Aminozucker modifizierte Lipid A und Analoga

Lipopolysaccharid (LPS) ist ein Bestandteil der äußeren Zellwand von Gram-negativen Bakterien. Das Lipid A- Teil des LPS, welches das gesamte LPS Molekül in der Membran der äußeren Zellwand verankert, spielt eine Schlüsselrolle in Gram-negativen Infektionen und ist hauptverantwortlich für die Aktivierung des angeborenen Immunsystems. Im Verlauf Gram-negativer Infektionen kann ein freigesetztes Lipid A schwerste pathophysiologische Reaktionen auslösen (Fieber, intravaskuläre Gerinnung, Multi-Organversagen u.a.) und in höherer Konzentration sogar zum Tod des Wirtsorganismus führen. Die toxische Wirkung von Lipid A beruht auf der Induktion und Freisetzung von hormonartigen Mediatoren, den Zytokinen, die während einer Sepsis in hohen Mengen durch inflammatorische Zellen produziert werden. Die Lipid A-induzierte Signalübertragung wird von dem Toll-like Rezeptor 4 (TLR 4) vermittelt. Bei einigen Krankheitserregern, z.B. Burkholderia, Pseudomonas aeruginosa und Francisella tularensis, wurde nachgewiesen, dass das anionische Lipid A durch kationische Aminozucker modifiziert wird, welches zur Resistenz gegen Defensine und viele andere Komponenten des angeborenen Immunsystems führt und eine wichtige Rolle für die Pathogenität und Antibiotika - Multiresistenz der Bakterien spielt. Die Burkholderia-Arten werden für landwirtschaftliche Zwecke eingesetzt, können aber auch als Erreger schwerer bis letaler Lungeninfektionen bei immunsupprimierten Menschen (speziell Patienten mit Mukoviszidose) eine bedeutende Rolle spielen. Francisella tularensis löst bei Nagetieren eine hochansteckende tödlich verlaufende Erkrankung, Tularämie oder Hasenpest genannt, welche auf den Menschen übertragen werden kann aus. Bereits 10 Bakterien als Aerosol wirken infektiös. Aufgrund der Antibiotika - Resistenz und der hohen Mortalität der von Francisella verursachten Tularämie gilt das Bakterium auch als mögliches Bioterrorismus-Agens. Da Aminozucker modifizierte Lipid A Derivate auf biochemischen Weg nicht zugänglich sind, stellt die chemische Synthese die einzige Alternative zum Erlangen dieser essenziellen immunaktivierenden Liganden dar. Im Rahmen des Projekts werden mit den Aminozuckern modifizierte Lipid A Derivate, die in Burkholderia, Pseudomonas aeruginosa und Francisella tularensis vorkommen, durch chemische Synthese hergestellt und deren biologische und immunologische Eigenschaften erforscht. Diese Untersuchungen sind Voraussetzung für ein besseres Verständnis der durch diese Bakterien ausgelösten entzündlichen Reaktionen. Vor allem die endotoxische Aktivität des synthetischen Lipid A wird untersucht, um den Einfluss von Aminozucker-Substitution auf die TLR4 gesteuerte Signalübertragung zu ermitteln. Aufgrund der erzielten Erkenntnisse kann ein besseres Verständnis über die spezifische Struktur-Wirkungsbeziehung der Rezeptor-Liganden Interaktion gewonnen und neue agonistische und antagonistische Liganden zur gezielten Adressierung für therapeutische Anwendungen und wissenschaftliche Fragestellungen entwickelt werden. Die synthetisch erzeugten Strukturelemente der Francisella Lipid A werden in immunogene Verbindungen überführt und für die Immunisierung von Mäusen verwendet, um Antikörper gegen F. tularensis zu erhalten. Die erzielten Verbindungen können als mögliche Tularämie Impfstoffe und Immunodiagnostika in Zukunft verwendet werden.

Endotoxin oder Lipopolysaccharid (LPS) ist ein Bestandteil der äußeren Zellwand der Gram-negativen Bakterien welches ein Pathogen-assoziiertes Muster, das vom menschlichen angeborenen Immunsystem erkannt werden kann, darstellt. Das Lipid A-Teil des LPS, welches das gesamte LPS Molekül in der Membran der äußeren Zellwand verankert, spielt eine Schlüsselrolle in Infektionen mit Gram-negativen Bakterien und ist hauptverantwortlich für die Aktivierung des angeborenen Immunsystems. Die toxische Wirkung von Lipid A beruht auf der Induktion und Freisetzung von Immunmediatoren, den Zytokinen, die während einer Bakteriellen Infektion in hohen Mengen durch spezifische Immunzellen (Makrophagen und dendritischen Zellen) produziert werden. Die Lipid A-induzierte Signalübertragung wird von dem Oberflächenprotein Toll-like Rezeptor 4 (TLR4) vermittelt. Das Lipid A ist ein amphipathisches Molekül, das aus einem Lipid- und einem anionischen Zuckerteil besteht. Bei einigen Krankheitserregern, z.B. Burkholderia cenocepacia und Francisella tularensis wurde nachgewiesen, dass das anionische Lipid A durch kationische Aminozucker modifiziert wird, was zur Resistenz gegen Antibiotika und gegen Komponenten des angeborenen Immunsystems führt, und eine wichtige Rolle für die Pathogenität der Bakterien spielt. Die Burkholderia-Arten spielen als Erreger schwerer bis letaler Lungeninfektionen bei immunsupprimierten Menschen (speziell Patienten mit Mukoviszidose) eine bedeutende Rolle. Francisella tularensis löst bei Nagetieren eine hochansteckende, tödlich verlaufende Erkrankung (Tularämie) aus welche auf den Menschen übertragen werden kann. Aufgrund der hohen Ansteckungsgefahr der von Francisella verursachten Tularämie gilt das Bakterium auch als mögliches Bioterrorismus-Agens. Da Aminozucker-modifizierte Lipid A Derivate auf biochemischen Weg nicht zugänglich sind, stellt die chemische Synthese die einzige Alternative zum Erlangen dieser essenziellen immunaktivierenden Liganden dar. Im Rahmen des Projekts wurden mit den Aminozuckern modifizierte Lipid A Derivate, die in Burkholderia und Francisella tularensis vorkommen, durch chemische Synthese hergestellt und deren biologische und immunologische Eigenschaften erforscht. Diese Untersuchungen haben zum besseren Verständnis der durch diese Bakterien ausgelösten entzündlichen Reaktionen beigetragen. Vor allem die TLR4-abhängige endotoxische Aktivität des synthetischen Aminoarabinose - modifizierten Lipid A wurde untersucht. Es wurde Festgestellt, dass die Aminozucker-Substitution auf die TLR4-gesteuerte Signalübertragung sehr großen aktivierenden Einfluss einnimmt. Aufgrund der erzielten Erkenntnisse wurde ein besseres Verständnis über die spezifische Struktur-Wirkungsbeziehung der RezeptorLiganden Interaktion gewonnen. Die synthetisch hergestellten Strukturelemente des Aminozucker-modifizierten Francisella und Burkholderia Lipid A wurden in immunogene Verbindungen überführt. Die erzielten Verbindungen können als mögliche Immunodiagnostika in Zukunft verwendet werden.