Bakterien und Mikrovaskulatur, ein therapeutisches Ziel in der Sepsis (BactInfectERA)

Bakterielle Sepsis bleibt eine wesentliche Todesursache in entwickelten Ländern. Ein für die Pathogenese invasiver systemischer Bakterien essenzielle Eigenschaft ist deren Fähigkeit, mit der Mikrovaskulatur zu interagieren. Dies erlaubt deren Verbreitung und verursacht Gefäßundichtigkeiten und die lokale Aktivierung von Gerinnungskaskaden. Paradoxerweise sind diese Aspekte bislang wenig untersucht. Von größter Bedeutung sind dabei die molekularen und zellulären Ereignisse, welche zu Gefäßschädigungen, Thrombose, Organversagen und zum Entrinnen dieser bakterieller Pathogene vor dem Immunsystem führen. Neisseria meningitidis (meningococcus) ist ein Beispiel für ein invasives bakterielles Pathogen, welches sich in verschiedene menschliche Organe einschließlich der Hirnhaut und die Haut ausbreiten kann. Spezifische Wechselwirkungen dieses Bakteriums mit der humanen Mikrovaskulatur erzeugen thrombotische Schäden und führen in extremen Fällen zu purpura fulminans, einem lebensgefährlichen Syndrom verbunden mit einem septischen Schock, Gefäßschäden und extensiver Thrombose. 30% dieser Fälle enden für die Patienten tödlich. N. meningitidis bildet damit ein Modell für extrazelluläre Pathogene, welche mit humanen Mikrogefäßen wechselwirken. Das Ziel dieses Vorhabens ist die Integration von Hochdurchsatz- Sequenzierungsmethoden, verbunden mit molekularen, immunologischen und bildgebenden Methoden, um die initialen Ereignisse einer Meningokokken-Infektion in vivo zu erfassen und die Mechanismen zu verstehen, durch die dieses Pathogen die Immunantwort des Hosts abwehrt und sich diesem anpasst. Dieses Projekt wird in Zusammenarbeit von vier Arbeitsgruppen mit extensiver und komplementärer Expertise in den Gebieten der vaskulären Biologie und Infektion durchgeführt. Im WP1 werden wir die Mechanismen identifizieren, mit welchen die Meningokokken sich ihrem Host anpassen. Mit Hilfe einer Transposon-Mutanten-Bibliothek in Kombination mit massiv-paralleler Sequenzierung werden wir bakterielle Gene analysieren die in die Gefäßbesiedelung in vivo involviert sind. Für Bakterien in verschiedenen Stadien ihrer in vivo Infektion werden wir in einer Longitudinal-Studie transkriptionelle und genomische Veränderungen erfassen. Im WP2 werden wir diejenigen Mechanismen identifizieren, die für Gefäßschädigungen und Thrombose verantwortlich sind. Endothel- und umgebende Zellen werden mit Hilfe von Laser- Mikrodissektion aus nicht infizierten und infizierten humanen Haut-Transplantaten gesammelt. Darin werden wir mit Hilfe der Transkriptom-Analyse die Genexpression untersuchen. Mit Hilfe von Computer-Analysen werden wir Schlüsselfaktoren der Host-Antwort auf die bakterielle Infektion identifizieren. Im WP4 werden wir ein mathematisches Modell der Meningokokken-Infektion im Host etablieren. Mit Hilfe der Genom- und Transkriptomdaten aus WP1 und WP2, sowie durch deren Verbindung mit dem Wissen aus öffentlich verfügbaren Sequenz- und Pathway-Datenbanken, werden wir in einem mathematischen Modell die bakteriellen Virulenzmechanismen und die Pathogen-Host-Wechselwirkungen beschreiben. Die rechnerische Interpretation dieser Daten werden wir mit den experimentellen Arbeiten der anderen Teams verbinden. Dieses Konsortium wird die Transkriptions-Kontrolle der Virulenzfaktoren von Meningokokken erforschen, Veränderungen im Bakteriengenom nach der Infektion identifizieren und einen globalen Überblick über die Reaktion des Hosts erarbeiten. Von besonderer Bedeutung sind dabei Mechanismen welche die charakteristischen Symptome der Gefäßschädigungen verursachen. Die genetische Beeinflussung und/oder pharmakologische Blockade dieser Mechanismen wird daher in Verbindung mit Antibiotika eine neuartige therapeutische Strategie darstellen, um den Verlauf septischer Erkrankungen positiv zu beeinflussen.

Neisseria meningitidis ist eine wesentliche Ursache für weltweite Ausbrüche von Meningitis, die zu einem tödlich verlaufenden septischen Schock führen können. Ein wesentlicher Schritt in der Pathophysiologie der invasiven Meningococcen im Blut ist deren Adhäsion und Vermehrung in peripheren und zerebralen Mikrogefäßen. Daher war die Zielstellung dieses Projekts die Analyse der Mechanismen und in vivo Konsequenzen solcher Besiedlungen auf vaskuläre Veränderungen. Um diese spezifischen Fragen zu adressieren, wurde ein neuartiges in vivo Modell der Meningococcen-Infektion entwickelt. Es wurde mit neuartigen Next-generation deep-sequencing Methoden kombiniert, um eine grundlegende Characterisierung der Genexpression in den beteiligten Zellen sowohl des Pathogens als auch des Hosts zu erhalten.