Liganden-Entwicklung

Frühgeborene bilden eine der größten Kinderpatientengruppe Deutschlands. Jedes zehnte Kind wird zu früh geboren und benötigt medizinische Unterstützung. Durch die vorzeitige Unterbrechung der Lungenentwicklung ist das Atemnotsyndrom die häufigste Komplikation und Todesursache bei Frühgeborenen. Die Entwicklung neuer Therapien und Wirkstoffe ist somit von hoher gesellschaftlicher Relevanz und Gegenstand intensiver Forschung. Als Modellsysteme zur Entwicklung und präklinischen Testung neuer Therapien stehen aktuell 2D-Zellkulturmodelle und Tiermodelle zur Verfügung.

Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung von dreidimensionalen Lungenorganoiden. Im Gegensatz zu den herkömmlichen Zellkulturen bilden Organoide die physiologische Situation wesentlich besser ab und ermöglichen präzisere Aussagen zu Einflüssen und Interaktionen während der Organogenese. Die Entwicklung neuer Therapien und Wirkstoffe kann somit deutlich gezielter erfolgen und zudem die Anzahl der notwenigen Tierversuche reduzieren.

Die Immundiagnostik von Krankheiten beruht zurzeit in der Regel auf Proteinen oder Extrakten, die direkt aus den pathogenen Organismen oder biotechnologisch hergestellt werden. Der Nachteil ist, dass Varianten, wie sie zum Beispiel bei Grippe­viren vorliegen, nur schwer unterschieden werden können. Es konnten Verfahren zur exakten Identifikation der Bindungsstellen von Patient*innen-Antikörpern (Epitopen) ent­wickelt werden, die auch direkt in Seren Anwendung finden können. Das erlaubt die zuverlässige Identifizierung des Erregers, des ursächlichen Antigens bei einer Allergie oder vielen Indikationen wie (Auto)Immun- und Infektionskrankheiten sowie neue Therapie- und Forschungsansätze.

Lebensmittelallergien sind seit vielen Jahren ein Forschungsschwerpunkt der Arbeitsgruppe Liganden-Entwicklung. Eine stetige Zunahme gerade dieser Erkrankungen ist in den letzten Jahren zu beobachten. Diagnosen mit Haut-Pricktest sind nur begrenzt hilfreich, da vor allem viele Pflanzenproteine sehr ähnlich in ihrem Aufbau sind. Eine epitopbasierte Diagnostik ist wahrscheinlich die einzige Alternative zu aufwendigen klinischen Unter­suchungen. Diese setzen in der Regel eine Blutentnahme voraus, wobei einzig die Provokation mit den Lebensmitteln, die stationär und unter ärztlicher Beobachtung in einer Klinik durchgeführt werden muss, bisher als sicherer Beweis einer Allergie gilt. Eine effiziente Diagnose, geeignete Behandlung und Anpassung der Ernährung ist daher bei vielen Patient*innen kaum möglich.

In einem ersten Projekt am Beispiel der Sojaallergie wurde gezeigt, dass tatsächlich einige wenige Epitope zur sicheren Identifikation von sensibilisierten Personen und auch solchen mit klinischen Symptomen ausreichen könnten. Diese Peptide sollen zukünfig in einem einfachen Test zum Einsatz kommen, der entsprechende Antikörper auch in einem Blutstropfen nachweisen könnte. Dies wäre ebenso ein Modell für Tests auf Infektionskrankheiten, die Effizienz von Impfstoffen oder Autoimmunerkrankungen.

Ein besonders umfangreiches Projekt wird von der Fraunhofer-Zukunftsstiftung gefördert, das auch national und international von Allergolog*innen mit großem Interesse verfolgt wird. In Kooperation mit mehreren anderen Fraunhofer-Instituten und Kliniken wird im Projekt FoodAllergen an einem holistischen Ansatz zum Umgang mit Lebensmittelallergien geforscht. Dieser umfasst auch die Identifizierung der Allergene in Lebensmitteln sowie neue Verfahren zu Herstellung von Lebensmittelzutaten mit reduziertem allergenen Potenzial. Es wurden inzwischen die Epitope für verschiedenste Pflanzen­allergene in Nahrungsmitteln identifiziert. Eine Umsetzung in Tests für Patient*innen ist in Vorbereitung.

Peptid Phage Display Bibliotheken von der Größe, wie sie am Fraunhofer IZI zur Verfügung stehen, erlauben eine rasche und zuverlässige Identifizierung von Epitopen und Mimotopen sowohl von monoklonalen als auch polyklonalen Antikörpern. Die gefundenen Peptide liefern nicht nur wertvolle Information zur Bindestelle am Protein sondern sie können auch in serologischen Assays und zur Reinigung von rekombinanten Antikörpern oder spezifischen Antikörpern aus polyklonalen Mischungen verwendet werden.

Diese Routinearbeit wird wegen ihrer kurzen Bearbeitungszeit und leicht überprüfbaren Ergebnissen gern von Firmen im Rahmen der Entwicklung von Antikörpern gewünscht.

In einem gemeinsamen Projekt mit dem Fraunhofer IFAM wurde entdeckt, dass eine einfache, mit zellbiologischen Verfahren kompatible Enzymreaktion genutzt werden kann, um Peptidliganden kovalent an ihre Rezeptoren auf Zellen zu binden. Daraufhin initiierten beide Institute das von der Fraunhofer-Gesellschaft geförderte Projekt ZELLFIX, um die gleiche Reaktion zur Modifikation von Oberflächen einzusetzen.

Zellen haften ungern auf den Polymeren von Kulturschalen. Normalerweise werden Polystyroloberflächen mit Plasma behandelt, was aber auch zu unerwünschten, teilweise toxischen Nebenprodukten führt. Mit dem neuen Verfahren könnten zum einen Peptid- und Proteinliganden die Anheftung der Zellen verbessern und zum anderen einzelne Oberflächenproteine kovalent direkt an die Platten gebunden werden, wie dieses auch auf plasmaaktivierten Oberflächen geschieht.

Im Projekt ZELLFIX wurden zunächst die ursprünglichen Annahmen experimentell bestätigt. Sogar abgegrenzte Bereiche von Zellkulturschalen lassen sich mit geringem Aufwand so modifizieren, dass Zellen nur dort anhaften. Diese Methode ist auch geeignet, um die lokale Anheftung von Proteinen selbst bei handelsüblichen, bereits plasmaaktivierten, Oberflächen zu verbessern.

Diese Verfahren werden bereits mit Partnern aus Industrie und Fraunhofer-Gesellschaft für erste spezielle Anwendungen erprobt. Zudem konnten über den biologischen und medizinischen Bereich hinaus zusätzlich neue Anwendungen identifiziert werden.

Dieses Projekt wird Fraunhofer-intern für drei Jahre mit mehreren Millionen Euro gefördert. Unter der Leitung der Lebensmittelspezialist*innen des Fraunhofer IVV in Freising arbeiten das Fraunhofer IZI, das Fraunhofer ITEM (Hannover), das Fraunhofer IME (Aachen) sowie die Hautklinik der Universitätsklinik in Leipzig zusammen.

Das LowAllergen-Projekt schafft die Grundlagen für die Herstellung von Lebensmittelzutaten mit reduzierten allergenen Eigenschaften. Substanzen mit allergenem Potenzial in Lebensmitteln sind eine Einschränkung und eine durchaus lebensgefährliche Bedrohung für Allergiker*innen. Ihr zunehmender, teilweise versteckter Einsatz und die damit verbundene Exposition der Verbraucher*innen erhöhen zudem das Risiko, dass auch gesunde Personen neue Allergien entwickeln.

Die Minderung des allergenen Potenzials von Zutaten wäre daher ein wesentlicher Beitrag zur Lebensmittelsicherheit. Voraussetzung hierfür sind aber geeignete Prozesse zur Reduzierung der allergenen Eigenschaften von Lebensmittelzutaten sowie Nachweisverfahren, die das allergene Potenzial von Lebensmitteln sicher und reproduzierbar bestimmen.

Existierende Testverfahren für den Einsatz in der Lebensmittelindustrie sind zwar für den grundsätzlichen Nachweis von allergenen Bestandteilen geeignet, sagen jedoch nichts über deren spezifische Allergenität aus. Zudem basiert die Bewertung von Prozessen zur Herstellung hypoallergener Proteinzutaten bislang auf der Verwendung schwer erhältlicher und uneinheitlicher humaner Blutseren. Daher ist die Entwicklung hypoallergener Nahrung bisher aufwändig und unspezifisch und bleibt auf wenige Produktgruppen, beispielweise Babynahrung, beschränkt. Die Hauptstrategie für Allergiker*innen ist nach wie vor die konsequente Vermeidung von Lebensmitteln mit potenziell allergenen Zutaten. Im Rahmen des MAVO-Projekts LowAllergen werden am Beispiel der Sojabohne (Glycine max) erstmalig neue diagnostische und lebensmitteltechnische Verfahren entwickelt und erprobt, die das allergene Potenzial von Lebensmittelbestandteilen gezielt und wirkungsvoll erkennen und reduzieren sollen.

Zur Identifizierung der molekularen Strukturen (Epitope), die von allergieauslösenden Antikörpern erkannt werden, sollen nicht wie bisher nur einzelne Proteine global untersucht werden, sondern eine detaillierte Charakterisierung auf unterschiedlichen Ebenen erfolgen. Drei komplementäre Ansätze liefern dabei Informationen über die allergenen Epitope der Sojaproteine und ermöglichen die Entwicklung von Nachweismethoden, die erstmalig auf standardisiert herstellbaren monoklonalen Antikörpern beruhen werden. Die erstmalige exakte Identifizierung und Nachweisbarkeit allergener Epitope auf molekularer Ebene ermöglichen somit die Entwicklung von Verfahrenskonzepten zur Gewinnung hypoallergener Lebensmittelzutaten. Hierfür werden spezifische chemische, physikalische oder enzymatische Verfahren zur Reduktion des allergenen Potenzials bei weitgehendem Erhalt der sensorischen und funktionellen Eigenschaften der Lebensmittelzutaten verfolgt.

Die Arbeitsgruppe Liganden-Entwicklung ist für Teile der Proteinreinigung und vor allem die Identifizierung von Epitopen und Mimotopen der allergieauslösenden Soja-Proteine verantwortlich.

Die Entwicklung neuer Peptidliganden endet natürlich nicht bei zum Beispiel der Auffindung von Liganden für Rezeptoren. In mehreren Bereichen sind wir mit Partnern aktiv bei der Erprobung neuer Technologien. Trotz hoher Selektivität haben Peptide häufig eine relativ geringe Bindungsaffinität. Wir haben ein Verfahren entwickelt, mit dem Peptide schonend an ihre Bindungspartner gekoppelt werden können und damit können auch Zellen für den Zellsorter hinreichend stabil markiert werden. Eine andere Möglichkeit ist die Verankerung von mehreren Peptiden auf größeren Strukturen. Wir testen dafür zum Beispiel in Projekten Polymere und Nanopartikel genauso wie die Verwendung in Proteomics und FACS Analyse von Zellen.