Genetische Neuroimmunologie

Arbeitsgruppe „Genetische Neuroimmunologie“ (Fred Lühder)

Forschungsschwerpunkte

Unsere Gruppe bearbeitet vor allem 2 Gebiete: (1) Grundlagenforschung zur Pathogenese von Autoimmunerkrankungen am Beispiel des Tiermodells “Experimental autoimmune Encephalomyelitis“ (EAE) für die humane Autoimmunerkrankung Multiple Sklerose (MS) und (2) die Untersuchung von Wirkmechanismen von gegenwärtig bereits für die MS-Therapie eingesetzten Arzneimitteln.

Es ist bekannt, dass die EAE durch Autoimmunprozesse bedingt ist, die vor allem durch autoimmune CD4+ T Zellen des Th1/Th17 Typs vermittelt werden. Diese autoreaktiven T Zellen erkennen ihr Antigen in der Peripherie, werden dadurch aktiviert und können in diesem Zustand die Blut-Hirn-Schranke passieren. Dadurch wird diese wichtige Barriere gestört, es kommt zur Rekrutierung anderer „Bystander“-Immunzellen, was letztendlich zur Schädigung von Axonen und Neuronen und zu den MS-ähnlichen Symptomen führt. In diesem Prozess sind viele Faktoren wie z.B. sezernierte Proteine involviert, wobei einige zur weiteren Ausbreitung der Entzündung beitragen (z.B. pro-inflammatorische Zytokine), während andere wiederum mit der Regulation von Entzündungsprozessen und Reparaturprozessen in Verbindung gebracht werden.

Wir bearbeiten dabei mit Hilfe von gentechnisch veränderten Mäusen, bei denen einzelne Faktoren vor allem in Immunzellen ausgeschaltet oder überexprimiert werden, die Bedeutung von einzelnen Molekülen in der Pathogenese der MS sowie ihre Rolle bei bestimmten therapeutischen Anwendungen. Dabei kommen auch allgemeine immunologische Techniken wie Proliferationsassays, Zytokinmessungen, FACS Analyse, Western Blot und funktionelle Assays von Immunzellen zur Anwendung.

Projekte:

Brain derived neurotrophic factor (BDNF) als neuroprotektiver Faktor in der EAE

BDNF gehört zur Familie der Neurotrophine und spielt eine entscheidende Rolle für neuronale Differenzierung, Überleben von Neuronen und synaptischer Plastizität. Es wird hauptsächlich von Neuronen sezerniert, aber auch von Immunzellen, wie in neuroimmunologischen Krankheitsbildern wie der MS und entsprechenden Tiermodellen gezeigt werden konnte. In verschiedenen Modellen wie Trauma und Gehirnläsionen zeigte sich, dass BDNF das Überleben von Neuronen fördert und am Regenerationsprozess beteiligt ist. Dies führte zur Entwicklung des Konzeptes der neuroprotektiven Autoimmunität: Hierbei wird angenommen, dass autoreaktive T Zellen, die vor allem mit verschiedenen neuroimmunologischen Krankheitsbildern durch destruktive Prozesse und die Sezernierung proinflammatorischer Zytokine in Verbindung gebracht worden sind, durch die Sezernierung von Neurotrophinen und neurotrophen Zytokinen auch Reparaturprozesse in Gang bringen und begünstigen können.

Unsere Gruppe beschäftigt sich mit der Untersuchung der Bedeutung von BDNF im Kontext der EAE. Dabei werden genetisch modifizierte Mausmodelle eingesetzt, bei denen BDNF spezifisch in Immunzellen deletiert worden ist. In einem komplementären Projekt wird BDNF mit Hilfe von lentiviralen Systemen überexprimiert.

Mechanismus der Glukokortikoidwirkung in der EAE

Dosis-abhängiger therapeutischer Effekt von Dexamethason im MOG-induzierten EAE Modell der C57Bl/6 Maus

Effekt von Dexamethason im MOG-induzierten EAE Modell der C57Bl/6 Maus

Glukokortikoide werden bereits seit Jahrzehnten bei der Behandlung von akuten Schüben in der MS-Therapie genutzt, aber ihr genauer Wirkmechanismus ist noch nicht genau aufgeklärt. Es werden sowohl genomische, über den Glukokortikoid-ERezeptor vermittelte Effekte als auch nicht-genomische Effekte diskutiert, wobei letztere durch direkte Wirkungen von Glukokortikoiden auf Membranen oder durch einen membranständigen Rezeptor hervorgerufen werden sollen. Wir etablierten zunächst im MOG-EAE Modell in der CV57Bl/6 Maus, dass Glukokortikoide auch in diesem Modell dosisabhängig zur signifikanten Verbesserung der EAE bei einer dreitägigen Therapie bei Erkrankungsbeginn führen (Fig. 1). Dies konnte durch immunhistochemische Analysen bestätigt werden. Untersuchungen an Mäusen, die heterozygot für eine Defizienz des Glukokortikoidrezeptors sind (und deshalb nur etwa 25% des Proteins exprimieren) sowie an hämatopoetischen Stammzellchimären ergaben, dass der Glukokortikoidrezeptor in der Tat essentiell für die therapeutische Wirkung von Glukokortikoiden ist. Weiterhin konnte durch den Einsatz von konditionalen knock-out Mäusen, bei dem der Glukokortikoidrezeptor in verschiedenen Zelltypen des Immunsystems fehlt, gezeigt werden, dass er in T Zellen, nicht jedoch in Makrophagen/Monozyten wichtig ist. Weitere Studien machten deutlich, dass Glukokortikoide vor allem auf periphere T Zellen wirken, indem sie in diesen einerseits Apoptose auslösen, andererseits aber auch die Expression von Adhäsionsmolekülen, die für die Infiltration des Zentralnervensystems wichtig sind, herunterregulieren. Dadurch wird der Nachstrom wahrscheinlich sowohl von autoreaktiven T Zellen als auch von „Bystander“-Zellen gehemmt, so dass es im Endeffekt zu einer Hemmung des inflammatorischen Prozesses im Zentralnervensystem kommt.

Neben konventiuonellen Glukokortikoiden wird der Wirkmechanismus von sogenannten dissoziierten Glukokortikoiden untersucht, die lediglich die Transrepression, also die Blockade von Genexpressionen durch die Interaktion mit anderen Transkriptionsfaktoren zulassen, nicht jedoch die Transaktivierung, d.h. die direkte Induktion der Expression bestimmter Gene. Dadurch erhofft man sich eine Reduktion der durch Glukokortikoide hervorgerufenen Nebenwirkungen. Eine solche Substanz ist 2-((4-acetoxyphenyl)-2-chlor-N-methyl)ethylammonium chlorid (CpdA). In therapeutischer Dosierung vermindert CpdA in der Tat die Symptomatik der EAE, was auf eine verminderte Infiltration von Lymphozyten in das ZNS zurückzuführen ist, bedingt durch die spezifische Reduktion von Adhäsionsmolekülen auf peripheren T Zellen und die Reduktion der IL-17 Expression. Eine höhere Dosierung von CpdA ist jedoch lethal, was wahrscheinlich auf die Induktion von Apoptose in verschiedenen Zellpopulationen, wie in vitro gezeigt, zurückzuführen ist.

Weiterhin wird der Einfluss der pharmazeutischen Formulierung der Glukokortikoide auf den Wirkmechanismus untersucht. Dabei wird mit liposomal eingekapselten Glukokortikoiden gearbeitet. Hierbei konnte gezeigt werden, dass die liposomal eingekapselten Glukokortikoide sowohl auf T Zellen als auch auf Makrophagen wirken, so dass die Deletion des Glukokortikoidrezeptors auf beiden Zelltypen notwendig ist, um den therapeutischen Effekt der liposomalen Glukokortikoide zu verhindern. Mechanistisch konnte gezeigt werden, dass liposomale Glukokortikoide eine Veränderung des Makrophagenphänotyps von M1 zu M2 bewirken. Diese Untersuchungen sollen mit anderen pharmazeutischen Formulierungen fortgesetzt werden.

Schließlich wird die Wirkung von Glukokortikoiden auf die Migration von T Zellen als alternativer Wirkmechanismus untersucht.

Konditionale Deletion des kostimulatorischen Moleküls CD28

Für die Aktivierung von T Zellen sind 2 Signale wichtig: zum einen das antigenspezifische Signal, das durch den T Zellrezeptor und den MHC/Peptidkomplex vermittelt wird, zum anderen ein sogenanntes kostimulatorisches Signal, dass durch verschiedene kostimulatorischen Moleküle vermittelt werden kann. Ein besonders wichtiges kostimulatorisches Molekül ist CD28, mit dessen Hilfe auch naïve T Zellen aktiviert und zur Differenzierung getrieben werden können. CD28 defiziente Mäuse haben einen erstaunlich milden Phänotyp, und deshalb kann mit ihrer Hilfe die Bedeutung von CD28 in verschiedenen Etappen der Immunantwort nicht untersucht werden. Aus diesem Grunde wurden konditionale CD28 defiziente Mäuse mit Hilfe des cre/LoxP Systems generiert, bei denen CD28 in bestimmten Zelltypen bzw. zeitlich induzierbar deletiert werden kann. Diese Mäuse wurden phänotypisch charakterisiert, und mit ihrer Hilfe soll die Bedeutung von CD28 in verschiedenen Stadien der EAE untersucht werden.

Publikationen:

Letzte 3 Jahre:

Flach A*, Litke T*, Strauss J*, Haberl M, Cordero Gómez C, Reindl M, Saiz A, Fehling HJ, Wienands J, Odoardi F, Lühder F+, Flügel A+. Autoantibody-boosted T-cell reactivation in the target organ triggers manifestation of autoimmune CNS disease. Proc Natl Acad Sci USA (2016), doi:10.1073/pnas.1519608113. *+equal contribution

Andresen L*, Theodorou K*, Grünewald S*, Czech-Zechmeister B, Könnecke B, Lühder F, Trendelenburg G. Evaluation of the therapeutic potential of anti-TLR4-antibody MTS510 in experimental stroke and significance of different routes of application. PLOS ONE (2016) 11, doi: 10.1371/journal.pone.0148428. *equal contribution

Chan A, Lühder F. Experimentelle Grundlagen neuroimmunologischer Erkrankungen. In Fragen und Antworten zur Neuroimmunologie (Wiendl, H., Kieseier, B. C., and Meuth, S. G., eds) (2015) Hogrefe Verlag, Bern: 7-26.

Krey L, Lühder F, Kusch K, Czech-Zechmeister B, Könnecke B, Outeiro TF, Trendelenburg G. Knockout of silent information regulator 2 (SIRT2) preserves neurological function after experimental stroke in mice. J Cereb Blood Flow Metab (2015) 35: 2080-2088.

Heuer L, Beyerbach M, Lühder F, Beineke A, Strube C. Neurotoxocarosis alters myelin protein gene transcription and expression. Parasitol Res 114 (2015): 2175-2186.

Menzfeld C, John M, van Rossum D, Regen T, Scheffel J, Janova H, Götz A, Ribes S, Nau R, Borisch A, Boutin P, Neumann K, Bremes V, Wienands J, Reichardt HM, Lühder F, Tischner D, Waetzig V, Herdegen T, Teismann P, Greig I, Müller M, Pukrop T, Mildner A, Kettenmann H, Brück W, Prinz M, Rotshenker S, Weber MS, Hanisch UK. Tyrphostin AG126 exerts neuroprotection in CNS inflammation by a dual mechanism. Glia 63 (2015): 1083-1099.

Linker RA, Lee H, Flach A, Litke T, van den Brandt J, Reichardt HM, Lingner T, Bommhardt U, Sendtner M, Gold R, Flügel A, Lühder F. Thymocyte-derived BDNF influences T cell maturation at the DN3/DN4 transition stage. Eur J Immunol 45 (2015): 1326-1338.

Theiss-Suennemann J, Jörß K, Messmann JJ, Reichardt SD, Montes-Cobos E, Lühder F, Tuckermann JP, AWolff H, Dressel R, Gröne HJ, Strauß G, Reichardt HM. Glucocorticoids attenuate acute graft-versus-host disease by suppressing the cytotoxic capacity of CD8+ T cells. J Pathol 235 (2015): 646-655.

Simma N, Bose T, Kahlfuß S, Mankiewicz J, Lowinus T, Lühder F, Schüler T, Schraven B, Heine M, Bommhardt U. (2014) NMDA-receptor antagonists block B-cell function but foster IL-10 production in BCR/CD40-activated B cells. Cell Commun Signal 12 (2014): 75.

Reichardt SD, Weinhage T, Rotte A, Föller M, Oppermann M, Lühder F, Tuckermann JP, Lang F, van den Brandt J, Reichardt HM. Glucocorticoids induce gastroparesis in mice through depletion of l-arginine. Endocrinology 155 (2014): 3899-3908.

Ndlovu H, Darby M, Froelich M, Horsnell W, Lühder F, Hünig T, Brombacher F. Inducible deletion of CD28 prior to secondary Nippostrongylus brasiliensis invection impairs worm expulsion and recall of protective memory CD4+ T cell responses. PLOS Pathogens 10 (2014): e1003906.

Schweingruber N+, Fischer HJ+, Fischer L, van den Brandt J, Karabinskaya A, Labi V, Villunger A, Kretzschmar B, Huppke P, Simons M, Tickermann J, Flügel A, Lühder F*, Reichardt HM*. Chemokine-mediated redirection of T cells constitutes a critical mechanism of glucocorticoid therapy in autoimmune CNS responses. Acta Neuropathol 127 (2014): 713-729 +* equal contribution.

Lühder F & Gold R. Trial and error in clinical studies: lesson from ATAMS. Comment in The Lancet 13 (2014): 340-341.

Uhmann A, Heß I, Frommhold A, König S, Zabel S, Nitzki F, Dittmann K, Lühder F, Christiansen H, Reifenberger J, Schulz-Schaeffer W, Hahn H. DMBA/TPA Treatment Is Necessary for BCC Formation from Patched Deficient Epidermal Cells in Ptchflox/floxCD4Cre+/- Mice. J Invest Dermatol 134 (2014): 2620-2629.

Kooperationen:

Prof. Dr. Holger Reichardt, Institute for Immunology, University of Göttingen
Dr. Sebastian Kügler, Department of Neurology, University of Göttingen
Prof. Christine Stadelmann, Department of Neuropathology, University of Göttingen
Prof. Dr. Ralf Gold, St. Joseph Hospital, University of Bochum
Prof. Dr. Thomas Hünig, Institute for Virology and Immunology, University of Würzburg
Dr. Sven Hendrix, University of Hasselt, Belgium
Dr. Ursula Bommhardt, Institute of Immunology, University of Magdeburg
Dr. Sandra Göbbels, MPI for Experimental medicine, Göttingen
Prof. Dr. Alexander Prat, Université de Montreal, Canada