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Institut für Experimentelle Immunologie und Bildgebung


Direktor:     Prof. Dr. Matthias Gunzer
E-Mail:          matthias.gunzer@uni-due.de
Sekretariat: Kamilla Wierzchowski
Telefon:        0201 / 183-6640
Fax:              0201 / 183-6642

Schwerpunkte
Das Institut für Experimentelle Immunologie und Bildgebung verfolgt zwei wesentliche Ziele: (1) die Untersuchung der Physiologie von Immunzellen und hämatopoietischen Stammzellen unter normalen und entzündlichen Bedingungen in ihrem natürlichen Umfeld in vivo sowie (2) den Aufbau und Betrieb eines Zentrums für experimentelle optische Bildgebung (IMaging Center ESsen - IMCES) an der Universitätsklinik. Dabei kommen neben konventionellen Verfahren der modernen immunologischen und zellbiologischen Forschung vor allem spezialisierte mikroskopische Verfahren zum Einsatz. Der Leiter des Instituts hat darüber hinaus die Funktion einer Brückenprofessur mit einem Labor in der Universität am Zentrum für medizinische Biotechnologie (ZMB, http://www.uni-due.de/zmb/members/gunzer/overview.shtml) sowie an der Universitätsklinik inne. Dadurch soll die Kommunikation und Kooperation zwischen der biomedizinischen Grundlagenforschung und der angewandten Forschung in der Medizin verbessert werden.

Forschungsthemen

  • Mechanismen der Mobilisierung von neutrophilen Granulozyten und hämatopoietischen Stammzellen aus der Knochenmarksnische in vivo
  • Zelluläre Mechanismen der angeborenen Immunabwehr bei Pilz- und Virusinfektionen
  • Host-Pathogen Interaktion bei Infektionen mit dem humanpathogenen Pilz Aspergillus fumigatus
  • Pathogeninduzierte Immunsuppression und opportunistische bakterielle Superinfektionen
  • Die Rolle peripherer Immunzellen bei entzündlichen Prozessen im zentralen Nervensystem
  • Die differentielle Aktivierung von T Zellen
  • Entwicklung neuer Mikroskopietechniken für die Analyse der Zellphysiologie in vitro und in vivo

Personal
Das Institut für Experimentelle Immunologie und Bildgebung beschäftigt momentan insgesamt 7 Naturwissenschaftler/-innen und einentechnischen Mitarbeiter. Dazu haben wir regelmäßig studentische Hilfskräfte.

Aktuell in Essen laufende Projekte
Dr. rer. nat. Mike Hasenberg, Dipl. Ing. Linda Männ, MSc. Biotechnol. PegahSeddigh

Reaktionen des Immunsystems auf Sporen des Schimmelpilzes Aspergillus fumigatus
Bei der Degradation organischen Materials spielen Schimmelpilze eine zentrale Rolle. Dementsprechend groß ist ihre Anzahl und der von ihnen eingenommene Lebensraum. Viele Arten verbreiten sich über die Produktion von Sporen, die durch ihre geringe Größe und Oberflächenbeschaffenheit extrem effektiv über Luftströme hinfort getragen werden können. Ein ubiquitär vorkommender Schimmelpilz ist Aspergillus fumigatus, dessen Sporen (Konidien) von Luft atmenden Organismen in hoher Anzahl pro Tag eingeatmet werden. Neben gelegentlich auftretenden allergischen Reaktionen bekommen gesunde Individuen von diesem Inhalationsprozess in der Regel nichts mit. Die eingeatmeten Pilzpartikel werden durch das komplex agierende Immunsystem problemlos eliminiert. Anders stellt sich die Situation bei Patienten dar, die unter einer Immunsuppression leiden. Schwächungen unterschiedlicher Bereiche des Immunsystems wirken sich mitunter fatal auf eine Infektion mit dem Pilz aus. Das Fehlen oder der Defekt bestimmter Zellsorten, wie z.B. Neutrophiler Granulozyten geht sehr häufig mit systemischen Mykosen (invasiven Aspergillosen) einher, welche äußerst schwierig zu behandeln sind und trotz geringer Heilungschancen enorme Therapiekosten verursachen. In unterschiedlichen Projekten und durch die Vernetzung mit internationalen, auf ihren Fachgebieten  führenden Kooperationspartnern (Universität Würzburg, Hans-Knöll Institut Jena, Universität Tübingen, Institut Pasteur (Paris), Imperial College (London)) versuchen wir die Wichtigkeit einzelner Zellsorten und das Zusammenspiel der unterschiedlichen Arme des Immunsystems bei der Bekämpfung des fakultativ humanpathogenen Schimmelpilzes näher zu beleuchten.

  • Relevanz verschiedener Phagozyten bei der Bekämpfung einer A. fumigatus Infektion
  • Relevanz von NETs (NeutrophilExtracellular Traps) bei der Bekämpfung einer A. fumigatus Infektion
  • Rekrutierungskinetiken von Immunzellen nach Inhalation von Pilzsporen
  • Immunisierungsansätze gegen eine Pilzinfektion
  • Relevanz von T-Zellantworten bei der Bekämpfung einer A. fumigatus Infektion
  • intravitale Visualisierung von Immunzellreaktionen in der Lunge

 

Bei der Bearbeitung der einzelnen Projekte kommen neben modernsten Mikroskopietechniken (intravitale 2-Photonenmikroskopie, Superresolution (SIM, STED, PAL-M) auch andere bildgebende Verfahren wie PET/MRT, Ultraschall und in vivo 3D Imaging (IVIS) zum Einsatz.

1.     M. Hasenberg, A. Köhler, S. Bonifatius, A. Jeron, andGunzer M (2011). Direct Observation of Phagocytosis and NET-formation by Neutrophils in Infected Lungs using 2-photon Microscopy.J Vis.Exp Jun. (52):pii: 2659, 2011.

2.     Hasenberg M, Köhler A, Bonifatius S, Borucki K, Riek-Burchardt M, Achilles J, Männ L, Baumgart K, Schraven B, Gunzer M (2011) Rapid immunomagnetic negative enrichment of neutrophil granulocytes from murine bone marrow for functional studies in vitro and in vivo. PLoS one 6:e17314

3.     Bruns S, Kniemeyer O, Hasenberg M, Aimanianda V, Nietzsche S, Thywißen A, Jeron A, Latge JP, Brakhage AA, Gunzer M (2010) Production of Extracellular Traps against Aspergillus fumigatusin vitro and in Infected Lung Tissue is Dependent on Invading Neutrophils and Influenced by HydrophobinRodA. PLoSPathog 6:e1000873.

 

Knochenmark und Mobilisierung von Immunzellen
Das Knochenmark der Röhrenknochen spielt eine zentrale Rolle bei der Blutbildung eines jeden Organismus. Alle Zellen des blutbildenden oder hämatopoietischen Systems, welches sowohl rote Blutkörperchen als auch die weißen Blutkörperchen des Immunsystems umfasst, entstehen hier aus den hämatopoietischen Stammzellen. Diese interagieren im Knochenmark eng mit speziellen Knochenmarksbereichen, den Stammzellnischen. Die Nischen erzeugen eine besondere Umgebung, welche die Teilung, Selbsterneuerung, Differenzierung und Mobilisierung von Stammzellen unterstützt. Mit einer neuen, von uns entwickelten Methode ist es nun mittels intravitaler 2-Photonenmikroskopie möglich, die Beweglichkeit und die räumliche Anordnung von hämatopoietischen Stammzellen in den Röhrenknochen von Mäusen zu analysieren, um mögliche Veränderungen in den Wechselwirkungen zwischen Nische und Stammzellen aufzudecken.Des Weiteren wird die intravitale 2-Photonenmikroskopie verwendet um das Verhalten von reifen, ausdifferenzierten Blutzellen in den Röhrenknochen der Maus zu untersuchen. Dabei werden von uns hauptsächlich die immunologisch hoch interessanten neutrophilen Granulozyten beobachtet. Normalerweise zirkulieren diese in einer relativ geringen Anzahl durch die Blutgefäße des Körpers. Unter bestimmten Bedingungen, zum Beispiel im Falle einer Infektion, kann jedoch eine große Anzahl von neutrophilen Granulozyten innerhalb weniger Stunden aus dem Knochenmark freigesetzt und über den Blutfluss zur Infektionsstelle transportiert werden. Bei diesem Vorgang ist bekannt, dass der Granulozyten-Kolonie stimulierende Faktor G-CSF eine wichtige Rolle spielt. Zum Beispiel führt bei Mäusen schon eine einzige Injektion mit G-CSF zu einer starken Mobilisierung von neutrophilen Granulozyten aus dem Knochenmark in das Blut. Obwohl rekombinantes G-CSF seit mehr als 20 Jahren in Kliniken verwendet wird, um die Zahl der neutrophilen Granulozyten in neutropenischen Patienten (zum Beispiel nach einer Chemotherapie) schnell wieder zu erhöhen, ist der molekulare Mechanismus welcher hinter dieser Mobilisierung steht immer noch weitgehend unbekannt. Ebenfalls unklar ist, auf welchem Weg und wie genau die neutrophilen Granulozyten das Knochenmark verlassen und warum nur ein bestimmter Teil dieser Zellen auf eine Mobilisierung reagiert. Diese Themen sind Gegenstand der aktuellen Forschung.

  • 1. M. C. Florian, K. Dörr, A. Niebel, D. Daria, H. Schrenzenmeier, M. Rojewski, M. D. Filippi, A. Hasenberg, Gunzer M., K. Scharffetter-Kochanek, and H. Geiger. Cdc42 Activity Regulates Hematopoietic Stem Cell Aging and Rejuvenation.Cell Stem Cell 10:520-530, 2012.
  • 2. A. Köhler, H. Geiger, andGunzer M (2011). Imaging Hematopoietic Stem Cells in the Marrow of Long Bones In Vivo.Methods Mol.Biol. 750:215-224, 2011.
  • 3. Dudeck A, Dudeck J, Scholten J, Petzold A, Surianarayanan S, Köhler A, Peschke K, Voehringer D, Waskow C, Krieg T, Müller W, Waisman A, Hartmann K, Gunzer M*, Roers A* (2011) Mast cells are key promoters of contact allergy that mediate the adjuvant effects of haptens. Immunity 34: 973-984 (*Gunzer is Co-Senior and corresponding author)
  • 4. Köhler A, De Filippo K, Hasenberg M, van den Brandt C, Nye E, Hosking MP, Lane TE, Männ L, Ransohoff RM, Hauser AE, Winter O, Schraven B, Geiger H, Hogg N, Gunzer M (2011) G-CSF mediated Thrombopoietin release triggers neutrophil motility and mobilization from bone marrow via induction of Cxcr2 ligands. Blood 117(16):4349-4357
  • 5. Köhler A, Schmithorst V, Filippi MD, Ryan M, Daria D, Gunzer M*, and Geiger H*. (2009) Altered endosteal location and cellular dynamics of aged hematopoietic stem cells in the marrow of long bones in vivo.Blood 114(2):290-298 (*Gunzer and Geiger are corresponding authors)

 

Dr. Michael Meltzer

Zelluläre Lokalisation von DegP und Interaktion mit Substraten und Faltungsfaktoren
Die bakteriellen und humanen Mitglieder der hochkonservierten und multifunktionellen Familie der HtrA Proteasen sind an allen Aspekten der Proteinqualitätskontrolle beteiligt sind. Die HtrA Proteasen sind deshalb geeignet die generellen Mechanismen der Erkennung von falsch gefalteten oder fragmentierten Proteinen, der Protein Reparatur und regulierten Degradation zu untersuchen. Ein bakterielles Mitglied der HtrA Familie ist DegP. E. coliDegP zeichnet sich durch zwei antagonistische Funktionen aus: es ist sowohl eine Protease als auch Chaperon und daher in der Lage andere Proteine sowohl zu degradieren als auch zu reparieren. Außerdem kann DegP reversibel zwischen verschiedenen Funktions- und Oligomerisierungszuständen (6mer, 12mer, 15mer, 18mer, 24mer) wechseln. Dabei stellt das Hexamer den Ruhezustand dar, während die höheren Oligomere die aktive Form darstellen. Der Wechsel zwischen dem inaktiven Hexamer und den aktiven höheren Oligomeren wird von mehreren Faktoren beeinflusst, wie der Temperatur, Detergenzien, Interaktion mit Lipidmembranen und vor allem durch Bindung von Substraten.
Über die bisher gut untersuchte generelle Rolle von DegP in der Rückfaltung und Degradation von mißgefalteten Proteinen hinaus, lassen die bisherigen genetischen und biochemischen Daten vermuten, dass DegP außerdem an der Biogenese von Außenmembranproteinen beteiligt ist, da es mißlokalisierte Außenmembranproteine aufnimmt und diese wahrscheinlich an das Membraninsertionssystem übergibt. Obwohl die molekularen Mechanismen der Funktion von DegP gut verstanden sind, bleiben wichtige Fragen bezüglich der zellulären Lokalisation und der Interaktion mit seinen Substraten und anderen Proteinqualitätskontrollfaktoren zu beantworten. Diese Fragen sollen hauptsächlich durch das Studium von ganzen Zellen adressiert werden. Ziel des Projekts ist es deshalb die zelluläre Lokalisation von DegP durch hochauflösende STED-, PALM/STORM- und strukturierte Beleuchtungs-Mikroskopie zu studieren. Danach soll die Kolokalisation von DegP mit den Sekretionskomplexen an der Innenmembran bzw. Insertionskomplexen an der Außenmembran sowie seinen nativen Substraten, der periplasmatischen Amylase MalS und verschiedenen Außenmembranporinen untersucht werden.

  • 1. M. Merdanovic, N. Mamant, M. Meltzer, S. Poepsel, A. Auckenthaler, R. Melgaard, P.Hauske, L. Nagel-Steger, A. R. Clarke, M. Kaiser, R. Huber, M. Ehrmann: Determinants of structural and functional plasticity of the widely conserved protease chaperone machine DegP. Nat. Struct. Mol. Biol.2010, 17, 837-843.
  • 2. M. Meltzer, S. Hasenbein, P. Hauske, N. Kucz, M. Merdanovic, S. Grau, A. Beil, D.,Jones, T. Krojer, T. Clausen, M. Ehrmann, M. Kaiser*: AllostericactivationofHtrA   proteaseDegPby stress signalsduringbacterialproteinqualitycontrol. Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47, 1332-1334.


Dipl. Ing. Linda Männ

Probiotische Bakterien zur Tumorbekämpfung - PROTumor

Die zweithäufigste Todesursache in Industriestaaten sind verschiedenste Krebserkrankungen. Trotz des steigenden Verständnisses für die Entstehung und die Behandlung dieser Erkrankungen sind konventionelle Therapieverfahren in den meisten Fällen lediglich lebensverlängernd, heilen die Krankheit aber nicht. Daher werden immer wieder neue Verfahrengesucht, die das therapeutische Spektrum der Onkologen erweitern.
Einer dieser Ansätze, der in seinen Grundzügen schon seit über 100 Jahren bekannt ist,ist der Einsatz von Bakterien, die sich selektiv in Tumorgewebe anreichern. Überraschenderweise sind viele anaerobe und fakultativ anaerobe Bakterien in der Lage Tumoren zu besiedeln, was in vielen Fällen zur Schrumpfung oder sogar dem völligen Verschwinden des Tumors führt. In experimentellen Studien fanden in diesem Zusammenhang jedoch bisher lediglich potentiell pathogene Bakterien wie Salmonellen oder ClostridienAnwendung. Während diese Studien wichtige Erkenntnisse zum prinzipiellen Mechanismus der durch Bakterien vermittelten Tumorlyse erbrachten, können die hierbei eingesetzten Bakterienstämme wegen der offensichtlichen Probleme in Bezug auf Sicherheit und Akzeptanz nicht in klinischen Routinesituationen eingesetzt werden.
Daher finden in diesem Projekt verschiedene apathogeneEscherichia coli Stämme Anwendung und werden auf ihre Fähigkeiten zur Tumorbesiedlung und -bekämpfung hin untersucht bzw. optimiert. In diesem Zusammenhang werden in Kooperation mit verschiedenen Arbeitsgruppen der TU Dresden (AG Gunzer), des Helmholtz Zentrum für Infektionsforschung (AG Weiß) und der Industrie (Firma SymbioPharm) sowohl E.coli als auch Tumorzellen mit Fluoreszenzproteinen versehen und speziell für die intravitale 2-Photonenmikroskopie optimiert. Mit Hilfe der 2‑Photonenmikroskopie erarbeiten wir uns eine neue Form der nicht-invasiven Bildgebung unter Etablierung eines Tumormodells im Ohr, die es uns in komplexen Studien ermöglicht, genaue Erkenntnisse über die Mechanismen zu gewinnen, die zu Destruktion des Tumors führen und welchen Einfluss die körpereigenen Immunzellen dabei haben.

MSc. Biotechnol.Eloho Etemire

Die differerentielle Aktivierung von T Zellen
Die antigenspezifische Aktivierung von T Zellen erfordert die Interaktion mit Antigen präsentieren Zellen (APC). Wir haben gefunden, dass der Typ und Ausreifungsgrad von APC eine wesentliche Bedeutung für die Effektivität der T Zellaktivierung hat. So können aus einer Art naiver T Zelle je nach angetroffener APC klassische Effektor- oder auch regulatorische T Zellen generiert werden. In diesem Projekt werden die molekularen Mechanismen geklärt, die solch heterogene Reaktionsmuster in T Zellen induzieren.

  • 1. Reichardt P, Dornbach B, Song R, Beissert S, Gueler F, Loser K, Gunzer M (2007) Naive B cells generate regulatory T cells in the presence of a mature immunological synapse. Blood 110:1519-1529. (Cover)
  • 2. Reichardt P, Dornbach B, Gunzer M (2010) APC, T cells and the immune synapse. Curr Top MicrobiolImmunol 340: 229-249 (Cover)