„Coxiella burnetii ist in der Lage, unterschiedliche Abwehrmechanismen des Immunsystems zu umgehen und gezielt zu unterbinden.“
Dr. Michael Knittler forscht am Institut für Immunologie des FLI auf der Insel Riems. Sein Forschungsschwerpunkt liegt auf der zellulären Immunität und der Immunevasion. Er ist Teil des Q-GAPS-Verbunds und arbeitet an Coxiella burnettii. Dabei erforscht er, was bei einer Infektion mit der Wirtszelle passiert.
Wie sieht Ihr Forschungsprojekt im Q-GAPs-Verbund genau aus?
In unserem Teilprojekt des Q-GAPS-Verbundes arbeiten wir an der Frage, wie sich das Immunsystem von Mensch und Tier einer Infektion mit dem zoonotischen Bakterium Coxiella (C.) burnetii entgegenstellt. Besonders interessiert uns die sogenannte “First Line of Defense“, also der Teil der angeborenen Immunabwehr, der den Erstkontakt mit diesem Krankheitserreger herstellt. Hier betrachten wir die initialen immunologischen Prozesse von professionellen Antigen-präsentierenden Zellen, also APCs wie Makrophagen und dendritische Zellen, sowie den natürlichen Killerzellen, die während der frühen Abwehrprozesse gegen Bakterieninfektionen miteinander kooperativ interagieren. Da Coxiellen ebenso wie viele andere Krankheitserreger ausgeklügelte Strategien besitzen, eine Wirtsabwehr zu unterwandern oder zu blockieren, beschäftigen wir uns zudem mit Prozessen der bakteriellen Immunevasion und -subversion während der frühen Immunreaktion gegen C. burnetii.
Unterscheidet sich die Immunabwehr bei Menschen und Tieren?
Wirbeltiere verfügen ebenso wie wir Menschen über eine zellautonome, angeborene und erworbene oder adaptive Immunität.
Wie funktioniert das System denn genau?
Zellautonome und angeborene Immunität sind nicht auf bestimmte Krankheitserreger, sondern auf bestimmte pathogene Erkennungsmuster spezialisiert. Einen ganz entscheidenden Anteil nehmen hierbei in der frühen Immunantwort die antigenpräsentierenden phagozytischen Immunzellen ein. Diese haben die einzigartige Fähigkeit, Keime gezielt aufzunehmen, abzutöten und deren Bestandteile auf ihrer Zelloberfläche dem adaptiven Immunsystem für nachgeschaltete, spezifische Abwehrmechanismen durch Lymphozyten wie B- und T-Zellen anzuzeigen. Diese beiden Gruppen von Immunzellen stellen ein breites Spektrum spezifischer Moleküle zur Antigenerkennung her, um die Krankheitserreger antigenspezifisch zu bekämpfen. Die adaptive Abwehr kann zudem Gedächtniszellen generieren. Dank dieser ist es möglich, sich an Krankheitserreger und Antigene zu erinnern, mit denen das Immunsystem bereits in der Vergangenheit Kontakt hatte. Mittels dieses immunologischen Gedächtnisses können Krankheitserreger nach Wiedererkennung schneller und effektiver bekämpft werden. Da das Immunsystem während der langen Ko-Evolution von Wirten, also Tieren und Menschen, und ihren Krankheitserregern gezielt zur Infektionsabwehr entstanden ist, haben sich im Falle vieler wirtsspezifischer Keime auch sehr spezielle Immunstrategien und -antworten in den unterschiedlichen Wirtsorganismen herausgebildet. Das garantiert, dass das Immunsystem in direkter Anpassung an einen bestimmten Erreger zu maßgeschneiderten Abwehrmechanismen greift, die die vorliegende Infektion sehr wirkungsvoll bekämpfen.
Ein Prinzip, das von Impfungen aufgegriffen wird. Gibt es die Möglichkeit von Impfungen, um Coxiellen-Infektionen vorzubeugen?
In der Tat ist die Impfung von Wiederkäuern gegen Coxiellen die wirksamste Maßnahme, um eine Ausbreitung des Erregers zu verhindern. Aktuell zugelassene Tot-Impfstoffe werden bei Rindern und Ziegen angewendet, um das Risiko einer Ausbreitung von C. burnetii-Infektionen zu verringern und bei kleinen Wiederkäuern infektionsbedingte Aborte zu verringern. Allerdings hat der aktuell zugelassene Impfstoff auch verschiedene Nebenwirkungen besonders nach wiederholter Verabreichung. Für den Menschen sieht die Situation so aus, dass der in Australien zugelassene humane Q-Fieber-Impfstoff schwere, lokale Nebenwirkungen verursachen kann, wenn der Impfling vorher bereits mit C. burnetii infiziert war. Deshalb muss dies vor einer entsprechenden Impfung serologisch ausgeschlossen werden. Obwohl die Impfung von Nutztieren auch den Menschen vor dem zoonotischen Erreger Coxiella indirekt schützt, wäre es wünschenswert einen verbesserten neuen Impfstoff für den human- und veterinärmedizinischen Bereich herzustellen.
Verändert sich der Erreger bezüglich seiner Antigene, während er auf die Immunabwehr trifft?
Aus der hochinfektiösen Phase, Phase I, entwickelt sich bei der Anzucht in Flüssigkultur und in Zelllinien die avirulente Phase II. Dabei entsteht die Phase II durch genetische Veränderungen, die etwa die Synthese des Volllängen-Lipopolysaccharids, LPS, betreffen. Generell ist es so, dass es wahrscheinlich durch den fehlenden Druck eines immunologisch kompetenten Wirtes zu einer sukzessiven Deletion von Genen in der LPS-Synthese kommt. Phase II-Bakterien können unter diesen Bedingungen nicht wieder zu Phase I-Bakterien werden. Ob diese LPS-Phasenvariation nur durch die künstliche Anzucht oder auch im infizierten Wirtsorganismus entsteht, ist noch nicht abschließend geklärt. Interessant ist jedoch, dass bei der frühen und akuten Erkrankung IgM Antikörper vornehmlich gegen Phase II-Bakterien gerichtet sind, während zu einem späteren Infektionszeitpunkt und bei chronischem Q-Fieber überwiegend IgG-Antikörper gegen Phase I-Bakterien auftreten. Neuere Arbeitshypothesen beschreiben in diesem Zusammenhang einen Evasionsmechanismus durch einen aktiven Wechsel von Phase II- auf Phase I-LPS während der Infektion im Wirt. Es wird postuliert, dass das verkürzte Phase II-LPS ein natürlicher Bestandteil der virulenten Volllängen-LPS-Coxiellen ist und darauf aufbauend auch eine Immunität gegenüber Phase I- und Phase II-LPS zu erwarten ist. Aktuelle Studien beschreiben dieses Phänomen auch als „immunological decoy“. Hierbei wird das Phase II-LPS als Ablenkungsmechanismus eingesetzt, der es den Bakterien ermöglicht, den Wirt zu infizieren und eine Immunreaktion gegen das Phase II-LPS zu initiieren, während das komplexere Phase I-LPS synthetisiert wird. Die resultierenden Antikörper basierend auf dem Phase II-LPS sind somit nicht protektiv gegenüber den transformierten Volllängen-LPS-Coxiellen. Die Immunantwort gegen das Phase I-LPS kann daher erst verzögert eingeleitet werden und verschafft den Coxiellen möglicherweise einen zeitlichen Vorteil für die Verbreitung und Replikation im Wirt.
Was passiert im Immunsystem des Wirtes während einer Infektion?
An der Erkennung und Bekämpfung der intrazellulär-replizierenden Coxiellen sind sowohl das angeborene als auch das adaptive Immunsystem beteiligt. Zu den initialen Abwehrzellen gehören neben Monozyten und Makrophagen auch dendritische Zellen, DCs. Da eine Immunzellaktivierung dieser Zellen über pathogenerkennende Rezeptoren, den PRRs, auf der Zelloberfläche ausgelöst wird, steht die Untersuchung dieser Rezeptormoleküle im Fokus aktueller Studien. Insbesondere wird im Kontext der C. burnetii-Infektion eine Beteiligung verschiedener Toll-Like-Rezeptoren diskutiert. Auch für die intrazellulären PRRs wird eine funktionelle Teilnahme während der Zellinfektion angenommen
Und was passiert in den Wirtszellen, wenn diese mit Coxiellen infiziert werden?
Bedingt durch die obligat intrazelluläre Lebensweise der Coxiellen sind diese bei ihrer Replikation auf entsprechende Wirtszellen angewiesen. Im Verlauf der Replikation in einem biphasischen Zyklus weist C. burnetii verschiedene Zellvarianten auf. Zielzellen für die Replikation sind vorwiegend mononukleäre Phagozyten, insbesondere Alveolar-Makrophagen und dendritische Zellen. Ebenso fungieren die Trophoblasten der Plazenta als Wirtszellen. Die Pathogenaufnahme erfolgt über rezeptorvermittelte Phagozytose. Relevante Aufnahmerezeptoren sind hierbei Integrine sowie der Komplementrezeptor 3. Nicht-phagozytierende Zellen werden über bakterielle Invasine mit entsprechenden Zellrezeptoren infiziert. Dazu gehört unter anderem das äußere Membran Protein A. Nach der Aufnahme in das Phagosom folgt die schrittweise Fusion mit den Kompartimenten des Autophagie-Weges (Autophagosomen, Lysosomen). In diesem Kontext wurde gezeigt, dass C. burnetii seine Eliminierung in den Zellen mittels Autophagie unterdrückt. Die Fusion mit den Lysosomen bewirkt eine pH-Wert-Verringerung. Dabei wirkt ein saurer pH-Bereich um 4,6 in idealer Weise auf die Coxiellen-Replikation. Als obligat intrazelluläres Bakterium kann sich C. burnetii unter natürlichen Bedingungen nur innerhalb infizierter Zellen vermehren. Eine mögliche zelluläre Gegenstrategie in dieser Situation ist die Induktion der Apoptose, wodurch infizierte Zellen durch „Selbsttötung“ eliminiert werden. C. burnetii besitzt jedoch die Fähigkeit diesen Mechanismus infizierter Zellen zu hemmen. Dies ist für Coxiellen wesentlich, um ihre schützende intrazelluläre Nische zu erhalten. Wie genau C. burnetii seine Wirtszellen am Leben erhält, ist bisher noch nicht vollständig verstanden.
Wie funktioniert die zelluläre Immunantwort bei C. burnetii?
Als intrazelluläres Pathogen ist es Coxiellen möglich, sich der Antikörper-Erkennung sowie der Eliminierung über das Komplementsystem zu entziehen. Makrophagen nehmen Bakterien über den Mechanismus der Phagozytose in intrazelluläre Phagosomen auf. Dieses vakuoläre Zellkompartiment reift durch Fusion mit Endosomen und Lysosomen zu einem degradationsaktiven sauren Phagolysosom, in dem die aufgenommenen Bakterien im Allgemeinen abgetötet werden können. Neben den Makrophagen sind auch DCs wichtiger Teil der Immunabwehr gegen C. burnetii. Macrophagen und DCs verfügen über spezielle Sensoren des angeborenen Immunsystems und modulieren nachgeordnete Immunantworten. So aktiviert die zelluläre Immunität T-Zellen der adaptiven Immunabwehr, die infizierte Wirtszellen erkennen, eliminieren und durch spezifische Signalmoleküle weitere Immunzellen rekrutieren. Diese für die effektive Bekämpfung von C. burnetii erforderliche Immunreaktion basiert größtenteils auf der Ausschüttung und Wirkung proinflammatorischer Zytokine, wie Interferon-γ.
Was passiert bei dem durch Coxiellen ausgelösten “Chronic Fatigue Syndrom“?
Nach akutem Q-Fieber kommt es häufig zu einer langanhaltenden Erschöpfungs- oder Fatigue- Erscheinung. Nach dem Ausbruch des Q-Fiebers 2007-2010 in den Niederlanden mit über 4000 gemeldeten Fällen, rückte das Q-Fieber Fatigue Syndrome, das QFS, mit seinen Langzeitfolgen stärker in das medizinische und wissenschaftliche Interesse. Das QFS wurde weltweit bei bis zu einem Drittel der Patienten beschrieben und kann bis zu zehn Jahre oder länger andauern. 1-2 Jahre nach dem akuten Q-Fieber gaben 40% der QFS-Patienten zusätzliche Beschwerden an. Diese beinhalten ausgeprägte Stimmungsschwankungen, Beschwerden des Bewegungsapparats, neurokognitive Probleme, Schlafprobleme, Kopfschmerzen, verschwommene Sicht, verstärkter Nachtschweiß und Probleme der Atemwege. Ein direkter immunologischer Hintergrund für QFS wird in mehreren aktuellen Studien diskutiert. Das Abklingen des Fatique-Syndromes scheint mit einer verbesserten zellvermittelten Immunität verbunden zu sein, was für eine entsprechende Beteiligung bei der postinfektiösen Erschöpfung spricht.
Haben Coxiellen die Fähigkeit, widerstandsfähige Überlebensformen zu bilden und sich so der Bekämpfung durch das Immunsystem zu entziehen?
Vermutlich. Es kann angenommen werden, dass ausgelöst durch Hypoxie und andere zelluläre Stressbedingungen, wie sie durch Infektionen in infizierten Geweben vorkommen, Coxiellen widerstandsfähige infektiöse Formen ausbilden können, die mittels effektiver Unterwanderung der Abwehr zu einem chronischen Verlauf der Infektionen beitragen.
Wie unterscheiden sich denn chronische von akuten Q-Fieber-Erkrankungen bezüglich der Immunabwehr?
In verschiedenen Studien wurde die Rolle des Immunsystems in der Pathogenese des akuten und chronischen Q-Fiebers untersucht. So wurde etwa die Hypothese aufgestellt, dass insbesondere immunologische Botenstoffe, Zytokine, für die persistierende Erkrankung bei Patienten mit akutem Q-Fieber verantwortlich sein könnten, die kaum auf eine Antibiotikatherapie ansprechen. Zudem wurden die Serumspiegel spezifischer Zytokine als Marker für akutes oder chronisches Q-Fieber postuliert. Des Weiteren wurde skizziert, dass eine akute Infektion mit C. burnetii eine epigenetische Umgestaltung der Promotorregionen proinflammatorischer Zytokin-Gene bewirken kann, was zu einer beeinträchtigten Entzündungsreaktion führt. IFN-γ ist bei akuten, aber nicht bei chronischen Q-Fieber-Patienten deutlich erhöht, während IL-18 bei akuten und chronischen Patienten einen ähnlichen Anstieg aufweist. Das IFN-γ-induzierbare Protein 10 (IP-10) ist stattdessen bei Patienten mit einer chronischen Infektion niedriger, was darauf hindeutet, dass chronische Patienten eine beeinträchtigte zelluläre Immunantwort gegen C. burnetii haben. Ein hoher, jedoch unwirksamer Zytokin-Spiegel, eine fehlende antimikrobielle Aktivität der Monozyten und das Versagen der T-Zell-Antwort sind Beispiele für immunologische Anomalien, die an der Entstehung einer chronischen Coxiellen-Infektion beteiligt zu sein scheinen. Diese veränderten Immunreaktionen führen zu einer anhaltenden C. burnetii-Belastung im Gewebe und entsprechend hohen unwirksamen Antikörperspiegeln, die für das chronische Q-Fieber sehr typisch sind. Die zelluläre Immunität hat einen sehr wichtigen Einfluss auf die Kontrolle akuter C. burnetii-Infektionen. Die Entwicklung des chronischen Q-Fiebers spiegelt vermutlich ihr Versagen in der Immunabwehr wider. Auch genetische Wirtsfaktoren spielen möglicherweise eine Rolle bei der Entwicklung von chronischem Q-Fieber. So sind Sequenzvariationen in Genen, die für die Phagolysosomenreifung, die Bakterienabtötung und die Autophagie entscheidend sind, an einer erhöhten oder verringerten Anfälligkeit für chronisches Q-Fieber beteiligt.
Besitzen Coxiellen Gegenstrategien, um das Immunsystem infizierter Menschen und Tiere gezielt zu unterwandern?
C. burnetii ist in der Lage, unterschiedliche Abwehrmechanismen des Immunsystems zu umgehen und gezielt zu unterbinden. Bei Makrophagen unterscheidet man zwischen klassischer M1- sowie alternativer M2-Polarisierung. Während antigen-präsentierende proinflammatorische M1-Makrophagen eine intrazelluläre Bakterienvermehrung kontrollieren, wird diese bei antiinflammatorischen M2-Monozyten/Makrophagen begünstigt. Die Interaktion von Makrophagen mit Krankheitserregern kann zu unterschiedlichen Polarisierungen führen. So induzieren Coxiellen in Makrophagen, in denen C. burnetii überlebt, sich aber nicht vermehrt, eine M1-Polarisierung. Hingegen führt in Makrophagen, in denen C. burnetii repliziert, die entsprechende Infektion gezielt zu einer M2-Polarisierung. Aktuelle Studien konnten zudem zeigen, dass ein bestimmtes Effektorprotein von C. burnetii, einen Wirtszellfaktor angreift, der ein wichtiges regulatorisches Protein in der Immunreaktionen ist. Durch die resultierende Hemmung des Signalwegs in infizierten Wirtszellen entzieht sich der Erreger in sehr wirkungsvoller Weise der Erkennung durch das angeborene und nachgeschaltete adaptive Immunsystem.
