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© Peter Himsel / Die Junge Akademie

Die Wissenschaftshistorikerin Lara Keuck erforscht die Gültigkeit von wissenschaftlichen Ergebnissen in der Medizin: Welche Ansprüche stellen wir heute an biomedizinische Forschung? Wie haben sich diese verändert? Woher die Impfskepsis komme, sei rückblickend besser zu verstehen, sagt sie im „Ach, Mensch“-Podcast.

[39 min; deutsch]

 

Podcast vom 25. August 2021 © detektor.fm / Max-Planck-Gesellschaft

 

 

© shutterstock

Wenn wir uns nach dem Impfen krank fühlen, ist das eigentlich ein gutes Zeichen: Es zeigt, dass unser Immunsystem lernt. Wie genau so eine Immunreaktion abläuft, erklärt Thomas Boehm vom Max-Planck-Institut für Immunbiologie und Epigenetik anschaulich in diesem Podcast.

[13 min; deutsch]

Podcast vom 12. Februar 2021 © detektor.fm

 

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YouTube-Link: https://youtu.be/6sI9VlJqXaM

Das Neunauge ist ein Sonderfall unter den Wirbeltieren, denn es besitzt keine Thymusdrüse. Dort lernen die T-Zellen des Immunsystems normalerweise Krankheitserreger zu erkennen. Thomas Böhm möchte wissen, wie das Neunauge trotzdem mit Bakterien und Viren fertig wird. Mit diesem Wissen könnten eines Tages Immunerkrankungen besser behandelt werden.

[Dauer des Videos: 9 min]

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YouTube-Link: https://youtu.be/ucIEZjWXB2Y

Der Mensch verfügt wie alle Wirbeltiere über ein adaptives Immunsystem, das sich an neue Krankheitserreger anpassen kann. Die T-Zellen des Immunsystems kontrollieren unentwegt, ob Körperzellen mit einem Erreger infiziert sind. In der Thymusdrüse werden sie auf diese Aufgabe vorbereitet.

[Dauer des Videos: 3 min]

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Das Schema zeigt die Wirkungsweise eines mRNA-Impfstoffes.

© Thomas Splettstößer / CC BY-NC-SA 4.0

Symbolbild Covid-19 mRNA-Impfstoff

© istock / kovop58

Im Dezember 2019 wird Wuhan in der chinesischen Provinz Hubei zum Zentrum eines Ausbruchs von Lungenentzündungen unbekannter Ursache. Am 7. Januar 2020 isolieren chinesische Wissenschaftler ein neuartiges Coronavirus von Patienten aus Wuhan. Nur drei Tage später, am 10. Januar publiziert die Fudan Universität in Shanghai erste Gensequenzen des neuen Erregers auf der im Internet zugänglichen weltgrößten Viren-Gendatenbank GISAID (Global Initiative on Sharing All Influenza Data); weitere Sequenzierungen von anderen Wissenschaftlern folgen. Die Gensequenz des neuartigen Coronavirus (Sars-CoV-2) ermöglicht die schnelle Entwicklung entsprechender PCR-Diagnosetests. In Deutschland vermeldet die Charité bereits am 16. Januar 2020, dass das Team um den Virologen Christian Drosten den weltweit ersten Diagnostiktest entwickelt hat. Die Geschwindigkeit der Reaktion ist rasant – und kann doch die weltweite Ausbreitung des Virus nicht verhindern.

Mittlerweile befinden wir uns im Jahr zwei der Pandemie. Ende April 2021 zählte die Johns-Hopkins-Universität in den USA über 150 Millionen Infizierte und mehr als 3 Millionen Tote weltweit. Auch nach einem Jahr der Pandemie gibt es noch kein wirksames Medikament, um eine schwere Covid-19-Erkrankung zu behandeln. Antivirale Medikamente, die bei anderen Infektionen eingesetzt werden, wirken leider nicht oder nur unzureichend. Schon kleinste Unterschiede in Aufbau und Funktionsweise der Viren beeinflussen die Wirksamkeit von Medikamenten erheblich. Die Oberflächenstrukturen von Sars-CoV-2, aber auch die Prozesse, mit denen sich das Virus in der infizierten Zelle vermehrt, werden daher im Detail erforscht, um Angriffspunkte für mögliche Therapien zu finden. Eine Struktur haben die Forschenden dabei besonders im Blick: die sogenannten Spike-Proteine an der Oberfläche des Virus, etwa 20 bis 40 an der Zahl. Das Virus braucht diese Oberflächenproteine, um Zellen infizieren zu können. Dabei bindet das Spike-Protein an einen bestimmten Rezeptor menschlicher Zellen, den ACE-Rezeptor, worauf das Virus mit der Zellmembran verschmilzt und sein Erbgut in das Zellinnere entlässt. Um sich zu vermehren, muss SARS-CoV-2 nämlich – wie alle Viren – eine Wirtszelle kapern. Nur dort findet das Virus die Maschinen und Bausteine, mit denen es sein genetisches Material vervielfachen kann, bevor es weitere Zellen infiziert (siehe BIOMAX 27).

Komplexe Moleküle in 3D

Am Max-Planck-Institut für Biophysik in Frankfurt haben Martin Beck und Gerhard Hummer mit ihren Arbeitsgruppen die Struktur des Spike-Proteins genauer untersucht. Denn aus der reinen Sequenz des Virus und der daraus abgeleiteten Abfolge der Aminosäuren lassen sich nur bedingt Erkenntnisse über mögliche „Schwachstellen“ des Virus erlangen. Um sich ein Bild zu machen, nutzt das Team die Kryo-Elektronentomografie, ein bildgebendes Verfahren zur dreidimensionalen Darstellung zellulärer Strukturen. Aufgrund seiner exponierten Lage eignet sich das Spike-Protein besonders gut als potenzielles Antigen. Die Analysen des Max-Planck-Teams zeigen, dass Antikörper an den oberen Teil des Spike-Proteins gut binden und somit das Andocken des Virus an die Zellen im Körper verhindern können. Andere Stellen des Proteins hingegen sind durch Zuckerketten vor der Erkennung durch das Immunsystem geschützt (Abb. A).

Grafik Spike-Proteine auf der Oberfläche von Sars-CoV-2

Abb. A: Andockstellen des Virus: Vier Spike-Proteine auf der Oberfläche von Sars-CoV-2 (grün: Zuckerketten). Docken diese Proteine an ACE-Rezeptoren auf der Oberfläche von Körperzellen an, kann das Virus die Zellen infizieren.
© Sikora et al., MPI für Biophysik / CC BY-NC-SA 4.0

„Bei unseren Untersuchungen haben wir festgestellt, dass der Stiel, mit dem das Spike-Protein auf der Virusoberfläche verankert ist, drei Scharniere enthält, wodurch der Proteinkopf eine unerwartete Bewegungsfreiheit erhält“, erklärt Gerhard Hummer. „Wir vermuten, dass das dem Spike-Protein ermöglicht, die Oberfläche der Wirtszelle abzutasten, um in der optimalen Position an den Rezeptor andocken zu können.“ Das Spike-Protein hat aber noch eine weitere Aufgabe: Es befördert die Fusion der Membranen des Virus und der Zelle, um das virale Genom in das Innere der Zelle zu übertragen. „Bei diesem zweiten Schritt wandelt sich die Struktur des Proteins dramatisch – von einer sogenannten Präfusions– hin zu einer Postfusionskonformation. Erst durch diese Umwandlung kann die hohe energetische Barriere der Membranfusion überwunden werden“, betont Hummer.
Auch die neuen mRNA-Impfstoffe nutzen das Spike-Protein. Anders als die sogenannten Vektor-Impfstoffe übertragen sie jedoch nicht das virale Protein selbst, sondern lediglich die Bauanleitung dafür, und machen sich damit jenes System zunutze, das unsere Zellen zur Herstellung von Proteinen verwenden (siehe BIOMAX 25) : Auf der Grundlage von Informationen in unserer DNA stellen Zellen alle lebensnotwendigen Proteine her. Um die genetische Information jedoch verarbeiten zu können, nutzen sie die sogenannte Boten- oder mRNA (engl. „messenger“) als Transkript, also als Abschrift der ursprünglichen DNA-Sequenz. mRNA-Moleküle transportieren dann die Bauanleitung für das Protein, in diesem Fall das Spike-Protein, hin zu den Ribosomen im Cytoplasma der Zelle, wo sie in die entsprechende Aminosäuresequenz übersetzt wird. Weil künstlich hergestellte mRNA selbst immunogen ist, lösen mRNA-Impfstoffe eine besonders robuste Immunantwort aus, d.h. verschiedene Arten von Immunzellen werden aktiviert und tragen zur Immunreaktion bei. Dazu gehören sowohl Antikörper-produzierende B-Zellen als auch T-Zellen, die die infizierten Zellen abtöten (Abb. B).
Die Impfstoffe sollten besonders wirksam sein, wenn die von ihnen induzierten Antikörper bei einer Infektion die Struktur des Spike-Proteins vor der Fusion der Membranen erkennen – dann können sie das Virus vor dem Eindringen in die Zelle attackieren und neutralisieren. „Deshalb haben Impfstoffentwickler wie BioNTech von Anfang an versucht, das Spike-Protein durch kleine Variationen in der mRNA in der Präfusionskonformation zu stabilisieren.“ erzählt Hummer. „Wichtige Hinweise dafür kamen aus der Strukturbiologie, die ja genau das gleiche Problem hat: eine möglichst stabile Struktur zu erzeugen, die der funktionalen Konformation entspricht.“

Grafik Wirkungsweise der mRNA-Impfstoffe

Abb. B: Wirkungsweise der mRNA-Impfstoffe
© Thomas Splettstößer / CC BY-NC-SA 4.0

Auf den Schultern von Riesen

Was heute so einfach und naheliegend erscheint, ist das Ergebnis jahrzehntelanger Grundlagenforschung, die nicht ohne Rückschläge verlief. Sie begann 1953 mit der Entdeckung der DNA-Doppelhelix. Danach zerbrachen sich die Forscher den Kopf, wie die genetische Information wohl in biologische Funktion umgesetzt wird? „Da die DNA sich im Zellkern befand und die Proteinsynthese außerhalb des Zellkerns, im Cytoplasma, stattzufinden schien, stellten wir uns vor, dass eine Kopie eines jeden aktiven Gens in das Cytoplasma geschickt werden musste. Da es hier jede Menge RNA, aber anscheinend keine DNA gab, nahmen wir an, die RNA sei dieser Bote,“ schrieb Francis Crick in seiner Autobiografie. Doch seine weiteren Schlussfolgerungen waren falsch, was u.a. daran lag, dass die Natur und Funktion von Ribosomen zu diesem Zeitpunkt noch nicht verstanden waren. Erst 1961 gelang u. a. Sydney Brenner, François Jacob und James Watson die Isolierung von mRNA und die Entwicklung eines theoretischen Konzepts. Die ersten, die die Funktion von mRNA nachweisen und im Weiteren den genetischen Code entschlüsseln konnten, waren schließlich zwei Forscher an den National Institutes of Health (NIH), Marshall Nirenberg und Heinrich Matthaei, der später Direktor am Max-Planck-Institut für experimentelle Medizin in Göttingen wurde. Die Entdeckung und Beschreibung der mRNA war somit das Produkt jahrelanger Arbeit der Science Community, die Beweise sammelten, um ein Problem zu lösen, das heute offensichtlich erscheint, aber zu der Zeit extrem schwierig war. Damit legten sie die Grundlagen für das heutige Verständnis und die weitreichenden Entwicklungen, die noch folgen sollten.

Eine körpereigene Medikamentenfabrik

mRNA könnte als Rezeptbuch für zigtausende von Proteinen dienen – daraus, so die Hoffnung, sollte sich doch ein therapeutischer Nutzen ziehen lassen: Indem man künstlich hergestellte mRNA präzise verändert und Menschen injiziert, könnte jede Zelle im Körper in eine Medikamentenfabrik auf Abruf verwandelt werden. Antigene, um gegen Infektionen zu impfen, Enzyme, um eine seltene Krankheit rückgängig zu machen, oder Wachstumsfaktoren, um beschädigtes Gewebe zu heilen. Den Grundstein für dieses Konzept legten 1990 der US-Amerikaner Jon Wolff von der Universität Wisconsin und seine Kollegen. Die Wissenschaftler injizierten nackte mRNA in Mäusemuskeln und konnten damit den Beweis für den direkten Gentransfer in vivo erbringen. Doch weitere Fortschritte ließen auf sich warten.
An der Pennsylvania State University träumte auch die ungarische Wissenschaftlerin Katalin Karikó von den scheinbar unendlichen Möglichkeiten maßgeschneiderter mRNA. Aber da Studien, die sich mit mRNA-basierten Therapeutika beschäftigten, wenig Aussicht auf Erfolg zu haben schienen, wurden sie in den Achtziger- und Neunzigerjahren kaum gefördert. Karikó musste kämpfen, um Gelder für ihre Forschung zu bekommen. Denn so einfach die Idee auch klingen mag, zwei große Herausforderungen mussten überwunden werden: erstens, die erfolgreiche Bereitstellung von mRNA. RNA ist äußerst instabil und wird von Enzymen (RNAsen) in der Umwelt und in unserem Körper leicht abgebaut. Und zweitens, die Verringerung der Immunantwort gegen die mRNA. So löst künstlich hergestellte mRNA, wenn sie in den Körper injiziert wird, eine Immunreaktion aus, infolgedessen sie zerkleinert und die Synthese der gewünschten Proteine stillgelegt wird.
Zusammen mit dem Immunologen Drew Weissman suchte Karikó nach einem Weg, um das zu verhindern. 2005 fanden sie die Lösung: Die injizierte mRNA aktiviert spezifische Rezeptoren auf den Immunzellen und löst so eine Immunantwort aus. Wird das physiologische Nukleosid Uridin durch Pseudouridin ersetzt, so bleibt die Immunantwort aufgrund einer veränderten Sekundärstruktur der mRNA aus. Das gewünschte Protein wird nun jedoch mit einer zehnmal höheren Rate produziert. Das war der Durchbruch! 2006 beantragte die Pennsylvania State University für RNA-Moleküle mit modifizierten Nukleosiden das Patent. Es ist dieses Patent, für das BioNTech und Moderna später die Lizenz erhielten. Indem sie Uridin durch zum Beispiel 2-Thio-Uridin ersetzten, konnten die Hersteller erreichen, dass zum einen nach wie vor signifikante Mengen des kodierten Proteins produziert werden, die mRNA aber gleichzeitig noch eine, wenn auch abgeschwächte Immunreaktion, insbesondere eine T-Zell-Antwort auslöst.

Auf die Verpackung kommt es an

Wie aber schleust man nun diese modifizierte RNA erfolgreich in die Zellen? mRNA-Stränge sind vergleichsweise groß und negativ geladen und können nicht einfach durch die Lipidmembranen der Zellen hindurch schlüpfen. Und wie verhindert man, dass sie durch die RNAsen in unserem Körper gleich wieder abgebaut werden? Zum Glück haben Forschende auch dafür eine Lösung gefunden. Dabei greifen sie auf eine Technologie zurück, deren Ursprünge älter sind als die Idee der mRNA-Therapie selbst: winzige Fettkügelchen, sogenannte Lipid-Nanopartikel, kurz LNPs.
LNPs nutzen einen natürlichen Prozess, die rezeptorvermittelte Endocytose, um in die Zellen zu gelangen. Man benötigt dafür positiv geladene Lipide, um die negativ geladenen Nukleinsäuren auszugleichen. Das Problem: In der Natur gibt es keine positiv geladenen Lipide. Zum einen sind sie giftig, zum anderen würden permanent positiv geladene Lipide die Zellmembranen auseinanderreißen. Die Lösung liegt in smarten Lipiden, die nur unter bestimmten Bedingungen geladen sind, sogenannte ionisierbare Lipide. Im Blut sind sie zunächst neutral. Nach der Bindung an eine Zelle wird das Nanopartikel in einer größeren Lipidblase eingekapselt, dem Endosom. Dessen Inneres hat einen sauren pH-Wert. Die Köpfe der ionisierbaren Lipide werden dadurch protoniert und sind nun positiv geladen. Die Protonierung löst eine Formveränderung des Nanopartikels aus, die vermutlich dazu führt, dass sich das LNP aus dem Endosom lösen und schließlich seine RNA-Fracht in das Cytoplasma der Zelle freisetzen kann. Einmal freigesetzt, kann die mRNA ihre Arbeit verrichten (Abb. C).

Grafik mRNA-Transport mithilfe von Nanopartikeln

Abb. C: mRNA-Transport mithilfe von Nanopartikeln: Links: Lipid-Nanopartikel docken an spezifische Rezeptoren der Zellmembran an (1) und werden mittels Endocytose aufgenommen (2). Nach Freisetzen der mRNA aus dem Endosom startet der Translationsprozess (3). Rechts: Die LNP-Bildung erfolgt durch Selbstorganisation. PEG-Lipide schirmen sie gegen Enzyme ab; Cholesterin stabilisiert sie, indem es die Lücken zwischen den Lipiden füllt und die Aktivität der kationischen Lipide verstärkt. Phospholipide destabilisieren die Lipiddoppelschicht der Zellmembran und erhöhen so die Übertragung der LNPs in die Zelle.
© Links: verändert nach Gomes-Aguado et al; doi:10.3390/nano10020364; rechts: Max-Planck-Gesellschaft, erstellt mit BioRender.com / CC BY 4.0

Treiber für die Entwicklung dieser Lipid-Nanopartikel war zunächst eine ganz andere, 2006 mit dem Nobelpreis gekrönte Technologie: die RNA-Interferenz. Sie ermöglicht das selektive Ausschalten von Genen durch kleine RNA-Schnipsel, kurz siRNA (engl. „small interfering RNA“). Diese binden an den komplementären Abschnitt der mRNA eines Gens und schalten es damit stumm. Seit 2005 hatte die US-Biotechfirma Alnylam Pharmaceuticals, eine Ausgründung der Max-Planck-Gesellschaft zusammen mit dem Massachusetts Institute of Technology (MIT), mit verschiedenen Partnern mehr als 300 ionisierbare Lipide hergestellt, um siRNA in Zellen zu schleusen. Die Arbeit war zermürbend und Lipide, die in der Petrischale großartige Nanopartikel ergaben, versagten oft in Tierversuchen. 2010 waren sie endlich erfolgreich. Acht Jahre später brachten sie mit Onpattro nicht nur das erste auf RNA-Interferenz basierende Medikament auf den Markt, sondern gleichzeitig auch die erste zugelassene Therapie, die über Lipid-Nanopartikel verabreicht wurde.
Auch die mRNA-Impfstoffe nutzen Lipid-Nanopartikel – ohne diese Verpackung würden sie nicht funktionieren. Sie enthalten nur vier Bestandteile: ionisierbare Lipide, Polyethylenglykol (PEG)-modifizierte Lipide, sowie Phospholipide und Cholesterin. Tausende Moleküle dieser vier Komponenten kapseln die mRNA ein, schirmen sie vor zerstörerischen Enzymen ab und transportieren sie in die Zellen (Abb. C). Die verwendeten Lipide ähneln unter anderem den Phospholipiden der Zellmembran, auch Cholesterin wird zur Stabilisierung der Lipid-Doppelschicht verwendet. Die Umhüllung der mRNA mit Lipid-Nano-partikeln ist zudem der Grund dafür, warum diese Impfstoffe bei sehr niedrigen Temperaturen gelagert werden müssen: der Impfstoff von BioNTech/Pfizer bei minus 70°C, der von Moderna bei minus 20°C. Die verschiedenen Lagertemperaturen resultieren aus unterschiedlich zusammengesetzten Lipid-Umhüllungen.

Endspurt beim Impfstoff

Im Dezember 2020, noch nicht einmal ein Jahr nach der Sequenzierung des Sars-CoV-2-Genoms, erteilten die Behörden in Großbritannien und USA die erste Zulassung für den mRNA-Impfstoff von BioNTech/Pfizer. Am 21. Dezember 2020 erfolgte die Freigabe durch die Europäische Arzneimittelbehörde (EMA). Noch nie wurde ein Impfstoff so schnell entwickelt. Aber ohne jahrzehntelange Grundlagenforschung und das unermüdliche Engagement von Forscherinnen und Forschern hätten wir im Wettlauf mit dem Virus keine Chance.

 

 

Abbildungshinweise:
Titelbild: © istock / kovop58
Abb. A: Spike-Proteine © Sikora et al., MPI für Biophysik / CC BY-NC-SA 4.0
Abb. B: Wirkungsweise der mRNA-Impfstoffe © Thomas Splettstößer / CC BY-NC-SA 4.0
Abb. C: m-RNA-Transport © Links: verändert nach Gomes-Aguado et al; doi:10.3390/nano10020364 ; rechts: Max-Planck-Gesellschaft erstellt mit BioRender.com / CC BY 4.0

Der Text wird unter CC BY-NC-SA 4.0 veröffentlicht.

BIOMAX 36,  Frühjahr 2021; Text: Christina Beck; Redaktion: Tanja Fendt

Antimikrobielle Strategien der Neutrophile: Neutrophile setzen drei verschiedene Strategien ein, um Mikroben zu bekämpfen. Dazu gehören die Phagocytose, die Degranulation sowie die Bildung von NETs. Alle drei laufen auf unterschiedlichen Zeitskalen ab und haben ganz verschiedene Auswirkungen auf die Nachbarzellen. So reduziert die Aufnahme der Mikroben (grün) in das Phagosom Schäden der Nachbarzellen, während im Zuge der Degranulation Verdauungsenzyme (rot) frei gesetzt werden, die weiträumig auch Nachbarzellen schädigen. Die Einbindung dieser Enzyme, einschließlich der Histone (gelb), in die NETs begrenzt ihre Ausbreitung und damit auch die Gefahr für die Nachbarzellen.

© MPG / CC BY-NC-SA 4.0

Bakterien haben verschiedene Strategien entwickelt, um den NETs zu entgehen: (1) Bakterielle Katalasen verbrauchen das von den Neutrophilen produzierte und für die Bildung von NETs notwendige Wasserstoffperoxid. Auf diese Weise unterbinden sie die Bildung von NETs. (2) Bakterielle Nukleasen, wie DNAse-1, können die NETs abbauen und so die eingefangenen Bakterien wieder frei setzen. (3) Die Bakterien können ihre Oberfläche so verändern, dass die NETs nicht anhaften.

© MPG / CC BY-NC-SA 4.0

Wenn verschiedene Virus-Varianten in einem Organismus zusammenkommen (Koinfektion) kann es zu einer Vermischung genetischer Information zwischen zwei ähnlichen Viren kommen. Man bezeichnet das als Reassortment oder Reassortierung. Die Wahrscheinlichkeit für ein Reassortment steigt signifikant an, wenn verschiedene Populationen (z.B. Menschen und Schweine oder Hühnervögel) mit verschiedenen Virusvarianten in großer Zahl und Dichte die Möglichkeit zur gegenseitigen Infektion haben.

© MPG / CC BY-NC-SA 4.0

Eine Überarbeitung dieser BIOMAX-Ausgabe (erschienen 2013) wird geprüft. Die gedruckten Hefte sind vergriffen. Das PDF steht zur Verfügung.

Abb. A: NETs im Rasterelektronenmikroskop: Stimulierter neutrophiler Granulozyt mit Netzen und darin gefangenen Shigellen (orange), den Erregern der Bakterien-Ruhr. Sie werden durch die antibakterielle Wirkung des Chromatins abgetötet.
© MPI für Infektionsbiologie

Das Repertoire der Behandlungsmöglichkeiten ist erschöpft – spätestens wenn kein Antibiotikum mehr anschlägt, weil die Keime resistent geworden sind. Für den Betroffenen entsteht eine lebensbedrohliche Situation. Denn während Sporen und Hyphen von Schimmelpilzen (Aspergillus ssp.) bei gesunden Menschen innerhalb weniger Minuten beseitigt werden, können sie sich im Körper des an chronischer Granulomatose leidenden Patienten (engl.: chronic granulomatous disease, CGD) weitgehend ungehindert ausbreiten: die eingeatmeten Sporen keimen in der Lunge aus und durchwachsen das Gewebe. Durch Pilzinfektionen verursachte Lungenentzündungen sind so die häufigste Todesursache bei CGD-Patienten.

Radikal nützlich?

Chronische Granulomatose ist eine sehr seltene Erbkrankheit, bei der die Funktion einer bestimmten Form weißer Blutkörperchen, der neutrophilen Granulozyten, gestört ist. 75 Prozent aller CGD-Fälle beruhen auf der Mutation eines Gens auf dem X-Chromosom, das für eine ganz bestimmte Untereinheit des Enzyms NADPH-Oxidase kodiert, – und in diesem Fall nur Jungen betrifft, weil es sich um einen X-chromosomalen rezessiven Erbgang handelt. Die NADPH-Oxidase wandelt normale Sauerstoffmoleküle um in aggressive Sauerstoffradikale, Superoxid und Wasserstoffperoxid. Welche Rolle diese Radikale bei der Bekämpfung von Pilzinfektionen spielen, war jedoch lange unklar – bis zwei Forscher vom Max-Planck-Institut für Infektionsbiologie einem bis dahin unbekannten Abwehrmechanismus unseres Immunsystems auf die Spur kamen. Die beiden Wissenschaftler saßen in einem Labor des Instituts auf dem Gelände der berühmten Charité in Berlin, der einstigen Wirkungsstätte von Robert Koch und Paul Ehrlich.

Paul Ehrlich war der erste, der 1880 den für die Immunologie so bedeutsamen Mechanismus der Phagocytose beschrieb. Auch neutrophile Granulocyten nehmen bakterielle Krankheitserreger via Phagocytose auf. Dabei umfließt die „Fresszelle“ den Erreger und schließt ihn in einer Blase, dem Phagosom, ein. Das Phagosom verschmilzt mit den Granula, membranumhüllten Bläschen, die gefüllt sind mit antimikrobiellen Substanzen. Sie schütten ihre Fracht in den so entstandenen Hohlraum aus. Gleichzeitig werden an der Membran des Phagosoms Superoxid und Wasserstoffperoxid produziert. Für den eingeschlossenen Erreger entsteht so ein äußerst unwirtliches Milieu, in dem er schließlich umkommt.

Eine neue Masche?

Neutrophile sind, ebenso wie die andere Sorte „Fresszellen“, die Makrophagen, Teil der angeborenen Immunabwehr. Sie differenzieren sich täglich zu Millionen aus Stammzellen des Knochenmarks und machen weit über die Hälfte der weißen Blutkörperchen aus. Sie zirkulieren im Blut, verlassen die Blutgefäße aber, sobald sie über das Eindringen von Bakterien in den Körper alarmiert sind. Einem chemischen Lockstoff-Gradienten folgend, suchen sie innerhalb von Stunden den Infektionsherd auf. Zusammen mit den Makrophagen sind sie „Ersthelfer“ vor Ort. In der direkten Umgebung des Infektionsherds entlassen die Neutrophile dann in einem zweiten Schritt membranumhüllte und mit antimikrobiellen Substanzen gefüllten Bläschen, die Granula – gleichsam kleine chemische Bomben. Dieser Vorgang wird als Degranulation bezeichnet.

Die angeborene Immunabwehr gilt als eine Art Vorhut, ein erster Schutzwall und im Vergleich zum adaptiven Immunsystem zumindest vordergründig als ein wenig filigraner Haudrauf, der eingedrungene Erreger binnen Minuten attackiert und so ihre Ausbreitung im Organismus verhindert. Die adaptive Immunabwehr wiederum basiert darauf, jeden Keim mit maßgeschneiderten Waffen zu vernichten. Und hernach die molekulare Visitenkarte des jeweiligen Erregers ein Leben lang im Gedächtnis zu behalten, um bei einer erneuten Infektion schneller und effektiver zur Tat zu schreiten. Sie besteht aus Myriaden spezialisierter Zellen mit verschiedenen Unterklassen und noch mehr Botenstoffen und Signalmolekülen sowie passgenauen Antikörpern.

Eine neue Masche?

Die Waffen der angeborenen Immunabwehr schienen also bekannt – dachte man zumindest bis 2003. Aber das, was Arturo Zychlinsky und Volker Brinkmann jetzt zum ersten Mal unter dem Lichtmikroskop sahen, war etwas anderes: Die Neutrophilen hatten sich ganz offenbar in den Selbstmord gestürzt. Die Zellen waren aufgeplatzt, und zwar einschließlich der Membran des Zellkerns. Dabei war die DNA dekondensiert und hatte – wie bei einem aufgelösten Knäuel Wolle – Fäden aus Chromatin über die Mikroben ausgeworfen, die nun wie Fische im Netz zappelten (Titelbild)Neutrophil extracellular traps“ oder kurz NETs nannten die beiden Max-Planck-Forscher ihre Entdeckung. In den folgenden Jahren machten sie sich daran, das Geheimnis der NETs zu entschlüsseln, Schritt für Schritt mit ausgeklügelten Methoden.

Denn das Experimentieren mit Neutrophilen ist wegen ihrer kurzen Lebensdauer von nicht mehr als sechs Stunden schwierig. Viele konventionelle molekularbiologische Methoden greifen nicht. Hinzu kommt, dass NETs sehr fragile Strukturen sind. „Wir nutzen die Technik der Immunfluoreszenz, um die NETs sichtbar zu machen. Die Probe wird dabei mit Antikörpern versetzt, die mit verschiedenen fluoreszierenden Farbstoffen gekoppelt sind und selektiv an Bestandteile der NETs binden“, erklärt Volker Brinkmann. Diese Technik ist sogar an lebenden Zellen durchführbar, der Prozess der NETs-Bildung kann so Schritt für Schritt verfolgt werden (Abb. B).

Abb. B: Damit durch Signalstoffe aktivierte neutrophile Granulozyten NETs bilden können, muss das Enzym NADPH-Oxidase zunächst Sauerstoff in Superoxid umwandeln (1). Die Membran des Zellkerns und der Granula zerfallen daraufhin (2) und ihre Inhalte mischen sich mit der Zellflüssigkeit (3). Nach zwei Stunden reißt die Zellmembran auf und die Bestandteile der NETs werden herausgeschleudert. Die obere Bildreihe zeigt die über selektiv bindende Antikörper mit verschiedenen fluoreszierenden Farbstoffen markierten Bestandteile der NETs während der Netose.
© MPI für Infektionsbiologie

NETs bestehen aus feinen Filamenten mit einem Durchmesser von etwa 17 Nanometer, womit sie etwa 200-mal dünner sind als ein menschliches Haar. Es sind Stapel aus Nukleosomen, einem Komplex aus DNA und Histonen, die quasi das Rückgrat der Filamente bilden. Dieses ist wie mit Perlen über und über mit Enzymen aus den Granula bedeckt. „Aufgrund dieser Morphologie lassen sich NETs in der hochauflösenden Elektronenmikroskopie gut von anderen filamentösen Strukturen unterscheiden“, sagt Brinkmann. Sind die NETs erst einmal ausgeworfen, breiten sie sich über einen 10- bis 15-fachen größeren Raum aus als das ursprüngliche Zellvolumen. Die Mikroben werden dabei durch Unterschiede in der elektrischen Ladung auf der Oberfläche in den NETs fest gehalten. Und obwohl in der letzten Phase der Netose – so haben die Forscher diesen Vorgang getauft – durch Auflösung der Membranen die zellulären Kompartimente arg durcheinander gemischt werden, sind weniger als 30 verschiedene Proteine in den NETs vertreten. Die meisten von ihnen stammen aus den mit antimikrobiellen Substanzen gefüllten Depots, den Granula, einige wenige vom Zellkern, während Bestandteile des Zellplasmas eher selten sind.

Ungesund für Mikroben

Die in der Falle zappelnden Bakterien werden durch die in den NETs enthaltenen Enzyme abgetötet. Oder gibt es da noch etwas? „Ja, die Histone aus dem Zellkern der Neutrophilen“, erklärt Arturo Zychlinsky, Direktor der Abteilung Zelluläre Mikrobologie am Berliner Max-Planck-Institut. Sie sind eigentlich bekannt als maßgebliche strukturelle Organisatoren der DNA. Der etwa zwei Meter lange Faden Erbsubstanz wird nämlich – wie Nähgarn um eine Garnrolle – um diese Proteine herum gewickelt, damit er überhaupt in den Zellkern passt. Da sich über die Histone der Verpackungsgrad der DNA verändern und damit das Ablesen der Gene regulieren lässt, haben sie eine wichtige Funktion in der Epigenetik – bestimmte Umwelteinflüsse können so auf die Erbinformation rückgekoppelt werden (siehe BIOMAX 23). „Aber Histone sind auch höchst potente Antibiotika und können Bakterien bereits in nanomolaren Konzentrationen vernichten“, betont Zychlinsky. Damit sind sie weitaus effektiver als die meisten antimikrobiellen Wirkstoffe.

Darüber hinaus könnten die extrazellulären Netze aber auch eine wichtige Rolle bei der Bekämpfung von Keimen spielen, die schlichtweg zu groß sind, um sie zu phagocytieren, wie beispielsweise Pilzhyphen. Warum bleiben Neutrophile von CGD-Patienten bei einer Infektion mit Aspergillus wirkungslos, wo sie doch wie bei anderen Menschen an die Infektionsstellen wandern, Mikroorganismen verdauen und sogar Verdauungsenzyme und andere antimikrobielle Stoffe ausschütten können? Ganz offenbar ist der Mechanismus der Phagocytose hier wirkungslos. Können die Neutrophile von CGD-Patienten womöglich keine NETs bilden?

 

Abb. C: Rasterelektonenmikroskopische Aufnahmen von mit Aspergillus nidulans infizierten Neutrophilen. Die Neutrophilen stammen vom selben Patienten vor (links) und nach (rechts) der Gentherapie. Vor der Behandlung sind die Neutrophile nicht fähig, NETs zu bilden. Nach der funktionalen Wiederherstellung der NADPH-Oxidase gelingt ihnen dieses wieder.
© Matteo Bianchi/Umea University, 2011

Wir erinnern uns: CGD-Patienten verfügen aufgrund einer Mutation nicht über die Enzymmechanismen, durch die Wasserstoffperoxid und Superoxid erzeugt werden. Spielen diese möglicherweise eine Rolle bei der Bildung von NETs? Was, wenn man im Zuge einer Gentherapie bei CGD-Patienten die Aktivität dieses Enzymkomplexes teilweise wiederherstellen könnte? Im Kinderkrankenhaus der Universität Zürich kämpfen die Ärzte 2008 um das Leben eines achtjährigen CGD-Patienten, der an einer schweren Infektion der Lunge mit Aspergillus nidulans leidet. Eine Gentherapie ist für den Jungen die letzte Hoffnung. Und tatsächlich: Nach der funktionalen Wiederherstellung der NADPH-Oxidase sind die Neutrophilen in der Lunge des kleinen Patienten in der Lage, NETs zu produzieren und so die Pilzinfektion innerhalb weniger Wochen wirksam zu bekämpfen (Abb. C). Damit steht aber auch fest, dass Wasserstoffperoxid und Superoxid an der Initiierung des Netose-Prozesses beteiligt sind.

Da der Prozess der Netose unumkehrbar ist – die Zelle begeht schließlich nichts anderes als Selbstmord –, ist die Frage interessant, wie Neutrophile entscheiden, welche ihrer drei Abwehrstrategien zum Einsatz kommen (siehe Exkurs). In der Petrischale nehmen Neutrophile Mikroben innerhalb weniger Minuten mittels Phagocytose auf. Degranulation erfolgt erst nach zehn Minuten und dauert, je nachdem wie viele Granula vorhanden sind, bis zu 30 Minuten. Die Bildung von NETs hingegen ist ein langwieriger Prozess, der etwa zwei Stunden benötigt. Ein Neutrophil kann also alle drei Strategien einsetzen – vorausgesetzt sie erfolgen in der richtigen Reihenfolge. „Das schließt natürlich die Möglichkeit nicht aus, dass sich einzelne Neutrophile anders verhalten als der Rest der Zellpopulation“, sagt Zychlinsky und verweist auf zukünftige Forschungsarbeiten, die sich dieser Frage widmen.

NETs bekämpfen aber nicht nur Krankheiten, sie sind können auch Auslöser von Krankheiten sein, je nach Ort, Zeit und Dosis. Wie bei der Mukoviszidose, eine der häufigsten und schwersten Erbkrankheiten bei Europäern. Aufgrund eines Gendefekts kann der Organismus nach einer Entzündungsreaktion NETs nicht abbauen. Sie tragen so zur Entstehung des zähflüssigen Schleims bei, der die Lunge des Patienten zunehmend zerstört.

Exkurs: Antimikrobielle Strategien der Neutrophile
© MPG / CC BY-NC-SA 4.0

Antimikrobielle Strategien der Neutrophile

Neutrophile setzen drei verschiedene Strategien ein, um Mikroben zu bekämpfen. Dazu gehören die Phagocytose, die Degranulation sowie die Bildung von NETs. Alle drei laufen auf unterschiedlichen Zeitskalen ab und haben ganz verschiedene Auswirkungen auf die Nachbarzellen. So reduziert die Aufnahme der Mikroben (grün) in das Phagosom Schäden der Nachbarzellen, während im Zuge der Degranulation Verdauungsenzyme (rot) frei gesetzt werden, die weiträumig auch Nachbarzellen schädigen. Die Einbindung dieser Enzyme, einschließlich der Histone (gelb), in die NETs begrenzt ihre Ausbreitung und damit auch die Gefahr für die Nachbarzellen.

Zu viel des Guten

Im Fall der Autoimmunerkrankung Lupus wiederum bilden die Patienten drei Typen von Antikörpern: gegen die DNA, gegen Histone und gegen Proteine aus den Granula von Neutrophilen. Also interessanterweise genau gegen die Bestandteile der NETs. Die Krankheit schreitet in Schüben voran, die häufig von einer Infektion ausgelöst werden. Dabei scheint es sowohl zu einer gehäuften Bildung, als auch zu einem unzureichenden Abbau von NETs zu kommen. „Die rechtzeitige Entsorgung der NETs scheint essenziell zu sein, um die Bildung neuer Autoimmun-Antikörper zu verhindern“, erklärt der Max-Planck-Direktor. Normalerweise baut das im Blut zirkulierende Enzym DNase-1 die NETs ab; doch funktioniert das bei einem Teil der Lupus-Patienten nicht. Das führt zu einem Teufelskreis: NETs werden vermehrt gebildet, können nicht abgebaut werden, häufen sich daher an und können schließlich zu Nierenversagen führen. Die Produktion zu vieler NETs oder aber ihre Produktion zu einem falschen Zeitpunkt beziehungsweise am falschen Ort kann also schwerwiegende Folgen haben

Trotzdem, NETs aus DNA und Histonen, die zur Immunabwehr ausgeworfen werden, sind im Organismenreich weit verbreitet: Beim Menschen werden sie nicht nur von Neutrophilen produziert, sondern auch von Mastzellen, einer weiteren Art von Immunzellen. Analoge Strukturen wurden bei anderen Säugetieren, Vögeln und Fischen beschrieben. Auch Insekten machen NETs, wobei sie aber RNA statt DNA einsetzen, und selbst bei Pflanzen konnten NETs gefunden werden. Zychlinsky vermutet daher, dass sich der Komplex aus DNA und Proteinen, also das Chromatin, im Zuge der Evolution in zwei Richtungen entwickelt hat: zum einen, um große DNA-Stücke handhabbar zu machen, die genetische Information also zu organisieren, zum anderen, um die Erbsubstanz vor Fremdorganismen zu schützen. „Es ist vermutlich ein uraltes Instrument der Abwehr, das die Evolution bewahrt hat“, sagt der Mikrobiologe.

Abb. D: Bakterien haben verschiedene Strategien entwickelt, um den NETs zu entgehen: (1) Bakterielle Katalasen verbrauchen das von den Neutrophilen produzierte und für die Bildung von NETs notwendige Wasserstoffperoxid. Auf diese Weise unterbinden sie die Bildung von NETs. (2) Bakterielle Nukleasen, wie DNAse-1, können die NETs abbauen und so die eingefangenen Bakterien wieder frei setzen. (3) Die Bakterien können ihre Oberfläche so verändern, dass die NETs nicht anhaften.
© MPG / CC BY-NC-SA 4.0

Nun besteht zwischen Wirt und Erreger immer ein kontinuierliches Wechselspiel. Im Laufe der Evolution haben beide jeweils neue Strategien entwickelt, den anderen für die eigenen Zwecke auszutricksen. Auf neue Abwehrstrategien des Wirts reagiert der Erreger irgendwann mit neuen Infektionsmechanismen – und umgekehrt. Auch bei den NETs ist die Evolution nicht zum Stillstand gekommen (Abb. D): So können einige Krankheitserreger ihre Oberflächenladung verändern oder sich in einer Kapsel verstecken, um nicht von NETs eingefangen zu werden. Verschiedene Bakterien sind sogar in der Lage, sich durch das Anbringen spezieller Enzyme an ihrer Oberfläche aus den NETs zu befreien. Den ersten Krankheitserregern gelingt es also bereits wieder, dem Immunsystem buchstäblich „durch die Maschen zu gehen“.

Abbildungshinweise
Abb. A: Neutrophil extracellular traps (NETs) © MPI für Infektionsbiologie
Abb. B: Netose © MPI für Infektionsbiologie
Abb. C: Infizierte Neutrophilen © Matteo Bianchi/Umea University, 2011
Abb. D: NET-Abwehrstrategien © MPG / CC BY-NC-SA 4.0
Exkurs: Antimikrobielle Strategien der Neutrophile © MPG / CC BY-NC-SA 4.0

Der Text wird unter CC BY-NC-SA 4.0 veröffentlicht.

BIOMAX Ausgabe 30, Herbst 2013; Autorin: Christina Beck