Frischmann, Ursula

Greweling, Marina

Gruber, Achim

Lengeling, Andreas

Mateika, Silke

Müller, Werner

Pasche, Bastian

German

Edinburgh Research Explorer

     Edinburgh Research Explorer                                      Analyse von Wirt-Pathogen Interaktionen in MausmodellenCitation for published version:Pasche, B, Frischmann, U, Greweling, M, Mateika, S, Gruber, A, Lengeling, A & Müller, W 2007, 'Analysevon Wirt-Pathogen Interaktionen in Mausmodellen' GenomXPress, Bd 4/07, S. 17-19.Link:Link to publication record in Edinburgh Research ExplorerDocument Version:Preprint (usually an early version)Published In:GenomXPressGeneral rightsCopyright for the publications made accessible via the Edinburgh Research Explorer is retained by the author(s)and / or other copyright owners and it is a condition of accessing these publications that users recognise andabide by the legal requirements associated with these rights.Take down policyThe University of Edinburgh has made every reasonable effort to ensure that Edinburgh Research Explorercontent complies with UK legislation. 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Im Folgenden wird beschrieben, wie dieInfrastruktur der ICP aufgebaut ist und welchewissenschaftlichen Fragestellungen mit Hilfedieser in Europa einzigartigen Infrastruktur be-antwortet werden können.Infektionskrankheiten haben unsere Weltmehr beeinflusst, als wir auf den ersten Blickwahrnehmen. Durch die Entdeckung neuer Kul-turen durch Europäer wurde zum Teil die einhei-mische Bevölkerung durch die mitgebrachtenInfektionskrankheiten regelgerecht ausgerottet.Große Epidemien, wie zum Beispiel Influenzaoder die Pest, haben bis zu einem Drittel derBevölkerung in Europa ausgelöscht. Auch heutebeeinflussen Infektionskrankheiten unser Lebenund sind für mehr als ein Viertel aller Todesfälleweltweit verantwortlich. Die Interaktion zwi-schen Erreger und Wirt führt über lange Zeit zurSelektion von genetischen Merkmalen, die nochheute in unseren Genomen nachweisbar sind.Um Ursachen und Pathogenese von Infekti-onskrankheiten besser untersuchen zu können,haben sich Tiermodelle bewährt. Insbesondere inder Maus konnten in der Vergangenheit Mecha-nismen aufgeklärt werden, die in der Folge auchin der Humanmedizin Einzug fanden und so Fort-schritte in Diagnostik, Behandlung und Präven-tion ermöglichten.Die „Infection Challenge Platform“ (ICP) in BraunschweigIn der ICP werden gezielt Wechselwirkungenzwischen Erreger und Wirt untersucht. Für dieFunktionalität der ICP ist es von großer Bedeu-tung, dass möglichst gleiche Bedingungen vonExperiment zu Experiment sichergestellt werden.Nur so ist es möglich, die Ergebnisse von ver-schiedenen Experimenten miteinander zu verglei-chen. Besonders wichtig für die Analyse vonImmunfunktionen ist ein sehr hoher Hygienesta-tus in der Tierhaltung. Um den Einfluss von nichterwünschen Erregern zu minimieren, werden alleTiere in individuell belüfteten Käfigen gehalten,die ausschließlich unter speziellen Sterilbänkengeöffnet werden dürfen. Der Hygienestatus wirdregelmäßig durch interne und externe Kontrollengemäß internationalen Vorgaben (Federation ofEuropean Laboratory Animal Science Associati-ons; FELASA, http://www.felasa.eu/) überprüft.Der Zutritt zur ICP ist streng reglementiert underfolgt durch eine Luftdusche, in der jede Persondurch ein starkes Gebläse von kleinsten Partikelnbefreit wird. Anschließend muss noch Schutzklei-dung inklusive Kopfhaube und Mundschutz ange-legt werden. Auf diese Weise konnte der Hygie-nestatus der Tierhaltung über die letzten fünfJahre aufrechterhalten werden. Ein ebenso wich-tiger Faktor in der ICP ist die native Keimbesied-lung des Wirtes, insbesondere im Darmtrakt. DieFlora des Darms ist von entscheidender Bedeu-tung für die Entwicklung von Infektionskrankhei-ten. Wir arbeiten daher mit einer genau definier-ten Darmflora (der so genannten modifiziertenSchaedler-Flora), um den Einfluss von Mikroorga-nismen auf die Experimente zu reduzieren. Einweiterer wichtiger Faktor ist die genaue Festle-gung der Durchführung der Experimente. Wirhaben sogenannte „Standardized Operating Pro-cedures“ (SOPs) entwickelt und als ValidierungPhänotypisierungsdaten von vier häufig verwen-deten Maus-Inzuchtlinien aufgenommen (sieheAnalyse von Wirt-Pathogen Interaktionen in MausmodellenDie Infektionschallenge Plattform am Helmholtz-Zentrum für InfektionsforschungBastian Pasche, Ursula Frischmann, Marina Greweling, Silke Mateika, Achim D. Gruber, Andreas Lengeling und Werner MüllerAbb. 1: Schematische Darstellung der Infektions-Challenge Plattform. In der ICP können Mäuse verschiedener Herkunftphänotypisiert werden. Bei der Sanierung per Embryotransfer wird eine definierte Darmflora generiert. Die eigentlichePhänotypisierung findet in drei Stufen statt. Die primären Screens sind blutbasierende Untersuchungen, mit den erweiter-ten primären Screens kann die Immunreaktion von Makrophagen näher untersucht werden. In den sekundären Screenswird schließlich der Verlauf von in vivo Infektionen genauer analysiert. Dazu werden die Tiere mit den verschiedenenPathogenen infiziert und der Krankheitsverlauf mit verschiedenen Methoden aufgenommen und ausgewertet.ForschungGenomXPress 4/0718Infobox). Diese Datenbasis ist unsere Grundla-ge für die Analyse von Mausmutanten und er-laubt uns, außergewöhnliche Resistenzen oderEmpfindlichkeiten gegenüber Infektionserre-gern sicher zu entdecken.Um die Verbindung von genetischen Fakto-ren und der Ausprägung der Immunantwort zuanalysieren, gehen wir in der ICP zwei Wege.Vom Genotyp zum PhänotypDie vielfältigen Möglichkeiten, das Genomder Maus zu manipulieren, machen es möglich,die Funktion einzelner Gene aufzuklären. Ein klas-sischer Weg ist es, gezielt ein bestimmtes Gen inder Maus auszuschalten und die neu erhalteneMausmutante anschließend genau zu untersu-chen (zu phänotypisieren). Diese „Knockout“-Mäuse können beispielsweise in ihrer Empfind-lichkeit gegenüber Pathogenen verändert seinoder eine abweichende Immunreaktion nachInfektion zeigen. Man kann auf diese Weise fest-stellen, welche Gene beim Infektionsgescheheneine wichtige Rolle spielen. Mit Hilfe sogenannter„konditionaler Knockout“-Mäuse können Genesogar nur in bestimmten Zellen, beispielsweise T-Zellen oder Makrophagen, ausgeschaltet werden,während andere Körperzellen der Maus genetischunverändert bleiben. Damit kann nicht nur dieRolle des entsprechenden Gens, sondern darüberhinaus auch der beteiligte Zelltyp näher unter-sucht werden.Doch nicht nur die phänotypische Analyseeiner gezielt generierten Mausmutante ist mög-lich, auch der umgekehrte Weg vom Phänotypzum Genotyp wird in der ICP beschritten.Vom Phänotyp zum GenotypDie Analyse von Inzuchtstämmen zeigt, dasszwischen einzelnen Mausinzuchtstämmen oftgroße Unterschiede in der Infektionsempfindlich-keit bestehen. Diese Unterschiede kann man nut-zen, um die genetische Ursache dafür zu finden.Durch Rückkreuzungen und die damit verbunde-nen Rekombinationsereignisse, aber auch durchNutzung von bereits etablierten „RekombinantenInzuchtstämmen“ ist es möglich, sogenannte„Quantitative Trait Loci“ (QTL) zu identifizieren.Das sind chromosomale Regionen, die mit hoherstatistischer Wahrscheinlichkeit mit einer be-stimmten Merkmalsausbildung assoziiert sind.Mit Hilfe einer Feinkartierung kann mananschließend herausfinden, welche Gene inner-halb des QTLs für die Merkmalsausbildung ver-antwortlich sind und beispielsweise die Abwehrvon Infektionen steuern können. In der Regel sindmehrere QTL an der Ausprägung einer In-fektionsempfindlichkeit beteiligt. Hier bietet dieMaus als Tiermodell mit ihrer gut etabliertenGenetik viele Möglichkeiten, die Genvarianten zuidentifizieren, die diesen QTLs zugrunde liegen.Zum Beispiel können speziell gezüchtete „Re-kombinante Inzuchtstämme“ verwendet werden,die in ihrem Genom mosaikartig verstreut kleineAnteile der resistenten und empfindlichen Eltern-stämme tragen. Die Feinkartierung dieser geneti-schen Mosaike zusammen mit der Korrelationzum Phänotyp erlaubt es, die Mechanismen kom-plexer Vererbung aufzuschlüsseln. Diese Arbeitensind sehr wichtig, da sie nicht so leicht in hetero-genen, menschlichen Populationen zu bewerk-stelligen sind. Sehr wohl beruhen aber die meistenmultifaktorellen Erkrankungen des Menschen aufder Kombination gerader solcher krankheitsprä-disponierender Genvarianten. Dieses gilt insbe-sondere auch für Infektionserkrankungen, wodurch Interaktion von Umweltfaktoren mit gene-tischen Faktoren das individuelle Krankheitsrisikobestimmt oder über die Schwere eines Krank-heitsverlaufs entschieden wird.Männliche und Weibliche Mäuse unterscheiden sichBei der Erhebung von Basisdaten in ver-schiedenen Mausinzuchtstämmen beobachtetenwir große Unterschiede zwischen männlichen undweiblichen Mäusen. Interessanterweise sindweibliche Mäuse in Infektionen mit dem intrazel-lulären Erreger Listeria monocytogenes viel stär-ker betroffen als männliche Mäuse (Pasche et al.,2005). Weibchen verschiedener Mausinzucht-stämme zeigen nach Infektion höhere Keimbela-stungen in betroffenen Organen und stärkerehistopathologische Veränderungen im Vergleichzu den Männchen. Dies geht einher mit Verände-rungen in der Anzahl und Zusammensetzung vonLymphozyten im peripheren Blut. So entwickelnweibliche Mäuse nach Infektion eine stärkereLymphopenie (Mangel an Lymphozyten in Blut) alsdie Männchen. Überraschenderweise zeigen dieWeibchen nach Infektion auch höhere Serumkon-zentrationen des anti-inflammatorisch wirkendenZytokins Interleukin-10. Durch seine immunsup-primierende Wirkung scheint dieses Zytokin ge-schlechtsspezifisch die mit der Infektion einher-gehenden Entzündungsreaktionen zu unter-drücken (Pasche et al., 2005). Folglich können dieWeibchen den Erreger nicht so gut eliminieren wiedie Männchen. Dieser Befund in der Maus kannAbb. 2: Charakterisierung der verwendeten bakteriellen Erreger. Die zurzeit in der ICP verwendeten Bakterienunterscheiden sich in verschiedenen Eigenschaften voneinander. Dadurch deckt die Phänotypisierung ein breitesSpektrum von Immunreaktionen ab. Jede Kurzbeschreibung eines Erregers wird durch eine elektronen-mikrosko-pische Aufnahme sowie einen typischen pathologischen Befund nach der entsprechenden Mausinfektion ergänzt.Forschung 19GenomXPress 4/07auch eine Bedeutung für humane Infektionser-krankungen haben.Auch hier gibt es Beispiele fürgeschlechtsspezifische Unterschiede in der Präva-lenz einiger Infektionserkrankungen.Infektion in der Maus, möglichst nah an der Infektion beim MenschenWir sind zunächst an den grundlegendenMechanismen der Infektabwehr interessiert undkönnen in der Maus sowohl die Antigenunab-hängige Infektabwehr, z. B. durch Makrophagen,Neutrophile oder Granulozyten, als auch die Anti-gen-abhängige Immunantwort, getragen von B-und T-Lymphozyten, untersuchen. Die von unsgewählten Infektionsmodelle erlauben die Analy-se beider Typen der Immunabwehr.Die Erreger, die für uns Menschen relevantsind, sind in der Regel jedoch andere als die Erre-ger, die eine Maus natürlicherweise infizieren kön-nen. Manche dieser Erreger können auf Grundspezifischer Infektionswege und der dabei ver-wendeten Adaptermoleküle die Maus nicht infi-zieren. In der ICP ist uns aber daran gelegen Infek-tionsmodelle aufzubauen, die auch für den Men-schen von Bedeutung sind.Aus diesem Grund ver-folgen wir drei verschiedene Strategien: (1) dieVerwendung von Mauspathogenen, die in derMaus ein vergleichbares Krankheitsbild hervorru-fen wie das entsprechende Humanpathogen beimMenschen, (2) die Maus-Adaption humaner Erre-ger sowie (3) die Humanisierung von Mäusen, sodass die Verwendung von Humanpathogenen indiesem Tiermodell möglich wird.So verwenden wir z. B. als parasitären Erre-ger den mauspathogenen Nematoden Trichurismuris. Beim Menschen gibt es eine weit verbrei-tete Erregergruppe, die in ihrer Biologie diesemMaus-Erreger sehr ähnlich ist. Die Untersuchungdes Infektionsverlaufes in der Maus gibt uns somitHinweise auf die Wirkung der entsprechendenErreger auf den Menschen. Eine andere Strategiehaben wir bei Listerien verfolgt. Eine Infektion derMaus auf der natürlichen Infektionsroute, nämlichoral, ist nicht möglich, da das AdaptermolekülInternalin-A der Listerien nicht an das Zielmolekülder Maus, das E-Cadherin, binden kann. Daherwurde das Internalin-A-Molekül in einer Weiseverändert, die eine hochaffine Bindung an dasmurine E-Cadherin zulässt. Dies ermöglicht esjetzt, den natürlichen Infektionsweg der Listerienin der Maus im Detail zu untersuchen (Wollert etal., 2007).Schließlich kann die Maus so verändert wer-den, dass sie empfindlich wird für Erreger desMenschen. Dieser experimentelle Ansatz stehtmomentan noch am Anfang seiner Entwicklung.Ziel dieser Humanisierung ist es unter anderem,dass schwer therapierbare virale Infektionen desMenschen in der Maus studiert werden können.Diese Experimente finden am HZI als Teil der vonder Bill und Melinda Gates-Stiftung ins Lebengerufenen „Grand Challenge“-Initiative statt(siehe Infobox).AusblickDie ICP ist durch substantielle Unterstützungdes Nationalen Genomforschungsnetzes zur zen-tralen Forschungsstation am Helmholtz-Zentrumfür Infektionsforschung geworden. Das spezielleDesign dieser Phänotypisierungsplattform und dieunterschiedlichen, mit der ICP verbundenen Tech-nologien (siehe Abbildung 1) erlauben die detail-lierte Analyse von Infektionen in der Maus. MitHilfe verschiedener experimenteller Tools wird esin Zukunft möglich werden, Infektionserkrankun-gen des Menschen noch besser in der Maus nach-zubilden. Zurzeit sind in der ICP Experimente biszur Sicherheitsstufe 2 möglich, es ist aber bereitsein weiteres Tierhaus im Bau, das auch Infekti-onsexperimente bis zur Sicherheitsstufe 3 zulas-sen wird. Diese neue Einheit wird in der Zukunftsehr wichtig sein, um auch Erkrankungsmecha-nismen von kritischen humanen Infektionserre-gern in geeigneten Mausmodellen zu untersu-chen (z.B. hochpathogene Influenza Viren). Mitder bisher geschaffenen speziellen Infrastrukurund den geplanten Erweiterungen ist die ICP zueiner sehr wichtigen Außenstation der GermanMouse Clinic geworden. Hier können, in Koope-rationen mit Partnern aus dem NGFN, Mechanis-men zum Verständnis von Immunität und Errege-rabwehr studiert werden.DanksagungUnser spezieller Dank gilt Dr. Dave Monnerund allen Tierpflegerinnen und Tierpflegern desHZI, ohne die der Betrieb der ICP nicht möglichwäre. Besonderer Dank gebührt auch Dr. AngelaSchippers für die Unterstützung bei Mausphäno-typisierungen. Dr. Valérie Gailus-Durner und Prof.Dr. Martin Hrabé de Angelis danken wir für dieUnterstützung des Projekts im Rahmen desNGFN.Referenzen1.Gailus-Durner, V., Fuchs, H., Brielmeier, M., Calzada-Wack, J., Elvert, R., Ehrhardt, N., Dalke, C., Franz, T.J.,Grundner-Culemann, E., Hammelbacher, S., Hölter, S.M.,Horsch, M., Javaheri, A., Kalaydjiev, S., Klempt, M., Kun-der, S., Lengger, C., Lisse, T., Mijalski, T., Naton, B.,Pedersen, V., Prehn, C., Racz, I., Reinhard, C., Reitmeir,P., Schneider, I., Steinkamp, R., Zybill, C., Adamski, J.,Beckers, J., Behrendt, H., Favor, J., Graw, J., Heldmaier,G., Höfler, H., Ivandic, B., Katus, H., Kirchhof, P., Klin-genspor, M., Klopstock, T., Lengeling, A., Müller, W.,Ohl, F., Ollert, M., Quintanilla-Fend, L., Schmidt, J.,Schulz, H., Wolf, E., Wurst, W., Zimmer, A., Busch, D.H.and Hrabé de Angelis, M. (2005): Introducing the Ger-man Mouse Clinic: Open access platform for standardi-zed phenotyping. Nat. Methods 2: 403-404.2.Pasche, B., Kalaydjiev, S., Franz, T.J., Kremmer, E., Gai-lus-Durner, V., Fuchs, H., Hrabé de Angelis, M., Lenge-ling, A. and Busch, D.H. (2005): Sex dependent suscepti-bility pattern to Listeria monocytogenes infection ismediated by differential IL-10 production. Infect.Immun. 73: 5952-5960.3.Wollert, T., Pasche, B., Rochon, M., Deppenmeier, S.,van den Heuvel, J., Gruber, A.D. Heinz, D.W., Lengeling,A. and Schubert, W.-D. (2007): Extending the hostrange of Listeria monocytogenes by rational proteindesign. Cell 129: 891-902.Kontakt:Dr. Bastian PascheHelmholtz-Zentrum für Infektionsforschung,BraunschweigAG Infektionsgenetik, Abteilung für Experimentelle MausgenetikE-Mail: bastian.pasche@helmholtz-hzi.deInfo-Box mit Internet-LinksAssoziierte Projekte der ICP:German Mouse Clinic: www.mouseclinic.deMUGEN (Network of Excellence inMouse Immunology):www.mugen-noe.org/EUMORPHIA: www.eumorphia.orgEUMODIC: www.eumodic.euPhänotyp-Datenbanken & SOPs:EMPReSS: empress.har.mrc.ac.ukEurophenome:www.europhenome.orgInterphenome:www.interphenome.orgHumanisierungsprojekte:Grand Challenges in Global Health:www.gcgh.org/Projects/CreateNewVac-cines/TestsForVaccineEvaluation/

Analyse von Wirt-Pathogen Interaktionen in Mausmodellen

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