Interaktion zwischen Birkenpollen und Toll-like Rezeptoren

Principal Investigator Prof. Dr. Fatima FERREIRA Co-Investigators PD Dr. Gabriele GADERMAIER Dr. Lorenz AGLAS Wissenschaftskontext: Allergene sind Proteine oder andere Umweltsubstanzen, die in Atopiker/innen die Produktion von IgE Antikörpern induzieren und somit eine intrinsische Kapazität zur Induktion einer Th2 Polarisation besitzen. Diese Theorie hinterfragend konnten wir zeigen, dass gereinigtes Bet v 1, das Hauptallergen von Birkenpollen, keine Sensibilisierungskapazität besitzt und eine Entfernung dieses Allergens keinen Einfluss darauf hat, dass Birkenpollenextrakt in vivo IL-4 produzierende Th Zellen induziert. Diese und weitere Erkenntnisse aus unseren Vorarbeiten am Mikrobiom des Birkenpollens lässt vermuten, dass intrinsische Adjuvantien des Pollens sowie extrinsische Bestandteile von Mikroben wesentlich zur Allergenität des Pollens und der Sensibilisierung gegen das Bet v 1 Allergen beitragen könnten. Hypothesen und Ziele: Aus diesem Grund postulieren wir, dass eine Sensibilisierung auf Birkenpollen (BP) durch die Interaktionen des angeborenen Immunsystems mit Adjuvantien aus dem Pollen, welche mit Bet v 1 und anderen allergieauslösenden Protein zusammen freigesetzt werden, initiiert wird. Zusätzlich postulieren wir, dass die in vitro Aktivierung von Dendriten durch BP und die Induktion von IL-4 produzierenden Th Zellen in vivo partiell durch Toll- like Rezeptor (TLR) Signalwege vermittelt wird. Ergebnisse unserer präliminären Untersuchungen mit TLR2, 4, und 5 transfizierten HEK (Human Embryonic Kidney) Zelllinien zeigten eine Aktivierung durch Birkenpollenextrakt. Das übergeordnete Ziel dieses Projektes ist das Aufzeigen von mechanistischen Vorgängen, wie Adjuvantien aus BP sowie assoziierte Bakterien die Aktivierung von Dendriten durch TLR Signale induzieren und damit ein entzündliches Milieu, welches die Entstehung einer Th2-basierenden Reaktion auf Pollenantigene, auslösen. Ansatz und Methoden: Um die TLR Signatur in BP zu definieren werden HEK-TLR Reporterzelllinien, ein großes Panel von TLR Agonisten und Antagonisten verwendet, sowie zelluläre Untersuchungen mit humanen und murinen Dendriten durchgeführt. Transgene Mausmodelle werden eingesetzt, um eine vollständige Aufklärung und Validierung der in vitro Daten aus den Reporterzelllinien und Dendriten zu ermöglichen. Innovation und Signifikanz: Die Studienergebnisse werden wesentlich beitragen die Rolle von kombinatorischer TLR Stimulation hinsichtlich der Induktion von Th2 polarisierten Reaktionen auf BP zu verstehen. Sie werden auch Folgeuntersuchungen zur Initiierung einer Sensibilisierung von anderen allergieauslösenden Pollen vorantreiben. Schließlich kann das gewonnene Verständnis hinsichtlich des Beginns der Sensibilisierung neue Perspektiven für prophylaktische und therapeutische Ansätze von allergischen Erkrankungen eröffnen. Involvierte Wissenschaftler/innen: Fatima Ferreira kann eine umfassende Erfolgsbilanz in der Molekularen Allergologie vorweisen, mit wichtigen Beiträgen in der Charakterisierung von Allergenen aus Baum- und Kräuterpollen sowie der Entwicklung von Allergievakzinen. Gabriele Gadermaier besitzt eine Ausbildung in Biotechnologie und Immunologie und hat die Entstehung der präliminären Daten dieses Projekt mitbetreut. Lorenz Aglas hat Erfahrung in der Arbeit mit Dendriten und in vivo Sensibilisierung bzw. Th2 Polarisierung in Tiermodellen. Das Team ist allgemein sehr erfahren im Projektmanagement, der Dissemination von wissenschaftlichen Ergebnissen in der Forschungsgemeinschaft sowie der breiten Öffentlichkeit.

Allergene sind Proteine oder andere Umweltsubstanzen, die in Atopikern die Produktion von IgE-Antikörpern induzieren und somit eine intrinsische Kapazität zur Induktion einer Th2-Polarisation besitzen. Diese Theorie hinterfragend konnten wir zeigen, dass gereinigtes Bet v 1, das Hauptallergen von Birkenpollen, keine Sensibilisierungskapazität besitzt und eine Entfernung dieses Allergens keinen Einfluss darauf hat, dass Birkenpollenextrakt in vivo IL-4-produzierende Th-Zellen induziert. Aus diesem Grund postulieren wir, dass eine Sensibilisierung auf Birkenpollen durch die Interaktion des angeborenen Immunsystems mit Adjuvantien aus dem Pollen initiiert wird, welche zusammen mit Bet v 1 und anderen allergieauslösenden Proteinen freigesetzt werden. Assoziierte Bakterien induzieren die Aktivierung dendritischer Zellen durch TLR-Signale und erzeugen damit ein entzündliches Milieu, welches die Entstehung einer Th2-basierten Reaktion auf Pollenantigene auslöst. Im Rahmen dieses Projekts haben wir ein Interleukin (IL-)4/Interferon- (IFN-) Dual-Reporter-Mausmodell etabliert, um die intrinsische Fähigkeit mehrerer gereinigter Hauptallergene zur Induktion einer Th1- oder Th2-Polarisierung im Vergleich zu ihren entsprechenden Gesamtpollenextrakten in vivo zu untersuchen. Wir fanden heraus, dass Hauptallergene von Birken-, Gräser-, Beifuß- und Ragweedpollen keine intrinsische Fähigkeit zur Induktion einer Th1- oder Th2-Polarisierung in vivo aufweisen, während die Gesamtextrakte eine starke Th2-Polarisierung auslösten. Bei der Untersuchung der Fähigkeit verschiedener Pollenextrakte, die extrazellulären TLRs (TLR1/2, TLR2/6 und TLR4) zu aktivieren, zeigte sich, dass die TLR-Aktivierung - und damit die TLR-Ligandenkonzentration - sowohl zwischen den Arten als auch zwischen verschiedenen Pollenchargen erheblich variierte. Unsere Ergebnisse zeigten eine kritische Rolle von TLR4 bei der Aktivierung dendritischer Zellen durch Birkenpollen in vitro. In vivo wiesen TLR4-defiziente Mäuse eine reduzierte allergische Entzündung auf, einschließlich verminderter Eosinophilie und Th2-Zytokinsekretion. Es wurde gezeigt, dass Endotoxinspiegel in Birkenpollenextrakten die Immunantwort beeinflussen, jedoch nicht der alleinige Faktor für die Allergenität sind. Andere pollenabgeleitete Komponenten können ebenfalls zur allergischen Sensibilisierung beitragen. Beispielsweise beeinflussen intrinsische Faktoren wie die Bet v 1-Konzentration und extrinsische Faktoren wie das Pollenmikrobiom, einschließlich bakterieller Komponenten wie LPS, die Pollenallergenität deutlich. Interessanterweise fanden wir heraus, dass selbst gesammelte Pollen im Vergleich zu kommerziellen Proben unterschiedliche immunogene Eigenschaften besitzen, was auf eine mögliche Rolle von Oberflächenlipiden und der Mikrobiomzusammensetzung hindeutet. Zusammenfassend tragen unsere Erkenntnisse zum Verständnis des komplexen Prozesses der allergischen Sensibilisierung bei. Durch die Untersuchung der Sensibilisierung über Hauptallergene hinaus und ihrer Rolle bei der Immunsystemstimulation konnten wir Schlüsselaspekte der allergischen Sensibilisierung aufdecken, die mit der gesamten Pollenmatrix verbunden sind, einschließlich pollenspezifischer, aus dem Mikrobiom stammender Verbindungen.