Organ Crosstalk

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Univ.-Prof. Dr. med. Mathias Hornef

Direktor des Instituts für Medizinische Mikrobiologie

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The gut liver axis - functional circuits and therapeutic targets in health and disease

Darm und Leber stellen sowohl unter physiologischen Bedingungen als beim Erkrankten eine funktionelle Einheit dar. Sie entstehen während der Embryogenese aus denselben Vorläuferzellen und ermöglichen gemeinsam die Aufnahme von Nahrung, die Regulation des Stoffwechsels, die funktionelle und strukturelle Trennung des bakteriell besiedelten Darmlumens von dem sterilen Wirtsgewebe, und eine effektive Immunreaktion gegenüber pathogenen Mikroorganismen. Hauptanliegen des vorliegenden IZKF Verbundprojektes ist es, den traditionellen Organ-zentrierten Blickwinkel durch einen die Funktion von Darm, Leber, Metabolismus und Mikrobiom integrierenden Ansatz zu ersetzen.

Eine Reihe anatomischer, zellulärer und molekularer Verbindungen und Regelkreise ermöglichen die kooperative Funktion beider Organe. Die Portalvene transportiert venöses Blut aus dem Darmgewebe zur Leber; gleichzeitig vermitteln die Gallenwege die Ausschüttung von Gallensäuren und anderen in der Leber produzierten Stoffen in das Darmlumen. Endokrine Mediatoren, die Migration von Immunzellen zwischen Darm und Leber und die Exposition der Leber mit immunstimulatorischen Molekülen der bakteriellen Darmflora verbinden beide Organe. Das IZKF Verbundprojekt vereint eine interdisziplinäre Gruppe von Wissenschaftlern, um sich mit den vielen Aspekten dieser kooperativen Organfunktion zu beschäftigen.

Die funktionelle Vernetzung von Darm und Leber wird auch bei einer Reihe von humanen Erkrankungen deutlich, die sich in beiden Organsystemen manifestieren. Die klinische Bedeutung dieser Vernetzung wurde bisher wenig untersucht, könnte aber wichtige neue Ansätze für zukünftige Therapien liefern. Sowohl klinische Studien als auch grundlagenwissenschaftliche Analysen innerhalb des IZKF Verbundprojektes sollen helfen, neue diagnostische und therapeutische Strategien für die zukünftige Therapie von Patienten zu entwickeln.

 

Schwerpunkt Entzündung und Folgen - Projekte

Hier finden Sie Projektbeschreibungen des Entzündung und Folgen-Forschungsschwerpunktes.

P01 Microbiota and TLR-signalling in the Development and Recurrence of intrahepatic Cholangiocarcinoma

PI: Univ.-Prof. Dr. Tom Lüdde, Division of Gastroenterology, Hepatology and Hepatobiliary Oncology

Zusammenfassung:

Deutsche Beschreibung folgt.

 

Project-Researchers' CVs 

P02 Tissue regeneration as a critical component of gut-liver homeostasis

PI: Dr. nat.med. Yulia A. Nevzorova , Department of Internal Medicine III
Co PI: Prof. Dr. rer.nat. Christian Liedtke , Department of Internal Medicine III

Zusammenfassung:

Das Darmepithel ist durch einen hohen Zellumsatz charakterisiert. Dieser ist gekennzeichnet durch eine starke Proliferation von Vorläuferzellen sowie durch Apoptose von differenzierten Enterozyten. Jede Veränderung dieser Homöostase beispielsweise durch verschlechterte Proliferation oder durch toxische Substanzen kann potentiell eine erhöhte Darmpermeabilität hervorrufen. In der Folge können bakteriell Produkte vom Darmlumen in die Leber gelangen und dort chronische Lebererkrankungen verursachen. E-Cycline (Cyclin E1, Cyclin E2) sind regulatorische Untereinheiten der Cyclin-dependent Kinase 2 (Cdk2) und steuern den Übergang von ruhenden Zellen in die Zellzyklusprogression. In den letzten Jahren haben wir mehrere wichtige Funktionen von Cyclin E1 im Rahmen der chronischen Leber- und Darmschädigung nachgewiesen. Wir haben gezeigt, dass Cyclin E1 für die Initiierung von Leberfibrose und Hepatozellulären Karzinomen eine essentielle Funktion besitzt. Außerdem  hemmt es die Permeabilisierung des Darms bei exzessiver Alkoholexposition. Im vorliegenden Projekt stellen wir die Hypothese auf, dass der Cyclin E/Cdk2 Komplex eine wichtige Rolle für die Erhaltung einer funktionalen gastrointestinalen Barriere spielt. Das übergeordnete Ziel des Projekts ist es, die Konsequenzen eines de-regulierten Zellzyklus für die intestinale Barriere und nachgeschaltete Interaktionen mit der Leber zu evaluieren.

Hierzu sollen folgende spezifische Ziele adressiert werden:

  1. Funktionsanalyse von E-Cyclinen und Cdk2 bei der basalen Aufrechterhaltung der intestinalen Barriere sowie bei Darm-Leber Interaktionen unter entzündlichen Bedingungen.
  2. Untersuchungen zur Rolle von Alkohol für die Zellzyklusregulation und die Cyclin E1-Interaktombildung im Darm und die sekundären Auswirkungen auf Darm-Leber Interaktionen.
  3. Beteiligung von E-Cyclinen an der Initiierung des Kolorektalen Karzinoms und Rolle bei der Bildung und Progression von Lebermetastasen.

 

Zusammenfassend wird dieses Projekt den Kernkomplex des Zellzyklusapparates identifizieren, der für die Aufrechterhaltung der Darmhomöostase und für ausbalancierte Darm-Leber Interaktionen verantwortlich ist.

 

Project-Researchers' CVs 

P03 Identification of mediators involved in the gut-liver-cross-talk in portal vein blood from patients with portal hypertension using a plasma proteomic approach

PI: Heidi Noels, PhD, Institute for Molecular Cardiovascular Research
Co-PI: Univ.-Prof. Dr. med. Christiane Kuhl, Department of Diagnostic and Interventional Radiology

Zusammenfassung:

Portale Hypertonie (Pfortaderhochdruck) ist eine der gravierendsten Folgen einer chronischen Lebererkrankung. Es wurden verschiede therapeutische Ansätze wie zum Beispiel die Behandlung durch „transjugular intrahepatic portosystemic shunts” (TIPS) entwickelt; jedoch führen die Komplikationen einer portalen Hypertonie immer noch zu einer erheblichen Steigerung von Morbidität und Mortalität. Als Hauptzulieferer des Leberblutflusses dient die Pfortader als „Super-Autobahn“ für die aus dem Darm stammenden Mediatoren zur Leber. Die Kenntnis über diese Mediatoren ist grundlegend für das Verständnis des Darm-Leber-Crosstalks sowohl für die physiologische und pathophysiologische Situation, und ist auch notwendig für die Entwicklung zielgerichteter Therapien von Lebererkrankungen.

Des Weiteren wird eine portale Hypertonie während einer Katheterisierung der Lebervene und  Endoskopie als Goldstandard  diagnostiziert, wobei Letzteres nicht in jeder Klinik zur Verfügung steht und mit hohen Kosten und möglichen Risiken einhergeht. Dies hebt noch einmal hervor wie notwendig es ist, Plasmamediatoren und Biomarker in ein innovatives und minimal-invasives diagnostisches Werkzeug zu übertragen, um Patienten mit einer portalen Hypertonie zu identifizieren.

Gestützt von unseren bisherigen Daten und durch Blutproben von Patienten mit einer portalen Hypertonie mit durchlaufener TIPS Behandlung und einer Kombination aus Plasma Proteomics und Bio-Assays, zielen wir darauf ab:

  1. vom Darm stammende molekulare Determinanten, die mit portaler Hypertonie und einer negativen Auswirkung auf Lebererkrankungen in Verbindung gebracht werden, zu identifizieren und charakterisieren, da sie interessante therapeutische Ziele in portaler Hypertonie-assoziierten Lebererkrankungen darstellen; und
  2. eindeutige molekulare Determinanten im systemischen Blut von Patienten mit einer portalen Hypertonie zu identifizieren, da sie potenzielle Biomarker für eine minimal-invasive Diagnostik der portalen Hypertonie repräsentieren.

 

Schlussendlich soll dieses Projekt zu einer Verbesserung von Therapie und Diagnostik von portaler Hypertonie führen und dadurch die Belastung der Patienten verringern.

 

Project-Researchers' CVs 

P04 Disturbed enterohepatic bile salt signaling and consequences for liver regeneration.

Principle Investigator (PI): Dr. Frank G. Schaap

Co-Project Manager (CPM): Prof. Dr. Steven W.M. Olde Damink

Zusammenfassung

Eine Leberresektion nutzt das regenerative Potential der Leber und stellt im Prinzip ein sicheres und kuratives Verfahren dar. Ein mögliches Leberversagen nach der Resektion ist die Folge einer unzureichenden Restfunktion der Leber, so dass lebensnotwendige Leberfunktionen während der regenerativen Phase nicht aufrecht erhalten werden können. Es wird angenommen, dass eine Störung der enterohepatischen Zirkulation die Leberregeneration bei Patienten, die sich einer Leberresektion unterziehen, durch Störung der Gallensäure-Signalgebung beeinträchtigt.

In diesem Projekt werden wir die Hypothese testen, ob eine Störung der Gallensäure-induzierten mitogenen Aktivität in Kombination mit einer fehlregulierten Gallensäure-Homöostase und assoziierter Hepatotoxizität, zu einer beeinträchtigten Leberregeneration und resultierender postoperativen Morbidität und Mortalität bei (post-)cholestatischen Patienten führt.

Desweiteren werden wir analysieren, ob postoperatives Leberversagen durch eine agonistische Aktivierung des Gallensäurerezeptor FXR oder eine therapeutische Verwendung von FGF19, einem FXR-regulierten Enterokin mit Gallensäure-homöostatischen und mitogenen Aktivitäten, verhindert werden kann.

 

Spezifische Ziele sind:

  1. Bestimmung von enterohepatischen Flüssen und Organquellen von Gallensäure und regenerations-assoziierten Signalmolekülen bei Patienten mit normaler und aufgehobener enterohepatischer Zirkulation unter basalen und prandialen Bedingungen.
  2. Charakterisierung der Gallensäure-Signalübertragung in enterohepatischen Geweben und Leberzellpopulationen von Patienten mit normaler und aufgehobener enterohepatischer Zirkulation.
  3. Untersuchung der Leberregeneration in einem ex vivo-Modell an Gewebe von nicht-cholestatischen und zunächst cholestatischen Patienten, die eine präoperative Gallengangdrainage (postcholestatischer Zustand) erhalten haben.
  4. Analyse der Wirkung des Antibiotikums Rifaximin auf die Gallensäure-Signalgebung bei Patienten die sich einer großen Leberresektion unterziehen.
  5. Untersuchung von therapeutischen Strategien in Tiermodellen von postoperativen Leberversagen.

Wir erwarten, dass die kombinierten Tier- und Patientenstudien funktionelle Einblicke in die Rolle der Gallensäure- Signalgebung und Gallensäure-Toxizität, sowie den Beitrag des Darmmikrobioms und der angeboren Immunität, bei normaler und defekter Leberregeneration nach partieller Hepatektomie ermöglichen und so zu neuen therapeutischen Ansätzen führen.

Project-Researchers' CVs 

P05 Impact of bile acid conversion by Coriobacteriaceae on the gut-liver axis

PI: Prof. Thomas Clavel, PhD, Institute of Medical Microbiology

Zusammenfassung:

Veränderungen des Darmmikrobioms wurden mit zahlreichen Erkrankungen wie z.B. der Entstehung einer Fettleber assoziiert. Allerdings wurden bisher wenige der dafür verantwortlichen Mikroben-Wirts-Interkationen mechanistisch untersucht. Gallensäuren werden in der Leber aus Cholesterin synthetisiert und anschließend durch die Gallenwege in den Darm sekretiert, um die Absorption von Lipiden zu begünstigen. Darmbakterien spielen dabei eine wichtige Rolle, da sie Gallensäuren umwandeln und dabei ihre Bioverfügbarkeit und Bioaktivität substantiell beeinflussen. Die Familie der Coriobacteriaceae beinhaltet einige dieser wichtigen Gallensäure-abbauenden Bakterien. Deren Effekte auf die Physiologie und den Stoffwechsel des Wirtes wurden jedoch bisher kaum untersucht. Eigene Vorarbeiten und Daten aus der Literatur zeigen, dass Coriobacteriaceae den Lipidmetabolismus des Wirtes signifikant beeinflussen. Wie dies funktioniert und welche Effekte diese Prozesse auf die Leber als Zentralorgan für den Lipid-Stoffwechsel haben, ist jedoch unbekannt. Diese Fragestellung wollen wir in unserem Forschungsvorhaben mittels standardisierter experimenteller Modelle adressieren. Dabei soll es um folgende spezifische Ziele gehen:

  1. Die Etablierung eines neuen gnotobiotischen Mausmodells zur Erforschung der Effekten von sekundären Gallensäureproduktion in vivo.
  2. Die Untersuchung des Einflusses von hochkalorischen Diäten auf den Lipidstoffwechsel und die bakteriellen Populationen im Darm.
  3. Die Bestimmung der Effekte von Coriobacteriaceae auf den Darm und die Leber.

Wir erwarten, dass das Projekt neue Erkenntnisse über die kausale Rolle spezifischer Darmbakterien bei der Regulierung des Darm-Leber-Achse liefern wird.

 

Project-Researchers' CVs 

P06 Functional role of gut microbiota on PNPLA3-dependent liver disease progression

PI: Prof. Dr. med. Christian Trautwein, Medizinische Klinik III, Uniklinik, RWTH Aachen
Co-PI: Dr. med. Maximilian Hatting, Medizinische Klinik III, Uniklinik, RWTH Aachen

Zusammenfassung:

Ein genetischer Polymorphismus des Patatin-like phospholipase domain-containing protein 3 (PNPLA3), der zu einer Funktionseinschränkung des Enzyms führt, findet sich bei etwa 20% der europäischen Bevölkerung. Dies ist ein Risikofaktor für nichtalkoholische Fettlebererkrankung und andere Lebererkrankungen wie Virushepatitis und alkoholische Leberzirrhose.

PNPLA3 ist eine Triacylglycerol-Lipase, die in zahlreichen metabolisch aktiven Geweben, wie etwa Hepatozyten vorkommt.

Ziel dieses Projektes ist es, die Rolle der Darm- Leber Achse und des intestinalen Mikrobioms für die PNPLA3 abhängige Leberschädigung zu studieren. Hierzu dient ein Mausmodell, welches den humanen Polymorphismus nachahmt und ebenfalls eine Fettlebererkrankung entstehen lässt. Die Erforschung der grundlegenden Prozesse wird zu einem besseren Verständnis der pathophysiologischen Zusammenhänge führen und kann neue Ansatzpunkte für Therapien von Patienten mit chronischen Lebererkrankungen sein.

Project-Researchers' CVs 

P07 Enterohepatic cooperation in the postnatal establishment of immune homeostasis

PI: Prof. Dr. med Mathias Hornef, Institute of Medical Microbiology

Zusammenfassung:

Die Zeit unmittelbar nach Geburt stellt ein kritisches Fenster für die Etablierung des Darmmikrobioms und die Ausbildung einer stabilen Wirts-Mikrobenhomöostase dar. Zur selben Zeit wandelt sich die Leber von einem hämatopoetischen Organ zu einem zentralen Regulator des Wirtsmetabolismus und der Immunabwehr. Darmschleimhaut und Leber beeinflussen so gemeinsam die Bedingungen im Darmlumen und bilden eine Barriere, die die systemischen Organe von mikrobiellen Stimuli und Nahrungsbestandteilen aus dem Darm schützt. Die strukturellen und funktionellen Mechanismen, die diese Barriere aufrechterhalten und das Darmmikrobiom während der Neugeborenenperiode beeinflussen und eine stabile Wirts-Mikroben-Homöostase ermöglichen wurden jedoch noch nicht untersucht. Die geplante Studie soll adaptive und entwicklungsbiologische Mechanismen identifizieren und charakterisieren, die die bakterielle Besiedlung beeinflussen und eine unerwünschte Stimulation des Immunsystems durch die mikrobielle Besiedlung nach Geburt verhindern. Die folgenden Ziele sollen verfolgt werden:

  1. Untersuchung der transkriptionellen Antwort des Lebergewebes auf die bakterielle Besiedlung nach Geburt und Identifikation regulatorischer Mechanismen, die hepatische und mukosale Immunhomöostase erhalten.
  2. Analyse des Einflusses der excretorischen Funktion der Leber auf die intestinale Barriere und die Etablierung der Wirts-Mikroben-Homöostase
  3. Charakterisierung des Einflusses der neonatalen enterohepatischen Barriere auf die systemische Immunantwort.

Es wird erwartet, dass die Identifizierung und Charakterisierung der Mechanismen, die die Immunhomöostase nach Geburt etablieren und die enterohepatische Barriere ausbilden zu neuen Erkenntnissen über die kritische Bedeutung der Postnatalperiode für die Organfunktionen und Empfindlichkeit gegenüber wichtigen Erkrankungen führen.

 

Project-Researchers' CVs 

P08 Contribution of gut tropic cell adhesion molecules to gut/liver communication during homeostasis and inflammation

PI: Prof. Dr. med. Norbert Wagner, Dept. of Pediatrics, University Hospital RWTH Aachen
Co-PI: Dr. med. Daniela Kroy, Dept. of Internal Medicine III, University Hospital RWTH Aachen

Zusammenfassung:

Die gerichtete Migration von Immunzellen ist eine Grundlage für die Regulation von Immunantworten und wird durch Chemokine und Adhäsionmoleküle bewirkt. Antiadhäsive Therapiestrategien, zur Hemmung der Rekrutierung von Entzündungszellen, befinden sich bereits in der klinischen Anwendung. Wir konnten nachweisen, dass die Adhäsionsmoleküle β7 Integrin, L-Selektin, und “Mucosal Addressin Cell-Adhesion Molecule-1” (MAdCAM-1) zur Entwicklung des darm-assoziierten lymphatischen Gewebes beitragen und zur gerichteten Migration „Homing“ von Leukozyten in den Darm. Außerdem zeigten wir, dass sie an oralen Toleranzprozessen, chronisch entzündlicher Darmentzündung (CED) und nicht-alkoholischer Steatohepaitis beteiligt sind. Da diese Adhäsionsmoleküle auch in der Leber exprimiert sind und bestimmte Lebererkrankungen häufig als extraintestinale Manifestationen einer CED auftreten, wird eine immunologische Beziehung zwischen Darm und Leber vermutet. Deshalb möchten wir den Beitrag dieser darm-assoziierten Adhäsionsmoleküle zur Aufrechterhaltung von Leberhomöostase und Entzündung und die Abhängigkeit von Immunantworten in Leber und Darm während intestinaler oder hepatischer Entzündung ermitteln. Ziele dieses Projektes sind:

  1. Ermittlung der Rolle darm-assoziierter Adhäsionsmoleküle bei Hepatitis, Fettleber und alkoholischer Lebererkrankung in Mäusen und Menschen, und Identifizierung krankheitsfördernder Adhäsionsmolekül-abhängiger Gruppen von Immunzellen
  2. Erfassung von Adhäsionsmolekül-abhängigem Leber/Darm „Crosstalk“ während Hepatitis und CED
  3. Identifizierung kritischer intrazellulärer Interaktionsdomänen im β7 Integrin Molekül, insbesondere im Hinblick auf Leber- und Darmerkrankungen

 

Project-Researchers' CVs 

P09 Dendritic cells as cellular target of the gut – liver communication in chronic liver disease and hepatocellular carcinogenesis

PI: Dr. med. Marie-Luise Berres, Department of Internal Medicine

Zusammenfassung:

Dendritische Zellen (DC) sind hoch potente antigen-präsentierende Zellen, welche die angeborene Immunantwort im Rahmen physiologischer Homöostasebedingungen als auch bei pathologischen Prozessen wie Entzündungen, Infektionen, chronischen Erkrankungen und der Karzinogenese steuern.

DC werden aus zirkulierenden Vorläufern aus dem Blut ins Gewebe rekrutiert. Im  Lebergewebe sind DC dabei dauerhaft Einflüssen aus dem portal-venösen Blut ausgesetzt, welches verschiedenste Faktoren aus dem Darm in die Leber transportiert. Infolge unterschiedlicher Einflussfaktoren bei chronischen Lebererkrankungen, wie zum Beispiel einer portalen Hypertension, erhöht sich die intestinale Permeabilität, was mit einer intestinalen Entzündungsreaktion und einer vermehrten Translokation von mikrobiellen Produkten über die Portalvene in die Leber einhergeht.  Als Folge dessen kommt es auch zu einer Veränderung des intrahepatischen Mikromilieus.

In diesem Projekt werden wir:

  1. Eine systematische Charakterisierung des intrahepatischen DC-Immunphänotyps in Patienten mit chronischer Lebererkrankung - mit und ohne hepatozellulärem Karzinom (HCC) -, sowie in experimentellen Mausmodellen durchführen
  2. Den Einfluss der intestinalen Passage von DC Vorläuferzellen, des Darmmikrobioms und der intestinalen Permeabilität auf die intrahepatischen DC Subpopulationen, den DC Reifungsstatus und die lokale Verteilung in humanen Proben sowie murinen Lebermodellen analysieren.
  3. Den funktionellen Einfluss der DC Modulation durch eine gesteigerte Darmpermeabilität sowie einer  Veränderung der Darmflora auf die Progression chronischer Lebererkrankungen und die HCC Progression, in vivo ermitteln.

 

Project-Researchers' CVs 

P10 Liver Dendritic Cells in the Induction of Oral Tolerance

PI: Dr. Vuk Cerovic, Ph.D. , Institute of Molecular Medicine, University Hospital RWTH Aachen

Zusammenfassung:

Als „Orale Toleranz“  bezeichnet man einen lebenswichtigen Prozess, durch den das Immunsystem harmlose intestinale Antigene tolerieren und ungewollte Entzündungsreaktionen, wie z.B. Nahrungsmittelallergien oder chronische Entzündungserkrankungen des Darms, verhindern kann. Die Immunsysteme von Darm und Leber arbeiten bei der Entstehung oraler Toleranz zusammen, indem sie die Differenzierung regulatorischer T-Zellen (Tregs) induzieren, die dann in peripheres Gewebe einwandern und dort entzündliche Immunreaktionen verhindern.

Während allgemein anerkannt wird, dass dendritische Zellen (DCs) des Darms eine wichtige Rolle in tolerogenen Immunantworten spielen, ist die Rolle von Leber-DCs noch nicht im Detail beschrieben, was zum Teil daran liegt, dass diese Zellen äußerst schwer zu isolieren sind. Die Ziele dieses Projektes sind:

  1. Charakterisierung von Phänotyp, migratorischen und funktionellen Eigenschaften von Leber-DCs im Hinblick auf ihren Beitrag bei der Induktion tolerogener Immunantworten in Leber und Darm
  2. Analyse der funktionellen und migratorischen Eigenschaften von Foxp3+ Tregs, die durch Darm- bzw. Leber-DCs unter tolerogenen Bedingungen induziert werden
  3. Untersuchung, inwieweit die tolerogenen Eigenschaften der DCs und die Bildung peripherer Foxp3+ Tregs modifiziert sind, wenn die Darmhomöostase gestört ist.

 

Um eine detaillierte phänotypische und funktionelle Charakterisierung von Leber-DCs zu ermöglichen, haben wir eine neuartige Operationsmethode etabliert, mit der DCs direkt aus den Lymphgefäßen der Leber isoliert werden können. Wir werden die Fähigkeit dieser DCs zur Induktion von Tregs sowohl in vitro als auch in vivo mithilfe von intralymphatischen Injektionen untersuchen.

Des Weiteren werden wir neuartige transgene Mausmodelle einsetzen, die einen durch Licht umwandelbaren (photokonvertierbaren) Marker tragen, mit dem durch Leber- bzw. intestinale DCs induzierte Tregs in vivo nachverfolgt werden können. Abschließend werden wir untersuchen, wie sich die tolerogenen Fähigkeiten von Leber-DCs verändern, wenn die Darm-Homöostase gestört ist (z.B. erhöhte intestinale Permeabilität, Dysbiose oder intestinale Entzündungen).

Mithilfe dieser verschiedenen Ansätze werden wir die Rolle von Leber-DCs bei der Entwicklung von Toleranzen gegenüber intestinalen Antigenen aufklären und neue Einblicke darüber liefern, wie Darm und Leber zusammenarbeiten, um Toleranz zu kontrollieren.

Project-Researchers' CVs 

P11 Impact of gut-liver communication on hepatic macrophage composition and function

PI: Univ.-Prof. Dr. Frank Tacke, PhD, MHBA, Dept. of Medicine III

Zusammenfassung:

Lebermakrophagen umfassen ontogenetisch und funktionell verschiedene Subpopulationen. Gewebe-residente Kupffer-Zellen und infiltrierende Monozyten-abgeleitete Makrophagen erfüllen Schlüsselfunktionen in der Aufrechterhaltung der Immunhomöostase bzw. der Regulierung von Entzündungsreaktionen. Wir verfolgen die Arbeitshypothese, dass Änderungen der Darm-Leber-Achse (z. B. verändertes Darmmikrobiom, intestinale Barriereintegrität und portalvenöse Endotoxinämie) die Zusammensetzung und Funktion von Lebermakrophagen beeinflussen. Dies wird durch den experimentellen Nachweis gestützt, dass die Darm-Leber-Achse (z. B. unter Verwendung von Antibiotikabehandlungen oder TLR4-ko-Mäusen in klassischen Lebererkrankungsmodellen) die Makrophagenaktivierung in der Leber steuert, wobei die Mechanismen der Modulation hepatischer Makrophagen-Subpopulationen durch vom Darm stammende Signale derzeit unklar sind.

In diesem Projekt werden wir:

  1. Definition des Einflusses von Darm-Signalen auf den Ursprung und die Differenzierung von hepatischen Makrophagen-Subpopulationen in Homöostase und Entzündung.
  2. Identifizierung der funktionellen Konsequenzen der Darm-Leber-Achse auf Makrophagen-abhängige Immunmechanismen in Homöostase und Lebererkrankungen.
  3. Charakterisierung des Einflusses der bakteriellen Translokation auf die Monozytenaktivierung bei Patienten mit oder ohne Lebererkrankungen.

 

Für diese Ziele wird die Darm-Leber-Achse bei gesunden Mäusen und Mäusen mit experimenteller Leberschädigung systematisch modifiziert (z. B. Rifaximin, Mono-Kolonisation, DSS-Kolitis). Die genannten Fragestellungen werden durch Anwendung innovativer Methodik bearbeitet, einschließlich der intravitalen Mikroskopie der Leber, der Einzelzell-RNA-Sequenzierung von Leber-Makrophagenuntergruppen und eines neuartigen 3D-Mikrochip-Lebermodells.

Die IZKF-Förderung soll helfen, prinzipielle Mechanismen der Darm-Leber-Achse für die Zusammensetzung und Funktion der Lebermakrophagen zu charakterisieren und die Kooperationen in Vorbereitung auf den geplanten SFB zu stärken.

 

 

Project-Researchers' CVs 

P12 Secretory antibodies in gut-liver communication

PI: Prof. Dr. rer. nat. Oliver Pabst, Institute of Molecular Medicine

Zusammenfassung:

Ein wesentliches Merkmal des Immunsystems im Darm sind sekretorische Antikörper, die das Darmepithel vor dem Kontakt mit luminalen Antigenen und Mikrobiota abschirmen. Diese Antikörper stammen aus verschiedenen Quellen: Ein Teil wird lokal in der Lamina Propria des Darms gebildet und durch das Epithel hindurch ins Darmlumen transportiert, ein weiterer Teil entstammt der von der Leber ausgeschütteten Gallenflüssigkeit, und im jungen Alter leisten maternale Antikörper einen wesentlichen Beitrag.

In diesem Projekt werden wir die Funktion von Antikörpern bei der Koordination der Darm-Leber Achse und der räumlichen Beschränkung intestinaler Antigene untersuchen.

Dazu werden wir

  1. die klonale Verwandtschaft von Plasmazellen aus Leber und Darm analysieren,
  2. die Herkunft der Plasmazellen definieren, indem wir die Wanderung der Plasmablasten aus den induktiven Immunkompartimenten in Darm und Leber nachverfolgen,
  3. die unterschiedlichen Funktionen von Immunglobulinen aus Darm und Galle bei der Kontrolle intestinaler Antigene und Mikrobiota aufklären.

Um diese Fragen zu beantworten werden unter anderem Hochdurchsatzsequenzierung zur Beschreibung klonaler Verwandtschaften, Durchflusszytometrie und Immunfluoreszenz-Mikroskopie zur Beschreibung von Phänotyp und Verteilung der Immunzellpopulationen und eine Vielzahl weiteren immunologischer und molekularbiologischer Ansätze eingesetzt.

 

Project-Researchers' CVs 

P13 Noninvasive multimodal imaging of the gut barrier and gut-liver communication

PI: Dr. rer. medic. Dipl.-Inf. Felix Gremse , Institute for Experimental Molecular Imaging
Co-PI: Dr. rer. nat. Wiltrud Lederle, Institute for Experimental Molecular Imaging

Zusammenfassung:

Fluoreszenztomografie (Fluorescence-mediated Tomography, FMT) ermöglicht die sensitive und longitudinale Bestimmung der Ganzkörperverteilung von fluoreszierenden Sonden in Mäusen. Aufgrund von zusätzlichen anatomischen Daten, welche von einem µCT (Mikrocomputertomographen) bereitgestellt werden, konnte eine Verbesserung in der Rekonstruktion der Fluoreszenzdaten, den Organsegmentierungen und dem Erstellen von Organanreicherungskurven erreicht werden. In diesem Projekt, versuchen wir die beiden Bildgebungsmodalitäten MRT (Magnetresonanztomografie), welche einen höheren Weichteilkontrast im Vergleich zum µCT liefert, und FMT zu kombinieren, damit ein Protokoll für die Bildgebung der Darm-Leber-Achse etabliert werden kann.

  1. Diese Technologie soll genutzt werden, um die Permeabilität (Durchlässigkeit) des Darmgefäßsystems in gesunden und pathologischen Zuständen (DSS-Kolitis) in Abhängigkeit von verabreichten Molekülen unterschiedlicher Größe zu bestimmen.
  2. Um die leakiness (Undichtigkeit) des Darmes zu zeigen, werden fluoreszierende Sonden mittels oraler Gavage verabreicht und anschließend ihr Austritt aus dem Darmlumen und damit ihre Anreicherung in Regionen außerhalb des Darms gemessen.
  3. Um den Flüssigkeitstransport in Gallengängen zwischen Leber und Darm zu untersuchen, werden zwei Kontrastmittel, ICG und Gd-EOB-DTPA, intravenös verabreicht. Mit anschließenden dynamischen µCT-FMT-und MRT-Messungen wird der Transport zwischen Leber und Darm zum einen in gesunden, aber auch in Mäusen mit alkohol- und durch Hochfettdiät- (high fat diet)-induzierter Lebererkrankung bestimmt.
  4. Akkurate und automatische Organsegmentierung soll unter Verwendung multiparametrischer (T1, T2, DWI) MRT Sequenzenimplementiert werden. Dies soll eine effiziente und benutzer-unabhängige Analyse gewährleisten.

Weiterhin sollen kinetische Modelle für alle Experimente erstellt werden, um daraus verlässliche physiologische Parameter für die Organkurven abzuleiten. Die Technologie soll unter Verwendung der genannten Mausmodelle (DSS-Kolitis, alkoholinduzierte und Fettdiät-induzierte Lebererkrankung) etabliert werden. Auch für die Charakterisierung von neuartigen Mausmodellen von Kooperationspartnern innerhalb des Konsortiums soll das etablierte Bildgebungsprotokoll eingesetzt werden.

 

Project-Researchers' CVs 

P14 Investigating the contribution of the intestine microbiome in bile acid metabolism

PI: Prof. Dr. med Ulf Neumann General, Visceral and Transplant Surgery
Co-PI: Prof. Dr. rer. nat. Lars Blank,  Institute of Applied Microbiology

Zusammenfassung:

Die Rolle des intestinalen Mikrobioms und sein Einfluss auf den Körper des Wirtes hat in den vergangenen Jahren mehr und mehr an Beachtung gewonnen. So ist die Dekonjugation primärerer Gallensäuren im intestinalen Mikrobiom ein wichtiger Schritt im enterohepatischen Kreislauf von Gallensäuren. Er beeinflusst maßgeblich das Verteilungsverhältnis der Gallensäuren und somit ihre Konzentration im Plasma und in Körpergeweben. Die Projektpartner haben in der Vergangenheit ein Physiologie-basiertes Computermodell des Gallensäurestoffwechsels entwickelt, das die Synthese, Zirkulation und Ausscheidung einzelner primärerer Gallensäuren beschreibt. Das Computermodell basiert weitestgehend auf Physiologie-basierten Pharmakokinetik-Modellen,  um so die Physiologie und Anthropometries des Wirtes explizit zu berücksichtigen. Das bestehende Modell des primären Gallensäurestoffwechsels wurde mit Literaturdaten validiert und beschreibt unter anderem die Verweilzeit von Gallensäuren im Körper und Magen-Darm-Trakt sowie Konzentrationen im Plasma und Gewebe. 

In dem Projekt soll das bestehende Computermodell unter Berücksichtigung von in vitro und in vivo Daten der Projektpartner überarbeitet werden, um so den Beitrags des intestinalen Mikrobioms im Gallensäurestoffwechsel besser verstehen und quantifizieren zu können.

Dabei sollen insbesondere die folgenden drei Punkte berücksichtigt werden:

  1. Darstellung sekundärer Gallensäuren. Für diese Erweiterung des bestehenden Modells soll i die Dekonjugation primärere Gallensäuren im Magen-Darm-Trakt berücksichtigt werden.
  2. Entwicklung eines Mausmodells. Das humane Modell des Gallensäurestoffwechsels soll in einem nächsten Schritt zu einem entsprechenden Modell für Mäuse übersetzt werden, um so Daten der Projektpartner integrieren zu können.
  3. Integration des intestinalen Mikrobioms. Ein stöchiometrisches Modell des intestinalen Mikrobioms soll im weiteren Verlauf entwickelt warden, um die mikrobiellen biochemischen Reaktionen in einem Genom-skaligen Modell abzubilden. Das metabolische Netzwerkmodell soll an das Ganzkörpermodell des Gallensäurestoffwechsels gekoppelt werden, um so den enterohepatische Kreislauf zu schließen.

Das finale Computermodell soll gleichzeitig eine Beschreibung des metabolischen Netzwerks des intestinalen Mikrobioms sowie eine Darstellung der enterohepatischen Kreislaufs im Ganzkörpermaßstab beinhalten. Das Modell soll benutzt werden, um das Wechselspiel pathophysiologischer Veränderungen in der Mikroben-Wirt Interaktion zu charakterisieren und eubiotische sowie dysiotische Zustände zu untersuchen. Das Modell stellt dabei eine Plattform für die Kontextualisierung und Analyse von experimentellen Daten der Projektpartner dar, um so testbare Hypothesen zu generieren. Das Computermodell soll das mechanistische Verständnis zum Beitrags des intestinalen Mikrobioms zum Gallensäurestoffwechsel verbessern und so die Entwicklung neuer Therapieansätze in der Zukunft unterstützen.

Project-Researchers' CVs 

P15 Computational detection of cell sub-populations in the gut and liver from single cell RNA sequencing

PI: Dr. rer. nat. Ivan G. Costa, IZKF Research Group Bioinformatics & Institute for Computational Genomics

Zusammenfassung:

Dieses Projekt hat die Entwicklung von Berechnungsmethoden für die Suche nach Untergruppen von Zellen zum Ziel, sowie den Vergleich von Veränderungen in Populationen mit zwei oder mehr biologischen Bedingungen. Darüber hinaus entwickeln wir Berechnungsstrategien zum Umgang mit fehlenden Daten und multiplets.

Diese Methoden sollen verwendet werden, um Zellwachstum und Transkriptionsveränderungen während der Darm Ontogenese zuerkennen sowie zur Charakterisierung von vorhandenen Immunzellen in Darm und Leber während der Entzündung, Infektion and Behandlung. Diese Fallstudien werden uns ermöglichen, die Kapazität der vorgeschlagenen Berechnungsmethoden zur Entdeckung von Wachstums- und Transkriptionsveränderungen in seltenen Zellen wie Immunzellen und Darm-Vorläuferzellen zu bewerten.

Project-Researchers' CVs