Projekte

Medizin 1

Direktor:
Prof. Dr. med. Markus F. Neurath

Arbeitsgruppe: Mukosale Infektionsbiologie

Projekte

Ex vivo Organkulturen Ex vivo Organkulturen

Organoide sind dreidimensionale organähnliche Strukturen, die aus organspezifischen, embryonalen oder pluripotenten Stammzellen erzeugt werden können. Organoide können physiologisch relevante, organähnliche Eigenschaften rekapitulieren und sind daher von besonderer Bedeutung für die medizinische Forschung. In den letzten 9 Jahren haben wir erfolgreich mit Organoiden gearbeitet und haben organoide Kulturen aus verschiedenen Mausgeweben wie der Leber, Gallenblase, Bauchspeicheldrüse, Magen und Darm etabliert können. Zusätzlich haben wir eine Vielzahl von Technologien, wie z. B. Genom-Editing, Transfektion, Kryokonservierung, Mikroinjektion, Co-Kultur und ein breites Spektrum an funktionellen Assays entwickelt. Wir verwenden Organoide, um die molekularen und zellulären Mechanismen verschiedener Erkrankungen zu untersuchen, neue Medikamente zu entwickeln und für klinische Anwendungen in der regenerativen Therapie und der personalisierten Medizin.


Verbindende Mechanismen zwischen IFN-vermittelter Aktivierung des mixed lineage kinase domain-like Proteins und Darmentzündungen

Interferone (IFNs) sind einerseits starke immun-modulatorische Zytokine, die vor allem von Zellen des Darmepithels und der Schleimhaut als Antwort auf virale und bakterielle Infektionen exprimiert werden. Andererseits fördern IFNs den Zelltod des Darmepithels, beeinflussen so dessen tight junction Barriere und sind damit an der Entstehung entzündlicher Darmerkrankungen beteiligt. Damit übereinstimmend konnten wir einen Zusammenhang zwischen IFN-Expression (v.a. IFN-λ) und der Krankheitsaktivität in Morbus Crohn Patienten feststellen. Zudem haben wir eine bisher nicht beschriebene Art der regulierten Nekrose identifiziert, die stark abhängig von IFN-Signaling ist und über einen mixed lineage kinase domain-like protein (MLKL)-abhängigen Signalweg verläuft, welcher aber unabhängig von RIPK3 und Caspase-8 ist. Da IFN-λ-abhängiger epithelialer Zelltod mit einer starken Hochregulation von MLKL verknüpft ist, haben wir die Hypothese, dass IFN-λ im Darm MLKL-abhängige programmierte Nekrose induziert, wodurch die Entstehung entzündlicher Darmerkrankungen in Mäusen und humanen Patienten gesteuert wird. Wir beschäftigen uns mit der Frage, ob und über welche Signalwege IFN-regulierte Nekrose in Epithelzellen zur Entstehung entzündlicher Darmerkrankungen beiträgt und wie hier in Zukunft therapeutisch angesetzt werden kann.


Die Auswirkungen der intestinalen Mikrobiota sowie Mikrobiota vermittelten Immunreaktionen auf die Zelltodmaschine des Darmepithels

Darmepithelzellen bilden eine physikalische Barriere, um die kommensalen und pathogenen Mikroorganismen von dem darunter liegenden Immunsystem zu separieren. Spezialisierte Darmepithelzellen (z.B. Paneth-Zellen, Becherzellen) produzieren Mukus und antimikrobielle Peptide was den Zugang und das Überleben von Bakterien behindert. Angesichts dieser grundlegenden und vielfältigen Funktionen von Darmepithelzellen ist es offensichtlich, dass die Proliferation, Differenzierung und der Zelltod dieser Zellen streng kontrolliert werden muss, um die Darmhomöostase aufrechtzuerhalten. Unsere Studien haben bereits eine entscheidende Rolle der Nekroptose bei der Regulierung der intestinalen Homöostase und Darmbarriere identifiziert, die stark zur Darmentzündung beiträgt. Über die Auswirkungen der intestinalen Mikrobiota auf diese bestimmte Form des Zelltods und die Auswirkungen der epithelialen Nekroptose auf die Darmflora ist jedoch wenig bekannt. Das Ziel dieses Projekts besteht darin, dass der bidirektionale Einfluss der Darmmikrobiota und der Zelltodmaschine unter physiologischen und pathophysiologischen Bedingungen zu definieren. Ein besseres Verständnis der Wirts-Mikroben-Interaktion im Zusammenhang mit dem Aufbau und der Aufrechterhaltung der Darmbarrierefunktion ist für die Entwicklung neuer Strategien zur Behandlung von entzündlicher Darmerkrankung und von Magen-Darm-Infektionen unerlässlich.


Intestinaler Epithelzelltod als Modulator der intestinalen Mikrobiota, systemischer Autoimmunität und Initiator von Arthritis

Gastrointestinale Entzündung und Dysbiose stehen mit Autoimmunerkrankungen wie unteranderem der rheumatoiden Arthritis (RA) in Verbindung. Die zugrundeliegenden molekularen Mechanismen sind jedoch noch unvollständig verstanden und aufgeklärt. Unsere vorläufigen Daten deuten darauf hin, dass die Expression von Zelltodregulatoren, wie Caspase-8, einen entscheidenden Einfluss auf die mukosalen Immunmechanismen und die Zusammensetzung der intestinalen Mikrobiota besitzen. Weitere vorläufige Daten deuten darauf hin, dass Caspase-8 zusätzlich die systemische Th17-gesteuerte (Auto-) Immunität und das Auftreten von Arthritis beeinflussen könnten. Daher möchten wir in einem multidisziplinären Ansatz, den Zusammenhang zwischen Zelltod des Darmepithels und der Entstehung von Gelenkentzündungen untersuchen.


Rolle von MLKL-vermittelter Nekrose bei der Entstehung von Hepatitis

Programmierter Zelltod spielt bei nahezu allen Lebererkrankungen eine wesentliche Rolle. Ein umfassenderes Verständnis über potentielle Auslöser und molekulare Mechanismen von Zelltod in der Leber ist daher von entscheidender Bedeutung für die Entwicklung neuer Therapieansätze. In diesem Projekt analysieren wir deshalb die Rolle von Mixed-Lineage-Kinase-Domänen-ähnlichen Pseudokinase (MLKL)-vermittelter Nekrose bei Hepatitis. Tatsächlich konnten wir feststellen, dass die Transkriptionsrate von MLKL in der Leber von Hepatitis-C-Patienten erhöht ist. Um den Einfluss von MLKL in Virus-induzierter Hepatitis genauer zu untersuchen, etablierten wir ein neues Mausmodell, welches leberspezifisch den viralen Zelltodregulator vFLIP (Caspase-8 Inhibitor) transgen exprimiert. Die übermäßige Produktion dieses viralen Apoptose Hemmers verursachte großflächige MLKL-vermittelte Nekrosen in der Leber, was schließlich zu Leberversagen und dem frühen Tod der Mäuse führte.


Gut-Liver Axis in Immune-mediated inflammatory diseases

Failure of gut homeostasis as a typical feature of inflammatory bowel disease (IBD) is an important factor in the pathogenesis and progression of systemic inflammation, which can culminate in multiple organ involvement and damage. Up to 30% of IBD patients show biochemical signs for liver injury and hepatobiliary diseases such as primary sclerosing cholangitis (PSC) and autoimmune hepatitis (AIH) are relatively common in IBD. Enteric dysbiosis and translocation of bacteria across the gut epithelial barrier have been widely recognized as major factors in the progression of chronic liver disease by promoting hepatocellular injury and inflammation. However, the sequence of events and the underlying molecular mechanisms are poorly defined. Recent studies by our group have revealed important functions for programmed necrosis in the pathogenesis of gastrointestinal and hepatic inflammation and implicated that programmed necrosis could be implicated in the pathogenesis of many human inflammatory diseases. The proposed project aims at a multidisciplinary approach to characterize the association between programmed necrosis in the gut and the initiation/progression of hepatic inflammation. This comprehensive project will advance our understanding of mechanisms linking failure of gut homeostasis to hepatic inflammation by replacing the organ centered point of view by an interdisciplinary approach that includes analysis in both affected organs (liver and gut). This will provide the basis for the development of a more efficient and safer therapy for IBD patients with clinical/biochemical indications for hepatobiliary involvement.


Gut-Joint Axis in Immune-mediated inflammatory diseases

Intestinal inflammation and dysbiosis have been linked to autoimmune diseases such as rheumatoid arthritis (RA), however, the underlying mechanisms remain incompletely understood. Our own published and preliminary data suggest that expression of caspase-8 and hypoxia-inducing factors (HIF) have a crucial influence on mucosal immunity and the composition of the intestinal microbiota. Further preliminary data suggest that both factors might additionally control systemic Th17-driven (auto-) immunity and the onset of arthritis. The proposed project aims at a multidisciplinary approach to characterize the link between intestinal epithelial cell (IEC) death and the initiation/progression of joint inflammation. In particular, we aim to dissect host-microbial interaction and determine the influence of this interaction (epithelium-microbiota) on systemic immunity and the onset of autoimmune arthritis.