Schleimhaut in Mund, Magen, Darm, Auge und Genital

Medizin am Abend Berlin Fazit:   Forscher finden Reparaturmechanismus für defekte Schleimbestandteile: 

 

Wenn die Spucke wegbleibt

Die Schleimhäute in Mund, Magen, Darm und im Augenbereich bilden eine Schutzschicht, um Reibung und das Eindringen von Fremdkörpern zu verhindern. 

Den Hauptbestandteil des Schleims bilden die sogenannten Mucine, die Wassermoleküle binden. 

Sind die Mucine allerdings beschädigt, können sie diese Eigenschaft verlieren. Wissenschaftler um Prof. Oliver Lieleg von der Technischen Universität München (TUM) haben einen Weg gefunden, die defekten Moleküle wieder zu reparieren. 
 
Ohne Schmierstoffe läuft nichts, das gilt für Maschinen und Menschen gleichermaßen. Unter anderem im Mund, den Augen, Magen, Darm und Genitalbereich besitzen wir daher Schleimhäute, die dafür sorgen, dass es keine zu große Reibung gibt. Schleim (= Mucus) fungiert aber auch als Schutz gegen Umwelteinflüsse wie Chemikalien und Krankheitserreger.

Prof. Oliver Lieleg erforscht mit seiner Arbeitsgruppe am Zentralinstitut für Medizintechnik (IMETUM) an der TUM die grundlegenden Eigenschaften der Mucine, die strukturbildenden Bestandteile des Schleims. In einer aktuellen Studie, die im Journal „Advanced Materials Interfaces“ veröffentlicht wurde, konnten die Wissenschaftler nun zeigen wie Mucine ihre schmierende Wirkung verlieren können.

Gleichzeitig gelang es ihnen, einen Reparaturmechanismus zu entwickeln.

Verlust der schmierenden Wirkung

• Mucine bestehen aus einem Proteinrückgrat, an das Zuckermoleküle angeheftet sind. Diese Zucker haben die Fähigkeit, Wassermoleküle zu binden und den Mucinen ihre schmierenden Eigenschaften zu verleihen. 

Die TUM-Wissenschaftler zeigten gemeinsam mit Forschern vom Massachusetts Institute of Technology und dem Unternehmen Johnson&Johnson, dass Mucine bei Verlust der Zuckeranteile nicht mehr ausreichend Wasser binden können.

Es gelang den Wissenschaftlern aber, die beschädigten Mucine im Labor erfolgreich zu reparieren, indem sie den verlorenen Zuckeranteil des Moleküls durch synthetische Moleküle ersetzten. Hierdurch wurden sowohl die Fähigkeit der Moleküle Wasser zu binden als auch ihre Schmierwirkung wiederhergestellt.

Künstliches Molekül mit Anker

Bei dem künstlichen Molekül handelt es sich um Polyethylenglycol, an dem die Wissenschaftler noch eine Lectingruppe als „Anker“ angeheftet haben. Dieser Anker sorgt dafür, dass das Molekül an das defekte Mucin gebunden wird. Wurden die Reparatur-Moleküle in eine Lösung mit defekten Mucinen gegeben, bekamen diese ihre schmierenden Eigenschaften zurück.

• Die Ergebnisse können zu neuen Behandlungsmethoden für Patienten mit defekter Schleimbildung führen. 

• Einige Pathogene etwa greifen gezielt die Zuckermotive an den Mucinen an, um die Barrierewirkung der Mucin-Schicht zu schwächen.

„Eine denkbare zukünftige Anwendungsform der molekularen Reparaturmotive könnten ein Spray oder Augentropfen sein, so dass die defekten Mucine direkt auf der Schleimhaut wiederhergestellt werden“, sagt Lieleg.


Originalpublikation:

T. Crouzier, K. Boettcher, A.R. Geonnotti, N.L. Kavanaugh, J.B. Hirsch, K. Ribbeck, and O. Lieleg, „Modulating mucin hydration and lubrication by deglycosylation and polyethylene glycol binding“; Advanced Materials Interfaces; DOI: 10.1002/admi.201500308

Link zur Publikation: 

http://dx.doi.org/10.1002/admi.201500308


Medizin am Abend Berlin DirektKontakt:

Prof. Dr. Oliver Lieleg
Professur für Biomechanik
Technische Universität München
Fakultät für Maschinenwesen und Zentralinstitut für Medizintechnik
oliver.lieleg@tum.de
+49 (0)89-289-10952
Dr. Ulrich Marsch Technische Universität München

Zahntaschen und die zentrale Rolle bei Parodontitis

Medizin am Abend Berlin Fazit:   HZI-Forscher klären neue Mechanismen rund um Parodontitis auf

Parodontitis ist die am weitesten verbreitete Infektionskrankheit auf der Welt. Etwa zehn Prozent aller Menschen sind davon betroffen, im Alter sind es sogar fünfzig Prozent. Parodontitis wird durch einen Biofilm in den Zahntaschen ausgelöst, der sich aus mehreren hundert Bakterienarten zusammensetzt. Wie diese Bakterien zusammenarbeiten, haben nun Wissenschaftler des Helmholtz-Zentrums für Infektionsforschung (HZI) in Braunschweig durch Analyse von rund zehn Millionen aktiven Genen aus Zahntaschen erforscht. Ihre Ergebnisse veröffentlichten sie in dem neuen open-access Nature Online-Journal „Biofilms and Microbiomes“. 


Probeentnahme aus Zahntasche, Illumina-Sequenzierung (Mitte oben), Treponema-Erreger in der Zahntasche (darunter), Metabolische Netzwerke. (@HZI/ Wagner-Döbler)

• Im Endstadium führt die Parodontitis zu Zahnverlust und erhöht zudem das Risiko für Herzschlag, Rheuma, Fehlgeburt, Autoimmunkrankheiten und andere systemische Krankheiten.

Um genau zu verstehen, wie eine Parodontitis entsteht, muss man die Aktivität des Biofilms, der sie verursacht, genau analysieren. „Bei den Mikroorganismen handelt es sich sowohl um gut untersuchte Pathogene, als auch um solche, die bisher als Begleitflora betrachtet wurden und als harmlos galten“, sagt Prof. Irene Wagner-Döbler, Leiterin der Arbeitsgruppe Mikrobielle Kommunikation am HZI.

Sie und ihre Kollegen haben eine sogenannte Metatranskriptionsanalyse durchgeführt. Dabei sequenziert man nicht die Erbinformation selber, die DNA, sondern die Messenger-RNA, also die Arbeitskopien der Gene, und zwar sämtlicher aktiven Gene aller Bakterienarten der Periodontaltasche. Diese rund zehn Millionen aktiven Gene wurden anschließend mit bioinformatischen Methoden analysiert. „Entscheidend war dabei, dass wir die Genexpression in Bakteriengemeinschaften von Menschen mit Parodontitis mit derjenigen von gesunden Probanden verglichen haben“, sagt Wagner-Döbler.

• Dadurch konnten die Wissenschaftler zeigen, dass ein typischer Bewohner der Zahntasche, das Bakterium Prevotella nigrescens, seine Rolle verändert, je nachdem ob eine Paradontitis vorliegt oder nicht. „Sobald eine Parodontitis vorliegt, verwandelt sich das normalerweise harmlose P. nigrescens in ein sogenanntes „accessory pathogen“ und greift den Wirt an, genau wie die bereits bekannten Pathogene“, sagt Wagner-Döbler. 

Die Erkrankung wird dadurch weiter verschlimmert und lässt sich schwerer bekämpfen.

„Ging man bisher davon aus, dass man nur die Leitkeime der Infektion ausschalten muss, um die Krankheit zu besiegen, so deuten unsere Ergebnisse darauf hin, dass das nicht ausreichend sein wird“, sagt Wagner-Döbler.

Eine weitere neue Erkenntnis betrifft die Rolle des oralen Bakteriums Fusobacterium nucleatum, das häufig in Zahntaschen vorkommt.

• Man hatte vermutet, dass F. nucleatum in einer entzündeten Zahntasche giftige Buttersäure produziert und dadurch zur Parodontitis beiträgt. 

Die Analyse der Genexpression zeigte aber, dass F. nucleatum immer Buttersäure produziert, bei Gesunden ebenso wie bei Kranken.

Bei Kranken tragen allerdings noch eine Reihe anderer Bakterienarten zur Butyratproduktion bei und diese Bakterienart nutzt noch weitere biochemische Stoffwechselwege dafür.

„Auch an diesem wichtigen Prozess sind unseren Ergebnissen zufolge gleich eine ganze Reihe von Bakterien beteiligt, die bisher nicht damit in Verbindung standen“, sagt Wagner-Döbler.

• Darüber hinaus gelang es den Forschern, Biomarker für Parodontitis zu identifizieren. Biomarker sind charakteristische biologische Merkmale, die objektiv gemessen werden können und auf einen normalen oder krankhaften Prozess im Körper hinweisen. 

„Wir haben drei Gene gefunden, die regelmäßig eine besonders hohe Genexpression zeigten, wenn Patienten an Parodontitis erkrankt waren“, sagt Wagner-Döbler. Diese drei Biomarker könnten nun in einer großen Patienten-Kohorte validiert werden und im Endeffekt ermöglichen, Parodontitis in einem frühen Stadium zu diagnostizieren, so dass eine Therapie sehr viel erfolgreicher wird. Die Forscher haben also zu einem grundsätzlich neuen Verständnis einer polymikrobiellen Biofilmerkrankung beigetragen und einen wesentlichen Schritt hin zu einer früheren Diagnose gemacht.

Originalpublikation:

Szymon P Szafrański , Zhi-Luo Deng, Jürgen Tomasch, Michael Jarek, Sabin Bhuju, Christa Meisinger, Jan Kühnisch , Helena Sztajer, Irene Wagner-Döbler. Functional biomarkers for chronic periodontitis and insights into the roles of Prevotella nigrescens and Fusobacterium nucleatum; a metatranscriptome Analysis. Biofilm and Microbiomes. 2015 Sep 23. 1:15017. DOI 10.1038/npjbiofilms.2015.17

Das Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung:
Am Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung (HZI) untersuchen Wissenschaftler die Mechanismen von Infektionen und ihrer Abwehr. Was Bakterien oder Viren zu Krankheitserregern macht: Das zu verstehen soll den Schlüssel zur Entwicklung neuer Medikamente und Impfstoffe liefern. An seinem Standort in Braunschweig-Stöckheim blickt das Zentrum auf eine jahrzehntelange Historie zurück. Bereits 1965 begannen hier die ersten Arbeiten; 2015 feiert das HZI 50-jähriges Jubiläum. http://www.helmholtz-hzi.de

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ICOS - Diagnostischen Marker für Sarkoidose

Medizin am Abend Berlin Fazit:      Zünglein an der Waage bei Sarkoidose-Patienten entdeckt

HZI-Forscher machen wichtige Entdeckung für Prognose und Therapie von Sarkoidose

In Deutschland leben etwa 32.000 bis 40.000 Menschen mit einer Sarkoidose. 

Diese Erkrankung macht sich meist durch knotenförmige Gewebeveränderungen bemerkbar und betrifft vor allem die Lungen. 

Mediziner unterscheiden zwischen akuter oder chronischer Sarkoidose, die Ursache ist jedoch in beiden Fällen ungeklärt. 
 
Wissenschaftler des Helmholtz-Zentrums für Infektionsforschung (HZI) in Braunschweig haben nun ein Molekül identifiziert, das darüber Auskunft gibt, welche der beiden Krankheitsverläufe wahrscheinlich ist und das darüber hinaus therapeutisches Potential besitzt. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler im Journal „Clinical and Experimental Immunology“. 



 Röntgenaufnahmen der Lunge eines Sarkoidose-Patienten. HZI


Sarkoidose ist eine entzündliche Erkrankung, die in zwei Formen auftreten kann. 

• Die chronische Sarkoidose ist mit etwa 95 Prozent die häufigere. Rund die Hälfte aller Fälle bleibt symptomfrei.

•  Die akute Sarkoidose, das sogenannte Löfgren-Syndrom, tritt sehr plötzlich auf und macht sich unter anderem durch Hautveränderungen und Lymphknotenschwellungen bemerkbar. Was die Erkrankung verursacht, ist bisher unbekannt.

„Wir wissen aber seit mehreren Jahren, dass Patienten eine reduzierte Anzahl regulatorischer T-Zellen und eine vergleichsweise hohe Anzahl aktivierter T-Helferzellen in der Lunge aufweisen“, sagt Prof. Dunja Bruder, Leiterin der Arbeitsgruppe „Immunregulation“ am HZI und Professorin für Infektionsimmunologie an der Otto-von-Guericke-Universität in Magdeburg. „Auf diese Erkenntnis haben wir uns bei der Suche nach einem prognostischen Marker gestützt.“

• T-Zellen übernehmen im Immunsystem verschiedene Funktionen bei der Erkennung und Abwehr von Eindringlingen.

• Während die sogenannten regulatorischen T-Zellen verhindern, dass versehentlich intaktes körpereigenes Gewebe angegriffen wird, unterstützen T-Helferzellen hingegen die Funktion anderer Abwehrzellen.

Gemeinsam mit dem Team von Prof. Jan Wahlström, ebenfalls Letztautor der Studie, vom Karolinska Institut in Stockholm, Schweden, analysierten Bruder und ihr Team die Ausprägung des eng mit der T-Zellfunktion in Verbindung stehenden Moleküls ICOS bei Sarkoidose-Patienten. ICOS verstärkt die Wirkung von regulatorischen T-Zellen und die Forscher können diesen Zelltyp daran erkennen. „Wir konnten zeigen, dass die Anzahl von ICOS-Molekülen auf den regulatorischen T-Zellen insbesondere bei Patienten mit Löfgren-Syndrom in der erkrankten Lunge stark erhöht war“, sagt Dr. Priya Sakthivel, Erstautorin der Studie und Wissenschaftlerin in der Arbeitsgruppe von Bruder am HZI. „Im Blut der Patienten hingegen war das Level identisch mit dem von gesunden Menschen.“

• Eine besonders hohe Konzentration von ICOS auf regulatorischen T-Zellen deutet also zum einen auf einen akuten Sarkoidose-Verlauf hin und könnte darüber hinaus sogar im ursächlichen Zusammenhang damit stehen, dass sich die Krankheitszeichen bei Patienten mit Löfgren-Syndrom auch ohne Behandlung wieder zurückbilden.  

„Wir haben damit erstmals einen diagnostischen Marker für Sarkoidose gefunden“, sagt Bruder. „Ein erster Schritt, um mehr über die Krankheit und ihre Ausprägung zu erfahren.“

Zumal ICOS auch noch in anderer Hinsicht von Interesse ist: „In einer früheren Studie mit Influenza-Viren haben wir gezeigt, dass ICOS von außen gezielt aktiviert und so der Verlauf der Infektion abgemildert werden kann. Durch gezielte therapeutische Manipulation können T-Zellen, die das Molekül tragen, neue Funktionen erlangen und eine völlig neue Wirkung auf seine Umgebung entfalten“, sagt Sakthivel. Dadurch wird ICOS auch für therapeutische Zwecke interessant.

Dank gezielter Aktivierung des Moleküls könnte sich die Wirkung regulatorischer T-Zellen beeinflussen lassen und damit auch der Verlauf der Sarkoidose-Erkrankung.

Originalpublikation:
Priya Sakthivel1,Johan Grunewald, Anders Eklund, Dunja Bruder andJan Wahlström
Pulmonary sarcoidosis is associated with high-level ICOS expression on lung regulatory T cells - possible implications for the ICOS/ICOS-L axis in disease course and resolution
Clinical & Experimental Immunology, DOI: 10.1111/cei.12715

Das Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung:

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http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/cei.12715/abstract - Link zur Originalpublikation