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Immunological processes in neurodegenerative diseases

Neurodegenerative diseases are, due to the increase in the elderly population, an important medical and scientific challenge in the coming decades. Millions of people are already affected of Alzheimer's disease (AD) and age-related macular degeneration (AMD). Our goal is to study neurodegenerative diseases and interacting inflammatory responses. Neurodegenerative processes in the central nervous system and in the eye show mechanistic parallels and are rarely treatable. Pathological protein deposits, activation of the immune system or oxidative stress play a role in AMD, AD, Parkinson's disease or Huntington's disease. Many of these diseases are caused by genetic mutations which are independent of neurons. The change of proteins of the immune system can lead to dysregulation. To what extent inflammatory reactions play a role in the progression of neurodegenerative diseases is discussed intensively.

In our research, we focus on the retina, a specialized neural tissue such as the brain, which is protected from the immune system. The retina serves as a model for neural systems. Immune reactions associated with degenerating effects in age-related macular degeneration will be investigated. Antibody-based immunotherapy will be developed that can contribute to the elucidation of pathological mechanisms in neuro-immunological diseases simultaneously. The antibody therapies in neurodegenerative diseases can be both symptomatic and causal successful, this has been shown by Bevacizumab (anti-VEGF, wet AMD) and Gantenerumab (anti-amyloid-beta, AD). However for the most common form of AMD, dry AMD, no active therapy is available. A quarter of the known genetic risk factors for AMD are proteins of the complement system, a pathway of the innate immune system. We generate and characterize humanized or modified mouse antibody against human target proteins of this cascade. Animal and clinical effect studies shall be complemented by exploring various application mechanisms to accelerate the therapeutic use of monolconal antibodies in humans. In parallel we manipulate complement proteins in an AMD animal model by antibody blockade or knock-out models. This may contribute to clarify the influence of complement-depleting processes in retina degenerating diseases. In addition, our research projects will provide fundamental studies on the interaction of complement proteins and thus increase knowledge about the complement network.

As a first target protein the only positive regulator of the alternative complement system was selected. The protein was successfully expressed in various forms. Specific and high affinity antibodies were generated to be used for diagnostic, research, and therapy. As we strive to further target proteins interacting partners of the newly found regulator. We will also use genome-wide association studies of AMD at the Institute of Human Genetics (Prof. B. Weber, University Regensburg) to find new targets. Unpublished, genetic risk factors for AMD, which are associated with the complement system, are known to us and are used as targets in the future.

Our lab cooperates with international (Dr. H. Khalili, University College London) and national (Dr. K. Heilmann, Universität Potsdam; Dr. B. Dorner, Robert Koch Institut Berlin) antibody experts. In addition, joint projects with globally recognized complement research teams (PD Dr. C. Skerka und Prof. Dr. P. Zipfel, Leibnitz Institut Jena) are performed. Future cooperation with a medium-sized company (TheraKine, Berlin) is planned. We are integrated into the University of Regensburg through local projects (Dr. J. Reinders, Institut für funktionelle Genomik; Dr. S. Amslinger, Institut für organische Chemie) and student training (Biology students, Experimental and Clinical neuroscientists, student teachers).

We have set ourselves the task to combine basic and translational research in neuro-immunology. The antibodies produced, will be used both as a treatment options for diseases and to serve others as tools for research of degenerative processes.


Projects

complement in AMD

oxidative stress and autoantibodies in AMD


Immunologische Prozesse bei neurodegenerativen Erkrankungen

Neurodegenerative Erkrankungen gelten durch die Zunahme der älteren Bevölkerung als eine wichtige medizinische und wissenschaftliche Herausforderung in den nächsten Jahrzehnten. Millionen von Menschen sind schon heute von der Alzheimer-Krankheit (AD) oder der altersabhängigen Makuladegeneration (AMD) betroffen. Unser Ziel ist es neurodegenerative Erkrankungen und interagierende Entzündungsreaktionen zu erforschen. Neurodegenerative Prozesse sowohl im zentralen Nervensystem als auch im Auge weisen mechanistische Parallelen auf und sind selten therapierbar. Pathologische Proteinablagerungen, die Aktivierung des Immunsystems oder oxidativer Stress spielen bei AMD, AD, Morbus Parkinson oder Chorea Huntington eine Rolle. Viele dieser Erkrankungen werden durch genetische Mutationen, die Neuronen unabhängig sind, verursacht. Die Veränderung von Proteinen des Immunsystems kann zu Fehlregulationen führen. In wieweit diese Entzündungsreaktionen eine Rolle für das Fortschreiten neurodegenerativer Erkrankungen spielen, wird intensiv diskutiert. In unseren Forschungsprojekten konzentrieren wir uns auf die Netzhaut, ein spezialisiertes, neuronales Gewebe, das wie das Gehirn vor dem Immunsystem geschützt ist. Die Netzhaut dient als Model für neuronale Systeme. Am Beispiel der altersabhängigen Makuladegeneration sollen die assoziierten Immunreaktionen untersucht werden. Antikörper-basierte Immuntherapien sollen entwickelt werden, die gleichzeitig zur Aufklärung von Pathomechanismen bei neuroimmunologischen Erkrankungen beitragen können. Das Antikörpertherapien sowohl symptomatisch, als auch ursächlich erfolgreich bei neurodegenerativen Erkrankungen sein können, wurde bereits durch Bevacizumab (Anti-VEGF, feuchte AMD) und Gantenerumab (Anti-Amyloid-Beta, AD) gezeigt. Für die häufigste Form der AMD, die trockene AMD, gibt es dagegen noch keine Wirkstoffe. Ein Viertel der bekannten, genetischen Risikofaktoren für AMD sind Proteine des Komplementsystems, einem Weg des angeborenen Immunsystems. In der Arbeitsgruppe werden monoklonale, humanisierte Antikörper gegen menschliche Zielproteine dieser Kaskade hergestellt und charakterisiert. Die präklinischen Wirkungsteste sollen durch die Erforschung verschiedener Applikationsmechanismen ergänzt werden und die therapeutische Anwendung am Menschen forcieren. Parallel wird die Manipulation der Komplementproteine im Tiermodell, durch Antikörperblockaden oder Knock-out Modelle untersucht. Dadurch kann ein Beitrag zur Klärung des Einflusses des Komplementsystems auf abbauende Prozesse der Netzhaut geleistet werden. Außerdem werden unsere Forschungsprojekte grundlegende Studien zur Interaktion von Komplementproteinen liefern und somit das Wissen über das Netzwerk der Komplementfaktoren erweitern.

Als erstes Zielprotein wurde der einzige positive Regulator des alternativen Komplementsystems ausgewählt. Das Protein wurde erfolgreich in verschiedenen Formen exprimiert. Es wurden spezifische und hochaffine Antikörper generiert, die zur Diagnostik, Forschung und Therapie eingesetzt werden. Als weitere Zielproteine streben wir neu gefundene Interaktionspartner des Regulators an. Außerdem werden wir durch genomweiten Assoziationsstudien zu AMD am Institut für Humangenetik (Prof. B. Weber, University Regensburg) unterstützt. Unveröffentlichte, genetische Risikofaktoren für AMD, die mit dem Komplementsystem assoziiert werden, sind uns bekannt und werden zukünftig als Targets herangezogen.

Die Arbeitsgruppe kooperiert mit internationalen (Dr. H. Khalili, University College London) und nationalen (Dr. K. Heilmann, Universität Potsdam; Dr. B. Dorner, Robert Koch Institut Berlin) Antikörperexperten. Außerdem werden gemeinsame Projekte mit weltweit anerkannten Komplementforschern (PD Dr. C. Skerka und Prof. Dr. P. Zipfel, Leibnitz Institut Jena) durchgeführt. Zukünftig ist eine Zusammenarbeit mit einem mittelständischen Unternehmen (Therakine, Berlin) geplant. Die Einbindung in die Universität Regensburg ist durch lokale Projekte (Dr. J. Reinders, Institut für funktionelle Genomik; Dr. S. Amslinger, Institut für organische Chemie) und Studentenausbildung (ECN-, Biologie-, Lehramtsstudenten) gesichert.

Wir haben es uns zur Aufgabe gestellt grundlegende und translationale Forschung in der Neuroimmunologie zu kombinieren. Die hergestellten Antikörper sollen zum einen als Therapieoptionen für Erkrankungen eingesetzt werden und zum anderen als Werkzeuge zur Erforschung degenerativer Prozesse dienen.


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Antikörper bei der Therapie der altersabhängigen Makuladegeneration

Die altersabhängige Makuladegeneration (AMD) ist einer der Hauptgründe für Erblindungen in Deutschland. Diese multifaktorielle Erkrankung resultiert aus einem Zusammenspiel von Alter, Umwelt und genetischen Prädispositionen. Bei der Form der trockenen AMD kommt es durch die Kombination von oxidativem Stress, Mikroglia-Aktivierung und einem verändertem Gleichgewicht des Zellstoffwechsels zur Ablagerung von modifizierten Proteinen, Amyloid-Beta und anderen Stoffwechselprodukten in Drusen zwischen dem retinalen Pigmentepithelium (RPE) und der Bruch- Membran (Abb. 1 A). Drusen behindern die Nährstoffversorgung des RPEs und der Photorezeptoren. Dadurch kann es zur chronischen Aktivierung des Komplementsystems kommen, was weitere Immunzellen anlockt. Diese Prozesse führen zum Zelltod in der Netzhaut. Die feuchte Form der AMD ist dagegen charakterisiert durch eine Neovaskularisierung, die die Bruch-Membran durchdringt und in den subretinalen Bereich einwandert (Abb. 1B). Vaskuläre, endotheliale Wachstumsfaktoren (VEGF), die durch Müllerzellen, RPE-Zellen und Immunzellen sezerniert werden, initiieren diese Mechanismen. Durch eine Ödembildung kann es dabei zur Gewebeschädigung kommen.


Abb. 1 Verschiedene Prozesse, die mit der AMD-Pathologie interagieren (Bruch`s m. – Bruch`s Membran, RPE – retinales Pigmentepithel, PRS – Photorezeptoren, ONL – äußere, nukleäre Schicht, OPL – äußere, plexiforme Schicht, INL – innere, nukleäre Schicht] (Die Grafik wurde freundlicherweise zur Verfügung gestellt von Effigos AG, Leipzig, Deutschland.)

Die Antikörper-basierte Therapie der feuchten AMD mit VEGF-Inhibitoren ist eine großartige Erfolgsgeschichte, die hoffen lässt auf wirkungsvolle Antikörperentwicklungen für noch nicht behandelbare andere AMD-Varianten. Derzeit befinden sich viele Antikörper gegen verschiedene Zielproteine in der präklinischen und klinischen Phase zur Entwicklung einer AMD-Therapie (Tab. 1, Abb. 2). Potentielle, hoffnungsvolle Antikörperkandidaten beeinflussen die Angiogenese, das Komplementsystem, Entzündungsprozesse oder die Ablagerung von Amyloid-Beta.

Tab. 1 Antikörper in der Entwicklung zur AMD-Therapie

Besonders die große Zahl der Komplementinhibitoren in der präklinischen Phase und der Antikörper Lampalizumab in der Phase III der klinischen Testung (Abb. 2) weist auf eine wichtige Rolle des Immunsystems bei der Entstehung der AMD hin. Es ist aber unwahrscheinlich, dass nur ein Medikament als Heilmittel für die verschiedenen AMD-Phänotypen gefunden wird. Vorstellbar ist eher eine Art Antikörperbaukastensystem, der eine Patienten-zugeschnittene Behandlung ermöglicht.

Abb. 2 Therapeutische Antikörper in verschiedenen Phasen zur AMD-Therapie Entwicklung

Die therapeutischen Antikörper unterscheiden sich nicht nur in ihren Zielproteinen, sondern auch in der Struktur (Abb. 3). Der nicht-humane Anteil der Aminosäuresequenz nimmt dabei von Mausantikörpern (-o-) über chimäre Antikörper (-xi-) und humanisierte Antikörper (-zu-) zu vollständig humanen Antikörpern (-u-) ab. Das Zusammenspiel von applizierten Antikörpern und der Aktivierung des Immunsystems kann besonders bei der AMD eine Rolle spielen, da die Blut-Augen-Schranke unterbrochen sein kann. Die Immunogenität der Antikörper ist dabei von humanen Antikörpern über humanisierte und chimäre Antikörper zu Mausantikörpern ansteigend.


Abb. 3 Struktur therapeutischer Antikörper

Die Antikörperentwicklung ist aber nicht nur mit der Spezifität oder Immunogenität eines Antikörpers konfrontiert, sondern viele verschiedene theoretische, technische und Studien-relevante Hürden müssen bei der Therapieentwicklung für die AMD genommen werden (Abb. 4). Vor einer Antikörperherstellung müssen beispielsweise für die Auswahl eines erfolgsversprechenden Zielproteins folgende Parameter berücksichtigt werden: Zielsignalweg, Wirkungsort und die Strategien zur präklinischen Entwicklung. Die Basis für einen Langzeiterfolg des Medikamentes sind außerdem die richtige Antikörperform und eine passende Darreichungsform, die gleichzeitig eine Patientenzufriedenheit fördern und eine effiziente Wirkung ermöglichen soll. Aber Antikörperpräpratate haben mit anderen chemischen Medikamentenentwicklungen gemeinsam, dass auch bei diesen Entwicklungen die Pharmakokinetik und das richtige klinische Studiendesign entscheidend für eine aussagekräftige Beurteilung der Wirksamkeit eines neu entwickelten Antikörper-Medikamentes ist.


Abb. 4 Herausforderungen bei der Entwicklung einer Antikörpertherapie für die AMD

Die Entwicklungsprogramme zu Antikörpern in der AMD-Therapie sehen also hoffnungsvoll aus und es bleibt abzuwarten, welcher der Kandidaten es schafft in den Antikörperwerkzeugkasten aufgenommen zu werden um eine personalisierte Therapie der AMD-Patienten zukünftig zu ermöglichen.

Diana Pauly


Aktuelle Projekte

Das Komplementsystem bei AMD

Oxidativer Stress und Autoantikörper bei AMD