Immunmetabolismus

In lebenden Zellen werden ständig Zehntausende von Molekülen umgesetzt – gespalten, verknüpft, umgebaut, neu zusammengefügt. Diese Stoffwechsel-Prozesse verraten Forschen viel über die Physiologie der Zellen. Unter anderem geben die kleinen Moleküle Aufschluss darüber, was während einer Infektion im Körper abläuft. Die Gesamtheit aller Stoffwechselprodukte nennt man „Metabolom“. Forscher der HZI-Arbeitsgruppe „Immunmetabolismus“ am BRICS untersuchen das Metabolom von Zellen und seine Veränderungen. Insbesondere nehmen sie dabei Zellen des Immunsystems im Verlauf einer Infektion ins Visier.

Leitung

Unsere Forschung

Ausgefeilte Technologien – Massenspektrometrie, Isotopen-Markierung, Computer-Algorithmen – ermöglichen es, Veränderungen des Metaboloms vollständig und trennscharf zu erfassen. Mit diesen Verfahren spüren unsere Wissenschaftler dem Weg nach, den einzelne Moleküle, etwa Nährstoffe oder Zellbausteine, bei Stoffwechselprozessen durchlaufen. Die Markierung von Molekülen des Lebens mit Atomen der schwereren Kohlenstoff-Variante 13C haben die Stoffwechsel-Forscher am BRICS eigenständig weiterentwickelt und sich dabei so viel Fachwissen angeeignet, dass Kollegen aus aller Welt sie um Rat fragen. Die Algorithmen für die Software, die sie für ihre Analysen brauchen, programmieren die Bioinformatiker im Team selbst – und stellen sie der internationalen Community im Netz für die Nutzung und Weiterentwicklung zur Verfügung.

Bei ihren Arbeiten fanden HZI-Forscher gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen in Luxemburg unter anderem heraus, dass bestimmte Immunzellen des Körpers – die Makrophagen – das Molekül Itakonsäure in hoher Konzentration produzieren. Die Frage, warum sie das tun, ließ sich ebenfalls durch Stoffwechsel-Analysen beantworten: Itakonsäure hemmt einen überlebenswichtigen Stoffwechselweg in Bakterien-Zellen und kann deshalb Immunzellen gezielt helfen, Bakterien abzutöten. Es handelt sich tatsächlich um eine Art „körpereigenes Antibiotikum“.

Andere Moleküle, so entdeckte das Metabolomforschungs-Team, schalten gezielt Immunzellen an, die eingedrungene Viren unschädlich machen.

Beide Erkenntnisse bieten beträchtliches Potenzial für medizinische Fortschritte: Sie könnten einmal genutzt werden, um Abwehrprozesse bei immungeschwächten Menschen gezielt zu verbessern.

Derzeit will die Arbeitsgruppe unter anderem herausfinden, wie menschliche Immunzellen im Darm auf den Krankheitserreger Clostridioides difficile reagieren. Wie verändert sich das Metabolom der Abwehrzellen, wenn sie Krankheitserreger „wittern“? Schalten sie auf einen anderen Stoffwechsel um? Erzeugen sie Substanzen, die Bakterien abtöten? Und was unternehmen wiederum die Bakterien, um die Abwehr zu unterlaufen?

Besonders interessant – und vielschichtig – ist bei all diesen Fragestellungen das Wechselspiel der Erreger wie auch der Immunzellen mit den zahllosen anderen Bakterien-Arten im Darm, dem so genannten Mikrobiom. Die Stoffwechsel-Experten untersuchen diese Wechselwirkung im Darm von Mäusen gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen der Arbeitsgruppe „Mikrobielle Immunregulation“. Das langfristige Ziel dabei, wie bei allen Projekten zum Immunmetabolismus: Das Immunsystem besser zu verstehen, um es künftig vielleicht gezielt steuern zu können.

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