Durch den Mukoviszidose e.V. geförderte Projekte

Kurzbeschreibung der vom Mukoviszidose e.V. geförderten Projekte

Der Mukoviszidose e.V. fördert ausschließlich Forschungsprojekte, deren Ergebnisse entweder direkten Patientennutzen („Klinische Projekte“) oder neues krankheitsbezogenes Wissen („Forschungsprojekte zur Schaffung von krankheitsspezifischem Wissen“) versprechen.

CF-Mikrobiologie

Laufende Projekte

Anwendung von kommensalen Bakterien und ihren Metaboliten zur Steigerung der Wirksamkeit von CFTR-Modulatoren (Tony-Odigie, 2404)

Projektleiter: Dr. Andrew Tony-Odigie, Universitätsklinikum Heidelberg

Beteiligte Wissenschaftler: Prof. Dr. Alexander Dalpke, Dr. Olaf Sommerburg, Universitätsklinikum Heidelberg, Prof. Dr. Marcus Mall, Charité-Universitätsmedizin Berlin

Laufzeit: 24 Monate (Start Oktober 2024)

Fördervolumen: 148.330 €

Hintergrund

Die chronische Infektion der Lunge mit pathogenen (krankmachenden) Keimen ist nach wie vor ein ungelöstes Problem bei Menschen mit Mukoviszidose, auch unter erfolgreicher ETI-Therapie (Dreifachkombination Elexacaftor/Tezacaftor/Ivacaftor). So kann z.B. die häufig vorkommende Besiedelung mit Pseudomonas aeruginosa (PA) zu einer plötzlichen Verschlechterung der Lungenfunktion (Exazerbation) führen, die den gesamten Gesundheitszustand des Patienten belastet. Ein vielversprechender Ansatz für neue Therapieoptionen liegt in der Erforschung der wechselseitigen Beeinflussung von pathogenen und kommensalen Keimen im Lungenmikrobiom.

Ziele

In Vorarbeiten konnte die Arbeitsgruppe um Dr. Andrew Tony-Odigie zeigen, dass bestimmte kurzkettige Fettsäuren (small chain fatty acids, kurz SCFA), die als Stoffwechselprodukte von einigen kommensalen Streptococcus-Arten freigesetzt werden, einen hemmenden Effekt auf Pseudomonas aeruginosa haben und dabei auch die durch PA verursachte Entzündungsreaktion im Gewebe abmildern. Darauf aufbauend untersuchen die Wissenschaftler im aktuellen Projekt, inwieweit sich eine CFTR-Modulatortherapie auf das Zusammenspiel der verschiedenen Bakterien in der Lunge auswirkt und ob es bislang nicht bekannte Interaktionen zwischen ETI-Therapie und den kommensalen Bakterien gibt, die zu einer - evtl. gegenseitigen - Wirkverstärkung führen. Am konkreten Beispiel der zuvor identifizierten kommensalen Streptococcus-Arten und der von diesen freigesetzten kurzkettigen Fettsäuren sollen die möglichen synergistischen Wechselwirkungen im Versuch überprüft werden.

Methodik

Die Untersuchung der Fragestellung an Nasenepithelzellen von Menschen mit Mukoviszidose (mit mindestens einer Kopie der F508del-Mutation) wird in drei Arbeitspaketen durchgeführt: Im ersten Schritt wird in einem probiotischen CFTR-Modulator-Ansatz die Interaktion von kommensalen Bakterien und CFTR-Modulatoren analysiert. Im folgenden Arbeitspaket wird in einem postbiotischen CFTR-Modulator-Ansatz die Wechselwirkung von kurzkettigen Fettsäuren und CFTR-Modulatoren untersucht.
Ein weiteres Arbeitspaket weitet die Untersuchung aus auf die Interaktion von kommensalen Bakterien/deren Stoffwechselprodukten und CFTR-Modulatoren bei anderen, derzeit nicht behandelbaren CFTR-Mutationen. Ziel ist es, zu beobachten, ob die synergistischen Wechselwirkungen, falls vorhanden, auf die CFTR-Mutationen ausgedehnt werden können, die noch nicht mit Modulatoren behandelt werden können.

Ausblick

Wenn sich die Hypothese der Wissenschaftler bestätigt und es synergistische Wechselwirkungen zwischen CFTR-Modulatoren und Kommensalen gibt, liegt hierin ein großes Potenzial für Patienten mit Mukoviszidose, das die Therapie bei chronischen Lungeninfektionen künftig entscheidend verbessern könnte.

Nicht-invasive Diagnostik der häufigsten bakteriellen Erreger in CF-Patienten anhand von Volatilen organischen Verbindungen (Goedicke-Fritz, 2304)

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.

Therapeutische Nutzung essentieller Wachstumsfaktoren von Staphylokokken-Kleinkolonievarianten (Winstel, 2303)

Projektleiter: Dr. rer. nat. Volker Winstel, Institut für Medizinische Mikrobiologie und Epidemiologie, Justus-von-Liebig-Universität Gießen

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.

Mukoide Formen und Biofilm-Bildung bei Staphylococcus aureus als Anpassung an die lebensfeindliche Umgebung bei Mukoviszidose und ihre Bedeutung für die Lungenerkrankung (Rumpf, 2302)

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.

Abgeschlossene Projekte

Klinische Relevanz von nicht-tuberkulösen Mykobakterien in Mukoviszidose-Patienten und Genomveränderungen bei hochvirulenten Bakterienklonen (Maurer, Projekt 2004)

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

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

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

Abschlussbericht (PDF)

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

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

Abschlussbericht (PDF)

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

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

Abschlussbericht (PDF)

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

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

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)

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

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

Abschlussbericht (PDF)

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

Antimikrobielle Substanzen (Antibiotika und ähnliche wirkende Substanzen)

Abgeschlossene Projekte

Charakterisierung von neuen Inhibitoren der RNA Polymerase und Gyrase B von Mycobacterium abscessus unter CF-relevanten Testbedingungen (Richter, Projekt 2202)

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

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

Abschlussbericht (PDF)

Lungentransplantation von Makrophagen als zellbasierte Therapie zur Behandlung chronischer Infektionen in der Mukoviszidose- Lunge (Munder, Projekt 1905)

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

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

CFTR-Genetik / Genetische Therapien

Laufende Projekte

CFTR-Komplexallele bei Menschen mit Mukoviszidose und ausbleibendem Ansprechen auf die Dreifachmodulatortherapie Elexacaftor/Tezacaftor/Ivacaftor (ETI) (Hentschel, 2505)

Projektleiter: PD Dr. Julia Hentschel, Universitätsklinikum Leipzig

Beteiligte Wissenschaftler: Dr. Simone Ahting, Maike Karnstedt, Universitätsklinikum Leipzig, Dr. Katharina Schütz, Medizinische Hochschule Hannover

Laufzeit: 18 Monate; 01. Dezember 2025 - 31. Mai 2027

Fördervolumen: 13.000 €

Hintergrund

Viele Menschen mit Mukoviszidose (CF, MmCF) werden durch genetische Analysen diagnostiziert, die jedoch nicht alle Varianten des CFTR-Gens erfassen. Besonders sogenannte Komplexallele, also mehrere Varianten auf demselben Allel (d. h. auf demselben DNA-Strang), bleiben oft unentdeckt. Diese können die Funktion des CFTR-Proteins und damit auch den Krankheitsverlauf und das Ansprechen auf Modulatoren wie Elexacaftor/Tezacaftor/Ivacaftor (ETI, Kaftrio) beeinflussen. Eine vollständige genetische Diagnostik ist daher entscheidend, um die genetische Vielfalt bei CF besser zu verstehen und personalisierte Therapien weiterzuentwickeln.

Ziele

Neue CFTR-Modulatoren verbessern den Chloridtransport und damit Schweißtest-Werte, Lungenfunktion und Lebensqualität. Bei manchen Menschen mit Mukoviszidose ist unter ETI-Therapie der zu erwartende Effekt weniger stark ausgeprägt als bei der Mehrheit der MmCF, z.B. zeigt sich kein oder ein nur sehr geringer Abfall im Schweißchloridwert und/oder keine wesentliche Änderung der Lungenfunktion.

Ziel des Projektes ist es herauszufinden, warum bestimmte Personen schlechter auf ETI ansprechen – insbesondere bei geringem Abfall des Schweißchlorids (<10–15 mmol/l). Durch umfassende genetische Untersuchungen sollen bisher unbekannte Varianten (z. B. Komplexallele) identifiziert werden, die eine Rolle spielen könnten.

Methodik

Für die in dem Projekt geplanten Untersuchungen sollen verschiedene Mukoviszidose-Zentren zusammenarbeiten, um Patienten zu identifizieren, die nicht auf Modulatoren ansprechen. In der Studie sollen Menschen mit Mukoviszidose untersucht werden, die entweder während ihrer Behandlung mit ETI einen geringen Schweißchloridabfall von weniger als 10-15 mmol/l hatten oder bei denen die Ärzte denken, dass sie nicht gut auf die Behandlung ansprechen.

Bei einem routinemäßigen Termin soll zusätzlich Blut für genetische Tests entnommen werden. Aus den Blutproben isolieren die Antragsteller DNA und untersuchen sie auf genetische Veränderungen im CFTR-Gen.

So möchte die Arbeitsgruppe herausfinden, ob es noch andere genetische Varianten neben den bekannten CFTR-Varianten auf dem gleichen Genstrang gibt (d. h. komplexe Allele), die zur Mukoviszidose beitragen können. Die Ergebnisse der Studie werden veröffentlicht und helfen, das Verständnis von Mukoviszidose zu verbessern.

Ausblick

Bisher wurde nicht systematisch untersucht, ob es in Deutschland Menschen mit Mukoviszidose gibt, die bestimmte genetische Varianten haben, die als Komplexallele bezeichnet werden. Diese Varianten können dazu führen, dass die Behandlung mit Medikamenten wie ETI möglicherweise nicht so gut funktioniert.

In der Studie soll herausgefunden werden, wie viele Menschen mit Mukoviszidose solche Komplexallele haben und warum sie möglicherweise nicht gut auf die Behandlung ansprechen. Es sollen die Ursachen dafür gefunden werden, warum verschiedene Menschen unterschiedlich auf die Behandlung ansprechen.

Die gewonnenen Erkenntnisse könnten zukünftig helfen, Behandlungen individualisierter zu gestalten und ggf. neue Behandlungsmöglichkeiten für CF zu entwickeln, um die Lebensqualität der MmCF zu verbessern.

RNA-basierte Gentherapie für CF-Betroffene mit Nonsense-Mutationen (Albers-Fomenko, 2502)

Projektleiter: Dr. Suki Albers-Fomenko, Universität Hamburg

Beteiligte Wissenschaftler: Prof. Dr. Zoya Ignatova, Universität Hamburg, Prof. Dr. Marcus Mall, Dr. Anita Balàzs, Charité Berlin

Laufzeit: 24 Monate; 01. November 2025 – 31. Oktober 2027

Fördervolumen: 185.540 €

Hintergrund

Während CF-Modulatoren für ca. 85 % der CF-Patienten in Frage kommen, gibt es für eine große Gruppe von CF-Patienten mit Stopp-Mutationen bisher keine Behandlungsmöglichkeit. Stopp-Mutationen beenden die Synthese von Proteinen. Je nachdem wo das falsche Stopp-Signal im Gen vorkommt, geschieht das früh oder erst gegen Ende der Herstellung des Proteins. Fehlerhafte Stopp-Signale führen daher zu einem verkürzten CFTR-Protein, welches die Zelle in der Regel nicht verwenden kann und somit der Zelle fehlt.

Das Ziel dieses Projektes ist es, therapeutisch nutzbare tRNAs (Suppressor-tRNA = Sup-tRNA) zu entwickeln, die während der Bildung des CFTR-Proteins an diese fehlerhaften Stoppsignale binden und die Synthese der Proteinkette fortsetzen – es also nicht zum Abbruch kommt, sondern der passende oder ein ähnlicher Aminosäurebaustein eingesetzt wird, damit die Synthese fortgesetzt und das vollständige CFTR-Protein gebildet werden kann.

In vorherigen Arbeiten hatte die Arbeitsgruppe die grundsätzliche Machbarkeit im Labor an Patientenzellen und im Tiermodell gezeigt und publiziert. (siehe auch Projekt 2105, RNA-basierte Methode zur zielgerichteten Korrektur von CFTR-Nonsense-Mutationen)

In diesem Projekt sollen nun systematisch für möglichst viele Stopp-Mutationen im CFTR-Gen wirksame Sup-tRNAs entwickelt werden, die eine Herstellung eines funktionalen CFTR-Proteins ermöglichen. Das multidisziplinäre Team bestehend aus Molekularbiologen, Biochemikern, Medizinern und medizinischen Naturwissenschaftlern wird für diese Sup-tRNAs präklinische Daten sammeln, die für die Anwendung von Sup-tRNAs als molekulare Therapie für CF-Patienten mit Nonsense-Mutationen essentiell sind.

Ziele

Das Ziel des Projektes ist es, für möglichst viele Menschen mit Stopp-Mutationen im CFTR-Gen wirksame Suppressor-tRNAs zu entwickeln.

Dies soll erreicht werden durch:

die Erweiterung des Repertoires an Sup-tRNAs für möglichst viele Stopp-Mutationen
die Untersuchung der Wirksamkeit der Sup-tRNAs durch Messung der CFTR-Aktivität
die Bestimmung einer geeigneten Sup-tRNA Dosis und Untersuchung der Sicherheit
die Untersuchung der Eignung von Sup-tRNAs für den sogenannten „Basket Approach“ (d. h. der Möglichkeit, verschiedene Stopp-Mutationen mit einem Präparat abdecken zu können)

Methodik

Für das Projekt werden verschiedene molekular-biologische und physiologische Methoden verwendet. Das Screening der Sup-tRNAs (d. h. die Entwicklung und Identifikation von geeigneten Sup-tRNAs) erfolgt in Kooperation mit der Arbeitsgruppe in Berlin an etablierten Zellmodellen. Nach der Identifikation von vielversprechenden Sup-tRNAs wird die Herstellung, Lokalisation in der Zelle und die Funktionalität des CFTR-Proteins in Epithelzellen (isoliert aus Nasal-Bürstungen von CF-Patienten) mit den entsprechenden Stopp-Mutationen getestet. Die molekulare Sicherheit und die Off-Target-Effekte (ungewünschte Effekte außerhalb der therapeutisch angezielten genetischen Sequenz) der Sup-tRNAs bzw. Sup-tRNA Cocktails werden ebenfalls an Zellen und Geweben von Menschen mit CFTR-Stoppmutationen untersucht.

Ausblick

Für Menschen mit Stopp-Mutationen im CFTR-Gen, ca. 13% in Europa, gibt es bisher keine zugelassenen Behandlungsmöglichkeiten. Von der Entwicklung eines Sup-tRNA-basierten Therapieansatzes würde daher eine große Gruppe an CF-Betroffenen profitieren, viele davon ohne kausale Therapieoption derzeit (denn Modulatoren wirken am CFTR-Protein, bei frühem Abbruch der Herstellung durch Stopp-Mutationen fehlt in der Zelle das CFTR-Protein und damit die Wirkstelle für Modulatoren).

Das Design von Sup-tRNAs mit verschiedenen Aminosäurebausteinen bietet einen Therapieansatz für verschiedene CFTR-Stopp-Mutationen innerhalb des CFTR-Gens (d. h. Sup-tRNAs sollen so entwickelt werden, dass sie bei verschiedenen Stopp-Mutationen eingesetzt werden können, je nachdem welcher Baustein benötigt wird). Auch ein Cocktail von verschiedenen Sup-tRNAs als therapeutisches Präparat wäre denkbar. Die Arbeitsgruppe beabsichtigt jedenfalls die Sup-tRNAs so zu gestalten, dass für die klinische Forschung Präparate zur Verfügung stehen sollen, die gleich mehrere Stopp-Mutationen abdecken können (Basket-Approach). Dadurch soll die Anzahl an klinischen Zulassungen reduziert werden und Studien an einer größeren Gruppe möglich werden (Studien für einzelne Stopp-Mutationen sollen dadurch vermieden werden), was für die Machbarkeit der klinischen Testung sehr relevant sein wird.

Abgeschlossene Projekte

tRNA-basierte Therapieansätze zur Behandlung von CFTR-Nonsense-Mutationen (Albers-Fomenko, Projekt 2105)

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

CFTR-Modulatoren / Proteinbasierte Therapien

Laufende Projekte

Kardiovaskuläre Risikoanalyse bei erwachsenen Mukoviszidose-Patienten unter Triple-CFTR-Modulatortherapie: CT Body composition und Lipidprofile (Opitz, 2501)

Projektleiter: PD Dr. Marcel Opitz, Universitätsklinikum Essen

Beteiligte Wissenschaftler: Dr. Matthias Welsner, Dr. Sivagurunathan Sutharsan, Ruhrlandklinik Essen, Prof. Dr. Johannes Haubold, Universitätsklinikum Essen

Laufzeit: 18 Monate; 01. Oktober 2025 - 31. März 2027

Fördervolumen: 19.800 €

Hintergrund

CFTR-Modulatortherapien wie Elexacaftor/Tezacaftor/Ivacaftor haben die Lebenserwartung von Menschen mit Mukoviszidose (CF) erheblich erhöht. Allerdings werfen diese Therapien Bedenken hinsichtlich potenzieller Langzeitrisiken auf, einschließlich kardiovaskulärer Komplikationen, die bisher in der CF-Behandlung keine zentrale Rolle spielten. Die CFTR-Modulatortherapie verändert das Lipidprofil und die Körperzusammensetzung bei erwachsenen CF-Patienten, was möglicherweise ihr kardiovaskuläres Risiko erhöht.

Ziele

Das Projekt zielt darauf ab, Einblicke in die metabolischen und kardiovaskulären Auswirkungen einer Langzeit-Modulatortherapie zu gewinnen. In dieser Studie sollen Biobankproben analysiert werden, die bei Erwachsenen vor und nach Beginn einer CFTR-Modulatortherapie entnommen wurden. Lipidparameter und Stoffwechselmarker werden untersucht. Eine CT-basierte Körperzusammensetzungsanalyse wird Gewebeverteilungen, einschließlich epikardialem Fett (d. h. Fettgewebe um das Herz herum), darstellen. Die Daten werden mit klinischen Parametern wie Lungenfunktion, BMI und Schweißchloridwerten korreliert. Eine Subgruppe von Erwachsenen mit CF, aber ohne Modulatortherapie, dient als Kontrollgruppe für Veränderungen im Lipidprofil.

Methodik

Es sollen Biobankproben vor und nach Beginn einer CFTR-Modulatortherapie im Zentrallabor der UK Essen, Bereich Forschung und Lehre, untersucht werden. Aus den Proben sollen Lipidwerte (LDL, HDL, Triglyceride, Gesamtcholesterin, Lipoprotein (a)) und Stoffwechselparameter (HbA1c, Insulin, C-Peptid, Serumglukose, LH, FSH, Testosteron, Östradiol, SHBG, TSH und fT4, Albumin, IL-6 und CRP) bestimmt werden. Durch Vergleiche von Proben vor und nach Start einer CFTR-Modulatortherapie, soll die Auswirkungen dieser Therapie auf den Stoffwechsel und die Körperzusammensetzung (Body Composition) bewertet werden.
Der am häufigsten verwendete Biomarker zur Abbildung der Körperzusammensetzung von Menschen ist der Body-Mass-Index (BMI). Trotz seiner weiten Verbreitung hat der BMI erhebliche Einschränkungen, da er die Verteilung spezifischer Körpergewebe (z.B. Fett, Muskel oder Knochen) nicht berücksichtigt. Die an der Universitätsmedizin Essen entwickelte CT-basierte vollautomatische Körper- und Organzusammensetzungsanalyse (BCA/BOA) liefert zusätzliche, detaillierte Informationen über die Körperzusammensetzung (Knochen, Muskeln, Gesamtfettgewebe, intermuskuläres und intramuskuläres Fettgewebe, epikardiales Fettgewebe, d. h. Fettgewebe um das Herz herum).

Ausblick

Wir hoffen, mit dieser Arbeit einen Beitrag zur Verbesserung der Versorgung von erwachsenen CF-Patienten leisten zu können. Gerade im Hinblick auf die zu erwartende weitere Zunahme der Lebenserwartung von CF-Patienten und dem damit verbundenen Risiko der Zunahme von krankheitsspezifischen und -unspezifischen Begleiterkrankungen/Komplikationen erwarten wir wichtige Informationen für die zukünftige Versorgung erwachsener CF-Betroffener.

Abgeschlossene Projekte

Entwicklung eines Screening-Verfahrens zur Aufklärung der Struktur-Wirkungsbeziehungen von pharmakologischen CFTR-Modulatoren (Schlierf, Projekt 2005)

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

Abschlussbericht (PDF)

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

Entzündung und anti-entzündliche Therapien

Abgeschlossene Projekte

Auswirkungen der Therapie mit Elexacaftor/Tezacaftor/Ivacaftor auf das Einzelzelltranskriptom von nativen Atemwegsepithel- und Immunzellen bei Patienten mit Mukoviszidose (Gräber, Projekt 2206)

Fibrolyse in Zystischer Fibrose (Weckmann, Projekt 2104)

Abschlussbericht (PDF)

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

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

Abschlussbericht (PDF)

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

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

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

Abschlussbericht (PDF)

Salz-/Wasserhaushalt und Schleimlöser

Laufende Projekte

Untersuchung des alternativen Ionenkanales SLC26A9 bei Mukoviszidose (Balazs-Stanke, 2402)

Projektleiter: Dr. Anita Balazs, Charité - Universitätsmedizin Berlin und Dr. Frauke Stanke, Medizinische Hochschule Hannover

Laufzeit: 12 Monate (Start November 2024)

Fördervolumen: 20.000,00 €

Hintergrund

Welche Rolle spielt das Gen SLC26A9 bei der Ausprägung des Krankheitsbilds Mukoviszidose? Und wie interagiert der nach dem Bauplan dieses Gens hergestellte gleichnamige Chloridtransporter mit dem CFTR-Kanal? Um diese Fragen dreht sich die aktuelle Forschung der Arbeitsgruppen um Dr. Frauke Stanke (Medizinische Hochschule Hannover) und Dr. Anita Balazs (Charité - Universitätsmedizin Berlin). Mit Hilfe eines spezifischen Antikörpers gegen SLC26A9 untersuchen die Wissenschaftlerinnen Funktion und Rolle von SLC26A9 auf molekularer Ebene.

Neuere Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass das Gen SLC26A9 ein modifizierendes Gen der Mukoviszidose ist (d.h. die Ausprägung des Krankheitsbilds mit beeinflussen kann) und außerdem an der Entwicklung anderer Lungenerkrankungen beteiligt ist. Auf welche Weise genau dies geschieht, ist aber noch nicht bekannt. Klar ist, dass das nach dem Bauplan des Gens hergestellte Protein SLC26A9 als Chloridtransporter eine wichtige Rolle bei der koordinierten Ionen- und Flüssigkeitssekretion in Epithelgeweben spielt, die von CF betroffen sind, einschließlich der Atemwege, der Bauchspeicheldrüse und des Magen-Darm-Trakts. Unklar sind die genauen molekularen Wirkmechanismen von SLC26A9 und seine Interaktion mit dem CFTR-Kanal.

Ziele und Methodik

Durch genetische Untersuchung einzelner Zellen konnte bereits nachgewiesen werden, dass Zellen in den menschlichen Atemwegen das SLC26A9-Gen exprimieren (d.h. Proteine nach dem im Gen kodierten Bauplan herstellen), das Genprodukt selbst, das SLC26A9-Protein, wurde bislang jedoch noch nicht nachgewiesen. Für eine aussagekräftige Untersuchung von SLC26A auf Proteinebene benötigen die Forscherinnen als „Werkzeug“ einen guten SLC26A-spezifischen Antikörper, den es bislang noch nicht gibt.

Ziel des aktuellen Projektes ist es daher, zunächst zu prüfen, ob ein durch die Firma Eurogentec für dieses Vorhaben hergestellter spezifischer Antikörper das Protein SLC26A9 zuverlässig nachweisen kann und ihn anschließend zu nutzen, um die Proteinsynthese von SLC26A9 im Kontext der Mukoviszidose zu untersuchen.

Ausblick

Bei Erfolg des Projektes steht der SLC26A9-Antikörper weiteren Forschenden über Eurogentec zur Verfügung. So kann er u.a. perspektivisch genutzt werden, um zum einen SLC26A9-Modulator Wirkstoffe zu identifizieren und präklinisch zu testen und um in einem weiteren Schritt zu untersuchen, ob es Wechselwirkungen zwischen dem CFTR-Proteinreifungsweg (z. B. über Therapie mit CFTR-Modulatoren) und der SLC26A9-Proteinverarbeitung gibt. Weiterhin könnte ein spezifischer Antikörper gegen SLC26A9 helfen, die Wirkung von CF-typischen Veränderungen - z.B. von Entzündungsprozessen - auf die Bildung von SLC26A9 im Atemwegsepithel besser zu verstehen.

Hochdurchsatzverfahren zur Identifikation spezifischer schleimauflösender Substanzen auf Basis eines sensitiven Detektionsverfahrens an Lungenmuzinen (Lauster, 2401)

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.

Abgeschlossene Projekte

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

Weitere Themen

Laufende Projekte

Untersuchung von Entwicklungsstörungen der Bauchspeicheldrüse bei Mukoviszidose mithilfe von humanen pluripotenten Stammzellen (Breunig, 2403)

Projektleiter: Jun.-Prof. Dr. Markus Breunig, Universitätsklinikum Ulm

Beteiligte Wissenschaftler: Prof. Dr. Alexander Kleger, Universitätsklinikum Ulm

Laufzeit: 36 Monate (Start Dezember 2024)

Fördervolumen: 149.495,00 €

Hintergrund

Neben der Lunge ist bei den meisten Mukoviszidose-Patienten auch die Bauchspeicheldrüse (Pankreas) von der Erkrankung betroffen – viele von ihnen haben Verdauungsprobleme und einen CF-assoziierten Diabetes. Wie genau diese Mukoviszidose-typische Pankreas-Symptomatik entsteht und welche Rolle das CFTR-Protein dabei spielt, ist noch nicht bekannt. Mit Hilfe eines Pankreas-Organoid-Modells erforscht die Arbeitsgruppe um Jun.-Prof. Dr. rer. nat. Markus Breunig (Universitätsklinikum Ulm) nun die molekularen Mechanismen der Krankheitsentstehung.

Rund 80% der Menschen mit Mukoviszidose haben eine reduzierte Funktionstüchtigkeit der Bauchspeicheldrüse (Pankreasinsuffizienz) und dadurch zu wenig oder keine Verdauungsenzyme. Folgen sind gastrointestinale Probleme wie Bauchschmerzen, Durchfälle, Gewichtsverlust und Nährstoffmangel. Die Pankreasinsuffizienz erfordert eine lebenslange Einnahme von Enzympräparaten zu den Mahlzeiten. Neben dieser exokrinen Fehlfunktion der Bauchspeicheldrüse entwickeln rund die Hälfte aller Mukoviszidose-Betroffenen mit steigendem Lebensalter auch einen CF-assoziierten Diabetes mellitus (engl.: Cystic fibrosis related diabetes – CFRD), der meist mit Insulingaben behandelt werden muss. Um neue, Mukoviszidose-spezifische Therapieansätze für diese Symptome entwickeln zu können, braucht es ein besseres Verständnis der Krankheitsentstehung und auch der Rolle des CFTR-Proteins in den verschiedenen Zellen des Pankreas.

Ziele und Methodik

Die Arbeitsgruppe um Markus Breunig hat unter Verwendung von humanen pluripotenten Stammzellen ein Pankreas-Organoid-Modell im Labor etabliert, mit welchem die zeitliche und zelluläre Abfolge der Entstehung von Mukoviszidose in der Bauchspeicheldrüse untersucht werden kann. Die Wissenschaftler verfolgen die Hypothese, dass frühe Veränderungen in der embryonalen Entwicklung maßgeblichen Anteil an einer späteren Symptomatik (Verdauungsprobleme, Diabetes) haben.

Bereits bekannt ist, welche Zellen im Pankreas den CFTR-Kanal bilden, allerdings wurde der genaue Prozess der CFTR-Bildung in diesem Organ bisher nur unvollständig am Menschen erforscht. Um ein besseres Verständnis der molekularen Mechanismen dieses Prozesses zu bekommen, bilden die Wissenschaftler zunächst im Organoid-Modell die wichtigsten Zelltypen der Bauchspeicheldrüse ausgehend von humanen pluripotenten Stammzellen aus und untersuchen, wo und wann diese CFTR produzieren. Die Zellen werden anschließend in exokrine Zellen (produzieren Verdauungsenzyme) und endokrine Zellen (produzieren Blutzucker-regulierende Hormone wie Insulin und Glucagon) differenziert und mit „gesunden Kontrollzellen“ verglichen.

Ausblick

Die systematische Analyse der verschiedenen Zelltypen im Organoid-Modell soll zeigen, welche Rolle das CFTR-Protein in den verschiedenen Zellen des Pankreas für die Zellentwicklung und Zellfunktionalität spielt. Um die Möglichkeiten einer frühen therapeutischen Behandlung zu untersuchen, sind darüber hinaus Experimente geplant, in denen Entwicklung und Funktionalität der Zellen in unterschiedlichen Stadien mit und ohne CFTR-Modulator verglichen werden. So kann herausgefunden werden, ob eine frühzeitige Verabreichung von Modulatoren CF-typische Veränderungen der Pankreaszellen verhindern kann.

Neue Ansätze in der CFTR-Diagnostik – Wie neue Gensequenzierungsmethoden und Transkriptomanalyse die diagnostische Ausbeute erhöhen und den Zugang zu gezielten Therapien ermöglichen können (Ahting, 2301)

Neue Ansätze in der CFTR-Diagnostik – Wie neue Gensequenzierungsmethoden und Transkriptomanalyse die diagnostische Ausbeute erhöhen und den Zugang zu gezielten Therapien ermöglichen können (Ahting, 2301)

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.

Der β-adrenerge Schweißtest mit der AutoBuSTeD-Software als neue Diagnostikmethode bei Patienten mit CFTR-Dysfunktion (Pallenberg, 2205)

Projektleiter: Dr. Sophia Theres Pallenberg, Medizinische Hochschule Hannover, Dr. Manuel Nietert, Universitätsmedizin Göttingen

Beteiligte Wissenschaftler: Prof. Dr. Dr. Burkhard Tümmler, Prof. Dr. Anna-Maria Dittrich, Dr. Christian Dopfer, Rebecca Minso, Medizinische Hochschule Hannover, Prof. Dr. Isabelle Sermet-Gaudelus, Necker-Enfants Malades Institute (Paris), Prof. Dr. Christiane Lex, Universitätsmedizin Göttingen, Dr. Susanne Nährig, Ludwig-Maximilians-Universität München

Laufzeit: 36 Monate; 01. Dezember 2023 - 30. November 2026

Fördervolumen: 20.000 €

Hintergrund

Die Funktion des CFTR-Kanals beeinflusst die Konzentration von Chlorid im Schweiß. Die Goldstandard-Methode zur Diagnosestellung Mukoviszidose (Cystische Fibrose, CF) ist daher der Schweißtest, in dem die Schweißdrüsen mit Pilocarpin zur Schweißsekretion angeregt werden und der gewonnene Schweiß auf seinen Chloridgehalt gemessen wird. Die Diagnose Mukoviszidose wird bei einem Wert von >60 mmol/l Chloridionen gestellt und ein Ergebnis von <30 mmol/l schließt die Diagnose weitgehend aus. Werte von 30 – 60 mmol/l sind nicht aussagekräftig und müssen durch zusätzliche Tests geklärt werden. Dafür stehen die nasale Potentialdifferenzmessung (nPD) und die Kurzschlussstrommessung an Rektumbiopsien (ICM) zur Verfügung, die aber nur in wenigen CF-Zentren durchgeführt werden können und für die Patienten eine relevante Belastung darstellen. Darüber hinaus werden Gentests durchgeführt.

Bei CF sind beide Gene, die für die Bildung des CFTR-Kanals nötig sind, verändert (mutiert). Es sind aber nicht alle der >2.000 bekannten Mutationen Krankheitsauslösend. Der Übergang von krank und gesund ist fließend. Aus dieser Konstellation kann sich eine CFTR-RD (CFTR-related disease) ergeben, eine nicht eindeutige Diagnose (CFSPID: CF-Screening positiv, uneindeutige Diagnose), aber auch keine Diagnose. Die Betroffenen leiden manchmal unter CF-ähnlichen Symptomen, die aber auch klinisch nicht eindeutig genug sind, um sie einer CF oder CFTR-RD zuzuordnen und die nicht entsprechend therapiert werden. Insbesondere die Funktion der Bauchspeicheldrüse (Pankreas) kann erst spät zu typischen Symptomen führen (Pankreas-Insuffizienz), die bei früher Therapie vermeidbar wären.

Um die Diagnose der CFTR-RD zu stellen, ist ein Standard-Schweißtest aber nicht geeignet, denn er ist nicht sensitiv genug, um die Funktion des CFTR-Kanals differenziert zu erfassen, da die Stimulation zur Schweißproduktion durch die sog. cholinerge Stimulation der Schweißdrüse erfolgt. Daher ist der Graubereich von 30-60 mmol/l groß.

Die CFTR-Kanäle können aber durch eine β-adrenerge Stimulation auch direkt stimuliert werden. Dieses Prinzip wurde schon in den 1980er Jahren entdeckt, aber die Methode hatte zunächst das Problem, dass sehr geringe Schweiß-Mengen erfasst werden mussten, was technisch schwierig war. Mit einer neuen Technik der Arbeitsgruppe um Dr. Sophia Theres Pallenberg, die die gebildeten Schweißtröpfchen fotografisch erfasst und automatisiert auswertet, kann die Methode mit β-adrenerger Stimulation inzwischen aber angewendet werden. Die Arbeitsgruppe hat bereits gezeigt, dass die Methode bei der Diagnosestellung der CF funktioniert. Die Hypothese ist, dass der neue Schweißtest SST (Sweat Sectretion Test) auch im diagnostischen Graubereich des Standard-Schweißtests (30-60 mmol/l) eine Differenzierung der CFTR-Aktivität zulässt und dadurch auch Patienten mit unklarer CFTR-Funktion diagnostizieren kann.

Ziele

In dem Projekt soll der sensitivere Schweißtest SST für die unklaren und CFTR-RD-Diagnosen evaluiert werden. Der Test soll den Grad der CFTR-Dysfunktion eindeutiger messen als der Standard-Schweißtest. Damit soll eine neue diagnostische Methode zur Verfügung gestellt werden, die bei unklarer Diagnose Aufschluss geben kann, ob und in welchem Ausmaß eine CF-ähnliche Diagnose vorliegt. Die Methode soll außerdem in einigen CF-Zentren etabliert werden.

Methodik

Die Methode des SST ist bereits bekannt, wird aber in der Standard-Diagnostik der CF nicht verwendet, weil sie bislang zu aufwändig ist. Der Aufwand besteht vor allem darin, die im SST gewonnenen Schweißtropfen visuell zu zählen. Der von den Antragstellern entwickelte Test hat diesen Auswertungsschritt jedoch automatisiert (Automated Bubble Sweat Test Diagnostic Tool, AutoBuSTeD), so dass der Aufwand in der Durchführung erheblich reduziert wurde. Der Test wurde bei CF-Patienten im Vergleich zu gesunden Probanden bereits evaluiert.

Die Evaluation des SST soll bei mind. 40 Patienten mit bekannter CFTR-RD, mit vermuteter CFTR-RD oder mit CF-Diagnose bei intakter Pankreasfunktion (Pankreas-Suffizienz) im Vergleich zu 50 gesunden Probanden untersucht werden. Dazu werden von allen Teilnehmern klinische Daten (spirometrische Lungenfunktion, BMI, Lung Clearance Index, Elastase im Stuhl) und genetische Daten erhoben. Zusätzlich werden andere CF-Diagnosetests durchgeführt (Schweißtest, nPD, ICM), um die Korrelation der Tests untereinander zu erfassen.

Die Durchführung des SST soll an mind. 5 CF-Zentren international etabliert werden. Dazu wird die Software (AutoBuSTeD) durch die Antragsteller zur Verfügung gestellt und Trainings zur Durchführung in den Zentren angeboten. Die Tests werden zunächst unter Supervision durch die Antragsteller durchgeführt, um eine hohe Validität der Test zu ermöglichen.

Ausblick

Die Messung mit dem SST ist kostengünstig und könnte bei erfolgreicher Evaluation in diesem Projekt an weiteren Zentren etabliert werden, um Betroffenen mit unklarer Diagnose eine klare Diagnose und damit auch eine zielgerichtete Therapie anbieten zu können. Zusätzlich könnte auch die Modulatortherapie mit dem SST begleitet werden, da die Methode die Rekonstruktion des CFTR-Kanals durch die Modulatortherapie erkennbar werden lässt und damit den Therapieerfolg definieren könnte. Damit könnte der Weg zu einer individualisierten Präzisionstherapie geebnet werden.