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Aspergillus fumigatus (A. fumigatus) ist der häufigste Erreger der invasiven Aspergillose, welche vornehmlich immunsupprimierte Patientinnen und Patienten betrifft und mit einer hohen Letalität einhergeht. Zur Entwicklung neuer diagnostischer sowie therapeutischer Ansätze ist ein besseres Verständnis der Interaktion von A. fumigatus mit dem humanen Immunsystem zwingend erforderlich. Zur Erforschung dieser Interaktion werden häufig Mausmodelle herangezogen, welche aufgrund der unterschiedlichen Biologie des Wirts jedoch nicht direkt übertragbar sind. Ziel dieser Studie war es, einen funktionellen in vitro Vergleich zwischen humanen und murinen Makrophagen, neutrophilen Granulozyten (PMNs) und dendritischen Zellen (DCs) in ihrer Interaktion mit A. fumigatus Konidien, Keimschläuchen sowie depletiertem Zymosan zu erstellen, um eine bessere Beurteilung und Übertragbarkeit des Mausmodells bei der invasiven Aspergillose zu ermöglichen. Dabei wurden die verschiedenen Zellen des Immunsystems auf standardisierte und reproduzierbare Weise generiert und Stimulationsversuche durchgeführt.
Hierbei zeigten humane und murine Zellen in vitro eine unterschiedliche Antwort auf die Stimulation mit A. fumigatus: Murine Makrophagen und neutrophile Granulozyten zeigten im Vergleich zu den humanen Zellen eine stärkere primäre Immunantwort mit einer vermehrten Ausschüttung reaktiver Sauerstoffspezies (ROS). Humane DCs hingegen, welche als Bindeglied zwischen angeborenem und adaptivem Immunsystem fungieren, zeigten nach Stimulation mit A. fumigatus eine vermehrte Oberflächenexpression von Maturationsmarkern sowie eine höhere Phagozytoserate als die murinen DCs. Weiterhin konnte eine inverse Dectin-1-Expression auf humanen und murinen DCs nach Stimulation mit A. fumigatus nachgewiesen werden. Es konnte gezeigt werden, dass es für alle untersuchten Zelltypen Unterschiede zwischen humanen und murinen Zellen in der basalen und der Zytokinausschüttung nach Stimulation mit A. fumigatus gab.
In Zusammenschau der Ergebnisse dieser Arbeit zeigt das murine Immunsystem eine stärkere angeborene Immunantwort mit vermehrter ROS-Ausschüttung, jedoch auch eine anti-inflammatorische Zytokinantwort, um möglicherweise eine überschießende Inflammation zu verhindern. Dies könnte durch die stärkere Exposition der Maus gegenüber A. fumigatus durch den bodennahen Lebensraum sowie ihrer kurzen Lebensdauer bedingt sein. Im humanen System kommt hingegen der Aktivierung des adaptiven Immunsystems über die DCs eine übergeordnete Rolle zu. So zeigen beide Spezies distinkte Unterschiede in ihrer in vitro Immunantwort gegenüber A. fumigatus, welche bei der Übertragung von experimentellen Daten von der Maus auf den Menschen beachtet werden sollten.
Die invasive Aspergillose spielt in der modernen Medizin und speziell bei malignen Bluterkrankungen, die mit einer Immunsuppression des Patienten einhergehen, eine entscheidende Rolle. Die bisherigen Methoden erlauben eine Diagnose meist erst sehr spät oder liefern oft falsch-negative Ergebnisse. Bis zum heutigen Tag ist es nicht gelungen, ein standardisiertes Verfahren zur PCR-Diagnostik aus Blutproben zu etablieren.
In den der Arbeit zugrunde liegenden Versuchsreihen wurden verschiedene Ansätze an Mastermix im Monoplex- und Duplexformat zur Aspergillus fumigatus-Detektion in Humanserum getestet und optimiert. Es wurde versucht, eine Extraktionskontrolle mit Bacillus subtilis in die Probe zu integrieren, um so die Aussagekraft der extrahierten Probe zu evaluieren.
Dabei zeigte sich ein Elutionsvolumen von 35 µl am effizientesten. Der Cq-Wert war bei 35 µl Eluationsvolumen ca. einen Zyklus niedriger als bei 65 µl und 1,5-2 Zyklen niedriger als bei 100 µl. Bei den Versuchen im Monoplexformat konnte gezeigt werden, dass bei der Extraktion viel DNA in den Filtern zurückbleibt. Es wurden aus einer Serumextraktion zwei Eluate mit je 35 µl Elutionsvolumen erstellt und getestet. Hier zeigten sich in Abhängigkeit von der Menge der DNA teils hohe Cq-Werte im zweiten Eluat, bei einigen Proben aber sogar ein niedrigerer Cq-Wert im zweiten Eluat. Dies war sowohl für Aspergillus fumigatus als auch für Bacillus subtilis zu beobachten. Die Gründe für dieses Ergebnis könnten die längere Inkubationszeit und die zweite Zentrifugation des zweiten Eluats sein.
Die Extraktionseffizienz hatte bei der Aufbereitung mit dem QIAamp Ultrasens Kit (Qiagen) einen Faktor von im Mittel 2,7 bei Aspergillus fumigatus und von 4,7 bei Bacillus subtilis beim GEX-Mastermix. Beim Sso-Mastermix lag der Faktor für Aspergillus fumigatus im Mittel bei 4,4 und der für Bacillus subtilis bei 5,4.
Bei den Versuchen im Duplexformat wurden sowohl Aspergillus fumigatus als auch Bacillus subtilis in unterschiedlichen Konzentrationen in dieselbe Probe eingebracht. Hier zeigte sich, dass im Sso-Mastermix die Menge an Bacillus subtilis-DNA und an Aspergillus fumigatus-DNA einen deutlichen Einfluss auf die jeweiligen Cq-Werte und die Sensitivität haben. Zusätzlich zeigte der Sso-Mastermix immer ein positives Ergebnis für Bacillus subtilis zwischen 36-40 Zyklen. Beim GEX-Mastermix hatte die Menge an Bacillus subtilis-DNA ebenfalls einen deutlichen Einfluss auf die Cq-Werte und die Sensitivität für Aspergillus fumigatus. Die Cq-Werte für Aspergillus fumigatus erhöhten sich bei 10 Kopien mit 104 Kopien Bacillus subtilis um 6,1 Zyklen und bei 105 Kopien Bacillus subtilis um 10,6 Zyklen im GEX-Mastermix. Ein Einfluss auf die Cq-Werte für Bacillus subtilis konnte bei den Versuchen im Duplexformat mit GEX-Mastermix nicht verzeichnet werden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass eine Extraktionskontrolle mit Bacillus subtilis im Sso-Mastermix auf Grund der sich gegenseitig beeinflussenden Sonden und Primer sowie der DNA-Mengen an Aspergillus fumigatus und Bacillus subtilis nicht möglich ist, da keine Aussage über den Verlauf und die Effizienz der Extraktion getroffen werden könnte. Bei den Versuchen mit GEX-Mastermix konnte gezeigt werden, dass die Menge an eingegebener Bacillus subtilis-DNA einen entscheidenden Einfluss auf die Sensitivität für die Cq-Werte von Aspergillus fumigatus in niedriger Konzentration hat. Einen Einfluss auf die Cq-Werte für Bacillus subtilis wurde nicht detektiert. Eine Extraktionskontrolle mittels Bacillus subtilis wäre denkbar, wenn die Menge eingegebener Bacillus subtilis-DNA so reduziert werden könnte, dass stabile Cq-Werte für Bacillus subtilis erreicht würden, die dann aber keinen oder nur einen sehr geringen Einfluss auf die Sensitivität für Aspergillus fumigatus hätten.
Invasive Aspergillosen zählen auch heute noch zu den potentiell lebensbedrohlichen Infektionen, die gemeinsam mit anderen invasiven Pilzinfektionen für die hohe Mortalität bei immunsupprimierten Patienten verantwortlich sind (Lin et al. 2001). Die Entwicklung und Erforschung spezifischer diagnostischer Methoden und antimykotischer Medikamente konnten die Behandlungschancen einer IA zwar verbessern, bringen aber weiterhin keine befriedigenden Erfolge. So ist es dringend erforderlich, alternative Therapieoptionen zu erforschen und zu entwickeln. Da sich seit einigen Jahren das Augenmerk vermehrt in Richtung Immuntherapie konzentriert und diese Therapieform auch bei der Behandlung invasiver Aspergillosen Anwendung findet, wurden in diesem Zusammenhang die Immunmodulatoren Resiquimod und Alum auf ihre Wirkung auf dendritische Zellen bei einer Aspergillus-Infektion analysiert. Dendritische Zellen besitzen in der Immunabwehr gegen Aspergillus eine Schlüsselrolle, indem sie als Bindeglied zwischen adaptivem und angeborenem Immunsystem fungieren und somit essentiell für eine effektive T-Zell gesteuerte Immunantwort sind. Der mögliche Einfluss der beiden Modulatoren auf die Sekretion inflammatorischer Zytokine dendritischer Zellen wurde auf Protein-Ebene untersucht und die Modifikation der Expression bestimmter Oberflächenmarker als Reaktion auf Resiquimod analysiert. Es zeigte sich, dass das Adjuvans Alum dendritische Zellen in ihrer Immunantwort gegen Aspergillus nicht beeinflusst und zu keiner gesteigerten Sekretion inflammatorischer Zytokine führt. Aus diesem Grund wurde auf die Bestimmung des Expressionsmuster der Oberflächenmoleküle auf dendritischen Zellen in Abhängigkeit von Alum verzichtet. Hingegen konnte Resiquimod einen positiven Trend in der verstärkten Zytokinsekretion aufweisen. So ließ sich in Anwesenheit von Resiquimod eine verstärkte pro-inflammatorische Immunantwort gegen Aspergillus fumigatus erkennen. Dieser additive Effekt von R848 zeigte sich auch bei der Expression kostimulatorischer Moleküle dendritischer Zellen. Es zeigte sich eine gesteigerte Reifung pilzstimulierter dendritischer Zellen in Anwesenheit von Resiquimod durch Zunahme der Level von CD40, CD80 und CD86. In der Expression des Markers CD83 konnte keine einheitliche Aussage getroffen werden, da es spenderabhängig sowohl zu einer Zu-, als auch Abnahme der Fluoreszenzintensität von CD83 als Reaktion auf eine Ko-Stimulation mit Aspergillus und R848 kam. Es war festzustellen, dass die Zellen auf die eingesetzten Stimulantien stark spenderabhängig reagieren.
Auf Grundlage dieser Ergebnisse könnte sich ein möglicher Nutzen des Immunmodulators Resiquimod für die Therapie invasiver Aspergillosen ergeben. Gerade immunsupprimierte Patienten mit einer invasiven Aspergillose könnten von einer DC-basierten Immuntherapie in Verbindung mit Resiquimod profitieren.
Dies gilt es jedoch nur, wenn es durch weitere Analysen und Versuchsreihen bestätigt werden kann.
Der Schimmelpilz Aspergillus (A.) fumigatus stellt den häufigsten Erreger der invasiven Aspergillose (IA) dar, die vor allem bei immunsupprimierten Patienten auftritt. Unter den unspezifischen klinischen Symptomen dieser Erkrankung ist Fieber das häufigste. Dennoch wurden physiologische Aspekte wie eine erhöhte Körpertemperatur in Arbei-ten zur Interaktion menschlicher Immunzellen mit A. fumigatus bisher nicht berück-sichtigt. Zahlreiche Studien konnten den Einfluss einer erhöhten Temperatur auf den Verlauf von Infektionserkrankungen in vivo sowie auf die Funktionen verschiedener Immunzellen – einschließlich dendritischer Zellen (DCs) – in vitro zeigen. DCs spielen eine wichtige Rolle in der Immunabwehr gegenüber A. fumigatus, ihre besondere Be-deutung liegt in der Verknüpfung der angeborenen mit der erworben Immunantwort.
Ziel dieser Arbeit war die in vitro Analyse des Einflusses einer erhöhten Temperatur auf die Immunantwort humaner DCs gegenüber A. fumigatus. Dazu wurden DCs mit A. fumigatus oder Zymosan, einem ß-1,3-Glucan, bei Normo- (37 °C) und Hyperthermie (40 °C) für bis zu 24 h inkubiert und spezifische DC-Funktionen charakterisiert. Hierbei tolerierten DCs die Inkubation und Stimulation unter Hyperthermie ohne signifikanten Viabilitätsverlust. Die Zytokinexpression und -sekretion durch A. fumigatus-Stimulation wurde durch Hyperthermie nicht signifikant verändert. Die Fähigkeit zur Aufnahme von A. fumigatus-Konidien wurde durch eine kurzzeitige (1 h) Hyperthermie nicht beein-flusst, längerfristige (24 h) Hyperthermie reduzierte diese Fähigkeit jedoch signifikant. Ebenso bestand unter Hyperthermie eine verstärkte Expression von CD86 und HLA-DR auf unstimulierten DCs sowie von CD80, CD86 und HLA-DR auf stimulierten DCs.
Die reduzierte Aufnahmekapazität für A. fumigatus-Konidien und die verstärkte
Expression der kostimulatorischen Moleküle unter Hyperthermie zeigten, dass Hyper-thermie in vitro einen reiferen Phänotyp unstimulierter DCs bewirkt sowie die DC-Reifung durch A. fumigatus-Stimulation verstärken kann. Diese reiferen DCs könnten zu einer verbesserten T-Zell-Aktivierung und Abwehr von A. fumigatus und zu einem verbesserten Outcome der IA beitragen. Außerdem könnte Hyperthermie als Adjuvans zur in vitro Generierung A. fumigatus-spezifischer DCs eingesetzt werden.
Die Studie befasst sich mit der Untersuchung verschiedener Risikofaktoren auf ihren Zusammenhang mit der Entstehung der Invasiven Aspergillose bei Patienten nach HSCT. Diese Faktoren sind: Verabreichen einer GvHD-Prophylaxe, Gabe einer An-timykotischen Prophylaxe, bereits bestehende Vorerkrankungen, das noch nicht voll-ständig wiederhergestellte hämatologische System und die Durchführung der Stamm-zelltransplantation mit einer haploidenten Spende.
Die Daten von 72 Patienten wurden retrospektiv aus den Krankenakten erfasst. 33 von ihnen hatten eine haploidente Stammzellspende empfangen, bei der also nur die Hälfte der HLA-Merkmale mit denen des Empfängers übereinstimmten. Die anderen 39 Pati-enten erhielten eine identische Spende von einem Geschwister, bei der demzufolge die HLA-Merkmale mit denen des Empfängers komplett übereinstimmten. Mit Hilfe dieser Daten wurde die Verabreichung von Prophylaxen nachvollzogen, die Vorerkrankungen erfasst und kategorisiert, Zellzahlen und andere Blutwerte zu bestimmten Tagen zu-sammengetragen und notiert, ob die Diagnose IA nach den neuen EORTC Kriterien vorlag. Im Anschluss führte man verschiedene statistische Testverfahren zum Nachweis eines signifikanten Zusammenhangs mit der Entstehung der IA durch.
In der vorliegenden Arbeit konnte zwar nicht nachgewiesen werden, dass ein Zusam-menhang zwischen der Gabe der GvHD-Prophylaxe und der Entstehung der IA besteht, allerdings bleibt die Vermutung weiterhin bestehen und sollte durch künftige Studien untermauert werden. Gleiches gilt für die Antimykotische Prophylaxe, die Vorerkran-kungen und die haploidente allogene Stammzellspende. Auch der Einfluss der Wieder-herstellung des hämatologischen Systems auf die Entstehung der IA brachte -entgegen der Erwartungen- kein eindeutig signifikantes Ergebnis, mit Ausnahme einiger verein-zelter Werte bei verschiedenen Zellarten. Es bietet sich folglich auch hierbei ein mögli-cher Ansatz für künftige Studien. Es gingen jedoch auch signifikante Ergebnisse aus der vorliegenden Untersuchung hervor. So konnte gezeigt werden, dass es einen Zusam-menhang zwischen der Wiederherstellung des hämatologischen Systems (in Bezug auf die Thrombozyten) und der Art der Spende gibt. Letztlich sollte dies aber durch detail-lierte Untersuchungen untermauert werden.
Die invasive Aspergillose stellt eine ersthafte Erkrankung sowie auch eine signifikante Ursache von Morbidität und Mortalität bei verschiedenen Patientengruppen dar. Dabei tritt sie hauptsächlich durch den opportunistischen Pathogen Aspergillus fumigatus hervorgerufen mit einer Inzidenz von 4% bis 15% vorwiegend bei immunsupprimierten Patienten nach allogenen hämatopoetischer Stammzelltransplantationen (HSCT) oder Organtransplantationen auf und führt bei 40% bis 90% der Fälle zum Tod des Patienten. Die Behandlung dieser Hochrisikogruppe erfolgt bestenfalls mit Antimykotika prophylaktisch, denn eine schnelle sowie auch verlässliche Diagnose von invasiver Aspergillose läßt sich aufgrund der hohen zeitlichen Latenz des Pilzes und dem Defizit an Sensitivität bzw. Spezifität in vielen Fällen nicht ermitteln. Zusätzlich steigt die Zahl der Resistenzen von Aspergillus-Stämmen gegen die verschiedenen Antimykotika stetig an, so dass klinische und ökonomische Nebenwirkungen unvermeidbar sind. Als Alternative zur konventionellen Behandlung mit Azolen stellt eine Immuntherapie mittels Antigen-behandelten dendritischen Zellen (DCs) dar, welche durch Präsentation von Aspergillus fumigatus-Antigenepitopen eine spezifische ex vivo T-Zellenexpansion von allogenen CD8+CD3+ T-Zellen bewirken kann und damit ein schonenderes Mittel für den Patienten ist. Dazu wurden sieben verschiedene rekombinante Proteine aus A. fumigatus in dieser Arbeit charakterisiert und deren Potential ermittelt, bei DCs eine pro-inflammatische Immunantwort auszulösen. Es stellte sich heraus, dass sowohl die Ribonuklease Mitogillin (Aspf1) als auch die myceliale Katalase Cat1 in der Lage waren, den nukleären Faktor kappa B (NFκB) zu aktivieren und eine Translokation der Untereinheit p65 in den Nukleus zu induzieren, woraufhin Gene von pro-inflammatorischen Zytokine und Chemokine sowie auch von Aktivierungs- und Reifungsmarker der DCs exprimiert wurden. Im Gegensatz zum Aspf1, war es beim Cat1 zusätzlich auch möglich gewesen eine Verifizierung auf Proteinebene für segregierte Zytokine und Chemokine bzw. Oberflächenmarker zu erhalten. Darüber hinaus konnte festgestellt werden, dass die Zytotoxizität von Cat1 entsprechend der unbehandelten Zellen gewesen ist und dass es den Cat1-behandelten moDCs gelang nach der Aufnahme des Antigens und dessen Prozessierung durch die darauffolgende Präsentation der Proteinepitope über den MHC II Komplex eine ex vivo-Aktivierung von autologen zytotoxischen T-Zellen zu erreichen. Damit ist nun ein potentieller Kandidat für eine auf Immuneffektorzellen basierte Immuntherapie gegen invasive Aspergillose für immungeschwächte Patienten gefunden. Ergänzt wurde diese Arbeit mit der experimentellen Untersuchung von Hämostase während einer invasiven Aspergillose, da gehäuft pathologische Beobachtungen von lokalen Einblutungen bei Patienten mit pulmonaler Aspergillose verzeichnet wurden. Es stellte sich heraus, dass die durch Collagen induzierte Aggregation sich durch aktive Pilzmorphologien beeinträchtigen läßt, wohingegen die untersuchten Gerinnungsparameter nicht betroffen gewesen sind. Dies verdeutlicht neben der bereits bekannten Bedeutung der Thrombozyten als antimikrobielle Komponente im Blut nun auch ihrer Empfindlichkeit gegenüber sezernierten oder Zellwand-gebundenen Aspergillus fumigatus-Faktoren während der invasiven Aspergillose.
In unserer Studie sollte die Genauigkeit der PCR zur Bestimmung von Zytokinspiegeln ermittelt werden. Mittels Blutproben von mit A. Fumigatus infizierten Mäusen, sollte eine Aussage bezüglich der Immunantwort getroffen werden. Wir griffen TNFα, IL-12p40 und IL-10 heraus, um einschätzen zu können, ob die Immunantwort eher humoral oder zellvermittelt abläuft. Zur möglichen Bestimmung der Sensitivität und Genauigkeit, wurden die crossing points der Standardverdünnungsreihen jeweils einmal in einem Lauf dreifach, ausserdem jeweils in drei unabhängigen Läufen von einander einfach eingesetzt, und miteinander verglichen. Unsere Ergebnisse decken sich mit den Ergebnissen aktueller Literatur und Etablierungen anderer Zytokine. Die Etablierung des ELISAs sollte dem Vergleich zwischen mRNA-Ebene und Proteinebene dienen. Zur richtigen Einordnung unserer Arbeiten mit dem Immunoassay müssen die Limitierungen der Ergebnisse beachtet werden. Die Versuche zur Quantifizierung der mRNA murinen TNFαs aus den Versuchsserien misslang. Auch die erzielten Ergebnisse mit Protein-basierten Nachweisverfahren konnten letztendlich nicht suffizient beurteilt werden. Die großen Schwankungen in der Konzentration und die Widersprüchlichkeit im Vergleich der Ergebnisse aktueller Literatur, machen eine Verfälschung durch Kontamination mit Proteinen aus lysierten Zellen sehr wahrscheinlich. Die erzielten Ergebnisse der RT-PCR anhand der Inter- und Intra-Assay- Vergleiche jedoch können nachfolgenden Projekten dazu dienen, hauptsächlich das Instrument LightCycler in seiner Sensitivität und Genauigkeit einschätzen zu können, und so die ermittelten Daten besser verarbeiten zu können.
In der Hämatoonkologie nimmt die Inzidenz von Pilzinfektionen in den letzten 2 Jahrzehnten deutlich zu, wobei eine frühzeitige Diagnostik und adäquate Therapie hinsichtlich einer hohen Komplikationsrate wichtig ist. Umso deutlicher wird die Notwendigkeit einer Intensivierung und Verbesserung der Diagnostik, beispielsweise durch PCR. Es soll die Wertigkeit der routinemässigen PCR-Untersuchung als frühen Indikator einer Erkrankung in einer nicht durch Studiendiagnostik verfälschten klinischen Routine untersucht werden. Ein weiterer zentraler Punkt dieser Studie ist, ein Risikoprofil für neutropenische Patienten mit Chemotherapie bei Akuter Leukämie zu erstellen. Grundlegende Zusammenhänge zwischen individuellen wie auch generellen Risikofaktoren und Diagnosestellung einer IPI sollen durch die Untersuchung von 62 Patienten geklärt werden. Die PCR-Untersuchung ist ein schnelles und sensitives Verfahren zum Nachweis von Pilz-DNS. Es werden für die Sensitivität einer PCR, hinsichtlich der Diagnosestellung einer IPI im Zeitraum der Datenerhebung, ein Wert von 59,3 % und eine Spezifität von 71,4 % ermittelt. Betrachtet man den Zeitrahmen von 14 Tagen nach Beginn der Aplasie, so kann eine höhere Sensitivität von 72,7 % eruiert werden, wie auch ein hoher negativ prädiktiver Wert von 91,7. Eine invasive Mykose bei Patienten mit mehrfach negativem PCR-Nachweis kann somit als unwahrscheinlich angesehen werden. Besonderes Augenmerk wird in der Studie auch auf das Erstellen eines Risikoprofils für die Patienten hinsichtlich einer invasiven Mykose gelegt. In Hinblick auf die Chemotherapie-Protokolle und -Zyklen wird ein Trend zur frühen Chemotherapie deutlich. Bei der Überprüfung der epidemiologischen Verteilung für Deutschland kann erstmals eine signifikant unterschiedliche jahreszeitliche Verteilung an IPI nachgewiesen werden. So kommt es im Sommer signifikant seltener zu einer invasiven Mykose. Hingegen ist das Risiko der Krankheitsentstehung in den Monaten September, Oktober und November hochsignifikant gesteigert. Dieses sollte bei zukünftigen epidemiologischen Untersuchungen aber eventuell auch zur engmaschigen Diagnostik und Indikation prophylaktischer und empirischer Therapien berücksichtigt werden.