Geförderte im IZKF-Bridiging-Programm

Multi-omics analysis of glucocorticoid response biomarkers – paving the way towards improved glucocorticoid replacement in patients with adrenal insufficiency

Patients with adrenal insufficiency (AI) suffer from increased cardiovascular morbidity, compromised immunity, and reduced quality of life, which is mainly attributed to unphysiological glucocorticoid exposure under conventional hormone replacement. Customizing therapy is challenging in the absence of reliable parameters for assessing glucocorticoid exposure and replacement quality. Furthermore, the complex regulation of glucocorticoid effects at cellular level might differ under conventional replacement compared to physiological exposure. 

Methylation levels of FKBP5, a key regulator of the glucocorticoid receptor, correlate with cortisol levels in healthy individuals and in those with Cushing’s syndrome. FKBP5 represents, therefore, a potential surrogate marker of cortisol action. 

We analysed for the first time FKBP5 methylation profiles in 120 AI patients under standard hydrocortisone replacement and found significant correlations with the glucocorticoid dose. Intriguingly, however, methylation patterns of AI patients indicate greater glucocorticoid exposure compared to mild Cushing's syndrome. 

Our next step involves validating these results in a larger AI cohort encompassing different replacement regimens (standard/modified-release/long-acting glucocorticoids) for a deeper understanding of the glucocorticoid action in AI. 

We further aim to identify additional biomarkers of individual glucocorticoid exposure beyond FKBP5. This comprehensive approach will lay the groundwork for an interventional study focusing on treatment quality in AI patients.

How shaping of the preimmune B cell reservoir by gut microbiota affects vaccination efficacy

Impfungen sind wesentliche Instrumente zur Reduktion von Morbidität und Mortalität. Der Aufbau einer protektiven humoralen Immunität hängt maßgeblich von der Zusammensetzung naiver B-Zell Populationen und deren B-Zell-Rezeptor Repertoire ab. Dieses „präimmune“ Reservoir formt sich in den ersten Lebensjahren unter Einfluss endogener und exogener Faktoren. Die endogenen, genetischen Aspekte dieser Entwicklung sind besser verstanden als exogene Faktoren wie der Einfluss des Mikrobioms. Es ist bekannt, dass antibiotische Therapien im frühen Kindesalter (als Mikrobiom-störendes Ereignis) mit niedrigeren Impftitern und erhöhtem Risiko für Autoimmunerkrankungen assoziiert sind; die Mechanismen sind jedoch unklar. Wir vermuten, dass Mikrobiom-störende Ereignisse in früher Kindheit die Entwicklung des präimmunen B-Zell Reservoirs negativ beeinflussen. In ersten Untersuchungen in zwei Kohortenstudien mit Früh- und Neugeborenen beobachteten wir signifikante Störungen der B-Zell-Entwicklung im ersten Lebensjahr nach systemischer Antibiotika-Exposition. Durch multidimensionale Analysen sollen nun die Mechanismen der Interaktion zwischen sich entwickelndem, präimmunen B-Zell Reservoir und intestinalem Mikrobiom entlang ontogenetischer Trajektorien untersucht werden. Ziel ist es, mikrobielle Determinanten und immunologische Signaturen eines balancierten präimmunen Reservoirs zu identifizieren, das protektive Impfantworten begünstigt. Dieses Verständnis eröffnet über das Kindesalter hinaus potenzielle Ansatzpunkte für zukünftige Interventionen zur Steigerung der Impfeffektivität.

Einfluss des oralen Mikrobioms auf den Schweregrad von RSV-Infektionen: Analyse transkriptioneller Veränderungen in an der Infektion beteiligten Zellen des oberen Respirationstraktes und PBMCs durch Single Cell Sequencing

Einleitung: Das Respiratorische Synzytial-Virus (RSV) führt zu akuten Atemwegsinfektionen, die besonders bei Kindern <2 Jahren zu variierenden Krankheitsverläufen führt. Dies ist bis heute in vielerlei Hinsicht für gesunden Kindern unverstanden und wenige Risikofaktoren für schwere Verläufe sind bekannt. Transkriptionelle Veränderung von Interferon-stimulierenden Wegen, wichtig in der antiviralen Funktion oder von Immunzellen sind häufig in Patienten mit schweren RSV-Verläufen und von Zellen des unteren Respirationstraktes (RT) beschrieben. Eine Infektion mit RSV betrifft aber in ~90% den oberen RT. Im Nasenrachenraum, am Ort der Infektion, befinden sich zudem eine Vielzahl an Bakterien (Mikrobiom), die ebenfalls Einfluss auf den Krankheitsverlauf nehmen können. Einigen Bakterien Genera werden krankheitsprotektive Eigenschaften zugeschrieben (Moraxella), andere treten bei schweren RSV-Verläufen vermehrt auf (Haemophilus). Der Einfluss des Mikrobioms des oberen RT soll im Kontext der transkriptionellen Veränderungen der Zellen des oberen RT untersucht werden.

Methoden: Es werden Zellen des oberen RT und periphere mononukleäre Blutzellen von Kindern <2 Jahren mit milder, moderater oder schwerer RSV-Infektion mittels Single Cell Sequencing analysiert. Das Mikrobiom wird mittels 16s RNA-Sequenzierung untersucht.

Ziel ist es, die Wechselwirkungen zwischen dem RS-Virus, dem Immunsystem der Patienten und dem Mikrobiom zu verstehen. Dadurch sollen neue Erkenntnisse für gezielte Therapien und präventive Maßnahmen gegen RSV gewonnen werden.

Der zerebrale Thrombus - Nur ein Blutgerinnsel oder Schlüssel zur Verbesserung der medikamentösen Schlaganfalltherapie

Ziel der Akutbehandlung des ischämischen Schlaganfalls ist die rasche Auflösung des zum Gefäßverschluss führenden Blutgerinnsels. Neben der Katheter-basierten mechanischen Rekanalisation ist die systemische Thrombolyse mittel rt-PA eine evidenzbasierte Therapie, deren rekanalisierendes Potential jedoch in Abhängigkeit von der Thrombuslänge und der Zusammensetzung der zerebralen Thromben limitiert ist. An der strukturellen Komplexität zerebraler Thromben sind neben Erythrozyten und Fibrin auch Thrombozyten, von-Willebrand-Faktor, Neutrophile Granulozyten und Neutrophil extracellular traps beteiligt. Eine außenliegende hüllenartige Struktur mit Thrombozyten-reichen Arealen macht die zerebralen Thromben möglicherweise zusätzlich weniger empfindlich gegenüber der systemischen Thrombolyse.

Ziel dieses Projekts ist es ein verbessertes pathophysiologisches Verständnis der Entstehungsmechanismen zerebraler Thromben und Thrombolyse-Resistenz vermittelnder Faktoren zu entwickeln. Hierfür sollen die im Zuge der mechanischen Rekanalisation geborgenen zerebralen Thromben mit neuartigen histologischen Färbeprotokollen (u.a. PAI-1, tPA) untersucht und mittels automatisierter Bildanalyse ausgewertet werden. Auch Korrelationen mit gerinnungs-, fibrinolysespezifischen und thromboinflammatorischen Biomarkern aus den in der Akutphase peripher venös asservierten Blutproben sind vorgesehen. Auf Basis dieser Untersuchungen soll im Rahmen einer prospektiven Studie mit ex vivo Thrombolyse Versuchen zur Entwicklung neuer verbesserter thrombolytischer Substanzen beigetragen werden.

Zwischen Haut und Leber: Immunzellen in der Koevolution von Psoriasis und MASLD

Die Psoriasis (Schuppenflechte) ist eine chronisch-entzündliche Erkrankung, die 2% der Bevölkerung betrifft und häufig mit Typ-2-Diabetes, arterieller Hypertonie, Adipositas und der mit metabolischer Dysfunktion assoziierten steatotischen Lebererkrankung (MASLD, früher NAFLD) verbunden ist. MASLD umfasst ein Spektrum, das von der Leberverfettung (Steatose) über die Steatohepatitis (MASH) bis hin zum bindegewebigen Leberumbau (MASH-Fibrose/-Zirrhose) reicht. Mit einer Prävalenz von ca. 25% ist sie global führende Ursache leberassoziierter Morbidität und Mortalität. Erstaunlicherweise ist die Hälfte aller Psoriasis-Patienten von MASLD betroffen. Trotz der hohen Krankheitslast sind keine Therapien für die MASLD zugelassen. Im Gegensatz dazu hat sich die Blockade inflammatorischer Signal-wege mittels Biologika als hochwirksame, sichere Therapie der Psoriasis erwiesen, wobei Interleukin-(IL-)17, IL-23 und Tumornekrosefaktor-α (TNF-α) die wichtigsten Zielproteine darstellen. Zahlreiche Studien belegen den Einfluss dieser Zytokine auf die Pathogenese der MASLD in murinen Modellsystemen und humanen Patientenkohorten. Obwohl diese pathogenetische Schnittstelle zwischen Psoriasis und MASLD gut dokumentiert ist, sind zugrundeliegende immunologische Mechanismen, die Entstehung und Verlauf beider Krankheiten regulieren, nicht ausreichend verstanden. Ziel des Projekts ist die Entschlüsselung einer organübergreifenden Kommunikation von Immunzellen im entzündlichen Netzwerk der MASLD und Psoriasis, um pharmakologische Zielstrukturen für eine Therapie beider Erkrankungen zu identifizieren.

Photon-Counting Computertomografie der Gefäßperipherie

Das Projekt zielt darauf ab, die vaskuläre Bildgebung durch den Einsatz der Photon­-Counting Computertomografie basierend auf bisherigen Ergebnissen und eignen Vorarbeiten weiter zu optimieren. Ein von der Arbeitsgruppe in Zusammenarbeit mit dem Anatomischen Institut und der Gefäßchirurgie des UKW etabliertes in-vitro Körperspender-Modell soll hierfür erweitert werden, um die Bildgebung und interventionelle Versorgung weiterer Gefäßstromgebiete simulieren zu können. Durch prospektive klinische Studien sollen die Vorteile der verbesserten räumlichen Auflösung und Strahlendosisreduktion für die klinische Routineversorgung validiert und mit dem diagnostischen Standard verglichen werden. Der Antrag beinhaltet zudem eine Kooperation mit der Mund-Kiefer­-Gesichtschirurgie zur Verbesserung der präoperativen Gefäßdiagnostik vor Fibula-Transplantation-­Operationen. Das Arbeitsprogramm umfasst die Optimierung von CT-Angiografie-Protokollen, die Evaluierung von Verbesserungsmöglichkeiten durch spektrale Bildgebung und die präoperative 3D­Planung/3D-Druck. Durch diese interdisziplinäre Forschung wird eine verbesserte Diagnose und Behandlung von vaskulären Erkrankungen angestrebt, was potenziell die Patientenversorgung und Indikationsstellung zu nötiger Therapie entscheidend verbessern kann. Zudem sollen die Vorarbeiten bzgl. Fibula-Transplantation-Operation in Kooperation mit der Mund-Kiefer-Gesichtschirurgie zusammen mit Optimierungsansätzen der Diagnostik des Lokalbefunds innerhalb des ersten Förderungsjahres in eine externe Drittmittelförderung überführt werden.

Detektion von Risiken und Ursachen der Small Fiber Neuropathie bei Prädiabetes: Fokus auf den Lipidstoffwechsel

20-50% of patients with diabetes mellitus (DM) develop polyneuropathy (PNP) and in 60% of these, the small nerve fibers are affected. Small fiber neuropathy (SFN) may already be present under pre-DM conditions. The reasons why some patients with pre-DM develop SFN while others do not are not fully understood. However, focusing on pre-DM is important, because early detection and modification factors can slow, stop, or prevent progression.

From cross-sectional studies on identifying risk factors, it is evident that changes in the lipid metabolisms are of high relevance to predict SFN development in patients with DM. However, when exploring the mechanism of SFN development in DM, the role of lipids was widely neglected, as former research primarily focused on hyperglycemia. From a few studies on lipidomic analysis, it is known that alterations of sphingolipids (SL) are involved in both DM and neuropathy. One recent study investigated SL alterations as potential shared pathogenic mechanism of DM and PNP. However, studies so far focused on analyzing changes in the pathways, which lead to SL alterations along with the consequent morphological changes, while functional data linked to the morphological changes are rare. Furthermore, research so far focused on DM, while SL in pre-DM are under-researched.

The aims of the current study are:

1. to delineate the predictive value of lipids for SFN development in pre-DM and design an algorithm for early prediction.
2. to unravel functional changes through SL alterations in pre-DM and SFN and uncover their potential causal relationship.

BetaBalance: Biomarker-gesteuerte Tiefe Hirnstimulation

Im Zentrum des Projektes steht die elektrophysiologisch basierte Optimierung der Tiefen Hirnstimulation (THS) bei Patienten mit einer Parkinson-Erkrankung. Ziel ist die Entwicklung eines Verfahrens zur automatischen Kalibrierung, gestützt auf die Präzisionsanalyse neuartiger elektrophysiologischer Biomarker. Wir konzentrieren uns auf Beta-Band-Hirnwellenmuster, die nun erstmals als Biomarker herangezogen werden können, um die Krankheitsschwere zu messen und die THS zielgerichtet zu steuern.

Das Projekt gliedert sich in drei Schlüsselbereiche: Erstens, die in vivo Analyse des Einflusses modifizierter Stimulationsparameter auf die pathologischen Beta-Bänder. Zweitens, die Identifikation kortikaler Korrelate durch High-density-EEG, um die Wirkmechanismen der Symptomlinderung durch THS zu entschlüsseln. Drittens, die Prüfung der Burststimulation, die sich an natürlichen neuronalen Mustern orientiert, auf ihre Effektivität hinsichtlich der Unterdrückung der Beta-Bänder und der Symptomverbesserung.

Das finale Ziel dieses Projekts ist die Schaffung von Stimulationsalgorithmen, die eine individuell angepasste und somit verbesserte Parkinson-Therapie erlauben. Die Ergebnisse bilden den Grundstein für einen DFG-Sachbeihilfe-Antrag und markieren einen entscheidenden Schritt hin zu einer autonomen Therapie. Mit der Vision einer selbstkalibrierenden und letztlich vollautomatisierten closed-loop-Stimulation strebt das Projekt danach, die Parkinson- Behandlung tiefgreifend zu transformieren.

Etablierung eines 3D in vitro Fibrosemodells des respiratorischen Epithels und dessen translationale Anwendung zur Bewertung Carbonfaser-assoziierter Fibrogenese

Fibrose stellt einen progressiven Krankheitsprozess dar, der unter anderem durch übermäßige Ansammlung von extrazellulären Matrixbestandteilen gekennzeichnet ist und mit chronischer Inflammation einhergeht. Nach dem Prinzip der Phasentransition lösen Umbaumechanismen strukturelle und funktionelle Gewebeveränderungen aus, die ein Risiko für Funktionsverlust und maligne Transformation darstellen können. Dies betont die Relevanz für Studien zur Analyse fibroseassoziierter Mechanismen. Aufgrund der Komplexität zellulärer Interaktionen beruht Fibroseforschung aktuell schwerpunktmäßig auf tierexperimentellen Studien. Ziel ist es daher, ein valides in vitro Modell zu etablieren, das repräsentativ für die Schleimhaut der oberen Atemwege zur Untersuchung von Fibroseinduktion dienen soll. Hiermit soll gemäß dem 3R-Prinzip zur Reduktion von Tierversuchen beigetragen werden. Als zweite Komponente soll das Modell für die Risikoevaluation von Carbonfasern eingesetzt werden, die als multifunktionaler Werkstoff heute ubiquitär Einsatz finden und die in Analogie zu Asbest unter Berücksichtigung einer kritischen Geometrie unter Verdacht stehen, Fibrose auszulösen. Für den Vergleich der in vitro-Daten steht eine Inhalationsexposition von Mäusen durch den Kooperationspartner am Helmholtz-Zentrum in München zur Verfügung. Die Förderung soll die Validierung von Methoden für den Nachweis von Fibrosemarkern im 3D-Zellmodell ermöglichen, die als Grundlage für weiterführende Fragestellungen im Bereich der Pathologie des Atemtraktes dienen und somit einen translationalen Ansatz gewährleisten soll.

Impact of ultra-processed foods and salt consumption on immune cells in metabolic dysfunction-associated steatotic liver disease (MASLD)

Metabolic dysfunction-associated steatotic liver disease (MASLD), formerly known as non-alcoholic fatty liver disease, is the leading cause of chronic liver disease with a prevalence of about 30% and it is closely linked to the metabolic syndrome. Chronic overnutrition and sedentary lifestyle cause chronic metabolic inflammation, a pivotal factor of MASLD pathogenesis. Dietary components (e.g. saturated fatty acids and carbohydrates, particularly fructose) have been identified as key factors for the development of hepatic inflammation leading to disease progression. Treatment remains centered on weight reduction through lifestyle modifications, as effective pharmacological interventions are still not available.

This project analyses a new nutritive-immunological hypothesis that high salt content of ultraprocessed food contributes to disease progression in MASLD. Recent insights indicate that high-salt conditions induce specific alterations in immune cells with activation of a Th17 phenotype. These immune cells play a central role in MASLD progression and have been investigated in our own preparatory work. The Würzburg MASLD cohort, comprised of over 1250 thoroughly characterized patients with detailed nutrition assessment, forms the basis for the subsequent research inquiries. Results of this project will deliver deeper insights into the functional link between nutrition, immune response and MASLD, thereby lay the ground for further external grant applications and potentially enhancing strategies for preventing and treating the most-frequent chronic liver disease.

Mechanismen der DNA-Methylierung und therapeutische Konsequenzen im komplexen regionalen Schmerzsyndrom

Das komplexe regionale Schmerzsyndrom (CRPS), geprägt durch anhaltenden Schmerz nach Trauma, bleibt für Kliniker eine Herausforderung. Es ist eine rein klinische Diagnose, nur eingeschränkt therapierbar und chronifiziert in bis zu 50%. Dies liegt auch am noch immer unvollständigen Verständnis der Pathophysiologie. Mit epigenetischen Untersuchungen gehe ich hier einen neuen Weg: Während z.B. die DNA-Methylierung für andere Schmerzsyndrome gut belegt ist, gibt es kaum Daten zum CRPS. Meine proof of principle-Vorarbeiten zeigen deutliche Veränderungen der DNA-Methylierung, zu Beginn und im Verlauf der Krankheit.

Ziel des Projektes ist es, diese weiter zu charakterisieren, um a) ein besseres pathophysiologisches Verständnis zu entwickeln und b) einer personalisierten Therapie näherzukommen. So sollen prognostische Biomarker identifiziert und der Einfluss etablierter Medikamente untersucht werden, um diese gezielt einzusetzen. Dies geschieht mittels bioinformatischer Analysen, in vitro Validierungen sowie einem translationalen Ansatz mit klinischer Studie. Fokus des Bridging-Projektes ist die Untersuchung lokaler Effekte sowie die Klärung der biologischen Relevanz. Hierzu werden die bisherigen Daten an einer noch besser charakterisierte Kohorte überprüft, außerdem der bisherige systemische Ansatz um eine lokale Untersuchung (aus Hautbiopsien) ergänzt und per Transcriptomics validiert. So möchte ich klären, ob DNA-Methylierungsmuster als Biomarker dienen, und einen Beitrag zum pathophysiologischen Verständnis sowie zu personalisierten Therapieoptionen bei CRPS leisten.

Thrombozyten-Leukozyten Interaktion bei Sepsis als Regulator von Thrombose und Immunantwort

Sepsis ist eine dysregulierte Immunantwort auf eine Infektion und der häufigste Aufnahmegrund auf eine Intensivstation. Im Rahmen der Sepsis kommt es häufig zu (Mikro-)Thromboseereignissen und Ischämien, welche zur simultanen Schädigung verschiedener Organsysteme führen. In den letzten Jahrzehnten konnte gezeigt werden, dass sich die Mechanismen der Thrombusbildung unter inflammatorischen und nichtinflammatorischen Bedingungen unterscheiden. Bei Inflammation ist insbesondere die Interaktion des Immunsystems mit Thrombozyten und der Gerinnungskaskade ein Auslöser von Thrombosen, was auch als „Immunothrombose“ bezeichnet werden kann. Die Interaktion von Thrombozyten mit Leukozyten (TLI) ist Kernelement der Immunothrombose. Die Mechanismen, durch welche die TLI bei Sepsis Thrombosen vermittelt, sind unklar. Wir werden in einem translationalen Ansatz durch Rekrutierung einer Kohorte von Patienten mit Sepsis und gesunden Probanden sowie einem murinen Cecal Slurry Sepsis-Modell die Mechanismen und die Auswirkungen der TLI bei Sepsis untersuchen. Hierbei wollen wir die Frage beantworten, wie die TLI zur Thrombusbildung beiträgt und welchen Effekt die reziproke Interaktion der Zellen auf die Immunantwort hat. Insbesondere soll die Rolle einzelner Subpopulationen der Thrombozyten und Leukozyten in der TLI analysiert werden. Die Ergebnisse der Arbeit können dazu beitragen, neue antithrombotische Targets und Wege zur Modulation der Immunantwort bei Sepsis zu identifizieren.

Zusammenhang zwischen Methylphenidat, Kognition und Belohnungslernen bei Kindern mit ADHS: Eine neurocomputational-basierte Analyse

Methylphenidat (MPH) ist die Erstlinientherapie der Aufmerksamkeitsdefizit-Hyperaktivitätsstörung (ADHS). Allerdings sprechen 20-30% der PatientInnen nicht auf MPH an. Pharmakologisch bewirkt MPH eine erhöhte Verfügbarkeit von Katecholaminen. Allerdings bleiben die neuronalen Prozesse, die für die klinische Wirkung verantwortlich sind, unklar. Meine bisherigen Arbeiten weisen darauf hin, dass MPH neuronale Lernprozesse verbessert. Unklar bleibt, (1) ob diese Verbesserung direkt auf die erhöhte Verfügbarkeit von Dopamin zurückgeht und so die klinische Symptomreduktion bewirkt. (2) Der zeitliche Verlauf der Symptomreduktion bleibt unklar, da überwiegend prä-post Studien durchgeführt werden. Diese zwei Forschungslücken werden daher in zwei Arbeitspaketen adressiert:

1. Zur Messung von Dopamin in vivo können nuklearmedizinische Verfahren eingesetzt werden. Leichter durchzuführende Untersuchungen wären jedoch für Kinder von Vorteil. Hierfür könnte Eisen, ein notwendiger Teil der Dopaminsynthese, als indirekter Marker mittels neuer MRT Sequenzen dienen.
2. Die Symptomausprägung schwankt innerhalb der PatientInnen, besonders wenn die Therapie mit MPH begonnen wird. Typische prä-post Studien können diese Schwankungen nicht darstellen. Mit smartphone-basierten Untersuchungen können Symptome mit Befragungen (subjektiv), Motorik-Sensoren (objektiv) und Lernprozesse ökologisch valide täglich gemessen werden.

Verbesserung molekularer Ansätze beim metastasierten Prostatakarzinom - Liquid BiopsY unter PSMA-Radioligandentherapie (LYPSMA)

Die an das prostataspezifische Membranantigen (PSMA) gerichtete Radioligandentherapie (RLT) stellt eine neue zielgerichtete, palliative Therapie beim metastasierten, kastrationsrefraktären Prostatakarzinom (mCRPC) dar. Dabei wird die Therapieeignung initial mittels PSMA-PET/CT festgestellt und es werden nur Patienten behandelt, die eine hohe PSMA-Positivität aufweisen. Dennoch zeigen sich immer wieder Patienten, die eine Resistenz auf die RLT aufweisen bzw. im Verlauf entwickeln. Die zugrundeliegenden Mechanismen sind unklar, da aktuelle Tumorbiopsien in der Regel nicht vorliegen. Mittels Liquid Biopsy (LBx) könnte dieses Problem überwunden werden. Dabei werden Körperflüssigkeiten, in der Regel das Blut der Patienten auf zirkulierende Tumorbestandteile untersucht.

Geplant ist eine multizentrische prospektive klinische Studie an drei nuklearmedizinischen Standorten (Uniklinik Würzburg, Uniklinik Augsburg, TU München). Das Ziel dieser Studie ist es LBx vor, während und nach einer PSMA-RLT anzuwenden, um sowohl prognostische Faktoren vor Therapie zu ermitteln, als auch den Wert der LBx zur Beurteilung des Therapieansprechens zu erheben. Des Weiteren soll mittels LBx die Ursache der Tumor-Heterogenität ermittelt werden und Resistenzmechanismen auf die PSMA-RLT bestimmt werden. Dazu erfolgt ein Vergleich der LBx mit den prä- und peritherapeutischen PSMA-PET/CTs. Die Auswertung der LBx erfolgt zentral durch Prof. R. Claus, II. Medizinische Klinik, Uniklinik Augsburg. Um dieses Vorhaben umzusetzen ist ein Drittmittelantrag bei der Deutschen Forschungsgemeinschaft (Sachbeihilfe) geplant.

DRG fMRT als neuer Imaging Biomarker der Schmerzverarbeitung

Ziel ist es, das Spinalganglion (engl. dorsal root ganglion, DRG) als primäres Organ der Schmerzverarbeitung und Ort aller primär sensorischen Neurone mittels MRT zu untersuchen. Eine zentrale Frage der Schmerzforschung ist es, welche funktionelle Rolle das DRG in der (patho-)physiologischen Schmerzverarbeitung innehat. Dabei könnte der gestörten Reizweiterleitung im DRG eine alterierte neuronale/elektrische Aktivität der DRG-Neurone zugrunde liegen. Aus der ZNS-Forschung ist bekannt, dass jede neuronale Aktivität mit einer metabolischen/vaskulären Reaktion einhergeht (sog. neurovaskuläre Kopplung). Diese lässt sich im ZNS mittels fMRT detektieren und quantifizieren (BOLD fMRT). Durch eigene Vorarbeiten konnten wir erstmals überhaupt eine solches fMRT-Signalantwort auch im DRG beschreiben (DRG fMRT). DRG fMRT erlaubt mittels peripherer elektrischer Stimulation die nicht-invasive Untersuchung der DRGs hinsichtlich einer möglicherweise gestörten Schmerzverarbeitung. Zentraler Bestandteil dieses Projekts ist es, die DRG-Reizantwort in ihrer Sensitivität als auch ihrer Spezifität zu untersuchen und ggf. durch Variation des Stimulationsparadigmas zu optimieren. Die Adaption/Variation der DRG-Reizantwort wird methodisch in ausgewählten Schmerzpatienten durch einen Lidocain-Block der DRG (radikuläre Schmerzen) bzw. eine C-Faser selektive Stimulation (CRPS) untersucht. Diese Vorversuche dienen der Vorbereitung auf einen eigenen DFG-Einzelantrag mit dem Ziel der longitudinalen Untersuchung ausgewählter Schmerzerkrankungen hinsichtlich der klinischen Endpunkte Schmerzauflösung und -chronifizierung mittels DRG fMRT.

Charakterisierung funktioneller und struktureller Hirnveränderungen nach Myokardinfarkt hinsichtlich Entwicklung von Herzinsuffizienz, Depression und Demenz

Aufgrund verbesserter Langzeitprognose nach durchgemachtem akuten Herzinfarkt stellt die chronisch-ischämische Herzinsuffizienz einen relevanten Morbiditäts- und Mortalitätsfaktor der westlichen Welt dar. Der Verlust an funktionell aktivem Herzmuskelgewebe mit eingeschränkter Herzleistung führt kompensatorisch zu einer oft schädlichen Überaktivierung des sympathischen Nervensystems und des Renin-Angiotensin-Aldosteron Systems, vermittelt durch Übererregung spezialisierter Kerngebiete (zum Beispiel Nucleus paraventricularis) im zentralen Nervensystem. Weiterhin gehen sowohl die akute myokardiale Ischämie als auch die chronisch-ischämische Herzinsuffizienz mit Depression, kognitiver Einschränkung und demenzieller Entwicklung einher, die nachweislich zu verminderter Lebensqualität, erhöhter Mortalität und Hospitalisierungsrate führen. Somit scheinen sowohl lokale als auch globale Veränderungen innerhalb des zentralen Nervensystems entscheidend am Outcome nach Herzinfarkt beteiligt zu sein. Insbesondere (Mikro-) Gliazellen wird eine essenzielle Rolle bei der Vermittlung neurodegenerativer und neuroinflammatorischer Prozesse zugeschrieben. Ziel des Bridging-Projektes (und Drittmittelantrages) ist es, diese bislang unzureichend verstandenen Veränderungen innerhalb des zentralen Nervensystems und deren Relevanz in einer multizentrischen klinischen Beobachtungsstudie longitudinal sowohl örtlich als auch zeitlich hochauflösend zu charakterisieren, um so potenzielle zukünftige (zentral und kardial wirksame) Therapieansätze nach akutem Herzinfarkt zu identifizieren.

HMGB1 und S100A8/A9 as central players of inflammation and infarct progression in patients with acute ischemic stroke

Der ischämische Schlaganfall ist eine der häufigsten Ursachen für Tod und dauerhafte Behinderung. Immunreaktionen sind als integraler Bestandteil der akuten zerebralen Ischämie sowohl an der Infarktentstehung, als auch dem späteren Gewebeumbau beteiligt. Die molekularen Mechanismen welche die initialen Entzündungsreaktionen im Rahmen des akuten Schlaganfalls modulieren, sind jedoch weitgehend unverstanden. In experimentellen Modellen zeigte sich, dass schadensassoziierte molekulare Muster (damage-associated molecular patterns, DAMPs) zerebrale Entzündungen und Hirnverletzungen initiieren können. Zu den DAMPs gehören das High-Mobility-Group-Box-1-Protein (HMGB1) und Calprotectin (S100A8/A9), die zum einen im Parenchym passiv von zu Grunde gehenden Neuronen freigesetzt werden, aber auch aktiv von Immunzellen und Thrombozyten im Gefäßsystem sezerniert werden und das angeborene Immunsystem aktivieren können. Kürzlich wurde eine erhöhte intravaskuläre DAMP-Freisetzung in der Hyperakutphase des Schlaganfalls identifiziert, welche mit der Größe der Infarzierung und einer lokalen Leukozyten Infiltration korrelierte. Beachtenswerter Weise konnten erhöhte systemische DAMP-Konzentrationen mit einem schlechteren funktionellen Ergebnis in Verbindung gebracht werden. Dies legt DAMPs als pathophysiologisch relevante Verknüpfung von Ischämie-induziertem Zelltod und der Schlaganfallbedingten Entzündungsreaktion nahe. 

Ziel dieses Projekts ist ein verbessertes Verständnis der Rolle von S100A8/A9 und HMGB1 als molekulare Regulatoren pathophysiologischer Zell-Zell Wechselwirkung. Insbesondere soll die Bedeutung der DAMP-Freisetzung in der Hyperakutphase des ischämischen Schlaganfalls analysiert werden.

Evaluation of cardiometabolic effects of different therapeutic strategies for obesity and associated heart failure with preserved ejection fraction in an animal model

Arterielle Hypertonie und Herzinsuffizienz sind häufige Komorbiditäten der Adipositas. Typischerweise liegt hierbei eine Herzinsuffizienz mit erhaltener Ejektionsfraktion (HFpEF) vor, bei der die Auswurffraktion des Herzens normal, die Füllung des Herzens aufgrund vermehrter Steifigkeit jedoch reduziert ist. Aufgrund der limitierten Behandlungsoptionen führt dies bei den Betroffenen auf Dauer häufig zu gravierenden Einschränkungen. Bis vor wenigen Jahren waren für die HFpEF keine medikamentösen Therapieansätze verfügbar. Inzwischen existieren gute Daten, dass SGLT-2 Inhibitoren und GLP-1 Agonisten das Outcome betroffener Patienten verbessern. Allerdings sind die exakten Wirkweisen nur unzureichend verstanden. Dies soll in einem gemeinsamen Projekt von Endokrinologie und DZHI im Tiermodell mit Diät-induzierter Adipositas und medikamentös induzierter arterieller Hypertonie näher beleuchtet werden. Auf früheren Arbeiten aufbauend, wird außerdem ein medikamentöser Ansatz gewählt, in welchem zwei Inkretinanaloga für die Behandlung der Adipositas kombiniert werden: PYY 3-36 und, als GLP-1 Analogon, Semaglutid. Neben Verhaltens- bzw. Phänotypanalysen und Messung diverser Stoffwechselparameter ist ein umfangreiches kardiales Readout geplant:

1. Messung der Kontraktilität von demembranierten Kardiomyozyten, intakten Kardiomyozyten und vorgedehnten Kardiomyozyten

2. Evaluierung der mitochondrialen Funktion mittels Oroboros-Respirometer, der mitochondrialen Calciumaufnahme mittels Tecan-Reader, der mitochondrialen Kompensationsmechanismen auf oxidativen Stress mittels Electron-Spin-Trapping und ergänzend möglicher prä-mitochondrialer Alterationen mittels Seahorse.

3. Messung der Aktivität von für die Energiegewinnung relevanten Enzymen (Myofilament-Kreatinkinase, mitochondriale Kreatinkinase) sowie deren Oxidierungsstatus mittels OxICAT-labeling

4. Messung der Aktivität von relevanten Enzymen des Krebs-Zyklus (Regeneration von NADH und FADH2: Pyruvat-Dehydrogenase, α-Ketoglutarate-Dehydrogenase, Malat-Dehydogrenease und Aconitasen.

5. Messung kardial relevanter Energiequellen (u.a. β-Hydroxybutyrate) mittels High Resolution Magnetic Angle Spinning (HRMAS) NMR.

6. Extraktion von mRNA und RNA-Sequenzierung.

Ferner erfolgt im Rahmen von Subprojekten ein umfangreiches Organreadout von Leber, Nebennieren, Fettgewebe, Muskulatur und Gehirn.

Photon-Counting Computertomographie am muskuloskelettalen System

Die Implementierung der revolutionären „photonenzählenden“ Computertomographie in die bildgebende Diagnostik traumaassoziierter Pathologien des Achsen- und Extremitätenskeletts stellt den zentralen Fokus dieses Forschungsprojekts dar. Zudem soll die neuartige Detektortechnologie auch für die CT-Bildgebung bei Kristallarthropathien und Plasmazellerkrankungen verwendet und ihre theoretischen Vorteile hinsichtlich verbesserter räumlicher Auflösung und spektraler Materialcharakterisierung im Rahmen prospektiver wissenschaftlicher Studien evaluiert werden. Für die Validierung der Photon-Counting-CT kommt neben der Dual-Source-CT mit konventioneller energieintegrierender Detektortechnik auch die MRT zum Einsatz. Die verschiedenen Teilprojekte orientieren sich dabei an für muskuloskelettale Pathologien relevanten Zielparametern bzw. Fragestellungen wie der Darstellung von Knochenmarksödemen für die Detektion und Altersbestimmung okkulter Frakturen oder der kombinierten Nutzung von multienergetischen Rekonstruktionen und iterativen MAR-Algorithmen zur Reduktion von Metallartefakten.

Vergleichende neuronale Untersuchungen im Stammzellmodell des Deletions- und Duplikationssyndrom 22q11.2 (DS22q11) im Deep Phenotyping Ansatz

Deletions- und Duplikationssyndrom 22q11.2 (DS22q11) sind eng verwandte seltene Erkrankungen, welche durch das Fehlen bzw. durch die Verdopplung des Chromosomenabschnitts 22q11.2 entstehen und zu erheblicher körperlicher und neuropsychiatrischer Morbidität führen. DS22q11 ist über die ganze Lebensspanne mit einer stark erhöhten Disposition für neuropsychiatrische Erkrankungen verbunden; von der Aufmerksamkeitsdefizit-Hyperaktivitätsstörung (ADHS), Autismus und Angsterkrankungen in der frühen Kindheit bis zu affektiven Störungen im Erwachsenenalter. Ziel des Projekts ist die präzise und umfassende klinische, zelluläre und molekulare Analyse von phänotypischen Auffälligkeiten. Solche als Deep Phenotyping bezeichneten Ansätze haben zum einen zum Ziel, Untergruppen von Patienten zu finden, welche eine individualmedizinische Behandlung ermöglichen. Zum anderen kann durch Deep Phenotyping bei den Modellerkrankungen Deletionssyndrom und Duplikationssyndrom 22q11.2 das Wissen über neuropsychiatrische Pathomechanismen vom Genotyp zum Phänotyp auch bei nicht-syndromal Erkrankten erweitert werden. Im Rahmen des Bridging-Programms erfolgt die Generierung von kortikalen Neuronenkulturen aus induzierten pluripotenten Stammzellen. Zudem erfolgt der Nachweis der Validität und Reproduzierbarkeit der Zusammensetzung der Zellkulturen auf single-cell Ebene. In einem weiteren Schritt sollen 30 der von DS22q11 gesammelten DNA-Proben mittels whole exome sequencing ausgewertet werden, um die Variabilität des Phänotyps mit dem individuellen Genotyp im Pilotansatz korrelieren zu können.

Targeting bone marrow endothelial cells in cardiovascular disease

[Abstract folgt]

Neurogenese als kausale Behandlung von Hörstörungen:
Untersuchungen eines stammzellbasierten in-vitro Modells der Hörbahn

Die Schwerhörigkeit stellt ein Krankheitsbild dar, von dem weltweit über 460 Millionen Menschen betroffen sind. Die Hörrehabilitation spielt daher eine herausragende Rolle in der Medizin. Obwohl bereits für viele Formen der sensorineuralen Schwerhörigkeit genetische Ursachen identifiziert wurden, konnte ein kurativer Ansatz bislang nicht Einzug in die klinische Praxis finden. In eigenen Vorarbeiten konnten im Bereich der Hörbahn im Tiermodell bereits Ansatzpunkte einer stillen Stammzellnische in mehreren Kerngebieten gefunden werden. Die adulte Neurogenese bietet Potential zur kausalen Behandlung von sensorineuralen Hörstörungen. Ziel des Projektes ist es, aus induzierten, propagierten neuronalen Vorläuferzellen unterschiedlicher Kerngebiete der Hörbahn eine „Neo-Hörbahn“ in-vitro zu rekonstruieren – also die Zelldifferenzierung getrennt voneinander zu induzieren und durch Ko-Kulturen ein neuronales Aussprossen und die Synapsenbildung zu untersuchen. Dieses Modell kann zur Analyse exogen zugeführter Modulatoren der Neurogenese zur Regeneration geschädigter Anteile der peripheren Hörbahn herangezogen werden. Im Fokus stehen insbesondere die Gruppe der Neurotrophine sowie die Signalkaskade des kanonischen Wnt-Signalwegs, welche Einfluss auf die Neuroregeneration und Stammzelldifferenzierung nehmen. Die in-vitro Effekte werden mit einem System zum mikroskopischen Live-Cell-Imaging und Calcium-Imaging in Langzeitkulturen und in Altersabhängigkeit der Hörreife untersucht. Diese Arbeiten sollen die funktionelle Differenzierung und Reife im neuronalen Netzwerk einer „Neo-Hörbahn“ analysieren und können Aufschlüsse über die funktionellen Interaktionen unter exogener Beeinflussung geben.

Einfluss von bFGF auf die Zellplastizität des endokrinen Pankreas

Endokrine Zellen des Pankreas spielen für der Regulation des Blutzuckerspiegels eine elementare Rolle. Ermöglicht wird dies durch die orchestrierte Ausschüttung von Hormonen – Glukagon aus α-Zellen, Insulin aus β-Zellen und Somatostatin aus δ-Zellen – die unterschiedlich auf den Glukosespiegel wirken. Ungleichheiten in der Hormonausschüttung endokriner Zellen oder Fehlfunktionen in der Signalweiterleitung Hormon-sensitiver Zellen führen zu Störungen der Blutzuckerregulation, die sich klinisch in Form des diabetes mellitus manifestieren können.

Trotz intensiver Forschung sind die Mechanismen, die der Entwicklung, der physiologischen Homöostase und der pathogenen Degenerierung pankreatischer endokriner Zellen zu Grunde liegen zu einem großen Teil unverstanden. In Vorversuchen konnte unsere Arbeitsgruppe basic Fibroblast Growth Factor (bFGF) als einen Faktor identifizieren, der die Zellidentität pankreatischer Zellen beeinflusst. Hierbei führte die Zugabe von bFGF während der Entwicklung von humanen induziert pluripotenten Stammzellen (hiPSCs) zu pankreatischen endokrinen Zellen in vitro zu einer vermehrten Ausprägung von Zellen mit einem δ-Zellartigen Phänotyp.

Im IZKF geförderten Projekt soll nun die Frage geklärt werden, welche Rolle bFGF für die Zellplastizität endokriner Zellen des Pankreas spielt. Im Fokus steht hierbei die Charakterisierung der entstehenden Zelltypen mittels gängiger histologischer und molekularbiologischer Methoden sowie mittels Proteom-Analyse. Weiterhin sollen im Verlauf des Projekts die molekularen Mechanismen, die der bFGF-induzierten Expression von δ-Zellmarkern zu Grunde liegen, entschlüsselt werden. Ein weiteres Ziel ist die Herstellung einer hiPSC Reporterlinie, mittels derer die Expression der pankreatischen Hormone Glukagon, Insulin und Somatostatin in Echtzeit beobachtet werden kann. Dies soll Aufschluss über den Ursprung der δ-Zell ähnlichen Population sowie die Plastizität hiPSC-abgeleiteter endokriner Zellen geben.

Die angeführten Studien sollen ein tieferes Verständnis für mögliche plastische Prozesse endokriner pankreatischer Zellen schaffen sowie neue Erkenntnisse zur Entwicklung endokriner Zellen liefern. Auf Grundlage dessen soll in zukünftigen Studien die klinische Relevanz der beobachteten Vorgänge untersucht sowie die Möglichkeit der Überführung in therapeutische Ansätze und neue Methoden zu Herstellung endokriner Zellen ausgelotet werden.