Reisebericht über den Forschungsaufenthalt in den USA

 

Seit 2012 beschäftige ich mich wissenschaftlich mit der akuten Graft-versus-Host Disease (GvHD) des Gastrointestinal-(GI)-traktes bei Patienten nach allogener Stammzelltransplantation (ASCT). Mein wissenschaftlicher Fokus liegt hierbei auf der Erforschung der Rolle des intestinalen Mikrobioms bei der Entstehung der akuten intestinalen GvHD. Unsere Forschungsgruppe in Regensburg unter der Leitung von Prof. Dr. Ernst Holler kooperierte bereits in mehreren Projekten mit der Arbeitsgruppe von Prof. Marcel van den Brink, dessen Labor derzeit zu einem der führenden und renommiertesten Labore auf dem Sektor der Mikrobiomforschung zählt.

Daher war es eine große Ehre zwei Wochen von meinem insgesamt 4-wöchigen Forschungsaufenthalt in seinem Labor am Memorial Sloan Kettering Cancer Center (MSKCC) in New York verbringen zu dürfen. Hierbei gelang es mir, einen guten Überblick über derzeit laufende Studien und Forschungsbestrebungen zu bekommen, gleichzeitig aber auch Eindrücke von klinischer Seite zu sammeln.

Die Gruppe um Marcel van den Brink hat zahlreiche wegweisende Arbeiten veröffentlicht, die entscheidend dazu beigetragen haben, die Rolle intestinaler Mikrobiota im Setting der ASCT und insbesondere bei der Entstehung der akuten intestinalen GvHD zu definieren. So konnte z.B. gezeigt werden, dass es im Verlauf der ASCT zu einem Verlust der bakteriellen Diversität kommt, die besonders bei der akuten Darm-GvHD ausgeprägt ist. Dieser Verlust, insbesondere an kommensalen Bakterien wie z.B. Blautia, ist mit einer signifikant erhöhten GvHD-assoziierten Mortalität verbunden. Als wichtigster Risikofaktor für eine Störung der intestinalen Mikrobiomzusammensetzung ist der Gebrauch von systemischen Breitspektrum-Antibiotika für die Prophylaxe und Therapie neutropener Infektionen anzusehen. Abhängig von der Art der verwendeten Antibiotika und deren Wirkspektrum auf die intestinale Darmflora konnte die Forschungsgruppe hier eindeutige Unterschiede im Überleben von Patienten aufzeigen.

Basierend auf den bisherigen Erkenntnissen beschäftigt sich die Gruppe derzeit mit folgenden Projekten:

 

  1. Einfluss der Ernährung nach ASCT auf das intestinale Mikrobiom und das Outcome

    Im Mausmodell konnte gezeigt werden, dass eine hochkalorische Ernährung (high fat diet) nach ASCT sowohl in übergewichtigen als auch in dünnen Mäusen einen Überlebensvorteil brachte, während eine niedrig-kalorische Ernährung (low fat diet) sowie ein damit assoziierter Gewichtsverlust mit einer erhöhten Mortalität assoziiert war. Nach einer genauen Ursache für diese Beobachtungen wird derzeit noch geforscht, als eine mögliche Theorie wurde allerdings der höhere Anteil an kurzkettigen Fettsäuren in der high fat diet diskutiert. Diese werden unter physiologischen Bedingungen von kommensalen Bakterien gebildet und weisen anti-inflammatorische Eigenschaften auf, indem sie regulatorische T-Zellen im Darm induzieren. In einem weiteren Versuchsprojekt wurde die Mukusschicht im Darm von Mäusen nach ASCT untersucht. Eine unzureichende Ernährung der Mäuse innerhalb der ersten 7 Tage nach ASCT führte zu einer drastischen Abnahme der Mukusschicht, was durch die zusätzliche Gabe eines Breitspektrumantibiotikums noch verstärkt wurde. Bereits in einer vorangegangen Arbeit der Gruppe konnte gezeigt werden, dass die Gabe von Breitspektrumantibiotika Mikrobiomstörungen verursacht, welche die Vermehrung bestimmter Bakterien wie Akkermansia muciniphila begünstigt, die schließlich enzymatisch zum Abbau der Mukusschicht führen. Aus den aktuell präsentierten Daten geht deshalb hervor, dass auch die Ernährung nach allogener Transplantation einen entscheidenden Einfluss auf das intestinale Mikrobiom nimmt, wobei eine mangelnde orale Ernährung ein schlechteres Outcome zu begünstigen scheint. Auch im klinischen Setting ist derzeit eine Studie geplant, welche den Einfluss der Ernährung von Patienten nach ASCT untersuchen soll. Hier erfolgt eine enge Zusammenarbeit mit Mitarbeitern der Ernährungsberatung. Anhand schriftlicher Fragebögen wird derzeit evaluiert, was und wie viel an Nahrung ein Patient nach Transplantation bei jeder Mahlzeit zu sich nimmt. Hieraus soll der Anteil an Ballaststoffen, Fetten und Kohlehydraten errechnet werden. Anhand regelmäßig gesammelter Stuhlproben soll anschließend untersucht werden, ob Einflüsse auf das Mikrobiom sowie das Outcome nach ASCT vorliegen.

     

     

  2. Untersuchung der Auswirkung verschiedener externer Einflüsse auf das intestinale Epithel unter Anwendung von Organoid-Modellen

    Organoide stellen drei-dimensionale Darm-Modelle dar, welche in vitro aus Darmbiopsien gezüchtet werden können. Mit Hilfe dieser Methode können physiologischen Verhältnisse sowie die Reaktion des Darmepithels auf externe Stimuli untersucht werden. Derzeit werden am MSKCC Organoide aus Mäusedarm, aber auch aus menschlichen Darmschleimhautbiopsien gezüchtet. Ziel ist es hierbei die Reaktion des Darmepithels auf die externe Zufuhr von kurzkettigen Fettsäuren, z.B. Butyraten, verschiedene Bakterien etc. zu untersuchen, um damit mehr über die Pathophysiologie der akuten Darm-GvHD und die Rolle der intestinalen Darmflora zu erfahren.

     

  3. Untersuchung des Einflusses unterschiedlicher Antibiotika auf die Immunrekonstitution nach ASCT

    In diesem Projekt geht es darum, den Einfluss verschiedener Antibiotika, die im Rahmen der Prophylaxe sowie der Therapie neutropener Infektionen zur Anwendung kommen auf die Rekonstitution von Blutzellen zu untersuchen. Während Antibiotika keinen Einfluss auf die Rekonstitution von Erythrozyten sowie Thrombozyten nach ASCT zu haben scheinen, führte die Anwendung von Vancomycin und Ciprofloxacin zwischen Tag -5 und Tag +28 zu einer signifikanten Reduktion von Leukozyten (insbesondere Neutrophile, Monozyten und Lymphozyten), so dass Antibiotika auch einen Einfluss auf das Engraftment nach ASCT zu haben scheinen.

 

  1. Autologe fäkale Mikrobiotatransplantation (FMT) als prä-emptive Strategie zur schnelleren Rekonstitution einer physiologischen Darmflora nach ASCT sowie zur Prävention einer akuten GvHD

    Die Abteilung für Infectious Diseases führt derzeit in Zusammenarbeit mit der Gruppe um Prof. van den Brink eine klinische Studie zum Thema FMT durch. Hierbei wird derzeit Stuhl von Patienten vor einer geplanten ASCT asserviert und kryokonserviert. Zudem erfolgt eine 16S-rRNA Analyse zur Evaluation der Diversität des Mikrobioms prätransplant. 28 Tage nach Transplanation wird erneut eine Stuhlprobe des Patienten untersucht und der Anteil an Bacteroidetes bestimmt. Anhand der Bestimmung dieser überwiegend protektiven Darmbakterien kann schließlich evaluiert werden, wie hoch die Diversität nach ASCT ist. Ist der Anteil an Bacteroidetes im Stuhl des Patienten zu gering, erfolgt eine autologe Stuhltransplantation, d.h. der zuvor kryokonservierte Patientenstuhl wird mit Hilfe eines Einlaufs in den unteren Gastrointestinaltrakt des Patienten eingebracht, die angestrebte Verweildauer des Stuhls liegt bei ca. 2 Stunden. Hierdurch soll eine Besiedelung des GI-Traktes mit commensalen Bakterien und damit eine Wiederherstellung einer physiologischen Darmflora nach ASCT ermöglicht werden. Dies soll der Entwicklung einer akuten Darm-GvHD vorbeugen. Im Rahmen meines Besuches am MSKCC war es mir möglich, den Ablauf einer FMT zu sehen. Nachdem auch in Regensburg ein FMT-Programm als Therapieoption für Patienten mit therapierefraktärer akuter Darm-GvHD geplant ist, stellte dies eine wichtige Erfahrung für unser eigenes Projekt dar. An einem weiteren Projekt zur Verkapselung von Patientenstuhl wird derzeit gearbeitet. Dies sollt die Applikation der Mikrobiota zukünftig vereinfachen.

     

  2. Mikrobiotaforschung im Rahmen multizentrischer Studien

    Nachdem es bislang keine multizentrischen Studien zum Thema Microbiotaforschung gibt, arbeitet die Gruppe um Prof. van den Brink intensiv an der Initiierung einer multizentrischen Proben- und Datensammlung. Als Zentren sollen hierbei Japan, Frankreich und Deutschland (Regensburg, Köln, Berlin) beteiligt werden. Zusammen mit Dr. Jonathan Peled habe ich mich im Rahmen meiner zweiwöchigen Hospitation an der Erarbeitung einer Datenbank sowie die erforderliche Datenerhebung durch die einzelnen Zentren beteiligt.

Durch die regelmäßigen Labor-Meetings fand ein reger Erfahrungsaustausch statt, wodurch Ideen für weitere geplante Kooperationen zwischen der Universität Regensburg und dem MSKCC New York entstanden. Zudem ergaben sich durch die Einarbeitung in die Methodik des Sammelns klinischer Proben am MSKCC zahlreiche Anregungen, wie das Probensammeln auch in Regensburg vereinfacht und strukturiert werden kann.

Zweimal wöchentlich hatte ich zudem die Möglichkeit verschiedene Oberärzten des MSKCC bei ihrer Arbeit mit Patienten nach ASCT in der Outpatient Clinic zu begleiten. Da ich selbst aktuell in der Nachsorgen nach ASCT tätig bin, ergab sich für mich die Gelegenheit Gemeinsamkeiten sowie Unterschiede in der Behandlung dieser Patienten zu sehen und zu diskutieren. Des Weiteren konnte ich an den täglichen Visiten auf den Transplantationsstationen teilnehmen und viele Eindrücke amerikanischer Stationsabläufe sammeln. Während meines Besuchs am MSKCC fanden zudem viele Journal Clubs, Meetings für Assistenzärzte und Forschungsbesprechungen statt.

In der 3. Und 4. Woche meines Aufenthaltes in den USA konnte ich  das Labor von Prof. James Ferrara und Prof. John Levine am Mount Sinai Hospital zu besuchen. Die Arbeitsgruppe von Prof. Ferrara und Prof. Levine beschäftigt sich intensiv mit der Erforschung von Biomarkern der akuten GvHD und kooperiert auf diesem Gebiet seit Jahren mit der Arbeitsgruppe von Prof. Holler. So wurde das Projekt MAGIC (the Mt Sinai Acute GVHD International Consortium) ins Leben gerufen, bei dem es sich um ein Konsortium aus aktuell 19 Knochenmarkstransplantationzentren aus den USA, Kanada, Europa und Asien handelt. Der Forschungsverbund hat das Ziel Biomarker-Algorhythmen zu entwickeln, um die Prävention sowie Therapie einer akuten Darm-GvHD, welche leider nach wie vor zu den schwersten und lebensbedrohlichsten Komplikation einer ASCT zählt, zu verbessern. In den letzten Jahren ist es der Gruppe unter Leitung von Prof. Ferrara gelungen, ein Panel aus drei verschiedenen Biomarkern zu identifizieren und den sog. Ann-Arbor Score bestehend aus drei Schweregraden (Ann-Arbor Score I-III), zu etablieren. Basierend auf der Auswertung der Biomarker, die bereits früh das Ausmaß der intestinalen Schädigung anzeigen ist es möglich, bei oder auch schon vor Beginn einer akuten Darm-GvHD eine Einschätzung hinsichtlich Schwere der GvHD, Überleben und Therapieansprechen zu treffen, unabhängig von den zu diesem Zeitpunkt vorhandenen klinischen Symptomen, die oftmals nicht mit dem tatsächlichen Ausmaß der Schädigung korrelieren. Bisher erfolgte eine Umstellung oder eine Intensivierung der Therapie erst bei Progress der klinischen Symptome oder Nichtansprechen auf die eingeleitete Therapie, was häufig einen unnötigen und für den Patienten gefährlichen Zeitverlust darstellte. Patienten mit einem hohen Ann Arbor Score (Stadium III) und damit einem hohen Risiko, nicht auf Steroide, der Standardtherapie bei akuter GvHD, anzusprechen, woraus wiederum ein hohes Mortalitätsrisiko resultiert, sollen daher einer frühzeitigen Therapie mit Natalizumab, einem Antikörper, der das Einwandern von Spenderzellen in Zielorgane der GVHD wie den Darm blockiert, unterzogen werden. Eine entsprechende Studie wird derzeit gerade am Mount Sinai Hospital initiiert, erste Patienten wurden bereits eingeschlossen. Gleichzeitig gelang es der Gruppe um Prof. Ferrara mit Hilfe einer Validierungskohorte aus Regensburg auch einen Biomarker Algorhythmus an Tag 7 post-transplant zu entwickeln. Dieser Tag 7 Algorhythmus könnte erstmals zur Steuerung einer präemptiven Therapie zur Verhinderung des Auftretens einer Darm-GvHD herangezogen werden.

Um eine derartige Datenauswertung zu ermöglichen, werden an allen teilnehmenden Zentren von allen in die Studie eingeschlossenen Patienten wöchentlich Daten über Art der Transplantation, den Verlauf der Transplantation mit Auftreten einer akuten GvHD und Infektionen sowie  Art und Dosierung der verabreichten Medikation in das Programm ERAP eingespeist. So wird eine fundierte und detaillierte, multizentrische Analyse aller eingegebenen Patientendaten ermöglicht. 

Im Rahmen meiner Zeit am Mount Sinai gelang es mir durch die Zusammenarbeit mit der Programm Managerin Rachel Young, ein grundlegendes Verständnis von ERAP zu erarbeiten. Ihre Aufgabe besteht darin, die Dateneingaben der einzelnen Zentren auf Vollständigkeit und Plausibilität zu überprüfen. Zusammen reviewten wir die Dateneingaben aller Patienten, die bislang in Regensburg in die Studie eingeschlossen wurden. Hierdurch bekam ich einen guten Einblick, wie Nachfragen von Seiten der Reviewer entstehen und wie diese zukünftig durch Verbesserungen bei den wöchentlichen Dateneingaben besser reduziert werden können. Gleichzeitig konnten wir noch ausstehende Nachfragen klären und diese schließlich abschließen. Zudem lernte ich Datenanalysen mit der MAGIC-Datenbank durchzuführen, die derzeit bereits klinische Informationen über 2.500 Patienten erhält. Dies ermöglicht fortan Datenabfragen an einer repräsentativen Patientenzahl durchzuführen. Zwei Tage verbrachte ich zudem im Labor von Prof. Ferrara, wo ich das System der Probenverarbeitung aller MAGIC-Serumproben kennenlernen durfte. Nachdem Regensburg künftig das führende MAGIC Zentrum aller teilnehmenden Kliniken in Deutschland darstellen  und für die gesamte Biomarkeranalyse verantwortlich sein wird, stellt das Erlernen des Umgangs mit MAGIC-Proben sowie die Datenverabreitung in ERAP eine wichtige Grundvoraussetzung für meine zukünftige Arbeit mit MAGIC dar. Wie bereits eingangs beschrieben, beschäftigt sich unsere Arbeitsgruppe intensiv mit der Erforschung der Rolle intestinaler Mikrobiota hinsichtlich akuter intestinaler GVHD und Outcome nach ASCT. MAGIC bietet daher eine perfekte Plattform sowohl Daten hinsichtlich Art und Dauer der verabreichten Breitspektrumantibiotika aber auch Informationen zur Beschaffenheit intestinaler Mikrobiota in Form von Urin- und Stuhlproben zu sammeln. Dies ist zunächst nur für die deutschen Zentren geplant und soll dann nach und nach auch auf die anderen MAGIC Zentren ausgedehnt werden. Ich durfte daher an der Erarbeitung entsprechender MAGIC-Protokolle mitarbeiten und konnte in regelmäßigen Treffen mit Prof. Ferrara und Prof. Levine meine Überlegungen hierzu einbringen. Zudem wurde es mir ermöglicht im Rahmen eines Labor-Meetings meine Daten und bisherigen Forschungsergebnisse zu präsentieren und diese im Anschluss zu diskutieren, was mit einem hohen Input an neuen Ideen und Verbesserungen einherging.

Insgesamt stellte mein Forschungsaufenthalt in den USA eine große Bereicherung für meine weitere klinische und wissenschaftliche Arbeit dar. Ich konnte zahlreiche neue Eindrücke sammeln, einige davon können evtl. auch an der Uniklinik in Regensburg umgesetzt werden. Es ergaben sich viele Möglichkeiten für weitere Kooperationsprojekte, die hoffentlich auch zukünftig die Zusammenarbeit zwischen den Arbeitsgruppen in Regensburg und den USA fördern.

 

 

 

 

Druckversion Druckversion | Sitemap
© Carsten Bender-Leukämie-Stiftung