Proteomik

Projekte

Systemmedizinische Ansätze für personalisierte Knochendefekt­behandlungen in Patient*innen mit Diabetes Typ 2 Komorbidität (SyMBoD)

Röntgenaufnahme der Hüfte
© praisaeng - stock.adobe.com

Unsere Knochen haben die beachtliche Fähigkeit zu einer vollständigen Heilung. Dennoch können verschiedene Bediungungen dafür sorgen, dass die Heilung des Gewebes kompromittiert abläuft oder sogar ganz ausbleibt. Die Gründe dafür können eine zu schwer­wiegende Fraktur oder systemische Erkrankungen wie Osteoporose oder Typ-2 Diabetes mellitus sein. Im letztgenannten Fall, kommt es zu einem verschlechterten Ein­wachsen von Blutgefäßen sowie einer gestörten Differenzierung von knochen­bildenden Osteoblasten. Das Ausmaß der Störung in den Heilungskapazitäten ist jedoch sehr individuell und bis heute gibt es keine diagnostische Methode, um diese vor Therapiebeginn zu erkennen. Dies erhöht das Leiden der Patient*innen in der Therapie, bevor dann mit dem Einsatz von Knochenimplantaten, die aus inerten Materielen bestehen oder als Eigenspende- oder Fremdspendegewebe eingesetzt werden, begonnen wird. Die bestehenden Materialien sind aus unterschiedlichen Gründen nicht ideal.

Hier möchte das SyMBoD-Projekt ansetzen und eine digitale Plattform zur Entscheidungshilfe in der Therapie von Knochenbrüchen von Patient*innen mit Typ-2 Diabetes mellitus entwickeln. Ziel ist es (i) theranostische Biomarker zu identifizieren (ii) individualisierte, fraktur- und patient*innespezifische Implantate zu modellieren. Dafür werden in verschiedenen Geweben (Blutplasma und -zellen, Knochen­gewebe und Exosomen) sowohl in Tierversuchen als auch aus humanen Biobanken multi-OMICS Verfahren angewendet, die individuelle molekulare Profile aufdecken werden. Diese zeitaufgelösten Profile werden mittels KI-gestützter bioinformatischen Methoden zu klinischen Parametern und Heilungsverläufen korreliert und werden eine Gruppierung von Patient*innen in Risikogruppen und die Identifizierung von Biomarkern ermöglichen.

Parallel werden durch iterative Testung in Tiermodellen bioresorbierbare Polycaprolacton-basierte Gerüstkonstruktionen optimiert. Hier kommen multiskalierte Modellierungen zum Einsatz, um die biomechanischen Eigen­schaften auf unterschiedlichen Größenskalen zu optimieren und Computermodelle von bestmöglichen patient*innen- und fraktur­spezifischen Implantaten zu erstellen.

Sowohl molekulare als biomechanische Modelle werden in die Plattform integriert werden und Klinikern ermöglichen (i) Risiko­patient*innen anhand ausgewählter Biomarker zu identifizieren und (ii) nahtlos Computermodelle von Gerüstkonstruktionen anhand Bildaufnahmen zu erstellen. Diese Modelle können dann im CAD-CAM-3D-Druckverfahren unter GMP-Bedingungen aus bioresorbierbaren Materialien zu individua­lisierten Knochenimplantaten umgesetzt werden.

Ansprechperson
Prof. Dr. Stefan Kalkhof

Logo Bundesministerium für Bildung und Forschung

Verbesserung der Hakenwurmüberwachung durch die Entwicklung eines diagnostischen Schnelltests (»WormShield«)

© CDC‘s Public Health Image Library

Wurminfektionen stellen speziell in tropischen und sub­tropischen Gebieten noch immer eine große gesundheits­relevante Herausforderung dar. Gemäß Statistiken des Zentrums für Krankheitskontrolle und Prävention von 2013 sind allein von Hakenwurminfektionen weltweit mehr als 700 Millionen Menschen betroffen. Dadurch kommt es bis zu 60 000 Todesfällen pro Jahr. Die Infektion erfolgt über Kontakt mit durch Fäkalien kontaminiertem Wasser oder Boden, so dass überwiegend die Landbevölkerung damit zu kämpfen hat. Eine effektive Behandlung kann mittels Albendazol oder Mebendazol erfolgen. Die aktuell zur Diagnostik angewen­deten Methoden (Kato Katz, MiniFLOTAC, McMaster) er­fordern geschultes Personal und eine entsprechende diagnostische Infrastruktur, so dass viele Infektionen erst sehr spät diagnostiziert werden.

Ziel des internationalen Verbundprojekts »WormShield«, welches die Arbeitsgruppe Proteomik in Zusammen­arbeit mit der Firma BioScientia (Polen), der Cayetano Heredia Universität (Peru) und dem Klinikum Dr. Hugo Mendoza (Dominikanische Republik) bearbeitet, ist es, die Diagnose einer Hakenwurminfektion durch die Entwicklung eines schnellen, spezifischen, sensitiven, robusten und einfach zu handhabenden Lateral-Flow-Assays im klinischen Alltag zu verbessern. Dieser Test soll als Point-of-Care-Diagnostikum weltweit zum Einsatz kommen.

Die Finanzierung des Projekts erfolgt durch die EU im Rahmen der EU-LAC-Health-Initiative zur Förderung der kooperativen Gesundheitsforschung mit Staaten aus Lateinamerika und der Karibik.

Ansprechperson
Prof. Dr. Stefan Kalkhof

LowAllergen / FoodAllergen – Nachweis von pflanzlichen allergenen Proteinstrukturen mit anschließender Modifikation und der Testung der erfolgreichen Allergenreduktion durch analytische Methoden

Die Häufigkeit der Neuerkrankungen an Nahrungsmittelallergien (Inzidenz) nimmt weltweit zu. Gleichzeitig ist ein Anstieg von nicht-konventionellen Nahrungsmittelzutaten vor allem auf pflanzlicher Basis zu verzeichnen, der dem modernen Trend der ressourcenbewussten Ernährung folgt. Beachtung findet dieser Trend aber auch in Europäischen Richtlinien, die die Verbraucher*innen auf das Allergierisiko aufmerksam machen sollen und vor Folgen der Allergie schützen sollen (LMIV). Das hat zur Folge, dass der Bedarf an verlässlichen Methoden zur Analytik von allergenen Bestandteilen an sich und an Technologien zur Reduktion der entsprechenden allergenen Bestandteile in den letzten Jahren enorm gewachsen ist.

Das Projekt »LowAllergen« und dessen Folge-Projekt »FoodAllergen« beschäftigen sich mit allergenen Lebensmittelzutaten auf pflanzlicher Basis. Ein Teilprojekt zielt auf die Veränderung von Proteinen insoweit ab, dass deren allergenes Potenzial verringert werden soll. Die Voraussetzung dafür sind innovative Technologien zur Modifikation von Proteinen, die in unserem Partner-Institut Fraunhofer IVV entwickelt werden. Im Rahmen des Projekts ist die Arbeitsgruppe Proteomik für die Entwicklung antikörperbasierter Testsysteme verantwortlich, die eine quantitative Analyse der allergenen Bestandteile an sich, und nach Anwendung der zu entwickelnden Verfahren, des noch vorhandenen allergenen Potenzials ermöglichen. So konnte im Projekt »LowAllergen« am Beispiel Soja eine Verminderung allergener Komponenten durch Anwendung bestimmter Mikroorganismen in Fermentationsprozessen und Hydrolyse unter Hochdruckanwendung nachgewiesen werden. Im Projekt »FoodAllergen« sollen die Verfahren und Nachweise auf weitere pflanzliche Proteinzutaten ausgedehnt werden, um Technologien zu deren Modifikation und analytische Methoden zum Nachweis der erfolgreichen Allergenreduktion möglichst schnell in die Praxis überführen zu können.

Ansprechperson
Dr. Jörg Lehmann

Entwicklung von Diagnostiktests zur Bestimmung von Biomarkern in Milch und Blut zur Gesundheitsüberwachung in Milchviehbeständen

Im Arbeitsgebiet »Biomarker-basierte Veterinärdiagnostik« werden auf der Grundlage von immunologischen Biomarkern spezifische und sensitive Nachweisverfahren für Milchrinder entwickelt, um erkrankte Tiere möglichst vor dem Auftreten von Krankheitssymptomen in den Beständen zu erkennen. Test-positive Tiere können gezielt einer tierärztlichen Untersuchung mit anschließender Behandlung zugeführt werden. Dadurch lässt sich die Bestandsgesundheit überwachen und optimieren sowie akute Entzündungen und Infektionen durch frühzeitige Therapieansätze vermeiden. Dieses Vorgehen kann mittelfristig die Wirtschaftlichkeit des Betriebes erhöhen. Da Gesundheit und Wohlbefinden der Tiere unmittelbar miteinander verbunden sind, leistet die Entwicklung von Biomarkertests zur Früherkennung von Erkrankungen bei Milchrindern einen nicht zu unterschätzenden Beitrag im Sinne des Tierschutzes und Tierwohls sowie des Schutzes der Verbraucher*innen.

Im Rahmen eines vom (ehemaligen) Bundesministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Verbraucherschutz geförderten Verbundvorhabens (On-Farm-Recording_Breeding) wurden im Teilprojekt der Abteilung Präklinische Entwicklung und Validierung verschiedene Biomarker für die Gesundheitserkennung im Rind identifiziert und charakterisiert. Eine 2015 eingereichte Patentanmeldung wird gegenwärtig auf einen internationalen Schutzstatus erweitert. In gestaffelten Entwicklungsprojekten werden die vielversprechendsten Biomarker-Kandidaten zu validierten Diagnostiktests weiterentwickelt und zusammen mit Industriepartnern zur Marktreife geführt. Ein wesentlicher Nutzen wird der kombinierten Bestimmung von Biomarkern durch Multianalysen eingeräumt, um die beste diagnostische Aussagekraft zu erhalten. Zusammen mit Industriepartnern, tierärztlichen Institutionen und landwirtschaftlichen Betrieben sind wir bestrebt, anwender*innenfreundliche Produkte zu entwickeln, die die Akzeptanz der Tierhalter*innen gewinnen sowie innovative Produktkonzepte anzubieten, die den Anforderungen einer zukunftsfähigen Landwirtschaft gerecht werden.

Der Diagnostiktest zur Bestimmung von Haptoglobin, einem Haupt-Akute-Phase-Protein des Rindes, befindet sich gegenwärtig in der letzten Stufe der Entwicklung zur Marktreife, der klinischen Validierung. Für die Entwicklung der Nachweistests für weitere Biomarker-Kandidaten bemühen wir uns derzeit um Projektförderung.

Ansprechpersonen
Dr. Anke Hoffmann, Dr. Jörg Lehmann

Abgeschlossene Projekte:

  • Projekt »Bronchialkarzinom« im Rahmen des BMBF-Programms »Innovative regionale Wachstumskerne«, Modul »WK Potenzial«