Der menschliche Körper ist in nahezu allen Körperregionen von Mikroorganismen besiedelt. Bestimmte Mikroorganismen werden an einigen Stellen gut toleriert, an anderen Stellen sind sie aber hochgradig pathogen. Folglich müssen verschiedene Erreger in einigen Geweben von den dort ansässigen Immunzellen als harmlos wahrgenommen werden, während dieselben Bakterien in anderen Körperregionen als gefährlich eingestuft werden. Der Mechanismus zur Abwehr von Bakterien beruht auf der Erkennung von bakteriellen Zelloberflächenkomponenten und Sekretionsfaktoren, sogenannten pathogen-assoziierten molekularen Mustern (PAMPs). Die der lokalen Toleranz zugrundeliegenden molekularen Mechanismen sind bis dato jedoch unbekannt. Ihre Aufklärung würde voraussichtlich völlig neue Therapieansätze für schwerwiegende Erkrankungen durch gewebsspezifische Modulation der Immunreaktionen ermöglichen.

Das Forschungskonsortium will die Molekularen Grundlagen der Immuntoleranz von Bakterien durch das Angeborene Immunsystem aufklären. Die Identifizierung dieses grundlegenden Mechanismus würde voraussichtlich eine erheblich bessere organ- und gewebsspezifische Modulation der Immunantwort ermöglichen. Das könnte wichtige Bausteine für eine bessere Prävention oder Behandlung vieler schwerwiegender Erkrankungen liefern. Das theoretische Anwendungspotential reicht hier von neuen Therapieoptionen bei neurodegenerativen Erkrankungen, über die Modulation lokaler Entzündungsprozesse, die im Rahmen von Arthritis oder Krebsprävention wichtig sind, bis hin zur Reduzierung von Nervenschäden bei akuten Rückenmarksverletzungen. Zur Umsetzung des Projekts wird ein interdisziplinärer Ansatz verfolgt, der eine moderne Kombination aus biotechnologischen Verfahren im Bereich der Infektions- und Mikrobiomforschung sowie KI-Ansätzen aus dem Bereich der Computervision mit der Entwicklung von neuartigen mikrofluidischen Messkammersystemen kombiniert.

Projektmanagement: Prof. Dr. Bernd Bufe, Prof. Dr. Karl-Herbert Schäfer, Prof. Dr. Christian Schorr, Prof. Dr. Stefan Braun

Projektpartner: Fachbereich Informatik und Mikrosystemtechnik, Hochschule Kaiserslautern

Das Projekt wird gefördert durch das Programm HAW direkt

Die Freisetzung von Proteasen spielt bei vielen Entzündungsprozessen sowohl in peripheren Organen als auch im zentralen Nervensystem eine wichtige Rolle. Wesentliche Aspekte der zeit- und ortsabhängigen Wirkungen der freigesetzten Proteasen sind dabei auf zellulärer und subzellulärer Ebene noch ungenügend verstanden. Deshalb gibt es einen großen Bedarf an neuen zeit- und ortsaufgelösten Untersuchungsmethoden und Technologieplattformen, die eine hochparallele nicht-invasive Analyse der Proteaseaktivität auf zellulärer und subzellulärer Ebene erlauben. Eine synchrone Erfassung weiterer Parameter wie z.B. der Morphologie, der elektrischen Aktivität oder des oxidativen Stresses in Echtzeit wäre hilfreich, um durch ein noch genaueres Verständnis zelltypspezifischer Reaktionen neue Anwendungsfelder in Diagnostik und Therapie zu erschließen.

Transparente nanostrukturierte Biosensoren stellen eine mögliche Lösung für die beschriebenen Anforderungen dar. Das Ziel ist die Entwicklung einer Biosensor-Plattform mit transparenten Elektroden zur Analyse von Zellen. Ein besonderer Schwerpunkt liegt dabei auf der parallelen Detektion mehrerer wichtiger Proteasen, die in verschiedenen pathophysiologischen Prozessen der Immunabwehr und bei neurodegenerativen Erkrankungen eine wichtige Rolle spielen. Zum Nachweis der jeweiligen Proteaseaktivität soll erstmals ein neuartiges potentiometrisches Nachweisverfahren eingesetzt werden, bei dem synthetische Peptide mit starken N-terminalen Ladungsträgern auf den Biosensoren immobilisiert werden. Im Rahmen des interdisziplinären Vorhabens werden verschiedene Aspekte der Biosensor-Entwicklung umfassend untersucht. Perspektivisch ist in Kooperation mit Firmen eine Weiterentwicklung und Miniaturisierung des Gesamtsystems hin zu Diagnostikverfahren geplant.

Projektmanagement: Prof. Dr. Bernd Bufe, Prof. Dr. Alexey Tarasov, Prof. Dr. Monika Saumer, Dr. Kristina Endres, Prof. Dr. Christiane Ziegler, Prof. Dr. Tanja Schirmeister, Dr. Christian Kersten


Projektpartner: Hochschule Kaiserslautern, Technische Universität Kaiserslautern, Johannes Gutenberg Universität Mainz

Das Projekt wird gefördert durch das Forschungskolleg Rheinland-Pfalz

Weiße Blutkörperchen (Leukozyten) sind ein wichtiger Bestandteil der Immunabwehr. Infektionen, entzündliche Syndrome und viele andere Erkrankungen, wie z.B. Leukämie und Anämien, beeinflussen die Zahl und Funktion der verschiedenen Leukozytentypen im Blut. Änderungen in ihrer Zusammensetzung und biologischen Aktivität sind daher wichtige Marker des Gesundheitsstatus. Die meisten Methoden zur Routinediagnose fokussieren vor allem auf die Bestimmung der prozentualen Zusammensetzung der verschiedenen Leukozytentypen. Zusätzliche Untersuchungen weiterer Aktivitätsparameter würden eine frühere und genauere Diagnostik ermöglichen. Da dies jedoch erheblich schwieriger ist, wird es bislang selten durchgeführt. Die Arbeitsgruppe wird ein neues Hochdurchsatzverfahren entwickeln, das innerhalb von Minuten eine einfache Untersuchung vieler Aktivitätsparameter in lebenden Zellen mit hoher zeitlicher Auflösung ermöglicht. Die Kerntechnologie basiert auf einer hochaffinen Interaktion bestimmter Peptide mit spezifischen Rezeptorgruppen auf der Oberfläche von Immunzellen. Sie eröffnet neue technologische Möglichkeiten zu einer früheren Erkennung von Krankheiten. Das Potenzial des Verfahrens für den medizinischen Bereich wird die Arbeitsgruppe in Kooperation mit der Intensivmedizin des Universitätsklinikums des Saarlandes anhand von Sepsis-Blutproben demonstrieren.

Projektmanagement: Prof. Dr. Bernd Bufe, Prof. Dr. Alexey Tarasov, Prof. Dr. Peter Groß

Projektpartner: thinXXS Microtechnology AG, Universitätsklinikum des Saarlandes, Homburg

Das Projekt wird gefördert durch das BMBF

Neben dem zentralen Nervensystem (ZNS) könnte der Darm bei der Entstehung neurodegenerativer Erkrankungen eine deutlich wichtigere Rolle spielen als bisher angenommen. Dies trifft sowohl für die Gesamtheit der den Darm besiedelnden Bakterien, als auch für das in der Darmwand lokalisierte komplexe Darmnervensystem, das sogenannte Enterische Nervensystem (ENS), zu. Es spricht vieles dafür, dass einige neurodegenerative Erkrankungen, selbst wenn sie nicht ihren Ursprung im Darm haben, doch wenigstens durch das Mikrobiom oder das Immunsystem des Darmes moduliert und in ihrem Verlauf signifikant beeinflusst werden. Ein Konsortium aus biotechnologisch, zellbiologisch und biomedizinisch orientierten Wissenschaftlern der drei Hochschulen wird potentiell neuroprotektive Substanzen identifizieren, isolieren und deren Wirkung in heterologen Expressionssystemen, in Zellkultur, ex-vivo Modellen und am Tiermodell überprüfen. Die Mitglieder wollen im geplanten Projekt den Einfluss einer Reihe bereits isolierter Wirkstoffe aus Pilzen und Cyanobakterien auf die beiden Nervensysteme – ZNS und ENS – im Rahmen der Pathogenese neurodegenerativer Erkrankungen untersuchen. Zudem sollen neue, bislang unbekannte Wirkstoffe isoliert und entsprechend charakterisiert werden. Der Fokus des Konsortiums liegt dabei auf der Alzheimer-Demenz.

Projektmanagement: Sprecher: Prof. Karl-Herbert Schäfer; HSKL: Prof. Dr. Bernd Bufe, Prof. Dr. Tanja Brigadski, Prof. Dr. Holger Rabe, Prof. Dr. Peter Groß, Dr. Michael Lakatos,  TUK: Prof. Dr. Michael Schroda, PD Dr. Gerhard Erkel, Prof. Dr. Stefan Kins, Prof. Dr. Sebastian Eggert. JGU: Prof. Dr. Till Opatz, Dr. Kristina Endres.

Projektpartner: Technische Universität Kaiserslautern (TUK), Johannes Gutenberg Universität Mainz (JGU)

Das Projekt wird gefördert durch das BMBF