Gewebemodell für die Infektionsforschung

04.08.2021

Neuartige Impfstoffe schneller entwickeln und produzieren: Das ist Ziel einer neuen europaweiten Kooperation öffentlicher und privater Institutionen. Daran beteiligt ist auch der Lehrstuhl für Mikrobiologie der Uni Würzburg.

Mit Hilfe von Gewebemodelle lassen sich die angeborene sowie die erworbene Immunität erforschen. Hier zu sehen ist ein mit Bakterien (grün) infiziertes Gewebemodell von humanen Eileiterzellen. (Bild: Pargev Hovhannisyan)

41 Partner aus elf europäischen Ländern, darunter 37 akademische Einrichtungen sowie diverse Unternehmen wie GlaxoSmithKline, Sanofi Pasteur, CureVac und Takeda sind Mitglieder der neuen europäischen öffentlich-privaten Partnerschaft Inno4vac. Mit mehr als 33 Millionen Euro von der Innovative Medicines Initiative 2 (IMI2) ausgestattet, wollen sie in den kommenden Jahren die Impfstoffentwicklung beschleunigen.

Gelingen soll dies vor allem mit Hilfe von künstlicher Intelligenz, rechnerbasierten Vorhersagemodellen und künstlichen Geweben. Mit dabei ist der Lehrstuhl für Mikrobiologie der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) unter der Leitung von Professor Thomas Rudel. Dort stehen die Entwicklung von menschlichen Infektionsmodellen und ein spezielles Bakterium im Mittelpunkt der Forschung.

Forschung an Gonokokken

„Wir konzentrieren uns im Rahmen von Inno4vac auf Gonokokken-Infektionen“, erklärt Thomas Rudel. Dafür hat die Arbeitsgruppe der Professorin Vera Kozjak-Pavlovic an Rudels Lehrstuhl dreidimensionale Gewebemodelle des menschlichen Urogenitaltrakts entwickelt und deren Komplexität Stufe um Stufe gesteigert. „Auf diese Weise ist es möglich, das Verhalten von Gonokokken in einer natürlichen Umgebung zu studieren“, so Rudel.

Gonokokken – wissenschaftlich Neisseria gonorrhoeae genannt – sind Bakterien, die nur beim Menschen vorkommen. Sie verursachen die über Geschlechtsverkehr übertragbare Krankheit Gonorrhoe – umgangssprachlich auch als Tripper bezeichnet. Nach Schätzung der Weltgesundheitsorganisation WHO ist diese Krankheit heute mit rund 87 Millionen Fällen pro Jahr die dritthäufigste sexuell übertragbare Infektion. In der Europäischen Union lag sie im Jahr 2018 mit über 100.000 Infektionen sogar auf Platz 2 in dieser Kategorie. Betroffen sind vorzugsweise junge Menschen im Alter von 15 bis 25 Jahren.

Komplexe Modelle der menschlichen Schleimhaut

Was die Bakterien aus wissenschaftlicher Sicht interessant macht: „Gonokokken besitzen die Fähigkeit, ständig ihre Oberfläche zu verändern“, sagt Rudel. Auf diese Weise können in einer Population Millionen verschiedener Bakterien existieren, die sich in ihren Antigenen voneinander unterscheiden. Nach einer Infektion besiedelt Neisseria gonorrhoeae bevorzugt die Schleimhaut der Harnröhre des Mannes und des Gebärmutterhalses der Frau. In den meisten Fällen verursachen die Bakterien lokale Entzündungen, sie können sich aber auch im Körper ausbreiten und systemische Infektionen auslösen, die zu schwerwiegenden Erkrankungen wie Arthritis, Hirnhaut- und Lungenentzündung führen können.

Im Rahmen der Inno4vac-Initiative will Rudel gemeinsam mit seinem Team komplexe Gewebemodelle der urovaginalen Schleimhaut entwickeln. Solche Modelle gleichen dem im menschlichen Körper vorkommenden Gewebe sehr stark – sowohl in ihrer Architektur und Physiologie als auch in der autonomen Immunantwort der Zellen.

Als „Grundgerüst“ dient dem Forschungsteam eine bestimmte Schicht eines Schweinedünndarms. Darauf sitzen menschliche Fibroblasten – Zellen, die dazu in der Lage sind, sämtliche Stützmoleküle der Haut wie etwa Kollagen und Elastinfasern herzustellen. Dazu kommt eine Schicht von Epithelzellen, die verschiedene Schleimhautoberflächen des Urogenitaltrakts repräsentieren, und eventuell weitere spezifische Zellen. „Mit Hilfe dieser Gewebemodelle lassen sich sehr gut die angeborene sowie die erworbene Immunität erforschen“, sagt Rudel. Außerdem eignen sie sich gut dafür, neue Impfstrategien zu erproben und validieren. Diese innovativen Modelle sollen auch den Partnern im Konsortium für die Erforschung von genitalen Herpes-Infektionen zur Verfügung gestellt werden.

Impfstoffentwicklung ist teuer und langwierig

„Impfungen gehören zu den wirkungsvollsten Maßnahmen im Bereich der öffentlichen Gesundheit, die jedes Jahr das Leben von schätzungsweise 2,5 Millionen Menschen retten und Millionen weitere vor Krankheiten und Behinderungen schützen“, schreibt das Konsortium Inno4vac in seiner Pressemitteilung zum Start des Projekts. Allerdings sei die klassische Impfstoffforschung und -entwicklung nach wie vor langwierig und kostspielig: Bis ein neuer Impfstoff auf den Markt kommt, dauere es im Durchschnitt mehr als zehn Jahre. Die Kosten dafür betrügen mehr als 800 Millionen Euro.

Dass es auch anders geht, habe die beschleunigte Entwicklung der Covid-Impfstoffe gezeigt. Sie sei ein gelungenes Beispiel dafür, wie Fortschritte in Technologie und Data Science entscheidend dazu beitragen, neue Wege in der Impfstoffentwicklung zu eröffnen.

Koordiniert wird Inno4vac von der Europäischen Impfstoffinitiative (EVI); um die wissenschaftliche Koordination kümmert sich die italienische Sclavo Vaccines Association. In dem Projekt konzentrieren sich die beteiligten Einrichtungen auf vier Hauptaspekte:

Mit Hilfe künstlicher Intelligenz sollen in Computersimulationen die Immunantwort und die Wirksamkeit von Impfstoffen vorhergesagt werden.
Eine modular aufgebaute Rechnerplattform soll zum Einsatz kommen, um die Herstellung von Impfstoffen und Stabilitätstests zu modellieren.
Neue humane Infektionsmodelle für Influenza, respiratorische Synzytialviren (RSV) und für das Bakterium Clostridium difficile sollen eine frühzeitige Bewertung der Impfstoffwirksamkeit ermöglichen.
Neuartige zellbasierte menschliche In-vitro-3D-Modelle sollen zuverlässige Vorhersagen der Immunantwort erlauben.

Gemeinsames Ziel ist es, biologische und mathematische Modelle zu entwickeln, um damit die Leistungsfähigkeit von Impfstoffen besser zu beurteilen und in der Folge die Entwicklung neuer Impfstoffe beschleunigen zu können.

Die Laufzeit des Projekts beträgt fünfeinhalb Jahre; finanziert wird es von der Initiative Innovative Medicines 2 Joint Undertaking. Unterstützt wird es durch das Forschungs- und Innovationsprogramm Horizont 2020 der Europäischen Union und von der European Federation of Pharmaceutical Industries and Associations EFPIA.

Mehr Informationen: www.imi.europa.eu