Wie beeinflussen Darmbakterien und Infektionen die Fitness von Immunzellen?

Worum geht es in diesem Forschungsprojekt?

Abbildung 1: Amplikon-Sequenzierung von exprimierten Antigenrezeptoren (Bild zur Vergrößerung bitte anklicken)

Worum geht es in diesem Forschungsprojekt?

Infektionen sind eines der Hauptrisiken, die zur Morbidität und Mortalität von Frühgeborenen führen. Über den Immunstatus und die Reifung der Immunzellen in Frühgeborenen ist nur wenig bekannt. Dieses Projekt konzentriert sich auf Immunzellen (γδ T-Zellen, αβ T-Zellen und B-Zellen), die einen Antigenrezeptor auf ihrer Oberfläche exprimieren. Einige dieser T-Zellen und B-Zellen sind zum Zeitpunkt der Geburt voll funktionsfähig, wobei die Mehrzahl sich einer postnatalen Reifung unterzieht. Diese postnatale Reifung wird von der Mikrobiota und Infektionserreger beeinflusst. Wir vermuten, dass diese umweltbedingten Einflüsse in der frühen Kindheit das Antigen-Rezeptor-Repertoire und die Funktionalität von T- und B-Zellen stark prägen und sich auf den Immunstatus und die lebenslange Anfälligkeit des Patienten für Infektionskrankheiten auswirken.

Zu Abbildung 1: Um den exprimierten T-Zell-Rezeptor aus isolierten Gamma-Delta-T-Zellen zu analysieren, werden Antigenbindungsstellen (CDR3-Regionen) nach der reversen Transkription über einen gen-spezifischen Primer amplifiziert. PCR-Amplicons werden dann einer Hochdurchsatz-Sequenzierung unterzogen.

Wie ist der Stand der Dinge?

Unmittelbar nach der Geburt sind Umweltfaktoren wie die Mikrobiota, sowie auftretende Infektionen wichtig für die Reifung und Prägung des Immunsystems der Kinder. Allerdings ist weitgehend unklar, welche Faktoren die Entwicklung der γδ T-Zellen, αβ T-Zellen und B-Zellen beeinflussen und wie diese sich in Bezug auf ihre Funktionalität und ihr Antigen-Rezeptor-Repertoire nach der Geburt anpassen. Zudem ist über die Unterschiede des Immunsystems zwischen Frühgeborenen und Neugeborenen wenig bekannt.

Zu Abbildung 2: Bioinformatische Analyse von Sequenzierungsdaten. Die erhaltenen Sequenzierungslesungen werden an die V(D)J-Regionen der Antigenrezeptoren annotiert, um schließlich die Vielfalt der Antigenrezeptorrepertoires innerhalb definierter Proben zu analysieren und zu visualisieren.

Abbildung 2: Amplikon-Sequenzierung von exprimierten Antigenrezeptoren (Bild zur Vergrößerung bitte anklicken)

Was sind die Projektziele?

In diesem Projekt möchten wir verstehen, wie eine definierte Mikrobiota und Infektionen die Funktionalität und das Antigen-Rezeptor-Repertoire von γδ-T-Zellen, αβ T-Zellen und B-Zellen in Frühgeborenen beeinflussen. Zudem haben wir das Ziel, Biomarker zu identifizieren, um die Anfälligkeit einzelner Patienten für Infektionskrankheiten vorherzusagen, um letztendlich aktuelle Therapiestrategien zu verbessern.

Wie kommen wir da hin?

Die AG Ravens und die AG Prinz haben kürzlich eine mRNA-basierte Hochdurchsatzanalysetechnologie und bioinformatische Methoden zur Analyse des T-Zell-Rezeptor-Repertoires bei Neugeborenen und Erwachsenen entwickelt (Ravens et al., 2017). Erste Daten definierter Patientenkohorten weisen auf eine postnatale, extrathymische Reifung des exprimierten Antigen-Rezeptor-Repertoires hin (Ravens et al., 2017; DiLorenzo et al., 2019). Zudem hinterlassen Virusinfektionen einen individuellen Fußabdruck im Antigen-Rezeptor- Repertoire (Ravens et al., 2017; Ravens et al., 2018). Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass bestimmte Antigenrezeptoren als wertvolle Biomarker dienen könnten.

In ähnlicher Weise konnte die AG Viemann eine tiefgreifende Neuprogrammierung und Prägung der zellulären und molekularen angeborenen Immunität bei gesunden Säuglingen im ersten Lebensjahr nachweisen, die sowohl durch endogene als auch durch Umwelteinflüsse ausgelöst werden (Austermann et al., 2014; Heinemann et al., 2017; Ulas et al., 2017; Pirr et al., 2017; Bickes et al., 2019).

Insgesamt spiegeln diese Ergebnisse eine hohe Plastizität des frühkindlichen Immunsystems wieder und bieten neue Optionen für eine iatrogene Beeinflussung der angeborenen und adaptiven Immunität zur Förderung der Immunreife und -anpassung im frühen Leben von Neugeborenen mit hohem Risiko für infektions- und immunvermittelte Krankheiten. Im Rahmen von RESIST möchten wir gemeinsam verstehen, wie eine definierte Mikrobiota die funktionelle Reifung von T- und B-Zellen bei Frühgeborenen beeinflusst und wie sich das Antigen-Rezeptor-Repertoire in der frühen Kindheit adaptiert.

Leitende Forscherinnen des Projekts B3

Projekttitel: Einfluss des Mikrobioms auf die Entwicklung des Immunzellrezeptor-Repertoires frühgeborener Kinder

Prof. Dr. Dorothee Viemann

Projekte: B1, B3

CV & Contact

Prof. Dr. Sarina Ravens

Projekte: B3, B5

CV & Contact

Publikationen des Projektes B3

TCR repertoire analysis reveals phosphoantigen-induced polyclonal proliferation of Vγ9Vδ2 T cells in neonates and adults. Fichtner AS, Bubke A, Rampoldi F, Wilharm A, Tan L, Steinbrück L, Schultze-Florey C, von Kaisenberg C, Prinz I, Herrmann T, Ravens S. J Leukoc Biol. 2020 Feb 17. doi: 10.1002/JLB.1MA0120-427RR.

Di Lorenzo B, Ravens S*, Silva-Santos B*. High-throughput analysis oft he human thymic Vd1+ T cell receptor repertoire. Sci Data. 2019 Jul 4;6(1):115. doi: 10.1038/s41597-019-0118-2.* equal contribution

Bickes, M.S., S. Pirr, A.S. Heinemann, B. Fehlhaber, S. Halle, L. Völlger, M. Willers, M. Richter, C. Böhne, M. Albrecht, M. Langer, S. Pfeifer, D. Jonigk, G. Vieten, B. Ure, C. von Kaisenberg, R. Förster, M. von Köckritz-Blickwede, G. Hansen, D. Viemann. Constitutive TNF-α signaling in neonates is essential for the development of tissue-resident leukocyte profiles at barrier sites. FASEB J., 2019, [Epub ahead of print] doi: 10.1096/fj.201900796R.

Publikationen des Projektes B3