Anwendung der Systemimmunologie auf die Suche nach personalisierten Biomarkern mit klinischer Wirksamkeit (SYS-T-ACT)

Zusammenfassung der Studie: Anwendung der Systemimmunologie auf die Suche nach personalisierten Biomarkern für die klinische Wirksamkeit: Vorhersage des T-Zell-Aktivierungspotentials in vivo aus ruhenden T-Zellen von Patienten.

Einführung Allergie betrifft mehr als 20 % der Bevölkerung der meisten Industrieländer. Die wichtigsten allergischen Erkrankungen, allergische Rhinitis, Asthma, Nahrungsmittelallergien und Urtikaria, sind chronisch, verursachen schwere Behinderungen und sind sowohl für den Einzelnen als auch für die Gesellschaft kostspielig (Weißbuch der World Allergy Organization (WAO) 2013). Neben berufsbedingten Allergien werden die häufigsten Allergien durch Lebensmittel, Pollen, Staub, Schimmel, Tierhaare, Insektenstiche, Medikamente usw. verursacht. Allergische Erscheinungen sind auf eine verstärkte Reaktion des Immunsystems auf Antigene zurückzuführen, die von Nicht-Allergikern vertragen werden.

Nach Exposition gegenüber Antigenen können naive CD4+ (Cluster of Differentiation 4) T-Zellen in verschiedene Untergruppen von T-Helfer (Th)-Zellen (Th1, Th2, Th9, Th17, Th22, Tfh) differenziert und durch induzierte supprimierende regulatorische T-Zellen unterschiedlich charakterisiert werden Zytokinexpressionsmuster, Transkriptionsfaktoren und andere Oberflächenmarker, die adaptive und angeborene Immunantworten auf diese Stimuli inszenieren. Th2-Zellen spielen bei all den verschiedenen Formen von Immunglobulin E (IgE)-assoziierten allergischen Erkrankungen eine zentrale Rolle und gelten daher als die dominanteste T-Zell-Untergruppe, die die allergische Reaktion aufrechterhält. Bei der Antigenaufnahme und -verarbeitung durch Antigen-präsentierende Zellen werden CD4+-T-Zellen in Richtung eines Th2-Phänotyps polarisiert, was zur Expression von Th2-Zell-assoziierten Zytokinen wie Interleukin (IL)-4, -5, -9, -13, Switching führt B-Zell-Antwort auf die IgE-Produktion (Sensibilisierung oder frühe Phase). Allergenspezifisches IgE bindet an einen hochaffinen Rezeptor (FcεRI) von angeborenen Immunzellen, einschließlich Basophilen und Mastzellen, und löst die Freisetzung von anaphylaktogenen Mediatoren (Zytokine, Chemokine, Histamin, Heparin, Serotonin und Proteasen) aus, die für die Rekrutierung von Entzündungszellen und Allergien verantwortlich sind Symptome (Effektor- oder Spätphase). Die Identifizierung von Gennetzwerken, die in ruhenden und aktivierten Th2-Zellen von Allergikern exprimiert werden, würde helfen, Genkandidaten zu unterscheiden, die eine Immuntoleranz gegenüber Allergenen vorhersagen.

Allergien sind Krankheiten, an denen viele Zelluntergruppen beteiligt sind. Die spezifischen Reaktivitäten und Beiträge zum Krankheitsbild sind eng voneinander abhängig und noch nicht vollständig entschlüsselt. Das Zusammenspiel der verschiedenen Akteure des zellulären Immunsystems wird durch die Existenz der kommensalen Darmflora, auch Mikrobiota genannt, weiter verkompliziert. Die Darmmikrobiota steht teilweise unter der Kontrolle des Immunsystems, und Fehlregulationen oder Veränderungen in der Zusammensetzung der Mikrobiota, beispielsweise aufgrund der Einnahme von Antibiotika während der Kindheit und/oder unterschiedlicher Essgewohnheiten, können adaptive und angeborene Immunfunktionen beeinträchtigen. Die Charakterisierung der Darmmikrobiota menschlicher Wirte, die sich einer Immuntherapie unterziehen, könnte von großem Interesse sein, um Wechselwirkungen zwischen Mikrobiota und adaptivem Immunsystem zu beschreiben.

Trotz erheblicher Verbesserungen bei Medikamenten, die die täglichen Allergiesymptome lindern, leidet ein Prozentsatz der Patienten immer noch unter unkontrollierten schweren Symptomen. Für diese Patienten sind die strikte Vermeidung des Allergens und das Aufbewahren von Notfallmedikamenten bisher die besten Empfehlungen, und die Belastung durch das Leben mit einer Allergie führt letztendlich zu psychosozialen, gesundheitlichen, beruflichen und wirtschaftlichen Problemen, indem sie die öffentlichen Gesundheitskosten beeinträchtigt. In diesen Fällen ist die beste und praktikabelste Lösung zur Verbesserung der Lebensqualität die Anwendung eines immuntherapeutischen Ansatzes zur Induktion einer Allergentoleranz.

Die allergenspezifische Immuntherapie (AIT) wird seit mehr als 100 Jahren durchgeführt und erreicht eine anhaltende Reaktionslosigkeit durch die Verabreichung eskalierender Dosen des verursachenden Allergens, bis eine Erhaltungsdosis erreicht ist. Immuntherapeutische Protokolle mit unterschiedlicher Dauer (von Stunden für Ultra-Rush-Protokolle bis hin zu Wochen oder Monaten für herkömmliche Protokolle) werden zur Behandlung von Lebensmittel-, Pollen-, Tierhaar- und Insektenstichallergien angewendet. Die Desensibilisierung erfolgt in aufeinanderfolgenden Schritten, wie z. B. sehr frühe Desensibilisierung von Mastzellen und Basophilen, Verschiebung der T- und B-Zell-Antworten auf regulatorische Phänotypen, Modulation allergenspezifischer Antikörper-Isotypen und Hemmung der Migration und Mediatorfreisetzung von Eosinophilen, Basophilen und Mast Zellen.

Es bleiben jedoch Fragen zu den sehr frühen Ereignissen, die zu Beginn der Immuntherapie stattfinden, wie z. B. ob die Mechanismen bei Rush- oder konventionellen Protokollen unterschiedlich sind. Das Ergebnis der Immuntherapie kann mit Ereignissen zusammenhängen, die in verschiedenen Zelluntergruppen auftreten, und die Identifizierung von prädiktiven Biomarkern für die Toleranzinduktion ist immer noch dringend erforderlich.

Zu diesem Zweck wird die Systembiologie angewandt. Ziel der Systembiologie ist es, Informationen über komplexe biologische Systeme (z. B. Transkriptomikdaten) zu sammeln und Computerwerkzeuge anzuwenden, um besser zu verstehen und vorherzusagen, ob und in welchem ​​Maße diese Systeme auf Störungen reagieren werden. Basierend auf „Omics“-Daten vermittelt die Systembiologie ein umfassenderes Bild von zellulären Ereignissen, die im Verlauf der AIT auftreten, als Ansätze, die sich auf isolierte Genkandidaten oder Signalwege konzentrieren. Dieser systemische Ansatz ermöglicht den Aufbau und die Schlussfolgerung von prädiktiven Genexpressionsnetzwerken, die mit hypothesenbasierten Ansätzen nicht bestimmt werden konnten.

Begründung des Forschungsvorhabens:

Menschliche Individuen zeigen eine große Varianz sowohl in der angeborenen als auch in der adaptiven Immunantwort nach Immunreizen. Allerdings ist wenig darüber bekannt, welche und wie molekulare Subnetzwerke das Immunantwortpotential quantitativ steuern. Bisher wurden keine prädiktiven Biomarker für die klinische Wirksamkeit von Impfungen oder antigenspezifischen Immuntherapien gegen Allergien etabliert. Der aktuelle Vorschlag ist eine Pilotstudie zur Identifizierung von Interessenkandidaten, deren Vorhersagewert als Biomarker in weiteren Studien mit größeren Patientengruppen und geeigneten Kontrollen bewertet wird.

Die Forscher stellen die Hypothese auf, dass frühe molekulare Ereignisse der Zellstimulation bei erfolgreicher AIT mit einer regulatorischen immunresponsiven Signatur von angeborenen (natürliche Killerzellen (NK)-Zellen, angeborene lymphatische Zellen) und adaptiven (T- und B-Zellen) Immunzellen korrelieren. In dieser Hinsicht könnten Eigenschaften der ruhenden (vor AIT) Th2-Zellen von allergischen Patienten und frühe Veränderungen, die in dieser Population im Verlauf der AIT auftreten, letztendlich das therapeutische Ergebnis vorhersagen.

Das Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung einer systembiologischen Strategie zur quantitativen Vorhersage des Reaktionspotentials von aktivierten Th2 (T-Helfer Typ 2)-Zellen aus ruhenden Th2-Zellen von Allergikern, die sich einer Allergen-Desensibilisierungsbehandlung unterziehen. Die Forscher planen, das Transkriptom ihrer Zellen zu verschiedenen Zeitpunkten im Verlauf der AIT zu analysieren und Genexpressionsnetzwerke abzuleiten, die es uns ermöglichen, die wichtigsten prognostischen Faktoren für das Ansprechen auf die AIT und die Induktion der Immuntoleranz zu bestimmen. Parallel zu Th2-Zellen werden die Forscher die Rollen und Subpopulationen von NK-Zellen untersuchen, da die Rolle dieser Untergruppen bei Allergien noch weitgehend unbekannt ist. Da außerdem bekannt ist, dass die Darmmikrobiota mit dem Immunsystem assoziiert ist und mit diesem interagiert, werden die Forscher die Gelegenheit nutzen, Mikrobiotaproben von Patienten zu sammeln, die sich einer AIT unterziehen, um Veränderungen zu beurteilen, die während der Desensibilisierung auftreten könnten. Der Abschluss dieser Studie wird es uns ermöglichen, i) potenzielle Biomarker zu identifizieren, die letztendlich zur Vorhersage des Therapieergebnisses oder zur Verfeinerung und Anpassung der Therapie an die Merkmale eines Patienten verwendet werden könnten, ii) zur Überwachung der Veränderungen, die in NK-Zellen von Patienten auftreten, die Desensibilisierungsverfahren unterzogen wurden, iii) Untersuchung der Darmmikrobiota von Allergikern und Erforschung potenzieller prädiktiver Mikrobiota-Biomarker (Teil der am IBBL durchgeführten Studie). Diese Studie ist eine Proof-of-Concept-Studie, um eine zukünftige größere Kohorte zu starten, da die Entdeckung neuer Biomarker/Merkmale neue Wege eröffnen könnte, um andere Erkrankungen zu verstehen, die mit einer Dysregulation des Immunsystems verbunden sind und bei denen eine Toleranzinduktion erforderlich ist, wie z. B. Autoimmunerkrankungen Krankheiten, Transplantatabstoßung und andere.

Methodik:

Patienten, die in diese Studie aufgenommen werden, sind allergische Patienten aus der Abteilung für Immunallergologie des CHL, die sich aus medizinischen Gründen ohnehin routinemäßig einer antigenspezifischen Immuntherapie unterziehen werden. Diese immuntherapeutischen Protokolle sind bereits etabliert und werden von erfahrenen Spezialisten am CHL verwendet und werden für die Zwecke dieses Forschungsprojekts nicht modifiziert. Wenn Patienten, die für eine AIT in Frage kommen, der Teilnahme an unserem Forschungsprojekt zustimmen, werden die Prüfärzte im Laufe der Behandlung Blut- und Stuhlproben entnehmen. Abhängig von der zu behandelnden Allergie gibt es zwei routinemäßige Desensibilisierungsprotokolle: Ein Ultra-Rush-Protokoll wird zur Insektenstich-Desensibilisierung durchgeführt, während ein herkömmliches Protokoll zur Pollen-Desensibilisierung verwendet wird. Eine Kontrollgruppe ohne klinische Vorgeschichte von Allergien wird rekrutiert. Blut- und Stuhlproben werden in den gleichen Zeiträumen wie bei Allergikern entnommen.