Aufklärung der Rolle der Aryl-Hydrocarbon-Rezeptor Signaltransduktion für die Mikroben-Wirt Interaktion in der Haut

Prof. Dr. med. Bernhard Homey, Klinik für Dermatologie, Universitätsklinikum Düsseldorf, Medizinische Fakultät der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf

Aktuelle Erkenntnisse weisen darauf hin, dass die Gesundheit des Menschen „multiorganismisch“ aufgebaut ist. Interaktionen zwischen kommensalen sowie pathogenen Mikroben mit dem Wirt, den sie besiedeln sind von zentraler Bedeutung für die Aufrechterhaltung der Homöostase sowie der Initiierung von Krankheiten. Detailliertes Wissen über das Mikrobiom der Haut und dessen Dysregulation in verschiedenen Krankheiten liegt aktuell vor, jedoch ist das Wissen über spezifische Interaktionen zwischen Mikroben und Hautzellen des Wirtes sind weniger gut verstanden. Kürzlich konnte gezeigt werden, dass ein gut bekannter Kommunikationsvermittler, nämlich der Arylhydrocarbonrezeptor, (AHR) eine wichtige Rolle in der Mikroben-Wirt Interaktion im Darm spielt. Der AHR arbeitet als Sensor für Metabolite die von Darmbakterien gebildet werden und entscheidend die mukosale Immunregulation sowie Barrierefunktion des Darms steuern. Insbesondere spielt der AHR eine Rolle bei der Bindung von mikrobiellen Metaboliten der essenziellen Aminosäure L-Tryptophan (L-Trp). Obwohl einige Vertreter des Darmmikrobioms identifiziert werden konnten, die AHR-aktivierende Derivate von L-Trp produzieren, ist die Situation für das Organ Haut weitestgehend unklar. Im Projekt 1 planen wir Evidenz zu generieren, die die besondere Rolle des AHR für die Aufrechterhaltung der Hauthomöostase und, wenn dysreguliert, die Initiierung von Hautentzündung ermöglicht. Wir analysieren gesunde Haut und chronisch entzündliche Hautkrankheiten, wie die atopische Dermatitis sowie die Psoriasis vulgaris, in deren Pathogenese der AHR eine wichtige Rolle spielt. Wir werden eigene sowie bereits veröffentlichte Datensätze (inkl. scRNAseq Daten) und neu generierte Transkriptom- als auch Mikrobiom-Daten analysieren. Aufbauend auf diesen Multi-omics-Datensätzen plant der Antragsteller, folgende spezifische Ziele zu bearbeiten: (1) Aufklärung der mikrobiell-induzierten Dynamik der Trp-Katabolismus-abhängigen kutanen AHR Signaltransduktion während der Hauthomöostase und chronischer Hautentzündung. (2) Definition der funktionellen Konsequenzen in Keratinozyten, sensorischen Neuronen und Schwannzellen als zelluläre Ziele von AHR-Liganden im Rahmen der Mikroben-Wirt Interaktion in vitro. (3) Validierung der Modulation der Hauthomöostase und chronischer Hautentzündung durch Mikroben-induzierte AHR Signaltransduktion in Mäusen und Menschen in vivo. Erkenntnisse der vorliegenden Studie können Einblicke in die Rolle von AHR-Signaltransduktion für die Kommunikation von Mikroben mit dem Wirt geben und dabei helfen ‚nützliche‘ und ‚gefährliche‘ Mikroben sowie ihre Stoffwechselprodukte zu identifizieren. Hieraus können, basierend auf eine zielgerichtete Modulation des AHR, neue Ansätze für Aufrechterhaltung der Hauthomöostase sowie der Therapie von Hautentzündungen entstehen.

Zelltyp spezifische Regulation und Funktion des AHRR bei Entzündungen und Allergien der Haut

Privatdozentin Dr. rer. nat. Heike Weighardt, LIMES-Institut, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät der Rheinischen Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn

AHR-Signaling wird über mehrere Mechanismen reguliert, um die Regulation des Fremdstoffmetabolismus, sowie AHR-abhängige Immunreaktionen optimal zu kontrollieren. Enzyme der Cytochrom-P450-Familie (CYP), CYP1A1, CYP1B1 und CYP1A2, und der AHR-Repressor (AHRR) sind AHR-Zielgene und auch wichtige Rückkopplungskontrollmechanismen der AHR-Aktivierung. Um die Funktion des AHRR in vivo zu analysieren, haben wir AHRR-Reporter-Mäuse generiert und konnten nachweisen, dass die AHRR-Expression in Immunzellen von Barriereorganen wie Darm und Haut sehr stark, wohingegen in Epithelzellen weniger stark ausgeprägt ist. Die AHR-abhängigen CYP1 Enzyme könnten jedoch eher in Epithelzellen aktiv sein. Daher stellen wir die Hypothese auf, dass der AHR-Signalweg in verschiedenen Zelltypen unterschiedlich reguliert wird, was für das Verständnis der AHR-Funktion in der Haut entscheidend sein könnte. Angesichts der Bedeutung des Zusammenspiels von Epithel- und Immunzellen an Barriereorganen wollen wir die Funktion des AHRR und der AHR-abhängigen CYP1-Enzyme bei Hautentzündungen und Allergien untersuchen. Wir wollen die Immunpathologie von AHRR-defizienten, CYP-1-defizienten (CYP1A1, CYP1B1 und CYP1A2-Triple-KO) und in AHRR/CYP1-defizienten Mauslinien in Modellen der Kontakthypersensitivität und atopischer Dermatitis vergleichen. Darüber hinaus wollen wir der Frage nachgehen, wie die AHRR- und CYP1-Expression auf transkriptioneller und epigenetischer Ebene in Epithelzellen der Haut im Vergleich zu Immunzellen reguliert wird. Außerdem stellen wir die Frage, warum die AHRR-Expression in Immunzellen, aber nur in geringerem Maße in Keratinozyten für eine physiologische AHR-Aktivierung während der Homöostase, bei Entzündungen und Allergien wichtig zu sein scheint und ob dies möglicherweise pathologisch ist. Um dies zu testen, werden wir eine Mauslinie generieren, die eine zelltyp-spezifische Expression des AHRR erlaubt um die Auswirkungen einer (Über)-expression des AHRR in Keratinozyten auf die Homöostase der Haut, Barrierefunktion und Allergieinduktion zu ermöglichen. Zusammenfassend wollen wir in diesem Projekt die molekularen Grundlagen für die unterschiedlichen AhR-Regulationsmechanismen in Immunzellen und Keratinozyten aufklären, um weitere Erkenntnisse über die regulatorischen Netzwerke der AHR-Funktion in der Haut gewinnen zu können.

AHR-vermittelte Regulation der Integrität vaskulärer Barrieren im Kontext der Autoimmunität

Prof. Dr. med. Dr. rer. nat. Sven Meuth, Klinik für Neurologie, Universitätsklinikum Düsseldorf, Medizinische Fakultät der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf

Die Entstehung von Multipler Sklerose (MS), einer der häufigsten immunvermittelten, entzündlichen und neurodegenerativen Erkrankungen des zentralen Nervensystems (ZNS), erfordert eine Kombination aus genetischer Veranlagung und Umweltfaktoren wie Rauchen, Luftverschmutzung, niedrige Vitamin-D-Spiegel, möglicherweise verursacht durch eine unzureichende Reaktion auf UV-Licht, Nahrung oder Zusammensetzung des Darmmikrobioms. Viele dieser Risikofaktoren (UV-Licht, Zigarettenrauch, Metabolite der Nahrung oder des Mikrobioms) fungieren als Liganden des Arylhydrocarbon Rezeptors (AHR). Mehrere dieser externen Einflüsse werden über die Haut aufgenommen, was auf eine Verbindung zwischen Haut und ZNS in der MS-Pathologie hinweist (Haut-ZNS-Achse). Dementsprechend konnten wir in einem Mausmodell der experimentellen Autoimmun-Enzephalomyelitis (EAE) zeigen, dass UV-Strahlung den Schweregrad der Erkrankung bei Wildtyp-, nicht jedoch bei AHR-defizienten Mäusen reduzierte.

Bei gesunden Menschen wird die Infiltration von Immunzellen in das ZNS durch die Blut-Hirn-Schranke (BHS) verhindert, die aus mikrovaskulären Endothelzellen (BMEC) besteht. Bei Patienten mit MS dagegen wird die BHS häufig als „undicht“ beschrieben und Immunzellen können ungehindert in das ZNS eindringen. Mechanismen, die die Integrität der BHS kontrollieren, sind bisher nicht vollständig geklärt. Wir konnten allerdings zeigen, dass eine Hemmung von AHR in BMEC die Transmigration von T-Zellen reduzierte. Gleichzeitig entwickelten Mäuse mit einer Endothelzell (EC)-spezifischen Deletion des AHR eine mildere EAE als Wildtyp-Kontrolltiere, was darauf hindeutete, dass der AHR Signalweg einen direkten Einfluss auf die EC-Funktion, die Integrität der BHS und die Infiltration von pathogenen Immunzellen hat.

Aus diesem Grund möchten wir die Rolle des AHR bei entzündlichen Prozessen in der Haut und dem ZNS untersuchen, wobei ein Focus auf Haut- und Hirn-EC liegt. So wollen wir Prozesse verstehen, die die Infiltration von Immunzellen in das Gewebe sowie die Zerstörung von Barrieren kontrollieren. Dabei werden wir uns auf drei Aspekte konzentrieren: 1. Untersuchung der ligandenspezifischen Funktion von AHR in der Blut-Haut-Schranke und der BHS unter Verwendung von Haut- und Hirn-EC Kulturen (Bestimmung von Tight-Junction-Proteinen, Barriere-Integrität, Immunzellpenetration, Charakterisierung des Transkriptoms, Proteoms und Sekretoms. 2. Transfer der in vitro gewonnenen Erkenntnisse in in vivo Modelle (Verwendung von Autoimmun-Mausmodellen mit EC-spezifischer Deletion von AHR). 3. Translation der Daten aus Tiermodellen in das humane System unter Verwendung vaskularisierter kortikaler Hirnorganoide und Hautorgankulturen. Insgesamt sollen die Resultate dieses Projekts dazu beitragen, die Bedeutung des AHR für die Integrität immunologischer Barrieren zu verstehen, was möglicherweise zu neuen therapeutischen Optionen führen könnte, da die Funktion von EC bei Autoimmunkrankheiten eine Rolle spielt.

Der AHR als Hauptregulator bei kutaner und systemischer Autoimmunität

Prof. Dr. rer. nat. Karin Loser, Institut für Immunologie, Fakultät VI: Medizin und Gesundheitswissenschaften, Carl von Ossietzky Universität Oldenburg

Systemischer Lupus erythematodes (SLE) ist eine chronische Autoimmunerkrankung, die verschiedene Organe wie die Haut, die Gelenke, das zentrale Nervensystem oder die Nieren betrifft. Obwohl die Pathologie noch nicht vollständig geklärt ist, konnte gezeigt werden, dass das Zusammenspiel einer gestörten Beseitigung apoptotischer Zellen, einer Aktivierung des Immunsystems, der Präsenz von Autoantikörpern und einer unausgewogenen Produktion von proinflammatorischen Zytokinen zum Verlust der Selbsttoleranz führt. Darüber hinaus legen verschiedene Studien nahe, dass die Entstehung von SLE neben einer genetischen Prädisposition den Einfluss von Umweltfaktoren erfordert, wobei ultraviolettes (UV) Licht als der bekannteste umweltbedingte Auslöser von SLE gilt. UV-Licht trägt zur Bildung von Tryptophan-Photoprodukten bei, die als endogene Liganden des Arylhydrocarbon Rezeptors (AHR) fungieren, eines Transkriptionsfaktors, der häufig als Sensor für externe Stimuli beschrieben wird. Neben UV-Strahlung gelten Nahrungsbestandteile oder Toxine, von denen viele als Risikofaktoren für SLE fungieren, als AHR-Liganden, so dass die Aktivierung des AHR mit Autoimmunkrankheiten in Verbindung gebracht wurde.

Um die Rolle des AHR bei systemischer Autoimmunität zu untersuchen, haben wir ein Mausmodell für SLE generiert (K14-CD40L-TG-Mäuse), das einige Charakteristika der humanen Erkrankung, wie die Dermatitis, die Nephritis oder das Vorhandensein von Autoantikörpern und autoreaktiven T-Zellen abbildet. Wir konnten nachweisen, dass der AHR für die Entstehung der CD40L-induzierten Autoimmunität von zentraler Bedeutung ist, da K14‑CD40L TG Mäuse, in denen wir den AHR deletiert hatten, keine Symptome zeigten. Zellspezifische Deletionen ergaben, dass AHR-Signale in T‑Zellen eine untergeordnete Rolle spielten bei der Entwicklung einer SLE-ähnlichen Autoimmunerkrankung, während K14‑CD40L TG Mäuse, denen der AHR in Langerin⁺ dendritischen Zellen (DC) fehlte, vollständig vor der Krankheit geschützt waren. Somit lag es nahe, dass der AHR entscheidend an der Entstehung und Progression von (systemischen) Autoimmunkrankheiten beteiligt ist, indem er die Funktion von Immunzellen, wie z.B. gewebsständigen DC, moduliert. Nun möchten wir die Liganden- und Zelltyp-spezifischen Effekte des AHR-Signalwegs während der Entwicklung von Autoimmunität genauer untersuchen, wobei wir uns auf 3 Aspekte konzentrieren: (1) Einfluss des AHR-Signalwegs auf die Entstehung einer Autoimmunkrankheit und funktionelle Bedeutung des Signalwegs in autoreaktiven Zellen; (2) Eingriff in den AHR-Signalweg als mögliche therapeutische Option für eine (adjuvante) Behandlung von Autoimmunität; (3) Bedeutung des AHR-Signalwegs für die Entwicklung humaner autoreaktiver Zellen. Insgesamt zielt das Projekt auf ein besseres Verständnis der AHR-Interaktionen bei Autoimmunprozessen, was zu neuen therapeutischen Konzepten, wie der Nutzung des AHR als Angriffspunkt für die lokale oder adjuvante Behandlung, führen könnte.

Die Rolle des AHR für die Darm-Haut-Achse

Prof. Dr. rer. nat. Charlotte Esser, IUF – Leibniz-Institut für umweltmedizinische Forschung, Düsseldorf

Mikroorganismen, die im und auf dem Körper von Tieren und dem Menschen leben, und die von ihnen produzierten Nähr- oder Botenstoffe sind für Krankheiten und für die Gesundheit bedeutsam. Chemikalien können von Körperzellen, z.B. durch zelluläre Rezeptoren, wahrgenommen werden und Anpassungsreaktionen auslösen. Der Arylhydrocarbon-Rezeptor (AHR) ist ein Transkriptionsfaktor, der erst nach Bindung an bestimmte niedermolekulare Chemikalien („AHR-Liganden“) aktiviert wird. AHR-Liganden können u.a. Metaboliten aus der Aminosäure Tryptophan sein, die von bestimmten Darmbakterien generiert werden, aber auch Indole aus Nahrungspflanzen, insbesondere aus der Familie Brassicaceae. Wir hatten in AHR-defizienten Mäusen gezeigt, dass sich die Zusammensetzung der Darmmikroorganismen (auch Darmmikrobiota als Gesamtheit genannt) verändert. Darüber hinaus ist der AHR und AHR-Liganden in der Nahrung wichtig für eine gesunde Hautbarriere und kann so zur Darm-Haut-Achse beitragen. So konnten wir zeigen, dass AHR-Liganden im Futter Erdnussallergie im Mausmodell abschwächen. Außerdem zeigten wir, dass die Hautbarriere bei genetischem Verlust des AHR geschwächt ist, jedoch in Wild-Typ Mäusen durch Verfütterung von AHR-Liganden gestärkt werden kann. Im vorliegenden Projekt soll die Rolle des AHR für die Darm-Haut-Achse im Mausmodell untersucht werden. Wir möchten insbesondere untersuchen, in welchen Zellen der AHR vorhanden sein muss, um eine Veränderung des Darmmikrobioms zu bewirken. Aus Vorarbeiten wissen wir, dass dies zumindest die Darmepithelzellen sein müssen. Da bestimmte Darmbakterien besonders gute Produzenten von AHR-Liganden sein könnten, wäre Dysbiose relevant. Wir würden daher prüfen, ob Dysbiose zu Änderungen im Spiegel von AHR-Liganden im Serum der Tiere führt. Zentrale Experimente im Antrag sind Fütterungsstudien, die es uns erlauben werden, die Rolle der Darmmikrobiota für die Hautbarriere und eine mit Barriereschäden einhergehende entzündliche Hautkrankheit, der Atopischen Dermatitis (AD), in einem Mausmodell zu untersuchen. Hier sollen insbesondere Darmbakterien aus AHR-defizienten Mäusen mit Dysbiose per Gavage auf Wild-Typ-Mäuse übertragen werden, und im Nachgang eine AD-ähnliche Entzündung nach einem Standardverfahren induziert werden und in ihrer Ausprägung untersucht. Ähnliche Experimente werden mit hochaffinen, reinen AHR-Liganden durchgeführt, die auch von anderen Mitgliedern der Forschungsgruppe verwendet werden, und von denen vermutet wird, dass sie den AHR-Weg unterschiedlich aktvieren können. Hier geht es auch um die Generierung von z.B. liganden-spezifischen Genexpressionsprofilen, die in späteren Metaanalysen verwendet werden können. Schlussendlich werden wir in Mausseren AHR-Liganden identifizieren und versuchen, sie mit den in ihrer Häufigkeit veränderten Bakterien in Verbindung zu bringen. Langfristig möchten wir so eine rationale Basis für die therapeutische Intervention mit probiotischen Bakterien für die Darm-Haut-Achse schaffen.

Wechselwirkungen zwischen AHR Signalantworten und Retinoiden in der Haut

Prof. Dr. med. Jean Krutmann, IUF – Leibniz-Institut für umweltmedizinische Forschung, Düsseldorf und Medizinische Fakultät der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf

Die Aktivierung des Arylhydrocarbon Rezeptors (AHR) beeinflusst die Hautbarriere und die Photokarzinogenese, die beide auch durch Retinoide moduliert werden. Retinoide sind eine Familie von Signalmolekülen, zu denen Vitamin A und seine natürlichen und künstlichen  Derivate zählen. Nahezu alle Wirkungen von Vitamin A in der Haut werden durch all-trans Retinsäure (atRA) vermittelt. Die Bildung von atRA umfasst als finalen Schritt die irreversible Umwandlung von Retinaldehyd in atRA durch Aldehyd-Dehydrogenase 1A Enzyme, von denen die ALDH1A3 in der Haut vorherrschend ist. Zu einer atRA Exposition der Haut kann es entweder durch die endogene Produktion von atRA durch epidermale Keratinozyten kommen oder in Folge einer topischen Applikation von atRA auf die Haut im Rahmen therapeutischer oder kosmetischer Anwendungen.

Es ist bekannt, dass durch Retinoide und durch Stimulation des AHR ausgelöste Signalantworten sich gegenseitig beeinflussen.  Diese Untersuchungen wurden jedoch an nicht-kutanen Geweben durchgeführt und / oder unter Verwendung des nur schwer abzubauenden AHR Liganden 2,3,7,8-tetrachlorodibenzo-p-dioxin (TCDD), der eine langanhaltende AHR Aktivierung bewirkt.  Es ist nicht bekannt, wie eine transiente Aktivierung des AHR durch physiologisch, umwelt- oder therapeutisch, und damit klinisch relevante AHR Liganden den Metabolismus von Retinoiden beeinflussen, wie Retinoide die durch derartige AHR Liganden hervorgerufenen Signalantworten beeinflussen, und wie sich dies auf die Haut auswirkt. In Vorarbeiten haben wir beobachtet, dass die AHR Signalantwort die Synthese von atRA in vitro in humanen Keratinozyten und in vivo in der Maushaut reguliert. Hieran scheint zudem die ALDH1A3 beteiligt zu sein, deren Expression und Aktivität offenbar AHR-abhängig ist. Ausserdem wurde in unabhängigen Studien berichtet, dass eine kombinierte topische Behandlung von Mäusen mit atRA plus TCDD zu einer Entzündungsreaktion in der Haut führt.

Wir vermuten daher, dass sich in der Haut AHR- und Retinoid-Signalantworten gegenseitig beeinflussen, diese Interaktion bidirektional und klinisch relevant ist, z.B. für die Hautbarrierefunktion. Konkret werde wir in epidermalen Keratinozyten die durch AHR Liganden vermittelte Regulation der atRA Synthese, die hierbei zu vermutende Rolle von ALDH1A3, die funktionelle Bedeutung von endogen produziertem atRA als integralem Bestandteil von durch AHR-Liganden ausgelösten Signalantworten untersuchen, und umfassend die Wechselwirkungen zwischen AHR- und Retinoidsignalantworten analysieren, die entstehen, wenn atRA und AHR Liganden kombiniert auf die Haut aufgetragen werden. In allen Studien werden wir klinisch relevante AHR Liganden untersuchen, die eine transiente Aktivierung des AHR verursachen. Hierzu werden wir genetisch veränderte Keratinozyten, komplette und konditionale Knockout-Mausmodelle und humane ex vivo Hautmodelle verwenden. Dieses Projekt trägt zu einem besseren Verständnis von AHR Signalantworten der Haut bei.

Von der aktinischen Keratose zum invasiven Plattenepithelkarzinom: Bedeutung der AHR-p27KIP1 Achse für die maligne Transformation

Privatdozent Dr. rer. nat. Thomas Haarmann-Stemmann, IUF – Leibniz-Institut für umweltmedizinische Forschung, Düsseldorf

Die Inzidenz des Plattenepithelkarzinoms (PEK) der Haut nimmt seit Jahren stetig zu. Der wichtigste Risikofaktor für die Entstehung dieser Krebserkrankung ist eine chronische Exposition gegenüber ultravioletter (UV) Strahlung. Der Großteil der PEK geht aus einer prämalignen Vorstufe, der aktinischen Keratose (AK), hervor, die bevorzugt in sonnenexponierten Hautpartien entstehen. Interessanterweise entsteht nur aus einem geringen Anteil der AK ein invasives PEK. Die zugrundeliegenden molekularen Mechanismen, welche diese maligne Transformation vorantreiben, sind bisher unzureichend verstanden.

Im Kontext der Photokarzinogenese, konnten wir aufzeigen, dass der Arylhydrokarbon-Rezeptor (AHR), ein Transkriptionsfaktor, der in epidermalen Zellen u.a. durch Photoprodukte der Aminosäure Tryptophan aktiviert wird, maßgeblich an der Regulation DNS-schadensabhängiger Prozesse in UVB-exponierten Keratinozyten beteiligt ist. So kontrolliert der aktivierte AHR sowohl DNS-Reparatur als auch Apoptose durch Modulation der intrazellulären Lokalisation sowie des proteolytischen Abbaus des Tumorsuppressorproteins p27^KIP1 (p27). Studien an extrakutanen Tumoren haben gezeigt, dass eine Fehllokalisation von p27 im Zytosol die Migration, Invasion und weitere Prozesse, welche die maligne Transformation vorantreiben, induziert. Unser Vorarbeiten weisen zudem darauf hin, dass proentzündliche Zytokine den Metabolismus AHR-aktivierender Tryptophan-Photoprodukte hemmen und somit zu einer verstärkten Aktivierung der AHR-p27 Achse beitragen können.

In diesem Projekt soll die Hypothese überprüft werden, dass ein entzündliches Mikromilieu in einer Akkumulation von AHR-Agonisten sowie der nachgeschalteten Aktivierung der, in diesem Kontext onkogen-wirkenden, AHR-p27-Achse resultiert. In der Folge kommt es zum Verlust der Kontaktinhibition, einer erhöhten Motilität sowie zum invasiven Wachstum der AK-Zellen, die schließlich zu malignen PEK-Zellen transformieren. Um unsere Arbeitshypothese zu testen, wollen wir untersuchen ob 1.) eine Hemmung der CYP1A-Enzymaktivität durch inflammatorische Zytokine, wie TNFα, AHR-abhängige Signalwege in UV-bestrahlten AK-Zellen aktiviert bzw. verstärkt, 2.) eine Aktivierung des AHR in Gegenwart von Entzündungsmediatoren zur Fehllokalisation und/oder Proteolyse des p27-Proteins führt, 3.) eine Aktivierung der AHR-p27-Achse die maligne Transformation von AK-Zellen in vitro und in vivo induziert, und 4.) vergleichende immuno-/histologische Färbungen und RNA-Seq-Analysen (Zellen, Xenograft Mausmodell und klinische Proben) es erlauben, AK-spezifische prognostische Signaturen zu identifizieren.       

Das übergeordnete Ziel dieses Forschungsprojekts ist es, die AHR-p27-Achse als molekularen Angriffspunkt für chemopräventive Maßnahmen zur Reduktion der Transformationsrate präkanzeröser AK zu identifizieren und zu validieren.

Rolle des AHR-Signalwegs für die UV-induzierte Entstehung und Progression von Melanomen und für die Therapieresistenz

Prof. Dr. med. Thomas Tüting, Universitätshautklinik Magdeburg, Medizinische Fakultät der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg

Das Melanom, die tödlichste Krebsart der Haut, macht weltweit fast 2 % der Krebsfälle aus, wobei die Inzidenz aufgrund der anhaltend hohen UV-Exposition in der Freizeit zunimmt. Der Arylhydrocarbonrezeptor (AHR), ein ligandenbindender Transkriptionsfaktor der basischen helix-loop-helix Per-ARNT-Sim-Familie, wurde ursprünglich als Rezeptor für das Dioxin TCDD beschrieben und vermittelt die Entgiftung von Umweltschadstoffen. Heute sind eine Vielzahl endogener Liganden bekannt, die über den AHR Signalweg die Zell-Proliferation, die Zell- Differenzierung und Entzündungsreaktionen beeinflussen. UV-Licht erzeugt den hochaffinen AHR-Agonisten FICZ, der die Bräunung der Haut als Schutzreaktion vor UV-Strahlung fördert. In Krebszellen fördert eine AHR-Aktivierung die Tumorprogression. Das aktuelle Projekt basiert auf der Hypothese, dass der AHR-Signalweg in physiologischen Situationen schützende Reaktionen von Melanozyen auf UV-Strahlung fördert, während er in pathologischen Situationen die maligne Transformation sowie das Fortschreiten von Melanomen verstärkt und die Wirksamkeit von T-Zell-gerichteten Immuntherapien beeinträchtigt. Im ersten Arbeitspaket werden melanozytenspezifische, konditionale AHR-Knockout-Mäuse verwendet, um den Einfluss des AHR-Signalweges auf die UV-abhängige Aktivierung von Melanozyten zu charakterisieren. Weiterhin werden wir die Rolle des AHR-Signalwegs in der UV-induzierten Entstehung und Progression von Melanomen analysieren, indem wir das Hgf-Cdk4-Melanommodell mit den Melanozyten-spezifischen AHR-Knockout-Mäusen kreuzen. Im zweiten Arbeitspaket werden wir die Rolle des AHR-Signalweges in der Immuntherapie untersuchen. Dazu werden wir unsere transplantierbare Melanomzelllinie HCmel12 mit und ohne CRISPR-vermitteltem AHR-Knockout verwenden und einen adoptiven T-Zelltransfer durchführen. Weiterhin werden wir die Immuntherapie mit einer pharmakologischen AHR-Inhibition in Mäusen, die mit HCmel12-Melanomzellen transplantiert wurden, kombinieren, um die zukünftigen Möglichkeit einer therapeutischen AHR-Inhibition beim Menschen zu untersuchen. Im dritten Arbeitspaket werden wir die Dynamik des AHR-Signalweges in Melanozyten und Melanomzellen in vitro charakterisieren. Anschließend versuchen wir, die Auswirkungen des AHR-Signalweges auf die entzündungsbedingte Plastizität von Melanomzellen zu analysieren und den zugrundeliegenden molekularen Mechanismus zu entschlüsseln. Im letzten Arbeitspaket werden wir den Einfluss des AHR-Signalwegs auf die Dynamik der transkriptionellen Plastizität von Melanomzellen als Reaktion auf entzündliche und therapeutische Stimuli mittels Einzelzell-RNA-Sequenzierung analysieren. Darüber hinaus werden wir die Rolle des AHR auf die Differenzierung von Melanozyten und Melanomzellen nach UVB-Bestrahlung charakterisieren. Wir erwarten, dass die aus diesem Projekt gewonnenen Erkenntnisse die Grundlage für eine therapeutische Modulation der AHR-Signalkaskaden in der Behandlung des Melanoms liefern werden.

Zur Rolle des AHR in kutanen unerwünschten Arzneimittelwirkungen

Privatdozent Dr. med. Stephan Meller, Klinik für Dermatologie, Universitätsklinikum Düsseldorf, Medizinische Fakultät der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf

Unerwünschte Arzneimittelwirkungen (UAW) sind häufig und können unter Umständen die Gesundheit der Betroffenen gefährden oder zum Abbruch lebensnotwendiger Therapien führen. UAW können entsprechend des pharmakologischen Wirkmechanismus (on-target) auftreten oder sich als nicht vorhersehbare Reaktion (off-target) manifestieren. Off-target-UAW können auf der Basis einer Antigen-spezifischen Sensibilisierung (off-target immune reaction) oder ohne Ausbildung eines immunologischen Gedächtnisses als Off-target non-immune reaction entstehen. Dennoch können letztere immunologische Reaktionen beinhalten, z.B. durch eine rezeptorvermittelte Aktivierung von Immunzellen. Kürzlich haben der Antragsteller und Kooperateure nachweisen können, dass Vemurafenib den Arylhydrocarbon-Rezeptor (AHR)-Signalweg antagonisiert und so im Sinne einer off-target non-immune reaction Arzneimittelexantheme verursacht. Der AHR ist ein Transkriptionsfaktor, der multiple Funktionen, darunter auch Immunantworten, steuert. Der AHR kann hierzu durch zahlreiche Liganden wie Xenobiotica, mikrobielle Metabolite oder sog. (pseudo-) endogene Moleküle aktiviert werden. Der AHR reguliert unter anderen die Hauthomöostase und immun-vermittelte Hautreaktionen, ist aber auch an pathologischen Prozessen wie der atopischen Dermatitis oder Psoriasis vulgaris beteiligt. Darüber hinaus reguliert der AHR Signalweg den Metabolismus zahlreicher Medikamente. Die Stimulation des AHR kann je nach Kontext eine Aktivierung kanonischer und nicht-kanonischer Signalwege zur Folge haben. Beide Signalwege tragen zur Hauthomöostase bei. Unveröffentlichte, vorläufige Ergebnisse demonstrieren, dass neben Vemurafenib zahlreiche weitere Medikamente an den AHR binden und seine Aktivität beeinflussen. In dem vorgeschlagenen Projekt möchte der Antragsteller die Rolle des AHR bei der Entstehung von kutanen UAW untersuchen und als neues Konzept einer off-target non-immune reaction etablieren. Hierzu werden empirische Daten sowie in silico Prädiktionsmodelle zur Identifizierung potenzieller AHR-bindender Arzneien genutzt (Ziel #1), die biologischen Effekte dieser Arzneien in vitro analysiert (Ziel #2), die in #2 gewonnenen transkriptomischen Signaturen in Biomaterial von UAW validiert (Ziel #3) sowie ein zellbasiertes In-vitro-Verfahren zur Diagnostik von off-target non-immune UAW etabliert werden (Ziel #4). Bedeutung des Projekts: Im Rahmen des Projektes werden neue klinisch relevante Arznei-AHR-Interaktionen charakterisiert und unser Verständnis von off-target non-immune UAW erweitert werden. Die Ergebnisse werden translationale Konzepte zur besseren klinischen Versorgung von UAW ermöglichen.