Umwelt-Immunologie (PD. Dr. Stefanie Gilles)

Erforschung von Allergieverursachern

20-25% aller Deutschen leiden laut verschiedener Studien unter Allergien. In westlichen Zivilisationen lässt sich inzwischen von einer wahren „Allergie-Epidemie“ sprechen. Die betroffenen Patienten leiden oft ganz erheblich unter den Symptomen, welche durch Heuschnupfen, Bindehautentzündung, Hautausschlag und allergisches Asthma ausgelöst werden.

Das Problem ist zusätzlich von volkswirtschaftlicher Relevanz, da Allergiker während der Heuschnupfensaison in der Schule oder ihrem Beruf häufig nur eingeschränkt leistungsfähig sind. Die hauptsächlichen Allergieverursacher der Außenluft sind Pollen luftbestäubter Pflanzen, wie etwa Bäume, Gräser und Kräuter. Im Fokus des Forschungsfeldes Umweltimmunologie am Institut für Umweltmedizin – UNIKA-T, unter der Leitung von Prof. Dr. Claudia Traidl-Hoffmann, stehen somit zwei Fragen:

  1. Wie wirken sich Umweltfaktoren, z.B. mikrobielle Belastung, erhöhte Schadstoffwerte, zunehmende Urbanisierung und der Klimawandel, auf pollenproduzierende Pflanzen und damit einhergehend auf die Allergenität ihrer Pollen aus?
  2. Welcher Teilprozess der Kommunikation zwischen Pflanzenpollen und dem menschlichen Immunsystem führt dazu, dass harmlose Pollenproteine als krankmachende Fremdstoffe erkannt werden?

Einflüsse durch Umweltfaktoren auf allergene Pflanzenpollen und die menschliche Gesundheit

Der Klimawandel und die Belastungen durch Luftschadstoffe wirken sich beide jeweils direkt und indirekt verstärkend auf allergische Erkrankungen aus. In einer umweltmedizinischen Studie konnte unser Team aufzeigen, dass Birken, welche an ihrem Standort einer starken Ozonbelastung ausgesetzt sind, Pollen bilden, welche wiederum stärkere Symptome bei Allergikern auslösen.

Im Rahmen eines Projektes, welches durch das Environmental Health Program des HelmholtzZentrums in München gefördert wird, untersuchen wir weiterhin, wie Luftschadstoffe, Klimagase und Trockenstress die Allergenität der Pollen der Beifußambrosie (Ambrosia artemisiifolia) beeinflussen.

Die entsprechenden Pollen werden hierfür aus Beifußambrosienpflanzen isoliert, welche in Klimakammern unter definierten Bedingungen gezüchtet wurden. Die immunmodulatorische Kapazität dieser Pollenproben wird anschließend in unterschiedlichen Zellkulturmodellen (humane dendritische Zellen, primäre nasale Epithelzellen, neutrophile und eosinophile Granulozyten, murine B-Zellen) miteinander verglichen. Die Allergenität der Pollen wird zudem bei allergischen Patienten anhand von Haut-Pricktests und nasalen Provokationen untersucht.

Abbildung eines Pollen (Bild: IEM)

Abbildung eines Pollen (Bild: IEM)

Cross-kingdom signalling - Die Kommunikation zwischen Pollen und dem menschlichen Immunsystem

Die „normale“ Reaktion des menschlichen Immunsystems auf eine Pollenexposition ist Toleranz, d. h. das Immunsystem lernt, Pollenproteine spezifisch zu tolerieren. Warum dieser Prozess der aktiven Toleranz bei Allergikern nicht richtig funktioniert, ist bislang nur unzulänglich erforscht worden. Bekannt ist, dass sich die jeweilige genetische Veranlagung sowie Umwelt- und individualspezifische Faktoren gegenseitig bedingen.

Sobald Pollen eingeatmet werden, gelangen diese zunächst auf die Schleimhäute der oberen Atemwege. Die Atemwegsepithelien lösen umgehend ein Signal aus, welches den Zellen des Immunsystems entweder das Bekämpfen oder das Tolerieren der Pollenproteine und weiterer Substanzen befiehlt. Im Bereich der Umweltimmunologie interessieren wir uns daher besonders für die Frage, wie Pollen und Gewebezellen (Nasen- und Schleimhautepithel, Keratinozyten der Haut) miteinander kommunizieren.

Außerdem erforschen wir, in welcher Weise sich diese Kommunikation auf die Aktivierung von nachgeschalteten Zellen des angeborenen und des adaptiven Immunsystems (Granulozyten, dendritische Zellen, T- Zellen) auswirkt. Derzeit untersuchen wir, ob Pollen die Aktivierung des Inflammasoms in humanen Epithelzellen (ein Wirkstoff des menschlichen Immunsystems) bewirken. Dies könnte in Kombination mit der Hemmung von Th1 Zytokinen eine verstärkte Th2 Differenzierung fördern.

In einem weiteren Projekt gehen wir der Frage nach, ob sich Pollensubstanzen störend auf die antivirale Antwort von Schleimhautepithelzellen auswirken.

Niedermolekulare Substanzen als zusätzliche Allergieverursacher

In der Vergangenheit konnten wir zeigen, dass Pollen, neben allergenen Proteinen, eine Vielzahl an niedermolekularen Substanzen freisetzen. Diese lösen an sich noch keine Allergie aus, jedoch können sie das menschliche Immunsystem in Richtung einer For_Umw_Imm_Nasenepithel.7allergischen Reaktion lenken.

Hierzu zählen die Pollen-assoziierten Lipidmediatoren (PALMs), Abkömmlinge der Linol- und Linolensäure, die strukturell und funktionell mit den in Säugetierzellen vorkommenden Leukotrienen und Prostaglandinen verwandt sind. Sie können innate Immunzellen, wie z. B. neutrophile und eosinophile Granulozyten, anlocken und aktivieren, oder aber die Funktion von antigenpräsentierenden Zellen (dendritischen Zellen) derart modulieren, dass diese nicht mehr in der Lage sind, T Helferzellen vom Typ Th1 zu differenzieren. Dies wiederum könnte einer Differenzierung von allergieauslösenden Th2 Zellen Vorschub leisten.

Neben den PALMs setzen Pollen auch immunologisch und neurologisch aktive Stoffe, wie z. B. Adenosin, frei. In Zellkulturen humaner dendritischer Zellen wirkt Adenosin toleranzfördernd, wobei die Zellen bei Allergikern dieses schützende Signal nicht richtig zu verstehen scheinen. Wahrscheinlich ist Adenosin aber dennoch kein „guter“ Botenstoff, sondern verschlimmert womöglich bei bereits allergischen Patienten den Krankheitsverlauf.

Ob dies zutrifft, wird derzeit in einem eigens entwickelten Mausmodell überprüft. Schließlich wollen wir aus der Vielzahl niedermolekularer Substanzen, welche von Pollen freigesetzt werden, diejenigen herausfinden, die immunologisch von größter Bedeutung sind. Um diese Aufgabe zu erfüllen, kommen massenspektrometrische Analysen (Metabolom-Analyse), chromatographische Verfahren, Zellkulturtests, aber auch klinische Studien am Menschen (nasale Provokationstests, Haut-Pricktests) zum Einsatz.

Abbildung eines Nasenepithel (Bild: IEM)

Abbildung eines Nasenepithel (Bild: IEM)

Kollaborationen

  • Institut für Biochemische Pflanzenpathologie (BIOP), Helmholtz Zentrum München
  • Abteilung Analytische Biogeochemie (BGC), Helmholtz Zentrum München
  • Immunopharmacology, Utrecht Universität (NL)
  • Klinik für Hals-, Nasen-, und Ohrenheilkunde, Klinikum rechts der Isar der TU München
  • Klinik und Poliklinik für Dermatologie und Allergologie, Klinikum rechts der Isar der TU München
  • Zelluläre und Molekulare Allergologie, Universität Salzburg
  • Abteilung für Pathophysiologie, Infektiologie und Immunologie, Medizinische Universität Wien  
  • Biozentrum Würzburg