës, Kim-Long Truong, Katrin Vogt, Christine Appelt assoziierte: Stephan Schlickeiser

Kooperationen: Julia Polansky-Biskup (Charité), Gerald Grütz (Charité)

Die Erfolge zur Induktion einer Langzeitakzeptanz von Transplantaten aus den Tiermodellen konnten leider noch nicht in die Klinik übertragen werden. Ursachen liegen unter anderem in dem Vorhandensein einer hohen Frequenz donor-spezifischer oder kreuzreaktiver Gedächtnis-T-Zellen. Ergebnisse aus Tiermodellen und der Klinik zeigen, dass diese Gedächtnis-T-Zellen akute Abstoßungskrisen auslösen oder verstärken können. Von pathologischer Relevanz scheinen in diesem Zusammenhang vor allem „effector memory“ (TEM) und „terminal differenzierte Gedächtniszellen (TEMRA) zu sein (Gerlach et al. Transplantation 2013). Beide Gedächtniszellsubpopulationen spielen auch bei der Entstehung und dem Voranschreiten anderer inflammatorischer Erkrankungen eine entscheidende Rolle und zeichnen sich durch ein hohes zytokinproduzierendes Potenzial aus. Unsere Analysen von humanen CD4+ TEM- und TEMRA-Zellen zeigen die Heterogenität der Populationen auf. Ziel unserer momentanen Untersuchungen ist es, inflammatorische subsets zu identifizieren und ihre phänotypischen Besonderheiten zu ermitteln.  

Darauf aufbauend sollen in Zukunft Therapiekonzept für eine gezielte Eliminierung oder Inaktivierung dieser inflammatorischen Subsets entwickelt werden, um die Frequenz akuter Abstoßungskrisen zu reduzieren und damit auch zu einer besseren Langzeitfunktion der Transplantate beizutragen.

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Immunmonitoring von Patienten und Entwicklung/ Austestung neuer Therapiekonzepte

Immunmarker zur Vorhersage einer Abstoßung oder der Entwicklung einer Toleranz nach Transplantation

Im Rahmen mehrerer zum Teil EU-geförderter Projekte (EU Project FP5 "Tolerance Indices", EU Project FP6 "Riset") haben wir ein molekularbiologisches Immunmonitoring an Patientenproben nach Nierentransplantation durchgeführt. Damit konnten sowohl Kandidatenmarker identifiziert werden, die das Auftreten einer akuten und/ oder chronischen Abstoßung anzeigen, als auch Gene beschrieben werden, deren Expression in Proben potentiell „toleranten“ Patienten erhöht ist. In weiterführenden zum Teil prospektiven Studien werden die identifizierten Biomarker nun validiert (Behnam-Sani et al. 2017).   

Abb. 3 (zum Vergrößern auf Bild klicken):
Beispiele für identifizierte Biomarker, die den Erfolg einer Toleranzinduktion anzeigen können.

BMBF e:Kid, “Systems medicine approach to personalized immunosuppressive treatment at early stage after Kidney Transplantation”

SP5 „Analysis of peripheral tolerance signature early after transplantation to identify low-risk patients“

beteiligte AG-Mitglieder: Katrin Vogt, Christine Appelt; assoziierte: Stephan Schlickeiser

Kooperationen: Nina Babel (Charité), Christian Hugo (Universität Dresden)

Im Rahmen des BMBF-geförderten Projektes e:Kid untersuchen wir nun, ob die Analyse der Toleranz- versus Rejektionsgensignatur eine frühe Stratifizierung von Patienten erlaubt. Dazu wird eine RNA/cDNA Biobank, bestehend aus über 300 Patientenproben, die zu verschiedenen Zeitpunkten nach Transplantation gesammelt wurden, generiert. Weiterhin werden an allen generierten Proben qRT-PCR-Analysen zum quantitativen Nachweis der Toleranz- (z.B. PNOC, TCL1A, SH2D1B) oder Abstoßungs-assoziierten Gene (z.B. TLR5, SLC8A1) durchgeführt. Unsere vorläufigen Daten zeigen, dass die Genexpressionsanalyse eine frühe Unterscheidung der Patientengruppen (z.B. Abstoßung versus stabiler Verlauf) erlaubt. In Zukunft wird die Biobank und qRT-PCR-Analyse weiterer Proben erfolgen und die erhobenen Daten in Zusammenarbeit mit anderen e:Kid-Projektpartnern bioinformatisch ausgewertet werden.

DFG SFB650/3 Zelluläre Ansätze zur Suppression unerwünschter Immunreaktionen

TP14 „Influence of the early immune monitoring profile on outcome (rejection/ induction of tolerance) after liver transplantation”

beteiligte AG-Mitglieder: Katrin Vogt, Nadja Niemann, David Boës; assoziierte: Stephan Schlickeiser; ehemalige: Julia Schumann

In den letzten Förderperioden konnten wir transkriptionelle Signaturen toleranter transplantierter Patienten definieren und spezifische Oberflächenmarker potentiell pathologischer terminal differenzierter Gedächtniszellen (TEM, TEMRA) identifizieren. Basierend auf diesen Ergebnissen untersuchen wir nun 1) inwieweit das frühe Immunprofil nach Lebertransplantation mit der Wahrscheinlichkeit der Entwicklung einer „operationalen“ Toleranz oder einer Verschlechterung der Transplantatfunktion nach 3-5 Jahren korreliert (Abbildung 4). In der Zukunft soll dann anhand der generierten Daten eine Immunsuppressions-Minimierungsstudie in „operational“ toleranten Leber-Tx-Patienten initiiert werden.

Abb.4:
Vorgehensweise zur Identifizierung prädiktiver Immunparameter

Ähnliche Untersuchungen führen wir auch an dünndarm- oder multiviszeraltransplantierten Empfängern durch.

Des Weiteren entwickeln wir auch anhand der identifizierten selektiven TEM/TEMRA-Oberflächenmarker (siehe auch phänotypsiche und funktionelle Charakterisierung von Gedächtnis-T-Zellen) therapeutische Konzepte zur selektiven Inaktivierung/Depletion von inflammatorischen T-Zellsubsets unter Verwendung von etablierten klinisch relevanten Transplantationsmodellen (Siepert et al. Am J Transpl 2012, Siepert et al. Am J Transpl 2013).

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Transfer von regulatorischen Zellen in Nierentransplantatempfängern

EU FP7 Öffnet externen Link im aktuellen FensterONE Study, Kooperation lokal mit Prof. Dr. Petra Reinke (Nephrologie), Prof. Dr. Hans-Dieter Volk (Immunologie) und national / international mit den Universitäten Regensburg (Prof. Ed Geissler), London (Prof. Giovanna Lombardi), Oxford (Prof. Kathryn Wood), Mailand (Dr. Manuela Battaglia), Nantes (Prof. Maria-Cristina Cuturi), San Francisco (Prof. Jeffrey Bluestone / Dr. Tang), Boston (Prof. Larry Turka)

beteiligte AG-Mitglieder: Katrin Vogt, Christine Appelt, Katayoun Behnam-Sani assoziierte: Mathias Streitz, Stephan Schlickeiser

In diesem Projekt wird bisher einzigartig in der Welt untersucht, ob ein Transfer von regulatorischen Zellen (tolerogene APCs z.B. Makrophagen oder regulatorische T-Zellen) in nierentransplantierte Patienten sicher ist und die anti-Spender-Immunantwort des Empfängers moduliert und damit eine frühzeitige Reduktion der Immunsuppressiva ermöglicht. Unser Labor koordiniert das Immunmonitoring der Patienten an den 8 klinischen Standorten.
Dieses umfasst sowohl Transkriptomanalysen, multiparametrische Durchflusszytometrie als auch funktionelle Tests. Für die lokal an den jeweiligen Zentren durchgeführte Durchflusszytometrie, haben wir eine standardisierte Vorgehensweise und SOPs entwickelt, die eine Vergleichbarkeit der Messungen erlaubt (Streitz Transplant Res 2013). Für die Auswertung der gewonnenen Datenmengen benutzen und modifizieren wir „R“-basierte bioinformatische „tools“ (Schlickeiser Methods Mol Biol 2016). Außerdem erheben wir alters- und geschlechtsabhängige Referenzwerte gesunder Probanden, die mit in die Auswertung der Patientendaten einfließen (Kverneland et al. 2016, siehe auch Abbildung 5).

Abb. 5 (zum Vergrößern auf Bild klicken):
alters-abhängige Veränderung der Frequenz senes-zenter T-Zellsubsets (CD4+CD57+ und CD4+CD27-)

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Kontakt AG Sawitzki

Prof. Dr.
Birgit Sawitzki

t: +49 30 450 524 136
f: +49 30 450 524 907

Forschungsdatenbank

Für mehr Details nutzen Sie bitte auch die Öffnet externen Link im aktuellen FensterForschungsdatenbank der Charité.

Kontakt IMI

Direktor:
Prof. Dr. Hans-Dieter Volk

Sekretariat:
Andrea Gorgas

Charité – Universitätsmedizin Berlin
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Institutsgebäude Süd
Föhrer Str. 15 / Südstr. 2
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