Forschungsfeld B - Neue diagnostische Technologien und Verfahren
Bisher basierte die Differenzialdiagnose von systemischer Infektion versus Sepsis primär auf klinischen Kriterien und Labortests, denen die notwendige Empfindlichkeit und Spezifität fehlen.
Dieses Problem besteht für alle Patienten und umfasst daher so heterogene Gruppen wie z.B. Patienten nach größeren chirurgischen Eingriffen, Patienten mit Autoimmunerkrankungen oder chemotherapeutisch behandelte Patienten. Der derzeitige „Gold Standard“ der Diagnose ist die Kultivierung der verursachenden Pathogene aus Blut oder anderen Körperflüssigkeiten bzw. aus Geweben. Allerdings kann der betreffende Mikroorganismus nur in 20-40% der Patienten detektiert werden, und das frühestens nach 24 Stunden. Daher werden neue diagnostische Technologien mit hoher Sensitivität und Spezifität dringend gebraucht, um eine frühe Erkennung von Sepsis zu ermöglichen und rechtzeitig eine fundierte und angemessene antibiotische Therapie einzuleiten. Um sich diesem ehrgeizigen Ziel aus verschiedenen Perspektiven - in experimentellen Projekten sowie in einer Beobachtungsstudie - zu nähern, haben sich Grundlagenforscher und klinische Forscher mit breiter Expertise in diesem Forschungsfeld des CSCC zusammengefunden. Das Forschungsgebiet umfasst „-omics“-Technologien, Biochemie und Molekularbiologie sowie spektroskopische Bildgebung und Bioinformatik. Dabei werden zahlreiche analytische Methoden eingesetzt, die von klassischen biochemischen Untersuchungen bis zur optischen Spektroskopie reichen, wie z. B. SELDI-TOFMS, Fluoreszenz- und Raman-Spektroskopie. Mikrobiologische Methoden und Zellkultur-Techniken, Nagetier-Modelle sowie humane Proben (Blut, Plasma, Urin etc.) werden als Sepsis-Untersuchungssysteme verwendet. Drei Strategien werden verfolgt um schnellere, zuverlässige, empfindliche und spezifische Diagnosewerkzeuge zu finden:
- Detektion des Pathogens oder von Pathogen-assoziierten molekularen Mustern (pathogen-associated molecular patterns),
- Charakterisierung der Wirtsantwort und Etablierung von Biomarkern und
- Charakterisierung von Wirtsfaktoren, die für Komplikationen und ungünstiges Outcome prädisponieren.
Im ersten Ansatz werden modernste optische, mikrofluidische und molekulargenetische Techniken benutzt, um neue Werkzeuge für effizientere Pathogendetektion zu finden (Action, CanSep, Spade). Die zweite Herangehensweise zielt auf eine Verbesserung der Beurteilung der Wirtsantwort, um neue und charakteristische Marker zu etablieren, die Ärzten helfen, Sepsis in der frühen Phase zu erkennen (Lab-Alerts, Transseptomics, Aras, Shilers). Der dritte Aspekt wird in einer prospektiven multizentrischen Studie bearbeitet, die eine Assoziation von Translokation bakterieller Fragmente mit Überleben des Patienten untersucht und darauf abzielt, klinische und genetische Risikofaktoren für Infektionskomplikationen zu identifizieren (Action).
Projekte in Forschungsfeld B sind:
Action
Prognostische und diagnostische Relevanz des Nachweises bakterieller DNA bei Patienten mit Leberzirrhose und Aszites - eine prospektive multizentrische Studie
Allgemeines
Projektleiter: Dr. med. Tony Bruns
Dr. med. Phillipp Reuken
Projektnummer: B3.1
Projektlaufzeit: 01.09.2010 bis 31.08.2012
Modul: Rotationsstelle
Projektbeschreibung
Bei Patienten, die aufgrund einer chronischen Lebererkrankung einen fortgeschrittenen Leberumbau (Leberzirrhose) erlitten haben, liegt häufig Bauchwasser (Aszites) vor. Die Infektion von Aszites (spontan bakterielle Peritonitis) stellt eine schwerwiegende Komplikation der Leberzirrhose dar und geht mit einer hohen Sterblichkeit einher. Der behandelnde Arzt kann eine solche Infektion nur durch die Entnahme und Untersuchung von Aszites ausschließen. Dies sollte insbesondere bei Symptomen oder Laborabweichungen, die auf eine Infektion hinweisen (Bauchschmerz, Spannungsgefühl im Bauch, Fieber, Nierenversagen, Erhöhung der weißen Blutkörperchen [Leukozytose], Übersäuerung des Blutes [Azidose], Störungen des Hirnstoffwechsels mit Verwirrung oder Schläfrigkeit [Hepatische Enzephalopathie] erfolgen. Die kulturelle Anzucht von Bakterien bei Patienten mit entzündlich verändertem Aszites (spontan bakterielle Peritonitis) gelingt jedoch nur bei einem geringen Teil der Patienten. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, mit molekulargenetischen Methoden Bestandteile von Bakterien, z.B. bakterielle Erbinformation (DNA), im Bauchwasser nachzuweisen. Darüber hinaus bestehen Hinweise, dass Patienten, bei denen bakterielle DNA in nicht-entzündetem Bauchwasser nachgewiesen wurde, eine schlechtere Langzeitprognose aufweisen als Patienten mit Leberzirrhose ohne bakterielle DNA im Aszites.
Ziel dieser Studie ist es zu untersuchen, ob der Nachweis bakterieller DNA im Aszites bei Patienten mit Leberzirrhose, die Zeichen der Infektion aufweisen, mit einem verkürzten Überleben einhergeht. Darüber hinaus sollen die Umstände untersucht werden, unter denen Bakterien und bakterielle Bestandteile aus dem Darm in Blut und Bauchwasser übergehen. Weiterhin soll geprüft werden, ob es mit molekulargenetischen Methoden des bakteriellen DNA-Nachweises zuverlässiger möglich ist, den Erreger einer spontan bakteriellen Peritonitis nachzuweisen als mit klassischen Kulturtechniken.
Wissenschaftliche Kurzbeschreibung
Während der Nachweis bakterieller DNA (bactDNA) in Serum und Aszites bei Patienten mit Leberzirrhose in Abwesenheit von Infektionszeichen als Marker der bakteriellen Translokation einen unabhängigen Prädiktor für Mortalität darstellt, wurde die Bedeutung dieses Markers bei Patienten mit systemischem inflammatorischen Response-Syndrom (SIRS), bakteriellen Infektionen und Varianten der spontan-bakteriellen Peritonitis (SBP) bislang nicht ausreichend validiert. Der Nachweis der Äquivalenz verschiedener Methoden des bactDNA-Nachweises im Serum und deren Korrelation mit Markern der bakteriellen Translokation und Endotoxinämie steht bislang ebenfalls aus.
In dieser multizentrischen Kohortenstudie sollen Risikofaktoren für bakterielle Translokation und Endotoxinämie bei Patienten mit Leberzirrhose und Aszites abgeleitet werden. Dazu werden genetische, Wirts- und Umweltfaktoren sowie putative Surrogatmarker analysiert.
Um die diagnostische Relevanz dieser Befunde abzuschätzen, wird als Primärziel untersucht, ob der Nachweis von bakterieller DNA mit einer erhöhten Mortalität bei Patienten mit Leberzirrhose und Aszites, die Zeichen der systemischen Inflammation oder Infektion aufweisen, assoziiert ist.
Ausgewählte projektbezogene Publikationen
Reuken PA, Pletz MW, Baier M, Pfister W, Stallmach A, Bruns T. Emergence of spontaneous bacterial peritonitis due to enterococci - risk factors and outcome in a 12-year retrospective study. Aliment Pharmacol Ther 2012. Im Druck
Bruns T, Reuken P, Fischer J, Berg T, Stallmach A. Further evidence for the relevance of TLR2 gene variants in spontaneous bacterial peritonitis. J Hepatol 2011. Im Druck
Bruns T, Peter J, Reuken PA, Grabe DH, Schuldes SR, Brenmoehl J, Schölmerich J, Wiest R, Stallmach A. NOD2 gene variants are a risk factor for culture-positive spontaneous bacterial peritonitis and monomicrobial bacterascites in cirrhosis. Liver Int 2012;32:223-230.
Bruns T, Peter J, Hagel S, Herrmann A, Stallmach A. The augmented neutrophil respiratory burst in response to Escherichia coli is reduced in liver cirrhosis during infection. Clin Exp Immunol 2011. 164(3):346-356.
Bruns T, Sachse S, Straube E, Assefa S, Herrmann A, Hagel S, Lehmann M, Stallmach A. Identification of bacterial DNA in neutrocytic and non-neutrocytic cirrhotic ascites by means of a multiplex polymerase chain reaction. Liver Int 2009;29:1206-1214.
Kontakt
Tel. +49 (0)3641 - 9 32 42 21
Universitätsklinikum Jena
Klinik für Innere Medizin IV
Abteilung Gastroenterologie, Hepatologie, Infektiologie
Am Klinikum 1
07747 Jena
Dr. med. Tony Bruns
Universitätsklinikum Jena
Klinik für Innere Medizin IV
Abteilung Gastroenterologie, Hepatologie, Infektiologie
Am Klinikum 1
07747 Jena
Aras
Androgen-Regulation bei Sepsis-Antwort: Verbesserungen durch Androgenrezeptor-Antagonisten?
Allgemeines
Projektleiter: Daniela Röll
Prof. Aria Baniahmad
Projektnummer: B3.3
Projektlaufzeit: 01.04.2011 bis 28.02.2014
Projektbeschreibung
In kürzlich veröffentlichten Artikeln konnte eine geschlechterspezifische Antwort beim Menschen auf eine Sepsis gezeigt werden, wobei Frauen in der pro-östrus Phase eine bessere Überlebenschance als Männer aufweisen (Raju und Chaudry, 2008; Angele et al., 2006). Mäusestudien belegten diese statistische Auswertung experimentell (Raju und Chaudry, 2008). Ebenso führte die Applikation des in der Prostatakrebstherapie eingesetzten Androgenrezeptor-Antagonisten Flutamid zu einer verbesserten Sepsistoleranz (Remmer et al., 1997; Wichmann et al., 1997). Da Flutamid neben der Aktivierung des Androgenrezeptorsignalweges auch Einfluss auf den Östrogensignalweg nimmt, ist bis heute noch nicht geklärt, ob der positive Effekt von Flutamid bei der Sepsistoleranz über den Östrogen (ER)- , den Androgenrezeptor (AR) oder beide vermittelt wird.
In den letzten Jahren konnten in der Arbeitsgruppe von Prof. Baniahmad strukturell neuartige, spezifische AR-Antagonisten identifiziert oder neu entwickelt werden. Der Einfluss dieser AR-Antagonisten auf die Sepsistoleranz soll innerhalb der Studie bei männlichen und weiblichen Mäusen untersucht werden. Da die hier verwendeten Antagonisten AR spezifisch sind, können die erhaltenen Daten neue Einblicke in die fundamentale Erforschung einer Sepsis bieten und im folgenden eine neuartige Behandlungsmethode für Sepsispatienten darstellen.
Somit stellt dieses Forschungsvorhaben die erste Analyse von Hormonantworten auf molekulargenetischer Ebene dar, in dem der Fokus auf der Rolle von Androgenen und AR-Antagonisten liegt.
Hypothesen
- Geschlechtshormone, wie Östrogene und Androgene spielen eine entscheidende Rolle bei der Sepsisantwort.
- Die Hemmung des AR spielt eine wichtige Rolle bei der Immunantwort. Folglich könnten AR-Antagonisten einen positiven Einfluss auf die Sepsisantwort bei Männern haben.
- In Mäuse- und in in vitro Studien soll der Einfluss der AR-Inhibierung und der ER- Aktivierung durch neue AR-Antagonisten bzw. Östrogen während der Sepsis aufgeklärt werden.
Publikationen
Poster
Tagung der Deutschen Gesellschaft für Genetik, September 2011 in Würzburg; Titel: Novel Lead Structures to Inhibit the Androgen Receptor and Prostate Cancer Cell Proliferation; Autoren: Daniela Roell, Thomas W. Rösler, Stephanie Degen, Rudolf Matusch, Aria Baniahmad
Kontakt
Universitätsklinikum Jena
Institut für Humangenetik
AG Molekulargenetik
Kollegiengasse 10
07743 Jena
CanSep
Identifizierung von Candida albicans Proteinantigenen für die Pilzsepsisdiagnostik
Allgemeines
Projektleiter: Dr. Olaf Kniemeyer
Team: Dipl.-Biochem. Ting Luo
Projektnummer: B3.5
Projektlaufzeit: 01.10.2011 bis 30.09.2014
Projektbeschreibung
Der Hefepilz Candida albicans ist der bedeutendste Erreger von pilzlichen Krankenhausinfektionen. Insbesondere Patienten, die immunsupprimiert sind oder intensivtherapeutisch betreut werden, sind dem Risiko ausgesetzt, an einer Sepsis mit Candida (Candidämie) zu erkranken. Solche invasive Infektionen können lebensgefährlich sein, sind aber schwer zu diagnostizieren und zu therapieren. In unserem Projekt „CANSEP“ suchen wir mit Hilfe der 2D-Gelelektrophorese, einer Technik zur Auftrennung von Proteingemischen, nach Candida-Proteinen, die eine Immunreaktion beim Menschen hervorrufen oder im Blut von Patienten nachweisbar sind. In einem ersten Ansatz untersuchen wir die Antikörper-Antwort gegenüber C. albicans in einem Mausmodell für Candidämie. Im späteren Verlauf sollen auch Patientenseren mit Candida-Infektionen in die Untersuchung mit einbezogen werden. Ausgewählte C. albicans Proteine sollen dann in größeren Mengen rekombinant hergestellt und dahingehend getestet werden, ob sie als Biomarker oder zur Immuntherapie eingesetzt werden können.
Publikationen
Kniemeyer O, Schmidt AD, Vödisch M, Brakhage AA (2011) Identification of virulence determinants of the human pathogenic fungi Aspergillus fumigatus and Candida albicans by proteomics. Int J Med Microbiol 301:368-377.
Kontakt
Tel. +49 (0)3641 - 532 1071
Fax +49 (0)3641 - 532 0803
Leibniz-Institut für Naturstoff-Forschung und Infektionsbiologie
Hans-Knöll-Institut (HKI)
Molekulare und Angewandte Mikrobiologie
Beutenbergstr. 11a
07745 Jena
Drift
Charakterisierung phänotypischer Veränderungen bei chronischer Infektion (beendet)
N. Jbeily
Inprot
Identifizierung von C. albicans und A. fumigatus Proteinantigenen für die Pilzsepsisdiagnostik und Untersuchung der A. fumigatus Stressantwort
O. Kniemeyer
Lab-Alerts
Identifizierung von molekularen Signaturen zur Früherkennung der Sepsis mit massenspektrometrischen Methoden (klinische Studie)
M. Kiehntopf, F. Brunkhorst
PremoSpec
Modelle zur Vorhersage von Antibiotikaempfindlichkeiten mit Raman-Spektroskopie (beendet)
J. Hey, P. Schlattmann
Spade
Neue diagnostische Technologien zur kulturunabhängigen Detektion von Sepsiserregern
U. Neugebauer
Shilers
Spektroskopisches Hämogram zur Untersuchung von Leukozyten und ihrer Rolle bei der Sepsis (beendet)
A. Ramoji, U. Neugebauer
TransSeptomics
Integrative Analyse von "omic"-weiten Daten experimenteller und klinischer Sepsis zur individualisierten Prävention, Diagnose und Therapie
Allgemeines
Akronym: TransSeptomics (Translational Septomics)
Projektleiter: Sandro Lambeck, PhD
Projektnummer: B3.4
Projektlaufzeit: 01.07.2011 bis 01.07.2013
Modul: Nachwuchswissenschaftler
Projektbeschreibung
Primäres Ziel
Identifikation von diagnostischen Signaturen für die frühe Diagnose schwerer Sepsis durch integrative Datenanalyse verschiedener Omic-Ebenen, insbesondere des Transkriptomes und des Metabolomes, hinsichtlich der Abgrenzung der Pathogene sowie verschiedener Virulenzfaktoren.
Sekundäres Ziel
Integrative Modellierung der allgemeinen und spezifischen Wirtsantwort um den Ausgang verschiedener Behandlungsstrategien, quantifizierbar über neue identifizierte molekulare Marker und Risikofaktoren, vorherzusagen.
Sepsis kann systembiologisch als multifaktorielle Krankheit auf den separaten aber auch kombinatorischen Einfluss der Faktoren: Pathogen, Zeit (Alter, Observation) und Geschlecht überprüft werden. Dabei aufgefundene Marker (Kandidatengene und Metaboliten) sollten eine hohe Sensitivität und Spezifität aufweisen. In Gegenüberstellung zu humanen Daten werden dabei polymikrobielle murine Sepsismodelle, wie bspw. I) polymicrobial contamination and infection (PCI) und II) cecal ligation and puncture (CLP) verwendet und auf ihre translationale Aussagekraft untersucht. Weiterhin können auch pharmakologische Behandlungsstrategien (bspw. hydrocortisol) hinsichtlich des Einflusses auf die aufgefundenen diagnostischen Marker zur tentativen Validierung verwendet werden. Die zur Gewinnung dieser Kandidaten verwendeten Methoden sollen eine integrative Analyse von verfügbarem Wissen und Daten mehrerer Omic-Ebenen erlauben, wobei ein Fokus auf frei verfügbare Wissensressourcen wie bspw. der Datenbank KEGG (Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes) liegt.
Publikationen
Hepatic fibrosis in a long-term murine model of sepsis, Falk A. Gonnert (CSCC), Elke Kunisch (CSCC), Mieczyslaw Gajda, Sandro Lambeck (CSCC), Martina Weber, Ralf A. Claus (CSCC), Michael Bauer (CSCC), Raimund W. Kinne (CSCC), Shock accepted.
Liver Dysfunction with Impaired Phase I, II and III Metabolism Reflects an Early and Poor Prognostic Event in Sepsis that Depends on PI3K Signalling, Peter Recknagel (CSCC), Falk A. Gonnert (CSCC), Martin Westermann, Sandro Lambeck (CSCC), Amelie Lupp, Jane E. Carré, Andreas Kortgen, Christoph Krafft, Jürgen Popp, Christoph Sponholz, Ingrid Hilger, Ralf A. Claus (CSCC), Niels C. Riedemann, Reinhard Wetzker, Mervyn Singer, Michael Trauner, Michael Bauer (CSCC), PLoS Medicine, under review.
Hepatic Induction of Cholesterol Biosynthesis Reflects a Remote Adaptive Response to Pneumococcal Pneumonia, Martina Weber, Sandro Lambeck (CSCC) ,…, Ulrich A. Maus, Michael Bauer (CSCC), FASEB Journal, under revision
Comparison of transcriptomic profiles from experimental to clinical sepsis and SIRS, Sandro Lambeck (CSCC), Martina Weber, Falk A. Gonnert (CSCC), Ralf Mrowka, Michael Bauer (CSCC), Frontiers, under revision
Poster auf Konferenzen
Assessing Key Transcriptional Regulators and Predicting Interventional Targets in the Murine Sepsis Model of Peritoneal Contamination and Infection, Lambeck S (CSCC), Weber M, Bauer M (CSCC), Guthke R, Weimar Sepsis Update 2011
Kontakt
Tel.: +49 (0)3641 - 9 32 33 45
Center for Sepsis Control and Care
Universitätsklinikum Jena
Am Klinikum 1
07747 Jena