Informationen zu geförderten Projekten

Projektleiter: Dr. rer. nat. Volker Winstel, Institut für Medizinische Mikrobiologie und Epidemiologie, Medizinische Hochschule Hannover

Beteiligte Wissenschaftler: Prof. Dr. Guntram Graßl, Institut für Medizinische Mikrobiologie und Epidemiologie, Medizinische Hochschule Hannover; Dr. Antje Munder, Klinik für Pädiatrische Pneumologie, Medizinische Hochschule Hannover

Laufzeit: 36 Monate (Start Oktober 2023)

Fördervolumen: 184.065 €

Hintergrund

Staphylococcus aureus (S. aureus) ist einer der meist isolierten Erreger aus den Atemwegen von CF-Patienten und tritt besonders in jungen Jahren auf. S. aureus kann ohne Symptome in der Nase vorkommen (Kolonisation) aber auch schwere Lungenentzündungen verursachen und über lange Zeit in den Atemwegen der Patienten überleben. Es wird auch diskutiert, ob der Keim ein Wegbereiter für andere Erreger ist, z.B. Pseudomonas aeruginosa.

S. aureus bildet Biofilme und kann sich zu einer mukoiden Form entwickeln (s. Projektantrag Rumpf). Der Keim kann aber auch verschiedene Varianten bilden, die schwieriger zu therapieren sind als die normale S. aureus-Variante. Eine davon ist die weithin bekannte Methicillin-resistente Form (MRSA), sowie die kleine Kolonien bildende SCV (Small Colony Variant), die sich entsprechend in der Wuchsform als auch biochemisch von der normalen S. aureus-Variante unterscheiden können. Diese SCV können auch im Inneren von Zellen (z.B. Lungenepithelzellen) überleben und sich so dem Immunsystem und der medikamentösen Therapie entziehen. Sie entgehen oft auch der mikrobiologischen Diagnostik, weil sie nicht auf den S. aureus-typischen Anzuchtmedien wachsen oder nicht in der S. aureus-typischen Form. Dadurch können sie leicht übersehen werden, wenn nicht gezielt danach gesucht wird.

Bei Menschen mit CF werden häufig Antibiotika-Therapien verwendet. Insbesondere die Therapie mit Folsäure-Antagonisten fördert die Entstehung von sogenannten Thymidinabhängigen SCVs (TD-SCVs). Diese Variante ist besonders schwierig zu behandeln und es wäre gut, neue Behandlungsansätze zu entwickeln – z.B. indem essentielle Wachstumsfaktoren dieser Varianten identifiziert werden. Solche Wachstumsfaktoren könnten dann durch neuartige Therapeutika inhibiert werden, um die Replikation der TDSCVs während der Infektion bei Menschen mit CF effektiv zu verhindern.

Die Arbeitsgruppe stellt aufgrund von Vorarbeiten die Hypothese auf, dass TD-SCVs tatsächlich mehrere solcher essentieller Wachstumsfaktoren unter CF-imitierenden Bedingungen verwenden, um das Wachstum und intrazelluläre Überleben sicherzustellen. Wenn einer oder mehrere dieser Determinanten z.B. durch ein Medikament inhibiert werden könnte, würden die Bakterien rapide absterben.

In Vorarbeiten wurde durch die Arbeitsgruppe in einer internationalen Wirkstoff-Datenbank mit zugelassenen Medikamenten bereits nach Hemmstoffen dieser Faktoren gesucht und möglicherweise auch schon neue Therapie-Optionen zur Behandlung der TD-SCVs gefunden. Die identifizierten Medikamente sind keine Antibiotika und würden daher einen neuartigen Therapieansatz darstellen.

Ziele

Ziel des Projekts ist es daher, die beteiligten S. aureus Determinanten als essentielle Faktoren für das Überleben von TD-SCVs in der CF-Lunge zu bestätigen und darauf aufbauend einen therapeutischen Ansatz zu finden. Außerdem sollen verschiedene TD-SCVVarianten von CF-Patienten genetisch und biochemisch untersucht werden, um weitere Faktoren zu identifizieren, die vielleicht sogar eine Vorhersage des klinischen Infektionsverlaufs bei CF-Patienten ermöglichen.

Methodik

Die Faktoren sollen zunächst in dreidimensionalen Zellkulturen (Organoide) und dann im Tierversuch an Mäusen untersucht werden, um die Hypothese zu bestätigen, dass die beteiligten Determinanten für das Überleben der S. aureus-Variante TD-SCV essentiell sind. Danach soll untersucht werden, ob die in Vorarbeiten identifizierten Medikamente in Zellkultur und im Mausmodell eine Infektion mit TD-SCV wirksam bekämpfen können und sich damit als TD-SCV Hemmstoffe bestätigen lassen.

Ausblick

Wenn sich bestätigt, dass die identifizierten S. aureus Faktoren eine essentielle Rolle bei der Vermehrung der TD-SCVs spielen und die Verträglichkeit und Wirksamkeit der Hemmstoffe in Zellkultur und Tierversuch nachgewiesen werden kann, schafft das Projekt die Grundlage für eine weiterführende klinische Forschung. Da die anvisierten Hemmstoffe bereits als Medikamente für andere Erkrankungen zugelassen sind, könnten sie als wirksame Antiinfektiva zeitnah zur Verfügung stehen.

Projektleiter: Simone Ahting, Institut für Humangenetik, Universitätsklinikum Leipzig

Mentor: PD Dr. Julia Hentschel, Institut für Humangenetik, Universitätsklinikum Leipzig

Laufzeit: 18 Monate (Start November 2023)

Fördervolumen: 27.305 €

Hintergrund

Die CFTR-Modulatortherapie kann mittlerweile bei etwa 95% der Menschen mit CF angewendet werden. Die Therapien sind in den meisten Fällen wirkungsvoll, verbessern die Lungenfunktion oder verlangsamen deren Abfall und haben positive Wirkung auf die Verdauung und viele andere Körperfunktionen. Es wurden erste Berechnungen publiziert, die für Menschen mit Modulatortherapie eine deutlich längere Lebenserwartung
prognostizieren. (Lopez, et al. JCF 2023).

Die Art der Modulatortherapie, die gegeben werden kann, richtet sich nach den genetischen CFTR-Varianten, da die Wirkstoffe an unterschiedlichen Defekten des Chloridkanals ansetzen. Um die Modulatortherapie anwenden zu können, müssen daher die Genvarianten des Patienten bekannt sein. Im Rahmen des Neugeborenen-Screenings wird bei positivem Test auch ein Gentest angeschlossen, bei älteren CF-Patienten wurde die genetische Untersuchung i.d.R. nachgeholt. Der Gentest umfasst allerdings zunächst nur die häufigsten Varianten, während seltene Varianten nicht erfasst werden können. Bei unklarem Befund kann anschließend das gesamte Gen sequenziert werden, um auch seltenere Veränderungen sichtbar zu machen. Dies wird allerdings nicht immer konsequent umgesetzt. In Deutschland sind nach Auswertung des Deutschen Mukoviszidose Registers 5% der CF-Patienten, deren Symptome CF-typisch sind, genetisch nicht diagnostiziert oder haben keine eindeutige, genetisch bestätigte CF-Diagnose erhalten. Sie können daher auch nicht mit den neuen CFTR-Modulatortherapien behandelt werden.

Die Arbeitsgruppe hat in Vorarbeiten bei Betroffenen ohne genetisch eindeutigen Befund nach Gentest Gensequenzierungen durchgeführt (Next Generation Sequencing, NGS), was in rund 70% der Fälle zur Identifikation von zwei CFTR-Varianten und zur Stellung der Diagnose CF geführt hat. Durch diese Arbeiten wurde aber auch festgestellt, dass bei manchen Patienten Varianten vorkommen, die bisher nicht im Zusammenhang mit CF bzw. dem CFTRGen analysiert wurden. Diese Varianten liegen in Genabschnitten, die bisher für die normale Ablesung des Gens und die Funktion des Chloridkanals als nicht relevant eingestuft wurden, sog. nicht-codierende Sequenzen (Introns). Diese werden aktuell in der regulären Gensequenzierung nicht untersucht und können daher nicht gefunden werden. Es besteht aber die Möglichkeit, dass bestimmte Intron-Varianten auch die codierenden Sequenzen (Exons) des CFTR-Gens beeinflussen und z.B. durch Verschiebung des Leserasters CF-Varianten verursachen können. Die Auswirkung der Intron-Varianten kann nur interpretiert werden, wenn untersucht wird, welches Genprodukt aus der DNA entsteht, wenn eine Intron-Variante vorliegt. Das erste Genprodukt der DNA ist die Boten-RNA (mRNA), die ebenfalls sequenziert werden kann.

Ziele

In dem Projekt sollen durch Sequenzierung der CFTR-mRNA (sog. Transkriptom-Sequenzierung oder Transkriptionsanalyse) bisher gefundene Intron-Varianten charakterisiert, und auf ihre Relevanz für die CF-Diagnose hin analysiert werden. Außerdem soll nach weiteren Intron-Varianten bei Menschen mit unklarer CF-ähnlicher Diagnose gescreent werden. Die Ergebnisse sollen dann international verfügbar gemacht werden.

Methodik

1. Transkriptom-Sequenzierung

Es soll das Transkriptom von mind. 20 Patienten mit einer unklaren Diagnose und Verdacht auf CF sequenziert werden. Dazu werden den Patienten Epithelzellen aus der Nase entnommen (nasale Bürstenproben). Die Sequenzierung erfolgt zusätzlich zu Kontrollproben von nicht betroffenen Probanden und von Patienten, bei denen bereits Intron-Varianten gefunden wurden.

2. Datenbanken ClinVar und ClinGen

Die Ergebnisse sollen in der internationalen Datenbank für Gen-Varianten (ClinVar) und der angeschlossenen Datenbank ClinGen, die die klinische Relevanz von Gen-Varianten erfasst, veröffentlicht werden. Das Ziel ist, ein „Expert Panel“ ClinVar CFTR aufzubauen, damit alle molekulargenetischen Labore weltweit die Information über die Varianten nutzen können. Die Bewerbung für dieses Panel wird bereits von der Arbeitsgruppe vorbereitet.

Ausblick

Durch die Arbeit werden weitere CF-auslösende Varianten erkannt und international nutzbar sein. Dadurch können auch für diese Patienten Modulatortherapien anwendbar werden.

Projektleiter: Dr. med. Simon Gräber, Charité Universitätsmedizin, Abteilung für pädiatrische Beatmungsmedizin, Immunologie und Intensivmedizin, Berlin, Dr. rer. nat. Saskia Trump, Berlin Institute of Health at Charité Universitätsmedizin, Molekulare Epidemiologie, Berlin

Beteiligte Wissenschaftler: Prof. Dr. Marcus Mall, Charité Universitätsmedizin, Abteilung für pädiatrische Beatmungsmedizin, Immunologie und Intensivmedizin, Berlin, Prof. Dr. Irina Lehmann, Berlin Institute of Health at Charité Universitätsmedizin, Molekulare Epidemiologie, Berlin, Prof. Dr. Roland Eils, Berlin Institute of Health at Charité Universitätsmedizin, BIH-Zentrum Digitale Gesundheit, Berlin

Laufzeit: 24 Monate (Start Dezember 2022)

Fördervolumen: 188.000 €

Hintergrund

Die neue CFTR-Modulatortherapie mit Elexacaftor/Tezacaftor/Ivacaftor (ETI, Kaftrio) zeigt bei den meisten Betroffenen eine überzeugende Wirksamkeit, sowohl im klinischen Bild als auch in der Veränderung der Schweißchlorid-Werte. Es gibt allerdings sehr heterogenes Therapieansprechen: Obwohl Personen die gleichen CFTR-Mutationen tragen (z.B. F508del) zeigen sich unterschiedlich starke Effekt der Therapie. Die Ursache dafür wird auf zellulärer Eben vermutet, es ist jedoch noch unklar, was genau die Therapien auf zellulärer Ebene beim Einzelnen bewirken. Grundsätzlich führen CFTR-Modulatoren in der Zelle zu einer teilweisen Wiederherstellung der Funktion des CFTR-Kanals. 
Bei CF ist bekannt, dass die CFTR-Kanäle in den Atemwegszellen in ihrer Funktion eingeschränkt sind, wodurch die CF-typische Symptomatik mit festsitzendem Schleim entsteht. In den Atemwegen befinden sich verschiedene Zelltypen, jedoch nicht alle bilden gleichermaßen den CFTR-Kanal. Auch befinden sich dort Immunzellen, wie Monozyten und Neutrophile, von denen bei CF bekannt ist, dass sie in ihrer Funktion eingeschränkt bzw. verändert sein können, so dass Keime nicht effektiv bekämpft werden und Entzündungen entstehen können. Erste Erkenntnisse über die CFTR-Modulatortherapie zeigen, dass auch die Immunzellen durch die Therapie verändert werden könnten. Was genau auf zellulärer Ebene passiert und wie die verschiedenen Zellen auf Modulatoren ansprechen, ist bislang nicht gut untersucht. 

Ziele

In dem Projekt sollen die Auswirkungen von Elexacaftor/Tezacaftor/Ivacaftor auf die Schleimhaut- und Immunzellen der Atemwege bei Menschen mit Mukoviszidose untersucht werden. Dabei wird eine Technik angewendet, die es ermöglicht, die Aktivität aller Gene, das Transkriptom, für jede Zelle individuell zu bestimmen. 

Die Untersuchungen der einzelnen Zellen soll Aufschluss darüber geben, wie die Modulatoren in den verschiedenen Zellen wirken und ob mit dieser Methode Muster identifiziert werden können, die mit einem starken oder schwachen Ansprechen auf die Elexacaftor/Tezacaftor/Ivacaftor-Therapie assoziiert sind. 

Methodik

Um auf zellulärer Ebene zu verstehen, welche molekularen Vorgänge stattfinden, muss untersucht werden, welche Gene aktiv sind (Genexpression). Die Summe aller Gene, die abgelesen und in mRNA umgeschrieben (transkribiert) wird, wird unter Forschern als „Transkriptom“ bezeichnet. Aus dem Transkriptom können die Forscher ablesen, welche Gene von der Zelle tatsächlich verwendet werden und welche Genprodukte (z.B. CFTR-Kanäle, Zytokine) daraus entstehen sollen. Es gibt Auskunft über die Aktivität der Gene, allerdings nicht darüber, welche Proteine schlussendlich auch gebildet werden. 
Eine Aussage über das Transkriptom einzelner Zellen oder Zelltypen ist noch gar nicht so lange möglich: Erst durch die Methode von RNA-Einzelzell-Sequenzierung (scRNA-seq) kann aus einzelnen Zellen die jeweilige Genaktivität „abgelesen“ werden. 
Um die Projektziele zu erreichen, wird das Transkriptom individuell pro Zelle, von Schleimhaut- und Immunzellen der oberen Atemwege von Menschen mit Mukoviszidose vor Therapie und drei Monate nach Beginn der Elexacaftor/Tezacaftor/Ivacaftor-Therapie untersucht. 

Weiterhin soll der Unterschied im Transkriptom der Schleimhaut- und Immunzellen der Atemwege bei Personen mit starkem oder schwachem Ansprechen auf die Therapie mit Elexacaftor/Tezacaftor/Ivacaftor analysiert werden. 

Ausblick

Die Ergebnisse dieser Studie können neue Erkenntnisse über die molekularen Auswirkungen der pharmakologischen Wiederherstellung der CFTR-Funktion auf die oberen Atemwege liefern. Die Identifizierung von Mustern, die zu einem schwachen oder starken Therapieansprechen führen, sollen zu einem besseren Verständnis der zu Grunde liegenden Mechanismen eines schlechteren Ansprechens auf CFTR-Modulatoren führen. Diese Erkenntnisse können dazu beitragen, den klinischen Nutzen einer CFTR-Modulatortherapie grundsätzlich zu verbessern. Gelingt es, Biomarker für ein patientenindividuelles klinisches Ansprechen zu finden und darüber auch neue therapeutische Ziele zu identifizieren, könnte die personalisierte Medizin für Menschen mit Mukoviszidose vorangebracht werden.

Projektleiter: Dr. rer. nat Suki Albers, Fachbereich Chemie, Institut für Biochemie und Molekularbiologie, Universität Hamburg

Beteiligte Wissenschaftler: Prof. Dr. rer. nat. Zoya Ignatova, Fachbereich Chemie, Institut für Biochemie und Molekularbiologie, Universität Hamburg, Prof. Dr. med. Manfred Ballmann, Mukoviszidose-Zentrum Mecklenburg-Vorpommern, Uniklinik Rostock, Prof. Eric J. Sorscher und Dr. Kathryn Oliver, beide Emory University School of Medicine, Atlanta, USA

Laufzeit: 24 Monate (Start Juli 2021) 

Fördervolumen: 125.320 €

Hintergrund

Die neuen CFTR-Modulatoren können bei etwa 90% der CF-Betroffenen, bei denen die entsprechenden Mutationen vorliegen, therapeutisch erfolgreich eingesetzt werden. Patienten mit Nonsense-Mutation profitieren bisher nicht von den Modulatoren. Etwa 10% der CF-Patienten weltweit tragen eine Nonsense-Mutation in mindestens einem CFTR-Gen. Bei diesen Patienten entsteht durch die Mutation bei der Proteinherstellung ein vorzeitiges Stopp-Signal und es kommt zum Abbruch der Proteinherstellung. Nonsense-Mutationen werden daher auch als Stopp-Mutationen bezeichnet. 
Die Arbeitsgruppe von Prof. Ignatova hat Vorarbeiten in einer früheren Förderung durch den Mukoviszidose e.V. erarbeitet (siehe Projekt 1603). An diesen Ergebnissen knüpft Frau Albers nun mit dem Projekt an.

Ziele

Das Ziel des Projektes ist, einen Therapieansatz zu entwickeln, der bei CFTR-Nonsense-Mutationen eingesetzt werden kann. Um den vorzeitigen Stopp der Proteinbildung bei einer CFTR-Nonsense-Mutation zu verhindern, möchte die Arbeitsgruppe spezielle RNAs entwickeln, die an das Stopp-Codon binden und ein Durchlesen (Read Through) der mRNA ermöglichen. Diese RNAs sollen so designt werden, dass eine spezifische Bindung an das Stopp-Codon der CFTR-mRNA erreicht werden kann. Dadurch soll ein unspezifisches Durchlesen anderer Stopp-Codons und damit Nebenwirkungen einer späteren Anwendung beim Menschen verhindert werden. Die Anwendung des Ansatzes mittels RNA ist nicht auf eine einzelne Nonsense-Mutationen beschränkt, sondern kann durch Anpassung der RNA Moleküle auch für andere entwickelt werden. 
Durch das Überlesen von Stopp-Signalen mithilfe von spezifischen RNAs soll es gelingen, mehr vollständige CFTR-Kanäle in der Zelle zu produzieren und damit eine Therapie für Patienten mit CFTR-Nonsense-Mutationen zu entwickeln.  

Methodik

Die Entwicklung der RNAs erfolgt zunächst für die in Deutschland häufigsten Nonsense-Mutationen R553X, G542X und W1282X. Geeignete RNAs sind aus Vorarbeiten bereits vorhanden und sollen nun im nächsten Schritt so angepasst werden, dass eine spezifische Erkennung des CFTR Stopp-Codons ermöglicht wird. Anschließend sollen sie in CF-Patientenzellen, die aus der Nase entnommen wurden, in Zellkultur weiter untersucht werden. Durch die Kooperation mit vier CF-Zentren in Deutschland sind 31 CF-Patienten mit Nonsense-Mutationen bekannt, die bereits an vorhergehenden Untersuchungen der Arbeitsgruppe teilgenommen haben. Die Zellen werden durch Nasenabstriche entnommen und in Zellkultur untersucht. Das Vorhaben wurde durch die Ethikkommission geprüft und zugelassen. 

Ausblick

Die speziell designten RNAs können als neuer Therapieansatz für CF-Patienten mit Nonsense-Mutationen weiterentwickelt werden. Die Arbeitsgruppe um Frau Dr. Suki Albers hat für das Projekt Kontakte zu Prof. Eric J. Sorscher und Dr. Kathryn Oliver aufgebaut, die sie bei der Testung der RNA-Designs beraten und durch ihre Expertise in dem Projekt unterstützen. 

Projektleiter: Prof. Dr. Michael Schlierf, Technische Universität Dresden 

Beteiligte Wissenschaftler: Dr. Georg Krainer, Universität Cambridge, UK

Laufzeit: 36 Monate (Start September 2020)

Fördervolumen: 163.800 €

Ziele

Ziel des Projekts ist es, eine automatisierte Screening-Plattform zur Suche nach geeigneten CFTR-Modulatoren aufzubauen. Das System soll vor allem auf die Suche nach Modulatoren zur Behandlung seltener Mutationen ausgerichtet werden. Der dabei verfolgte Ansatz ist bislang neu, da hier der Wirkmechanismus (Bindung des Modulators und Wirkung auf CFTR) bei der Suche im Vordergrund steht und nicht die Funktion. In die Untersuchungen sollen auch bereits verfügbare Modulatoren eingeschlossen werden, da man von den meisten noch nicht genau weiß, wie diese mechanistisch wirken und ob bzw. wo sie am CFTR Protein binden. Für die Entwicklung des Screening-Modells soll eine Art Bibliothek aus CFTR-Teilstrukturen aufgebaut werden, die verschiedenen, ausgewählten Mutationen entsprechen. Diese Strukturen sollen vor allem aus seltenen CFTR-Mutationen stammen und insbesondere Strukturen abbilden, die innerhalb der Zellmembran liegen. Mit Hilfe des automatisierten Screening-Modells sollen systematisch Wirkstoffe untersucht werden, vor allem solche, die schon für andere CFTR-Mutationen zugelassen oder noch in der Entwicklung sind, denn es ist denkbar, dass darunter Substanzen sind, die als CFTR-Modulator für seltene CFTR-Mutationen wirksam sein könnten.

Methodik

Die Arbeitsgruppe hat bereits ein Testverfahren entwickelt, dass auf einer spezialisierten Mikroskopiertechnik beruht [1,2]. Dieses Verfahren soll automatisiert werden, um eine große Anzahl von Versuchen durchführen zu können. Die Bibliothek der CFTR-Teilstrukturen wird gentechnisch hergestellt. Für die Untersuchung der Wirkung von neuen und bekannten Substanzen auf die veränderten Teilstrukturen wird zusätzlich ein automatisiertes Auswertungsverfahren entwickelt, welches ermöglicht, eine Vielzahl an Substanzen (Strukturen und Wirkstoffe sowie Wirkstoffkombinationen) in kurzer Zeit zu testen.

Ausblick

In diesem Projekt sollen die Einflüsse von zahlreichen seltenen CFTR-Mutationen auf die Proteinstruktur aufgeklärt werden und Wechselwirkungen zwischen Wirkstoffen und den verwendeten Proteinen aufgedeckt werden. Durch die Entwicklung der Methode wird es zukünftig möglich sein, schnell und systematisch nach Wirkstoffen zur Behandlung seltener Mutationen in verfügbaren Medikamentendatenbanken zu suchen. Diese Methode wird auch helfen, Mutationen hinsichtlich ihrer Auswirkung auf die CFTR-Struktur zu verstehen und das Wissen für die gezielte Wirkstoffentwicklung (z.B. Drug-Design aufgrund von Strukturinformationen) einzusetzen [3]. 

[1] Krainer G., Treff A., Hartmann A., Stone T.A., Schenkel M., Keller S., Deber C.M., Schlierf M. A minimal helical-hairpin motif provides molecular-level insights into misfolding and pharmacological rescue of CFTR. Commun. Biol. 2018, 1, 154.
[2] Krainer G., Schenkel M., Hartmann A., Ravamehr-Lake D., Deber C.M., Schlierf M. CFTR transmembrane segments are impaired in their conformational adaptability by a pathogenic loop mutation and dynamically stabilized by Lumacaftor. J. Biol. Chem. 2020, 295, 1985–1991.
[3] Bose SJ., Krainer G., Ng DRS., Schenkel M., Shishido H., Yoon JS., Haggie PM., Schlierf M., Sheppard DN., Skach WR. Towards next generation therapies for cystic fibrosis: Folding, function and pharmacology of CFTR. J. Cyst. Fibr. 2020, 19, S25-S32
 

Projektleiter: Prof. Dr. Florian Maurer (Bostel)

Beteiligte Wissenschaftler: Prof. Dr. Stefan Niemann, Forschungszentrum Borstel, PD Dr. med. Felix Ringshausen, Med. Hochschule Hannover (MHH), PD Dr. med. Anna-Maria Dittrich, Med. Hochschule Hannover (MHH), Dr. med. Ludwig Sedlacek, Institut für Med. Mikrobiologie der MHH, Hannover, Dr. med. Harald Hoffmann, Institut für Med. Mikrobiologie und Labormedizin, Gauting

Laufzeit: 36 Monate (Start Oktober 2020)

Fördervolumen:  287.100 €

Ziele

Das Projekt CronoClone verfolgt das Ziel, nicht-tuberkulöse Mykobakterien (NTM), die aus unterschiedlichen Erkrankungsstadien von verschiedenen CF-Patienten stammen, mittels Genomanalyse zu vergleichen und hinsichtlich ihrer Resistenz- und Virulenzfaktoren (Faktoren, die zu einer klinischen Verschlechterung führen) zu charakterisieren. Für die Auswertung sollen auch die klinischen Verläufe (z.B. die Lungenfunktion) der Patienten und deren Bezug zu den NTM Bakterienisolaten aus unterschiedlichen Erkrankungsstadien betrachtet werden. Dies erlaubt es, Rückschlüsse auf die klinische Relevanz der Erregernachweise und die Entstehung von Antibiotikaresistenzen im zeitlichen Verlauf zu ziehen. Die gewonnenen Erkenntnisse sollen helfen, den Verlauf von Lungenerkrankungen durch NTM bei CF-Patienten besser einschätzen zu können und personalisierte Therapieentscheidungen daran zu auszurichten. 

Methodik

An der Medizinischen Hochschule Hannover gibt es bereits eine umfangreiche Sammlung von NTM-Isolaten von CF-Patienten mit detaillierten Informationen zu den Erkrankungsverläufen zum Zeitpunkt der Probennahme. Am Nationalen Referenzzentrum für Mykobakterien (Forschungszentrum Borstel) werden die Erregergenome aus 400 dieser Bakterienisolate mittels neuesten Untersuchungstechniken („next generation sequencing“) erstellt. Für 200 Bakterienisolate sollen zudem in zwei Mykobakterien-Referenzlaboren (Borstel und Gauting) Empfindlichkeitsprüfungen gegen eine Vielzahl von Antibiotika durchgeführt werden, um die Reproduzierbarkeit der Testung zu untersuchen und Möglichkeiten zur Verbesserung solcher Resistenztestungen zu identifizieren. Für ausgewählte Patienten sollen diese Resistenzdaten mit Informationen zum Behandlungsregime und Erkrankungsverläufen kombiniert werden, um den Stellenwert von genetischen Veränderungen in den Erregern für den klinischen Erkrankungsverlauf zu charakterisieren. 

Ausblick

Das CronoClone Projekt verbindet reale klinische Behandlungssituationen mit aktueller wissenschaftlicher Forschung und leitet aus den gewonnenen Erkenntnissen unmittelbare Konsequenzen für die Versorgung von betroffenen CF-Patienten in Deutschland und darüber hinaus ab. Die Behandlung von CF-Patienten mit NTM-Infektionen soll zukünftig besser planbar sein, sowohl hinsichtlich des zu erwartenden klinischen Verlaufs als auch der wirksamsten Therapie. Die gewonnenen Erkenntnisse sollen über frei zugängliche Publikationen der breiten Öffentlichkeit zur Verfügung gestellt werden und stellen somit einen dauerhaften Gewinn für die Erforschung dieser komplexen, schwierig zu behandelnden Infektionen dar. 

Projektleiter: Dr. Antje Munder (Hannover)

Beteiligte Wissenschaftler: PD Dr. Nico Lachmann, Medizinische Hochschule Hannover, Dr. Manuel Nietert, Universitätsklinik Göttingen, Prof.Dr. Michtell Drumm and Prof. Dr. Craig Hodges, Case Western Reserve University, Cleveland (Ohio)

Laufzeit: 36 Monate, 01. Oktober 2019 – 30. September 2022, kostenneutral verlängert bis zum 31. Dezember 2023

Beantragte Kosten: 199.570 €

Ziele

Die Lungenerkrankung der Mukoviszidose (CF) ist geprägt von chronischer Entzündung, einem überschießenden Einströmen von Abwehrzellen des Blutes, Ansammlungen zähen Schleims und einem fortschreitenden Verlust der Lungenfunktion. Makrophagen sind sogenannte Fresszellen, die eine zentrale Rolle im zellulären Immunsystem spielen und besonders durch ihre Fähigkeit, Bakterien aufzunehmen und zu vernichten, in hohem Maße zum Gleichgewicht in der gesunden Lunge beitragen. Ihre Rolle im Szenario der CF Lungenerkrankung ist bislang aber wenig untersucht. Dabei könnte die eingeschränkte Funktion des CFTR Kanals, wie sie bei der CF vorliegt, auch in diesen professionellen Fresszellen bei der unzureichenden Bekämpfung von Krankheitserregern von Bedeutung sein. In einem Mausmodell der CF konnte die Arbeitsgruppe nach Transplantation von blutbildenden Stammzellen, die aus dem Knochenmark gesunder Spendermäuse gewonnen wurden, zeigen, dass die transplantierten Zellen erfolgreich in die Lunge der CF Mäuse einwanderten und sich dort zu Makrophagen differenzierten. Wenn diese transplantierten CF Mäuse dann über die Atemwege mit Pseudomonas aeruginosa, einem der wichtigsten Erreger der Lungenerkrankung bei CF Patienten, infiziert wurden, verlief die Infektion milder als bei Kontrolltieren. Aufgrund dieser Ergebnisse ist die Arbeitsgruppe zu der Überzeugung gelangt, dass die Transplantation gesunder Makrophagen von therapeutischem Nutzen sein kann, um chronische Atemwegsinfektionen bei CF-Patienten zu bekämpfen.

Methodik

Das Projekt will deshalb einen Therapieansatz für die Verabreichung von Makrophagen in die Lunge (pulmonale Transplantation von Makrophagen = PMT) entwickeln. Außerdem soll der CFTR-Defekt in humanen Makrophagen untersucht werden, die aus induziert pluripotenten Stammzellen (iPSC) von CF-Patienten gewonnen werden und F508del-homozygot sind. Bei iPSC handelt es sich um Zellen, die durch eine künstliche Umprogrammierung wieder die Eigenschaften von Stammzellen zurückerhalten haben. Man kann so aus normalen Körperzellen eines Patienten dessen eigene Stammzelllinie erzeugen und daraus wiederum Zellen mit verschiedenen Eigenschaften herstellen, in diesem Fall Makrophagen. Weiterhin wird die Arbeitsgruppe ein weiteres CF Mausmodell (hF508del), welches das mutierte menschliche F508del-CFTR-Gen trägt, untersuchen. In ersten Studien sollen in diese hF508del-Mäuse gesunde humane Makrophagen, die aus iPSC erzeugt wurden, transplantiert werden.

Ausblick

Obwohl in der jüngsten Vergangenheit durch die Verfügbarkeit von CF-Modulatoren immense Fortschritte in der CF-Therapie erzielt wurden, leiden Patienten noch immer unter schweren chronischen Atemwegsinfektionen, einem fortschreitenden Verlust der Lungenfunktion und schweren Exazerbationen. Genau hier soll die Therapie mit Makrophagen als ergänzende, Mutations-  und Antibiotika-unabhängige Therapie für die CF-Lungenerkrankung ansetzen – vor allem aber auch für CF Patienten mit seltenen Mutationen, denen bislang gar keine Therapie mit Modulatoren zur Verfügung steht.

Projektleiter: Dipl. Ing. Christine Rumpf, Institut für Medizinische Mikrobiologie, Universität Münster

Mentor: Prof. Dr. Barbara Kahl, Institut für Medizinische Mikrobiologie, Universität Münster

Laufzeit: 36 Monate; 01. August 2023 – 30. September 2026

Fördervolumen: 112.275

Hintergrund

Staphylococcus aureus (S. aureus) ist einer der meist isolierten Erreger aus den Atemwegen von Menschen mit Mukoviszidose und tritt besonders in jungen Jahren auf. S. aureus kann ohne Symptome in der Lunge vorkommen (Kolonisation), aber auch schwere Lungenentzündungen verursachen und über lange Zeit in den Atemwegen der Patienten überleben. Es wird auch diskutiert, dass diese Bakterien ein Wegbereiter für andere Erreger sind, wie z.B. Pseudomonas aeruginosa.

S. aureus bildet Biofilme und kann sich zu einer mukoiden Form entwickeln, die bislang eher wenig untersucht ist. Der Biofilm bildet sich wahrscheinlich abhängig von den vorherrschenden Umgebungsbedingungen. In der Lunge von Menschen mit Mukoviszidose kann sich die Verfügbarkeit von Nahrungsstoffen oder Sauerstoff ebenso verändern wie der pH-Wert und die Aktivität von Immunzellen. Auch die Konkurrenz mit anderen Bakterien sowie die Ausschüttung von Botenstoffen und Toxinen beeinflusst die Lebensbedingungen der Bakterien in der Lunge.

Die Arbeitsgruppe hat kürzlich eine besondere Form mukoider S. aureus-Isolate entdeckt, die übermäßig viel Biofilm produzieren und eine genetische Besonderheit aufweisen (es fehlen fünf Bausteine in der DNA eines bestimmten Bereiches, der dadurch die überschießende Biofilmbildung verursacht: 5bp-Deletion). Diese S. aureus-Form tritt insbesondere bei Menschen mit Mukoviszidose auf, sie ist aber hinsichtlich ihrer klinischen Bedeutung noch nicht charakterisiert. Die genetische Veränderung könnte den Bakterien einen Überlebensvorteil verschaffen und dazu beitragen, dass sie langfristig in der Lunge von Menschen mit Mukoviszidose verbleiben oder sich immer wieder neu vermehren. Es könnten aber auch noch andere genetische oder molekulare Veränderungen bei der mukoiden und übermäßig Biofilm-bildenden S. aureus-Form auftreten, die bisher noch nicht entdeckt worden sind. Und auch die Rolle des Immunsystems bei der Bildung und dem Überleben dieser besonderen S. aureus-Form ist noch nicht untersucht. Möglicherweise gibt es Interaktionen der S. aureus-Form mit Immunzellen und Lungenepithelzellen.

Ziele

In dem Projekt sollen die molekularen Mechanismen untersucht werden, die dazu führen, dass sich mukoide und übermäßig Biofilme-bildende S. aureus-Formen bilden. Dazu wird untersucht, welche genetischen Veränderungen stattfinden, wenn S. aureus auf mukoides Wachstum und Biofilmbildung umschaltet. Außerdem soll geklärt werden, welche Umgebungsbedingungen dieses Verhalten auslösen und wie diese S. aureus-Formen mit den Lungenepithelzellen und Immunzellen interagieren

Methodik

1. Molekulare Mechanismen der Biofilm-Produktion
Das Genom von mukoiden S. aureus-Isolaten wird sequenziert, um genetische Veränderungen im Vergleich zu nicht-mukoiden Formen zu erkennen. Zudem wird die Boten-RNA (mRNA, Vorlage zur Bildung von Proteinen) von S. aureus-Isolaten von CFPatienten sequenziert, um zu erkennen, welche Gene aktiv sind. Außerdem werden die gebildeten Proteine analysiert.
2. Einfluss der Umgebungsbedingungen
Das Wachstum von nicht-mukoiden S. aureus-Formen wird unter verschiedenen Wachstumsbedingungen (viel/wenig Salz, verschiedene pH-Werte, Anwesenheit von Pseudomonas aeruginosa, Anwesenheit von Immunzellen, etc.) beobachtet und analysiert, welche genetisch veränderten S. aureus-Formen entstehen und welche Gene aktiv sind.
3. Auswirkungen auf Lungenepithel- und Immunzellen
In Zellkulturen werden verschiedene funktionelle Methoden angewandt, um die Interaktion von mukoiden und nicht-mukoiden S. aureus-Formen mit verschiedenen Wirtszellen (CF und nicht-CF-Zellen) zu untersuchen. Dazu werden Botenstoffe zur Aktivierung des Immunsystems gemessen, sowie Marker für das Absterben von Zellen.

Ausblick

Durch diese grundlegende Erforschung der molekularen Hintergründe der Bildung von mukoiden und übermäßig Biofilm-bildenden S. aureus-Formen, die wahrscheinlich dafür verantwortlich sind, dass sich S. aureus so lange in der Lunge von Menschen mit CF aufhalten kann und schwierig zu bekämpfen ist, wird der Grundstein gelegt, um neue Therapieoptionen sowie wirkungsvollere Medikamente für die chronische S. aureus- Infektion in den Atemwegen von Menschen mit Mukoviszidose zu entwickeln.

Projektleiter: Dr. rer. nat. Adrian Richter, Institut für Pharmazie der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg

Mentoren: Prof. Dr. Florian Maurer, Leibniz Lungenzentrum, Forschungszentrum Borstel, Prof. Dr. Peter Imming, Pharmazeutische/Medizinische Chemie und klinische Pharmazie, Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg

Laufzeit: 24 Monate; 01. Juni 2022 – 31. Mai 2024

Fördervolumen: 152.000 €

Hintergrund

In den letzten Jahren beobachtete man weltweit, vor allem in Nordamerika und Europa, einen Anstieg der Häufigkeit von Mycobacterium (M.) abscessus bei CF-Patienten. Durch eine möglicherweise direkte Übertragbarkeit von Mensch zu Mensch könnte sowohl die Häufigkeit des Keims bei CF-Patienten ansteigen, als auch die Resistenzsituation verschärft werden und damit M. abscessus zu einem weiteren problematischen Keim für viele CF-Patienten werden. 

M. abscessus ist von Natur aus gegen viele Antibiotika resistent und kann weitere Resistenzen durch genetische Veränderungen ausbilden. Die Infektion mit M. abscessus führt bei CF-Patienten oft zu ernsthaften Symptomen mit einer schnellen Verschlechterung der Lungenfunktion. Die Therapie ist schwierig, sie ist verbunden mit mehreren Antibiotika-Kombinationen und trotzdem oft nicht erfolgreich. 

Die Suche nach neuen Wirkstoffen zur Behandlung einer M. abscessus-Infektion beinhaltet vor allem ein groß angelegtes Screening von Substanzen. Die Arbeitsgruppe hat bereits ein Screening-System entwickelt, in dem das Wachstum von M. abscessus mittels Fluoreszenztechnik quantifiziert werden kann. In diesem System wurden >500 Substanzen getestet und dabei drei identifiziert, die das Wachstum von M. abscessus deutlich beeinträchtigten. Vertreter dieser Substanzklassen sind beschrieben als Inhibitoren (Hemmstoffe) der bakteriellen RNA Polymerase, einem Enzym, das für die Bildung von bakteriellen Proteinen wichtig ist, und weitere als Inhibitoren der Gyrase B, einem Enzym, das zur Vermehrung der Bakterien gebraucht wird. Aus diesen Erkenntnissen heraus wurden bereits etwa 50 chemische Analoga der drei Substanzen hergestellt, die im Screeningtest ebenfalls wirksam gegen das Wachstum von M. abscessus waren. 

Ziele

Das Ziel des Projekts ist es, die gefundenen antimykobakteriellen Substanzen näher zu charakterisieren und sie im CF-Kontext zu untersuchen. Dazu sollen im Labor CF-ähnliche Bedingungen (Biofilm, Schleim) zur Untersuchung der Substanzen aufgebaut werden und letztendlich Isolate von CF-Patienten verwendet werden, um die Wirksamkeit der Substanzen zu testen. 

Methodik

1. Antimykobakterielle Synergietestung mit anderen Medikamenten gegen M. abscessus
Da die Infektion mit M. abscessus mit mehreren Antibiotika gleichzeitig erfolgt (Kombinationstherapie), sollen die neuen Substanzen auf Interaktionen und Synergien mit diesen Medikamenten untersucht werden. Dazu wird eine neue Methode an die Besonderheiten von M. abscessus angepasst. Es sollen dabei auch die Interaktion zwischen den neuen gegen M. abscessus-wirksamen Substanzen und einigen typischen anderen CF-Medikamenten untersucht werden. 

2. Untersuchung der antibakteriellen Wirksamkeit unter CF-relevanten Bedingungen
Da die Bedingungen des Wachstums von Keimen in ihrer natürlichen Umgebung, der Lunge, nicht den Wachstumsbedingungen im Labor entsprechen, und mögliche Medikamente in dieser Umgebung eine veränderte Wirksamkeit haben können, wird ein Untersuchungsmodell etabliert, das die natürliche Umgebung z.B. Biofilmbildung und Schleim simuliert. Dabei soll nicht nur ein natürliches Wachstumsumfeld erschaffen werden, sondern auch die Erkenntnisse aus der M. abscessus -Fluoreszenzmarkierung des Screeningstest übertragen werden, um das Wachstum der Keime quantifizierbar zu machen.

3. Analyse der Wirksamkeit der neuen Substanzen auf M. abscessus-Isolate von CF-Patienten
M. abscessus kann sich durch das Wachstum in der Lunge verändern, so dass es wichtig ist, Medikamente an Isolaten zu untersuchen, die aus der Lunge von CF-Betroffenen stammen. Die klinischen M. abscessus-Isolate von CF-Patienten sind im Labor von Prof. Maurer vorhanden und können für die Untersuchungen verwendet werden. Die neuen Substanzen werden mit einer erprobten Methode zur Feststellung der Empfindlichkeit von Keimen gegenüber Antibiotika untersucht. 

Ausblick

Wenn sich die in dem Projekt zu untersuchenden Medikamenten-Kandidaten gegen M. abscessus in den Versuchen als wirksam erweisen, können nach der im Projekt erfolgten prä-klinischen Untersuchung zu Medikamenten weiterentwickelt werden. Darüber hinaus werden in dem Projekt aber auch Methoden etabliert, um zukünftig weitere Substanzen zur Bekämpfung von M. abscessus auf hohem Niveau zu analysieren. 

Projektleiter: Prof. Dr. Daniel Lauster, Freie Universität Berlin

Beteiligte Wissenschaftler: Dr. Cosmin Butnarasu, Freie Universität Berlin, Dr. Jens Peter von Kries, Dr. Edgar Specker, Leibniz-Forschungsinstitut für Molekulare Pharmakologie

Laufzeit: 24 Monate; 01. Februar 2024 - 31. Januar 2026

Fördervolumen: 20.000 €

Hintergrund

Für die Behandlung von Menschen mit Mukoviszidose, welche trotz moderner Medikation an zähem Schleim leiden, sollen in diesem Projekt neue spezifisch wirksame schleimauflösende Substanzen (Mukolytika) entwickelt werden. Für das bislang einzig bei Mukoviszidose zugelassene muzingerichtete Mukolytikum NAC (ACC akut) wurde in jüngeren Studien kein Vorteil gegenüber einer Placebokontrolle beschrieben. In diversen in vitro-Studien wurden auch nur sehr schwache bis keine Effekte auf die Mukusstruktur nach Behandlung gefunden, da das NAC nicht spezifisch wirkt. Um spezifische schleimauflösende Substanzen zu identifizieren, wurde durch die Projektleiter ein Muzinproteinmodell entwickelt, welches nur dann auseinanderfällt oder blockiert wird, wenn an spezifischen Stellen Moleküle binden. Zum Nachweis des Zerfalls von Muzinen, was mit einer Verflüssigung von Mukus verbunden ist, sollen fluoreszierende Marker angebracht werden. Diese Marker leuchten nur dann, wenn die Struktur intakt ist und erlöschen, wenn ein spezifischer Binder andockt. Dieses System soll in einer enorm großen Substanzbibliothek (>170.000) getestet werden, um zügig neue schleimauflösende Substanzen zu identifizieren und in die Klinik zu bringen. Es wird erwartet, dass diese Medikation auch bei vielen anderen Lungenkrankheiten mit zähem Schleim eingesetzt werden kann. 

Ziele

1.    Die Herstellung und Etablierung von molekularen Zielstrukturen (Lungenmuzindomäne aus Muc5B) mit einem fluoreszierenden, sensitiven Detektionsverfahren (Förster-Resonanzenergietransfer, FRET). 

2.    Aufbau eines Hochdurchsatzverfahrens auf Grundlage dieses Muzinmodells in kleinem Maßstab. 

3.    Durchführung des Hochdurchsatzverfahrens mit Dr. Edgar Specker und Dr. Jens Peter von Kries am Leibniz-Forschungsinstitut für Molekulare Pharmakologie (FMP) zur Identifikation neuer schleimlösender Substanzen.

Methodik

Methodisch müssen zunächst rekombinante Muzinproteindomänen aus Muc5B mit dem FRET-Signalgeber hergestellt werden (nachfolgend als rekombinante Muzine bezeichnet). Bei diesen Arbeiten handelt es sich überwiegend um Proteinproduktion, -aufreinigung und -charakterisierung. Die rekombinanten Muzine werden dann für den Einsatz in kleinem Maßstab (15-30 µl) mittels Fluoreszenzspektroskopie erprobt und die Versuchsbedingungen werden optimiert für ein Hochdurchsatzverfahren. Das Hochdurchsatzscreening erfolgt mit Hilfe eines automatisierten Pipettierroboters mit Zugriff auf eine anpassbare Substanzbibliothek. Die Wirkung jeder eingesetzten Substanz auf das Muzin kann dabei einzeln über das FRET-Signal ausgelesen werden. Wenn das FRET-Signal erlischt, dann hat eine Substanz an das Muzin gebunden und ist möglicherweise zur spezifischen Spaltung des Muzins geeignet. 
Die aus dem Hochdurchsatzscreening gewonnenen Daten werden anschließend analysiert und interessante Substanzen werden dann zur weiteren Validierung an Lungenschleim von Menschen mit Mukoviszidose erprobt. 

Ausblick

Bei erfolgreicher Durchführung des Projekts, könnten auf Basis des HTS-Ansatzes künftig sehr spezifische schleimauflösende Substanzen identifiziert werden. Höhere Spezifität geht häufig mit geringeren Nebenwirkungen bzw. besserer Verträglichkeit einher. Identifizierte schleimauflösende Substanzen werden dann mit der Charité Berlin auf Basis eines existierenden Netzwerks weiterentwickelt. Darüber hinaus können sämtliche erhobenen Daten auch mit durch Verwendung von künstlicher Intelligenz zu eventuell noch besseren Substanzen führen. Da zäher Schleim mit vielen Krankheiten einhergeht, könnten die hier identifizierten Substanzen auch bei anderen Lungenkrankheiten zum Einsatz kommen.

Projektleiter: Dr. Stefan Reinsch, Medizinische Hochschule Brandenburg, Zentrum für Versorgungsforschung,
Theodor Fontane & Klinik für Kinder-und Jugendmedizin; Rüdersdorf

Laufzeit: 15 Monate; 01. September 2023 – 31. Januar 2025

Fördervolumen: 19.945 €

Hintergrund

Familienplanung hat einen größeren Stellenwert im Leben von Menschen mit CF und deren Angehörigen erlangt. Grund hierfür ist eine verbesserte Lebensqualität und höhere Lebenserwartung nicht zuletzt durch neue Therapien mit Modulatoren.

Um eine Entscheidung zu treffen, ein Kind zu bekommen, sind Informationen über den genetischen Status der Eltern von Bedeutung. Menschen mit Mukoviszidose tragen auf beiden Allelen ein mutiertes CFTR-Gen und vererben somit ein mutiertes Gen weiter. Ist der andere Elternteil ebenfalls Träger eines mutierten CFTR-Gens, so besteht die Möglichkeit ein Kind mit CF zu bekommen. Eltern, die bereits ein Kind mit CF haben, selbst aber nicht die Diagnose CF haben, sind beide Träger eines mutierten CFTR-Gens und haben ebenfalls eine hohe Wahrscheinlichkeit, ein weiteres Kind mit CF zu bekommen. Aber viele Paare mit Kinderwunsch wissen gar nicht, dass sie Träger einer CFTR-Mutation sind, obwohl in Deutschland das bei ca. 4 % der Menschen der Fall ist.

Mit der Möglichkeit, ein ungeborenes Kind noch im Mutterleib genetisch zu untersuchen (NIPT, nicht-invasiver pränataler Test ab der 8. Schwangerschaftswoche mit Bestätigungstest durch Fruchtwasseruntersuchung) gibt es die Möglichkeit, vor der Geburt bereits zu wissen, ob das Kind Mukoviszidose hat. Der NIPT ist für Mutter und Kind gefahrlos (Blutabnahme bei der Mutter), die Fruchtwasseruntersuchung, die bei positivem NIPT zur Bestätigung durchgeführt werden muss, birgt jedoch ein gewisses Risiko, dem Kind damit im Mutterleib zu schaden. Die Entscheidung, die genetische Information einzuholen, ob das Ungeborene CF hat, stellt die Eltern zudem vor die ethische Frage, was sie aus diesen Informationen für das ungeborene Kind und für sich selbst schlussfolgern. Das moralische Dilemma, aus dem Wissen die Konsequenz eines Schwangerschaftsabbruchs zu ziehen kann groß sein. Auf der anderen Seite birgt die genetische Information aber auch die Möglichkeit, Vorbereitungen für einen optimalen Lebensstart für das Kind mit CF treffen zu können.

Es wurde bisher in Deutschland keine Untersuchung dazu durchgeführt, welche Haltung CF-Betroffene zu dieser Fragestellung haben.

Ziele

Es soll untersucht werden, wie die Haltung von Menschen mit CF und Eltern mit CF-Kindern zur genetischen Testung bei der Familienplanung ist. Dabei soll auf drei analytischen Level Klarheit gefunden werden:

• Beschreibung der Erfahrungen, Bedingungen und der Umsetzung von Familienplanung, Schwangerschaftsberatung und genetischer Testung auf CF
• Vergleich der Bedeutung und Ziele der genetischen Testung mit der Frage, welche  Probleme aus Sicht der Betroffenen bei der genetischen Testung gelöst werden sollten
• Einordnung in das Gesamtbild der Strategien, wie Betroffene mit den Herausforderungen der Familienplanung und der Möglichkeit der genetischen Testung umgehen, inklusive ihrer moralischen und ethischen Überlegungen und wie sie das Leben mit CF meistern.

Methodik

Es werden Interviews mit insgesamt 30-40 CF-Betroffenen geführt, die entweder selbst CF haben und ein Kind oder einen Kinderwunsch, sowie mit Eltern, die bereits ein Kind mit CF haben. Die bisherigen Daten der Arbeitsgruppe aus 15 Interviews sollen dadurch ergänzt werden

Die Daten der Interviews werden analysiert und die Ergebnisse interpretiert. Die Ergebnisse und Interpretationen werden zur Validierung in drei Fokusgruppen mit Erwachsenen mit CF, Vertretern der Selbsthilfe und Forschenden auf dem Gebiet der CF diskutiert.

Ausblick

Die Ergebnisse können dazu führen, dass das Leben von Menschen mit CF und ihre Gestaltung der Familienplanung besser verstanden wird und dadurch die Beratung für die Familienplanung und die genetische Testung fokussierter werden kann. Auch für die politisch-ethische Debatte um pränatale Diagnostik bringen die Ergebnisse mehr Klarheit.

Projektleiter: Dr. Sybelle Goedicke-Fritz, Klinik für Allgemeine Pädiatrie und Neonatologie, Universitätsklinik Homburg

Beteiligte Wissenschaftler: Michelle Bous, Klinik für Allgemeine Pädiatrie und Neonatologie, Universitätsklinik Homburg

Laufzeit: 24 Monate; 15. September 2023 – 14. September 2025

Fördervolumen: 20.000 €

Zusammenfassung

Die Diagnostik von Keimen in den Atemwegen ist die Basis für die Behandlung von Infektionen der Lunge. Bei Menschen mit CF wird dies i.d.R. über den Auswurf von Sputum durchgeführt, in dem die Keime enthalten sind und im mikrobiologischen Labor extrahiert werden können. Die Induktion von Sputum kann ab einem Alter von 5-6 Jahren gut durchgeführt werden. Auch durch Abstriche im Nasen- oder Rachenraum können Keime diagnostiziert werden, aber aus diesen Proben sind methodisch nicht alle Keime nachweisbar und sie repräsentieren auch nicht die tieferen Abschnitte der Atemwege. Eine Möglichkeit, Keime in den tieferen Atemwegen zu diagnostizieren, ist die Methode der Bronchoalveolären Lavage (BAL), für die über ein Bronchoskop Flüssigkeit in die Lunge gespült und wieder abgezogen wird. Diese Methode ist aufwändig, ist mit einer Narkose oder Sedierung verbunden und eignet sich nicht für die regelmäßige mikrobiologische Diagnostik. Seit Einführung der CFTR-Modulatortherapie produzieren viele CF-Patienten kaum oder sogar kein Sputum mehr, so dass die mikrobiologische Diagnostik der Lungenkeime schwieriger geworden ist.

Bakterien bilden bei ihrem Wachstum Stoffwechselprodukte (chemische Substanzen), die in die Umgebung abgegeben werden. Dabei handelt es sich um verschiedene chemische Verbindungen, von denen manche „flüchtig“ sind, d.h. sie werden in gasförmigen Zustand in die Umgebungsluft abgegeben. Diese Substanzen sind in der Luft nachweisbar, wenn sie mit entsprechend feinen chemischen Methoden (Massenspektrometrie) analysiert werden.

Bei CF-Patienten wurden in Vorversuchen bereits verschiedene Bakterien anhand der von ihnen freigesetzten Stoffwechselprodukte voneinander unterschieden (Pseudomonas aeruginosa, Burkholderia cepacia complex, Staphylococcus aureus, Stenotrophomonas maltophilia).

Eine Möglichkeit der nicht-invasiven mikrobiologischen Diagnostik ist die Analyse sogenannter flüchtiger organischer Verbindungen (Volatile organic compounds, VOCs), die mit jedem Atemzug eines Lebewesens abgeatmet werden. Diese VOCs bestehen zu einem großen Teil aus Metaboliten, die aus dem körpereigenen Stoffwechsel stammen und können so wichtige Informationen über die Art und Aktivität sowie über den Zustand des Organismus geben.

Ziele

Mit Hilfe „elektronischer Nasen“ sollen aus der Ausatemluft von CF-Patienten Substanzen analysiert werden, die eine präzise Identifizierung bestimmter Bakterien zulassen.

Methodik

Unter Verwendung der „elektronischen Nasen“ a) Cyranose® 320 und der b) Ionenmobilitätsspektrometrie (MCC/IMS) sollen bei 50 CF-Patienten der Kinderklinik Homburg mit Atemwegsinfektion und 50 CF-Patienten ohne Atemwegsinfektion im Lauf von zwei Jahren neben der herkömmlichen Probennahme zusätzlich Proben der Ausatemluft gesammelt und anschließend auf flüchtige Substanzen untersucht werden. Zur Sammlung der Ausatemluft atmen die Probanden in einen Plastikbeutel, die Ausatemluft wird anschließend mit den beiden Geräten analysiert. Dies geschieht innerhalb weniger Minuten. Das Gerät ist einfach zu bedienen.

Es werden die bei CF häufig in der Lunge vorkommenden Bakterien Pseudomonas aeruginosa, Burkholderia cepacia complex und Staphylococcus aureus (MRSA und MSSA) untersucht. Dabei sollen Erkennungsmuster entwickelt werden, die eindeutige Rückschlüsse auf die Bakterien zulassen sollen.

Ausblick

Die Etablierung von elektronischen Nasen würde ein schnelles, nicht-invasives mikrobiologisches Monitoring von Atemwegsinfektionen ermöglichen, das eine sofortige Auskunft darüber gibt, welche antibiotische Therapie angebracht ist.

Verhinderung von Persistenz und Resistenzmechanismen bei Pseudomonas aeruginosa: Lernen von der Interaktion zwischen Bakterien und Phagen (Witzenrath, Projekt 2201, Abschluss)

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Modulation von CF-Atemwegskeimen durch kurzkettige Fettsäuren, die von Kommensalen produziert werden (Tony-Odigie, Projekt 2203, Abschluss)

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Anwendung des Manuals „MukoHelp“ um die psychopathologischen Symptome und die Therapie-Adhärenz bei betroffenen Menschen mit Mukoviszidose zu verbessern (Miegel, Projekt 2204, Abschluss)

• Abschlussbericht (PDF)

Voriconazol-Resistenz bei Scedosporium apiospermum: Häufigkeit, genetischer Mechanismus und Behandlungsoptionen (Rickerts, Projekt 2008, Abschluss)

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Aspergillus-spezifisches IL-17A als neuer Biomarker der akuten allergischen bronchopulmonalen Aspergillose (ABPA) bei Mukoviszidose (Schwarz, Projekt 1906, Abschluss)

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• Fachpublikationen:
  • Antigen specificity and cross-reactivity drive functionally diverse anti–Aspergillus fumigatus T cell responses in cystic fibrosis. (Vollversion kostenfrei verfügbar)

Auswirkung einer chronischen Pseudomonas aeruginosa-Infektion auf die Entzündung während einer akuten respiratorischen Virusinfektion bei Mukoviszidose (Rohde, Projekt 2102, Abschluss)

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Genetische Prädiktoren für schwere CF bei europäischen Zwillingen und Geschwistern (EUCFTSib2020) (Stanke, Projekt 2002, Abschluss)

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Fibrolyse in Zystischer Fibrose (Weckmann, Projekt 2104, Abschluss)

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Reaktive T-Zellen gegen das Pseudomonas aeruginosa Typ VI Sekretionssystem bei Mukoviszidose-Patienten (Bacher, Projekt 2103, Abschluss)

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Quantifizierung der Lungendurchblutungsstörungen in der Magnet-resonanztomographie der Lunge mittels künstlicher Intelligenz (Wielpütz, Projekt 2006, Abschluss)

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Untersuchung der Funktion des Chloridkanals TMEM16A in der Mukoviszidose-Lunge mittels induzierten pluripotenten Stammzellen (iPS) (Martin, Projekt 1807, Abschluss)

• Abschlussbericht (PDF)

Serologische Biomarker für Exophiala dermatitidis in der Lunge von Mukoviszidose-Patienten Titel (Grehn/Schwarz, Projekt 2007, Abschluss)

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Molekulare Epidemiologie von M. abscessus bei Mukoviszidose-Patienten in Deutschland (MOMA-CF) (Hogardt, Projekt 2003, Abschluss)

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• Fachpublikationen:
  • Antimicrobial Susceptibility and Phylogenetic Relations in a German Cohort Infected with Mycobacterium abscessus. (Vollversion kostenfrei verfügbar)

Antibiotikaallergien bei Mukoviszidose - Entwicklung von Strategien zur Diagnostik und zum Management (Röhmel, Projekt 1705, Abschluss)

• Abschlussbericht (PDF)
• Fachpublikationen:
  • Drug allergy to CFTR modulator therapy associated with lumacaftor-specific CD41 T lymphocytes (Vollversion kostenfrei verfügbar)

Identifikation von extrazellulären Antigenen und Virulenzfaktoren von Pseudomonas aeruginosa unter anaeroben Bedingungen (S. Schwarz, Projekt 1904, Abschluss)

• Abschlussbericht (PDF)

Immuntest für die Diagnose einer Mykobakterium-abcessus Infektion (Steindor, Lindemann, Projekt 1902, Abschluss)

• Abschlussbericht (PDF)
• Fachpublikationen:
  • Species-Specific Interferon-Gamma Release Assay for the Diagnosis of Mycobacterium abscessus Complex Infection (Vollversion kostenfrei verfügbar)

Einfluss des Atemwegmikrobioms auf Immunantworten und Infektionen durch Pseudomonas aeruginosa bei Zystischer Fibrose (Dalpke, Projekt 1805, Abschluss)

• Abschlussbericht (PDF)
• Fachpublikationen:
  • Relationship between airway dysbiosis, inflammation and lung function in adults with cystic fibrosis

Aufschlüsselung der antibiotischen Resistenzmechanismen und der Dynamik resistenter Staphylococcus aureus Isolate während der chronischen Atemwegsinfektion von Mukoviszidose Patienten (Kahl, Projekt 1806, Abschluss)

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• Fachpublikationen:
  • The Virulence Potential of Livestock-Associated Methicillin-Resistant Staphylococcus aureus Cultured from the Airways of Cystic Fibrosis Patients (Vollversion kostenfrei verfügbar)
  • Association of Diverse Staphylococcus aureus Populations with Pseudomonas aeruginosa Coinfection and Inflammation in Cystic Fibrosis Airway Infection 
  • Staphylococcus aureus and Cystic Fibrosis—A Close Relationship. What Can We Learn from Sequencing Studies? (vollversion kostenfrei verfügbar)

     

Signalübermittlung in Abwehrzellen der Lunge von CF-Patienten (Albrecht, Projekt 1604, Abschluss 2020)

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• Fachpublikationen:
  • IL-17A from innate and adaptive lymphocytes contributes to inflammation and damage in cystic fibrosis lung disease 
  • Interleukin-17A and interleukin-22 production by conventional and non-conventional lymphocytes in three different end-stage lung diseases

Erhebung zur aktuellen Praxis physiotherapeutischer Maßnahmen bei Kindern und Jugendlichen (Hellmuth, Projekt 1802, Abschluss 2020)

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Zelltod durch Ferroptose bei Mukoviszidose (Kunzelmann, Projekt 1903, Abschluss 2020)

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• Fachpublikationen:
  • Contribution of Anoctamins to Cell Survival and Cell Death (Vollversion kostenfrei verfügbar) 

Das Mikrobiom des Bluts als Biomarker der Lungenerkrankung bei Mukoviszidose (Bals, Projekt 1804, Abschluss 2020)

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Untersuchungen zur Regulation der Entzündung bei Mukoviszidose auf genetischer Ebene (Eickmeier, Projekt 1801, Abschluss 2020)

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Untersuchung zu dem Zusammenhang zwischen der familiären Situation und dem Krankheitsverlauf bei Mukoviszidose (Heinzmann, Projekt 1703, Abschluss 2019)

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Mutationen als Modulatoren der CF Heterogenität (Ignatova, Projekt 1603, Abschluss 2019)

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• Fachpublikationen: 
  • Timing during translation matters: synonymous mutations in human pathologies influence protein folding and function. Biochemical Society Transactions.
  • Alteration of protein function by a silent polymorphism linked to tRNA abundance. PLOS Biology. (Vollversion kostenfrei verfügbar.)
  • Slowing ribosome velocity restores folding and function of mutant CFTR. The Journal of Clinical Investigation.

Untersuchung einer neuen Methode zur quantitativen Analyse der Protease-Aktivität in Sputum-Proben von CF-Patienten (Dittrich, Projekt 1605, Abschluss 2018) 

• Abschlussbericht (PDF)
• Fachpublikationen: 
  • Elastase activity on sputum neutrophils correlates with severity of lung disease in cystic fibrosis. European Respiratory Journal.
  • Elastase Exocytosis by Airway Neutrophils Is Associated with Early Lung Damage in Children with Cystic Fibrosis. American Journal of Respiratory and Critical Care Medicine. 

Verbesserung der F508del-CFTR-vermittelten Restchloridleitfähigkeit durch die Glykosylierungsenzyme der MGAT-Familie (Stanke, Projekt 1503, Abschluss 2018)

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Entwicklung einer inhalativen Darreichung  zur Regulation der Cytokin Sekretion als neuer therapeutischer Ansatz zur Behandlung der Mukoviszidose (Schneider, Projekt 1702, Abschluss 2018)

• Abschlussbericht (PDF)
• Fachpublikationen:
  • Mucus-penetrating solid lipid nanoparticles for the treatment of cystic fibrosis: Proof of concept, challenges and pitfalls. European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics.
  • siRNA delivery to macrophages using aspherical, nanostructured microparticles as delivery system for pulmonary administration

• Abschlussbericht (PDF)

Auswirkungen eines teilweise überwachten körperlichen Trainings bei Mukoviszidose: eine internationale randomisierte kontrollierte Multizenterstudie (ACTIVATE-CF) (Hebestreit, Projekt 1402, Abschluss 2018)

• Abschlussbericht (PDF)
• Fachpublikationen:
  • Effects of a partially supervised conditioning programme in cystic fibrosis: an international multi-centre randomised controlled trial (ACTIVATE-CF): study protocol. BMC Pulmonary Medicine. (Vollversion kostenfrei verfügbar)
  • Cystic fibrosis relate diabetes is not associated with maximal aerobic exercise capacity in cystic fibrosis: a cross-sectional analysis of an international multicenter trial

Untersuchung von STAT3 Inhibitoren zur Erhöhung der CFTR Gen Expression und CFTR vermittelten Chlorid Sekretion (Stanke, Projekt 1601, Abschluss 2017)

• Abschlussbericht (PDF)
• Fachpublikationen:
  • Analysis of cystic fibrosis patient survival confirms STAT3 as a CF modifying gene with changing impact over time (Vollversion kostenfrei verfügbar)

Entwicklung einer kausalen CF-Therapie durch CFTR-aktivierende „Nanobodies“ (Govaerts, Projekt 1202, Abschluss 2017)

• Abschlussbericht (PDF)
• Fachpublikationen: 
  • Domain-interface dynamics of CFTR revealed by stabilizing nanobodies. Nature Communications. (Vollversion kostenfrei verfügbar)

Vergleich der Sensitivität von Multiple Breath Washout und Thorax-MRT als nicht-invasive Endpunkte der frühen CF-Lungenerkrankung (Stahl, Projekt 1501, Abschluss 2017)

• Abschlussbericht (PDF)
• Fachpublikationen:
  • Comparison of Lung Clearance Index and Magnetic Resonance Imaging for Assessment of Lung Disease in Children with Cystic Fibrosis. American Journal of Respiratory and Critical Care Medicine. (Vollversion kostenfrei verfügbar)
  • Three-center feasibility of lung clearance index in infants and preschool children with cystic fibrosis and other lung diseases. Journal of Cystic Fibrosis.

Evaluierung eines optischen Testsystems zur Bestimmung der Resistenzprofile von biofilmgewachsenen Pseudomonas aeruginosa CF Isolaten (Häußler, Hannover, Projekt 1401, Abschluss 2016)

• Abschlussbericht (PDF)
• Fachpublikationen: 
  • Towards individualized diagnostics of biofilm-associated infections: a case study. npj Biofilms and Microbiomes. (Vollversion kostenfrei verfügbar)

Untersuchung der Lebensdauer von Neutrophilen im Blut und Lungengewebe von Patienten mit Mukoviszidose (Hartl und Koendermann, Projekt 1209, Abschluss 2016)

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Häufigkeit und Charakterisierung von Azol-Resistenz bei Aspergillus fumigatus in CF Patienten in Deutschland (Steinmann, Projekt 1502, Abschluss 2016)

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• Fachpublikationen: 
  • Prevalence and characterization of azole-resistant Aspergillus fumigatus in patients with cystic fibrosis: a prospective multicentre study in Germany. Journal of Antimicrobial Chemotherapy. (Vollversion kostenfrei verfügbar)

Charakterisierung der Mechanosensitivität des CFTR – Kanals (Vitzthum, Gießen, Projekt 1204, Abschluss 2015)

• Abschlussbericht (PDF)
• Fachpublikationen: 
  • Mechanosensitive activation of CFTR by increased cell volume and hydrostatic pressure but not shear stress. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Biomembranes. (Vollversion kostenfrei verfügbar)

Modulation des Chaperon-Systems zur Korrektur des Faltungsdefekts des CFTRF508 Proteins bei der Mukoviszidose (Obermann, Bochum, S03/10, Abschluss 2015)

• Abschlussbericht (PDF)
• Fachpublikationen: 
  • Identifying Inhibitors of the Hsp90-Aha1 Protein Complex, a Potential Target to Drug Cystic Fibrosis, by Alpha Technology. SLAS Discovery. (Vollversion kostenfrei verfügbar)

Häufigkeit und Charakterisierung von Azol-Resistenz bei Aspergillus fumigatus bei CF-Patienten in Deutschland (Steinmann, Essen, Projekt 1502, Abschluss 2015)

• Abschlussbericht (PDF)
• Fachpublikationen: 
  • Prevalence and characterization of azole-resistant Aspergillus fumigatus in patients with cystic fibrosis: a prospective multicentre study in Germany. Journal of Antimicrobial Chemotherapy. (Vollversion kostenfrei verfügbar)

Entwicklung eines CF-Zell Modells für die Wirkstofftestung mithilfe induzierter pluripotenter Stammzellen (iPS) (Martin, Hannover, Projekt 1404, Abschluss 2015)

• Abschlussbericht (PDF)
• Fachpublikationen: 
  • High-Throughput Screening for Modulators of CFTR Activity Based on Genetically Engineered Cystic Fibrosis Disease-Specific iPSCs. Stem Cell Reports. (Vollversion kostenfrei verfügbar)

Identifikation von Pilzen in CF-Lungengewebe durch die Entwicklung eines molekularbiologischen Tests (Rickerts, Berlin, Projekt 1208, Abschluss 2015)

• Abschlussbericht (PDF) 

Transkript-Ersatztherapie mit Hilfe von modifizierter CFTR mRNA zur Behandlung der CF Lungenerkrankung  (Kormann, Tübingen, Projekt S03/12, Abschluss 2014)

• Abschlussbericht (PDF)
• Fachpublikationen:
  • Chemically modified hCFTR mRNAs recuperate lung function in a mouse model of cystic fibrosis. Scientific Reports. (Vollversion kostenfrei verfügbar)

Vitamin D zur Behandlung entzündlicher Lungenerkrankungen (Bals, Homburg, Projekt 04/11, Abschluss 2014)

• Abschlussbericht (PDF)

Entwicklung und Erprobung eines internetbasierten psychologischen Unterstützungsprogramms für Eltern von Kindern mit CF (Goldbeck, Ulm, Projekt S02/07, Abschluss 2013)

• Abschlussbericht (PDF)
• Fachpublikationen: 
  • A web-based psychological support program for caregivers of children with cystic fibrosis: a pilot study. Health and Quality of Life Outcomes. (Vollversion kostenfrei verfügbar)

Entwicklung eines neuen Antiinfektivums und Evaluation seiner in vitro und in vivo Aktivität gegen bakterielle Pathogene (Wichelhaus, Frankfurt, Projekt S03/08, Abschluss 2012)

• Abschlussbericht (PDF)

Gesundheitsindikatoren (CO- bzw. NO-Diffusionskapazität) bei Mukoviszidose-Patienten (Fischer, München, Projekt S06/08, Abschluss 2012)

• Abschlussbericht (PDF)

Morphologische und funktionelle Magnet Resonanz Tomographie (MRT) zur Beurteilung des Beginns und des Verlaufs der Lungenerkrankung bei Säuglingen und Kleinkindern kleiner als sechs Jahre mit Zystischer Fibrose (Eichinger und Puderbach, Heidelberg, Projekt S02/09, Abschluss 2012)

• Abschlussbericht (PDF)
• Fachpublikationen: 
  • Validation of Fourier decomposition MRI with dynamic contrast-enhanced MRI using visual and automated scoring of pulmonary perfusion in young cystic fibrosis patients. European Journal of Radiology. 

Diabetes-Frühtherapie mit Tablette oder Insulinspritze (Ballmann, Hannover, F01/01, Abschluss 2012)

Untersuchung der Muskel-Knochen-Einheit bei Kindern und Jugendlichen mit Cystischer Fibrose  (Stahl, Heidelberg, Projekt A03/06; Abschluss 2012)

• Abschlussbericht (PDF)
• Fachpublikationen: 
  • Multiple prevalent fractures in relation to macroscopic bone architecture in patients with cystic fibrosis. Journal of Cystic Fibrosis. 

T-Zell-Regulierung bei Cystischer Fibrose (Jung, Davos, Projekt A01/10, Abschluss 2012)

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Beschreibung und Auswertung des aktuellen Status der medizinischen Versorgung von 592 CF-Patienten mit sekundärem Diabetes in Deutschland und Österreich unter Nutzung des multizentrischen DPV-Registers (Holl, Ulm, Projekt S06/11, Abschluss 2012)

• Abschlussbericht (PDF)
• Fachpublikationen: 
  • Adherence to clinical care guidelines for cystic fibrosis-related diabetes in 659 German/Austrian patients. Journal of Cystic Fibrosis. (Vollversion kostenfrei verfügbar)

Analyse der Surfactant Collectine (SP-A und SP-D) und entsprechender Gene hinsichtlich einer Einflussnahme auf den pulmonalen Verlauf der Krankheit Mukoviszidose (Griese, München, Projekt F01/02, Abschluss 2007)

• Abschlussbericht (PDF)
• Fachpublikationen: 
  • Assessment of Surfactant Protein A (SP-A) dependent agglutination. BMC Pulmonary Medicine. (Vollversion kostenfrei verfügbar)