Translationale Grundlagenforschung
Störungen dieses Gleichgewichts finden sich bei Erkrankungen aus den Bereichen Inflammation (A), Onkologie (B) und der metabolischen/bariatrischen Chirurgie (C). Daher sind unsere Forschungsschwerpunkte an diesen Themen ausgerichtet. Auf molekularer Ebene steht hierbei die Zell-Zell-Kommunikation im Darmepithel als Grundlage pathophysiologischer Veränderungen im Zentrum der Forschungsaktivitäten.
Unser Team aus Wissenschaftlern, Ärzten, Medizinisch-Technischen Assistenten (MTA) und Studienassistenten arbeitet eng zusammen, um die Projekte zu bearbeiten. Die Projekte werden unter anderem über intramurale (IZKF) oder extramurale (DFG) Drittmittel gefördert.
Forschungsschwerpunkte
(A) Inflammation: Störung der Darmbarriere und der mukosalen Heilung bei entzündlichen Darmerkrankungen
Die Pathogenese von chronisch-entzündlichen Darmerkrankungen (CED) wie Morbus Crohn und Colitis ulcerosa ist nach wie vor unverstanden. Es ist bekannt, dass zur Entstehung dieser Erkrankungen eine genetische Prädisposition, eine inadäquate Immunantwort, Umweltfaktoren und Veränderungen des Mikrobioms beitragen. Ein weiterer wichtiger Aspekt, der erheblich zur klinischen Symptomatik beträgt, ist die Störung der Barrierefunktion des Darmepithels. Dies geschieht vor allem durch den Verlust von Proteinen, welche die Epithelzellen des Darms verbinden, und durch eine Störung der mukosalen Wundheilung. Da beobachtet wurde, dass die Wiederherstellung der Integrität der Darmbarriere entscheidend zur Remission von Patienten beiträgt, wurde dies als ein wichtiges Therapieziel formuliert.
Die Mechanismen, die mit dem Verlust der Darmbarriere einhergehen, sind unzureichend verstanden, so dass auch keine spezifischen Therapien existieren, die eine Wiederherstellung der Darmbarriere bei Entzündungen ermöglichen.
Das Ziel unserer Forschung ist es daher, die dem Zusammenbruch der Darmbarriere bei Entzündungen zugrundeliegenden Mechanismen zu erforschen. Da unter anderem unsere Arbeitsgruppe gezeigt hat, dass Desmosomen bei der Aufrechterhaltung der Zell-Zell-Adhäsion im Darmepithel wichtig sind, steht die Regulation desmosomaler Proteine bei CED im Fokus unserer Forschungen.
(A1) Bedeutung der desmosomalen Plaqueproteine Plakoglobin und Plakophilin2 für die Integrität des Darmepithels
Die desmosomalen Plaqueproteine Plakoglobin und Plakophilin2 bilden gemeinsam mit Desmoplakin die intrazelluläre Verankerung von Desmosomen. Deren Funktion und Rolle im Darmepithel ist bisher nicht bekannt. Eigene Daten zeigen jedoch, dass im Rahmen des Verlusts von interzellulären Barriereproteinen bei Entzündungen auch diese Proteine reduziert sind. Unveröffentlichte Arbeiten deuten an, dass insbesondere Plakoglobin eine wichtige Rolle bei der Stabilisierung der Zell-Zell-Kontakte und zahlreicher intrazellulärer Signalwege zukommt, die bei der Regeneration des Darmepithels von Bedeutung sind.
Projektleiter: PD Dr. Matthias Kelm; Prof. Dr. Nicolas Schlegel, Dr. Natalie Burkard
Mitarbeiter: Dr. Natalie Burkard; Dr. Marius Hörner, MD-Doktorand; Theresa Eckart, MD-Doktorandin; Friedrich Forchel MD-Doktorand, Nikita Deoghare, PhD Doktorandin
(A2) Bedeutung neurotropher Faktoren für die Regeneration des Darmepithels
Ebenso ist das enterische Nervensystem an der Regulation des Darmepithels bei CED entscheidend beteiligt. Wir haben in diesem Zusammenhang herausgefunden, dass der neurotrophe Faktor GDNF die Darmbarriere über die Regulation von Intermediärfilamenten und Desmosomen und über die Aktivierung der intestinalen Stammzellnische beeinflusst.. Auch dies trägt zum entzündungsinduzierten Zusammenbruch der Darmbarriere bei. Im aktuellen Projekt untersuchen wir die Bedeutung der desmosomalen Adhäsion und Signalwege bei CED im Detail. Darüber hinaus wird die spezifische Rolle von GDNF in diesem Zusammenhang auch bei der mukosalen Wundheilung untersucht.
Projektleiterin: Dr. Natalie Burkard
Mitarbeiter: PD Dr. Sven Flemming; PD Dr. Matthias Kelm; PD Dr. Michael Meir; Dr. Marius Hörner, MD Doktorand; Antonia Leist, MD Doktorandin
(A3) Darm-spezifische CAR Tregs zur Therapie der chronisch entzündlichen Darmerkrankung
Die Pathophysiologie der CED ist multifaktoriell, bestehend aus genetischer Prädisposition, veränderter Immunantwort, Veränderungen des Mikrobioms, Umwelteinflüssen und Verlust der intestinalen Barriere. Eine relevante Ursache für die intestinale Inflammation und Autoimmunität ist der Verlust der Immunhomöostase durch einen qualitativen oder quantitativen Defekt der regulatorischen T-Zellen (Tregs). Die Verbesserung der mukosalen Wundheilung sowie die Wiederherstellung der intestinalen Barriere sind zwei wichtige therapeutische Ansatzpunkte, die zur Verringerung der Krankheitslast bei CED-Patienten beitragen. Allerdings zeigen bis zu 50% der Patienten einen therapierefraktären Verlauf, was die dringende Notwendigkeit neuer therapeutischer Strategien unterstreicht. Tregs können Effektorzellen kontrollieren und sind gute Kandidaten für eine zelluläre Immuntherapie. Die starke Inflammation kann jedoch deren Stabilität beeinflussen, sodass neue Ansätze notwendig sind, um die Zellintegrität und –identität der Tregs zu erhalten und diese an den Ort der Inflammation zu lenken. Durch die Ausstattung der Tregs mit chimären Antigenrezeptoren (CAR), die intestinale Antigene erkennen, können diese zum entzündeten Darmabschnitt migrieren. Wir entwickeln eine neue Generation an Immuntherapien mit genetisch modulierten Tregs, die die mukosale Homöostase und somit die Darmbarriere wiederherstellen.
Projektleiterin: Dr. Johanna Wagner
Mitarbeiterinnen: Jessica Kümmel, PhD Doktorandin; Constanze Binder, MD Doktorandin, Dr. Natalie Burkard
Kooperationspartner: Prof. Dr. Maik Luu, Prof. Dr. Michael Hudecek
(A4) Mechanismen des Verlusts von Barriereproteinen bei Entzündungsprozessen im Darmepithel
Die Mechanismen des Verlusts von intestinalen Barriereproteinen bei Entzündungsprozessen sind weitgehend unklar. In bulk-RNA-Sequenzierung von Patienten mit IBD zeigt sich keine Veränderung der RNA-Konzentration von Barriereproteinen, während diese auf Proteinebene regelhaft verändert sind. In diesem Projekt untersuchen wir, ob die proteasomale Aktivierung ein relevanter Mechanismus ist, der die Reduktion der Barriereproteine erklärt. Im nächsten Schritt wird untersucht, ob die Verhinderung der Degradierung der Barriereproteine den konsekutiven Zusammenbruch der Darmbarriere und die Hemmung der mukosalen Heilung verhindert.
Projektleiterin: Dr. Catherine Kollmann
Mitarbeiter: Hannah Bürkert, MD-Doktorandin, Dr. Natalie Burkard
(B) Onkologie
Das kolorektale Karzinom, eine der häufigsten Tumorerkrankungen des Gastrointestinaltrakts, entsteht zum Großteil aus einer genetischen Abfolge, die als Adenom-Karzinom-Sequenz bezeichnet wird. Diese Karzinome bilden sich aus gesundem Darmepithel durch klonal gehäufte Mutationen, die zu einem dysplastischen Darmepithel führen, aus dem sich ein Adenom mit dysreguliertem und lokal verdrängendem Wachstum als Vorstufe zum invasiv wachsenden und zur Metastasierung fähigen Karzinom entwickelt. Über 95 % der Mutationen sind innerhalb des WNT-Signalwegs zu finden, wodurch es zu einer Hyperproliferation der Darmschleimhautzellen kommt. Ziel ist es, die durch die unphysiologische Aktivierung des WNT-Signalwegs ausgelösten proproliferativen und anti-apoptotischen Effekte auf mögliche therapierelevante Targets zu untersuchen.
Bei ca. 30-40 % der Patientinnen und Patienten mit Darmkrebs treten im Laufe der Erkrankung Lebermetastasen auf. Die vollständige Entfernung aller Metastasen stellt die einzige Chance auf Heilung dar. Fortschritte in der Leberchirurgie und bei der Chemotherapie haben die Prognose beim hepatisch metastasierten kolorektalen Karzinom, das lange Zeit als unheilbar galt, signifikant verbessert. Doch besteht weiterhin Bedarf an wirksamen Präparaten für die neoadjuvante Behandlung von Lebermetastasen, ebenso an neuen Therapieschemata, die bisher aufgrund von Limitationen bei den zur Verfügung stehenden Chemotherapeutika klinisch nicht durchführbar sind. Ein Ausweg zeichnet sich nur durch die Identifizierung neuer Therapeutika ab, die über eine antitumorale Wirkung verfügen, aber idealerweise die Leberregeneration nicht beeinflussen – im Gegensatz zu den gegenwärtig in der Klinik eingesetzten Chemotherapeutika.
(B1) Das murine kolorektale Lebermetastasenmodell
Mit dem murinen kolorektalen Lebermetastasenmodell verfügen wir über ein kliniknahes Modell für chirurgische und medikamentöse Therapieansätze. Durch das nicht-invasive Monitoring des intrahepatischen Tumorwachstums, das zudem eine Quantifizierung der Tumorlast erlaubt, lassen sich Rückschlüsse auf die Wirksamkeit einer Therapiestrategie ziehen.
Projektleiter: Dr. Anica Maier, Dr. Carolin Kastner, Prof. Dr. Christoph Otto
(B2) Hemmung von Translation und Replikation als therapeutische Option beim kolorektalen Karzinom
Im Gegensatz zu normalen Zellen sind Tumorzellen aufgrund ihrer durch Onkogene getriebenen hyperaktiven Proliferation einer Form von Stress ausgesetzt, der als Transkriptions-Replikationskonflikt bezeichnet wird. Dieser Terminus beschreibt das Aufeinandertreffen der RNA-Polymerase-Transkriptionsmaschinerie mit der DNA-Polymerase-Replikationsmaschinerie. Um solche Transkriptions-Replikationskonflikte zu vermeiden, hat die Zelle entsprechende Strategien entwickelt, die auch die Tumorzelle nutzt. Ziel ist es, diese Verhinderungsstrategien in Tumorzellen gezielt zu blockieren und die Wirksamkeit dieser Blockaden in vitro und in vivo nachzuweisen.
Projektleiter: Dr. Stefanie Schmidt, Prof. Dr. Christoph Otto
Mitarbeiterin: Hanna Deinlein, PhD-Doktorandin
(B3) Charakterisierung der Bedeutung von Zell-Zellkontakten für die Induktion des invasiven Wachstums beim kolorektalen Karzinom
Metastasierung ist die Hauptursache für einen tödlichen Verlauf im Zusammenhang mit Darmkrebs. Die relative 5-Jahres-Überlebensrate von Darmkrebspatienten mit Fernmetastasen beträgt nur 14 %. Der Verlust der Expression des desmosomalen Plaqueproteins Plakoglobin korreliert bei einer Reihe von Krebsarten mit einer schlechteren Prognose. Für das kolorektale Karzinom steht ein solcher Zusammenhang noch aus. Daher soll eine mögliche Relevanz von Plakoglobin als diagnostischer Biomarker und möglicherweise auch als potenzielles therapeutisches Target untersucht werden.
Projektleiter: PD Dr. Matthias Kelm; Prof. Dr. Christoph Otto, Prof. Dr. Nicolas Schlegel
(B4) Überprüfung neuer Inhibitoren und molekularer Target zur Therapie des kolorektalen Karzinoms
In diesem Querschnittsprojekt werden neue Inhibitoren und potentielle molekulare Targets auf ihren antitumoralen Effekt beim kolorektalen Karzinom untersucht. Hierfür werden verschiedene Untersuchungsobjekte wie in vitro kolorektale Karzinomzelllinien und kolorektale Tumororganoide sowie in vivo kolorektale Lebermetastasen genutzt. Zur Identifizierung neuer molekularer Marker für Diagnostik und Therapie werden verschiedene gentechnologische Methoden wie die CRISPR/Cas-Methode eingesetzt. Die Stärke der antitumoralen Effekte wird mit zahlreichen proteinchemischen und molekularen Methoden bestimmt.
Projektleiter: Dr. Anica Maier, Dr. Carolin Kastner, Dr. Stefanie Schmidt, Prof. Dr. Christoph Otto
Mitarbeiterin: Anna Lang, MD-Doktorandin
(B5) BZKF-Leuchtturm: Präklinische Modelle in der Onkologie
Mit dem Leuchtturm „Präklinische Modelle“ fördert das Bayerische Zentrum für Krebsforschung (BZKF) am Universitätsklinikum Würzburg den Auf- und Ausbau einer standortübergreifenden digitalen Plattform für präklinische in vitro und in vivo Modelle. Ziel ist es, die Vernetzung und translationale Interaktion zwischen den bayerischen Universitätsklinika zu fördern und auszubauen, was mittelfristig auch der Patientenversorgung zugutekommt.
Die Organoid-Unit (Dr. Anne Rech) sammelt und dokumentiert Patienten-abgeleitete Tumororganoide verschiedenster Tumorentitäten. Hierbei handelt es sich um stammzellbasierte 3D In-vitro-Zellkulturen, die in Komplexität und Heterogenität eine starke Ähnlichkeit zum Primärgewebe, aus dem sie isoliert wurden, aufweisen. Da Tumororganoide die genetische Signatur des Primärgewebes in sich tragen, stellen sie ein wertvolles Instrument für molekulare und funktionelle Analysen dar. Als wichtige Säule der personalisierten Medizin eignen sie sich auch hervorragend für ein patientenspezifisches Therapie-Screening. Neben den Daten zum Tumor und zur Therapie werden auch Isolierungs- und Kultivierungsprotokolle zu den Organoidkulturen bereitgestellt.
Mit der Datenbank „Onkologische Tierversuchsmodelle“ (Dr. Mahasen Saati) ist eine interaktive Informations-, Dokumentations- und Austauschplattform für die präklinische Forschung etabliert worden. Die Plattform will durch Vereinheitlichung relevanter Angaben zum Versuchsvorhaben und zum Tierwohl die Antragstellung von Tierversuchsvorhaben optimieren und damit beschleunigen. Ein weiteres mit dieser Datenbank angestrebtes Ziel ist, den Informationsaustausch zwischen der Genehmigungsbehörde, den Tierschutzbeauftragen und den Antragstellern informativer, transparenter und damit effektiver zu gestalten. Des Weiteren wird die Plattform Schulungsvideos zu verschiedenen Tätigkeiten in einer Versuchstierhaltung und zu operativen Eingriffen bereitstellen.
Projektleitung: Dr. Anne Rech, Dr. Mahasen Saati, Prof. Dr. Christoph Otto, Prof. Dr. Nicolas Schlegel
(C) Stoffwechselerkrankungen (Bariatrie/ Metabolik)
Unser Hauptziel ist es, die regulatorischen Mechanismen besser zu verstehen, die zur Gewichtsabnahme und Verbesserung der Hyperglykämie nach bariatrischen Operationen wie Roux-Y-Magenbypass und Schlauchmagen beitragen. Dies wird die Entwicklung besserer nicht-invasiver Behandlungen von Fettleibigkeit und Diabetes mellitus erleichtern. Verschiedene Erkrankungsmodelle sollen die Veränderungen nach der bariatrischen Operation detailliert darstellen. Unser Fokus liegt auf den Veränderungen, die in der Kommunikation zwischen den metabolisch relevanten Organen wie dem Darm, der Bauchspeicheldrüse, dem Fettgewebe und dem Gehirn auftreten. Darüber hinaus charakterisieren wir die inflammatorische Reaktion des Körpers bei Adipositas und nach bariatrischen Operationen.
(C1) Einfluss hochkalorischer Diät auf die Integrität des Darmepithels
In einem Rattenmodell der Adipositas wurde beobachtet, dass es neben den bekannten metabolischen Effekten auch zu einer Störung der Integrität des Darmepithels kommt. Die zugrundeliegenden Mechanismen werden in diesem Projekt genauer erforscht. Im Fokus stehen hierbei die Mechanismen, die durch eine Veränderung des intestinalen Mikrobioms ausgelöst werden.
Projektleiter: Prof. Dr. Nicolas Schlegel; Prof. Dr. Florian Seyfried; Rebecca Springer (PhD Doktorandin)
Mitarbeiterinnen: Corinne Ngoatchou, MD-Doktorandin
(C2) Etablierung und Charakterisierung eines murinen Roux-en-Y Magenbypass (RYGB) Modells
Die Etablierung und Charakterisierung geeigneter Modelle stellt einen wichtigen Baustein für das Verständnis der Prozesse nach bariatrischer Chirurgie dar. Aus diesem Grund wird in diesem Projekt ein murines Modell für den RYGB bei Adipositas etabliert und detailliert charakterisiert. Neben den bereits bekannten Effekten liegt der Fokus auf dem genauen Verständnis der inflammatorischen Veränderungen und deren Folgen bei der Adipositas und nach RYGB. Diese tragen wesentlich zu den Veränderungen beim metabolischen Syndrom bei.
Projektleiter: Prof. Dr. Nicolas Schlegel; Prof. Dr. Florian Seyfried; Prof. Dr. Christoph Otto
Mitarbeiter: Philip Claus, PhD Doktorand
