In situ Einzelzellanalyse des metabolischen Profils der Mikrobiota und ihre Kontrolle durch das Immunsystem

• Antragsteller: Professor Dr. Hyun-Dong Chang; Dr. Andrey A. Kruglov
• Fachliche Zuordnung: Medizinische Mikrobiologie und Mykologie, Hygiene, Molekulare Infektionsbiologie ; Immunologie ; Mikrobielle Ökologie und Angewandte Mikrobiologie
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 545888192

Unterschiede in physiko-chemischen Bedingungen, Interaktion mit dem mukosalen Immunsystem und Nährstoffgradienten beeinflussen die Zusammensetzung und Aktivität der Mikrobiota entlang der Längs- und Querachsen des Darms. Während die Zusammensetzung der Bakterien in verschiedene Teile des Darmtrakts relativ gut erforscht ist, wissen wir relativ wenig über die räumliche Organisation der Mikrobiota im Darm. Der Metabolismus von Bakterien ist eng mit ihrer Funktionalität verbunden, z.B. Proliferation und Produktion von Metaboliten, die relevant für den Wirt und die mikrobielle Gemeinschaft sind. Unsere zentrale Hypothese ist, dass metabolisch aktive Bakterien räumlich organisiert sind und aktiv mit dem Wirt interagieren, um Homöostase aufrechtzuerhalten, und dass eine Störung dieses Systems zu Krankheit führt. Dieses Projekt hat das Ziel, ein funktionelles Verständnis der räumlichen Organisation der Darmmikrobiota in situ in höchster Auflösung zu gewinnen, d.h. auf Ebene einzelner Zellen. Hierfür haben wir drei Ziele definiert. (1) Wir werden die mikrobielle Stoffwechselaktivität entlang des Darmtrakts von Mäusen über die Zeit kartieren, indem wir metabolische Tracer mit Raman-Mikrospektroskopie visualisieren, um die mikrobielle Aktivität einzelner Zellen im räumlichen Kontext zu quantifizieren. Dies werden wir mit der phänotypischen Charakterisierung von Bakterien, d.h. IgA-Bindung und Expression von Oberflächenzuckern, sowie der phylogenetischen Identifizierung korrelieren. (2) Wir werden untersuchen, wie die räumliche Struktur, Phänotyp, Zusammensetzung und Metabolismus der Bakterien durch verschiedene Immunkomponenten reguliert wird, d.h. Immunglobuline, T- und B-Zellen sowie TNF-regulierte Entzündungen. In einem translationalen Ansatz werden wir auf Einzelzellebene die phänotypische Charakterisierung von Mikroben, IgA-Beschichtung und Stoffwechselaktivität in menschlichen (fäkalen) Proben ex vivo in gesundem Zustand und bei Patienten mit rheumatoider Arthritis untersuchen. (3) Wir werden die funktionale Aktivität bestimmter Bakterien direkt durch eigens entwickelte monoklonale IgA-Antikörper beeinflussen und deren Auswirkungen auf die Aktivität und Interaktionen der bakteriellen Gemeinschaft sowohl in vivo als auch in 3D-gedruckten Modellgemeinschaften bestimmen. Dieses Projekt wird dazu beitragen, die ökologischen und funktionalen Interaktionen innerhalb des Darms im räumlichen Kontext und mit dem Wirt im Kontext von Homöostase und bei chronischer Entzündung aufzuklären. Dafür haben wir ein interdisziplinäres Team zusammengestellt, mit komplementären Fachkenntnissen in Immunologie, Mikrobiologie, Bildgebung, Physik und mikrobiellen Einzelzellanalysen, die optimal geeignet sind, dieses Ziel anzugehen. Die Ergebnisse dieses Projektes werden neue Möglichkeiten zur Manipulation des Mikrobioms zur Unterstützung der Gesundheit aufzeigen, beispielsweise durch spezifischen Interventionen zur gezielten Strukturierung der Mikrobiota im Darm.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Großbritannien
• Kooperationspartnerinnen / Kooperationspartner: Fatima Cardoso Pereira, Ph.D.; Professor Sumeet Mahajan, Ph.D.