Medizinische Klinik B für Gastroenterologie und Hepatologie

Labor für Gastrointestinale Molekulare Immunologie (GMI)

Die Forschungsschwerpunkte des GMI Labors sind:

Morbus Crohn: Aufbau eines digitalholografischen Mikroskops als Beispiel quantitativer Phasenkontrastbildgebung
Abbildung 1: A) Aufbau eines digitalholografischen Mikroskops als Beispiel quantitativer Phasenkontrastbildgebung (Bettenworth D, Bokemeyer B et al., 2017) B) Darstellung eines intestinalen Vollwandresektates eines Morbus Crohn-Patienten mit vergrößerter Darstellung der HE-gefärbten Submukosa und des korrespondierenden digitalen Hologramms.

Unsere Arbeitsgruppe verwendet die digitalholografische Mikroskopie als Beispiel quantitativer Phasenkontrastbildgebung, um intestinales Gewebe von Patienten mit chronisch entzündlichen Darmerkrankungen (CED) zu untersuchen.   

Morbus Crohn

Intestinale Strikturen sind eine häufige Komplikation des Morbus Crohn (MC).      Zur Festlegung der therapeutischen Strategie bei Patienten mit MC-bedingten Stenosen ist eine Differenzierung von prädominant inflammatorischen und prädominant fibrotischen Stenosen wichtig, jedoch ist dies mittels der aktuell verfügbaren Diagnostik nur bedingt möglich. Die digitalholografische Mikroskopie (DHM) ermöglicht eine färbungsfreie, quantitative Phasenkontrastbildgebung. Auf der Basis optischer Weglängendifferenzen kann ein Brechungsindex bestimmt werden, der direkt mit der Dichte des untersuchten Gewebes korreliert (Abbildung 1).
Im Rahmen dieses Forschungsprojekts überprüfen wir die Möglichkeit den Fibrosegrad von MC-bedingen Stenosen mittels DHM zu quantifizieren. Zukünftig könnte die DHM zur automatisierten histologischen Evaluation und Quantifizierung von intestinaler Fibrose in histologischen Präparaten von Patienten mit MC beitragen.


Colitis ulcerosa

Colitis ulcerosa (CU)-Patienten leiden unter einer kontinuierlichen, vorwiegend mukosalen Darmentzündung. Zur Quantifizierung des histologischen Entzündungsgrades von endoskopisch entnommenen Biopsien werden Scoringsysteme verwendet, jedoch ist bislang kein Score vollständig validiert. Die Bestimmung der Entzündugnsschwere ist daher auch von der Erfahrung des Pathologen abhängig und erfordert insbesondere bei zahlreichen Stufenbiopsien relevante zeitliche Ressourcen. Unsere Arbeitsgruppe hat konnte den Entzündungsgrad bereits im Rahmen einer murinen DSS-Colitis erfolgreich mittels DHM bestimmen (Lenz, Bettenworth et al. 2013). Nun soll im Rahmen eines translationalen Forschungsansatzes die entzündliche Aktivität in endoskopisch entnommenen Biopsien bei CU-Patienten mittels digitalholografischer Mikroskopie untersucht werden.

Referenzen

Bettenworth D, Bokemeyer A, Poremba C, Ding NS, Ketelhut S, Lenz P, Kemper B. Quantitative phase microscopy for evaluation of intestinal inflammation and wound healing utilizing label-free biophysical markers. Histology and histopathology 2017:11937.

Bettenworth D, Lenz P, Krausewitz P, Bruckner M, Ketelhut S, Domagk D, Kemper B. Quantitative stain-free and continuous multimodal monitoring of wound healing in vitro with digital holographic microscopy. PloS one 2014;9:e107317.

Lenz P, Bettenworth D, Krausewitz P, Bruckner M, Ketelhut S, von Bally G, Domagk D, Kemper B. Digital holographic microscopy quantifies the degree of inflammation in experimental colitis. Integrative biology : quantitative biosciences from nano to macro 2013;5:624-30.

Lenz P, Bruckner M, Ketelhut S, Heidemann J, Kemper B, Bettenworth D. Multimodal Quantitative Phase Imaging with Digital Holographic Microscopy Accurately Assesses Intestinal Inflammation and Epithelial Wound Healing. Journal of visualized experiments : JoVE 2016.

Rieder F, Latella G, Magro F, Yuksel ES, Higgins PD, Di Sabatino A, de Bruyn JR, Rimola J, Brito J, Bettenworth D, van Assche G, Bemelman W, d'Hoore A, Pellino G, Dignass AU. European Crohn's and Colitis Organisation Topical Review on Prediction, Diagnosis and Management of Fibrostenosing Crohn's Disease. J Crohns Colitis. 2016;10:873-85.

Serielle Untersuchung der colorektalen Karzinogenese im AOM-DSS Modell
Abbildung 2: Serielle Untersuchung der colorektalen Karzinogenese im AOM-DSS Modell mittels Nativsonographie (links) sowie VEGF-A-gerichtetem Kontrastmittelunterschall (rechts).
Darstellung von intestinaler Inflammation bei chronischer Colitis
Abbildung 3: Darstellung von intestinaler Inflammation bei chronischer Colitis (links) sowie Adenomentstehung (rechts) mittels Weißllichtendoskopie (WLE) sowie Fluoreszenzendoskopie (FE).

Traditionell wird die Krankheitsaktivität in experimentellen Colitismodellen vor allem durch den Gewichtsverlauf und feingewebliche Analysen bestimmt. Verschiedene moderne nicht-invasive Bildgebungsverfahren in vivo sind in unserem Labor etabliert und erlauben serielle Untersuchungen. In einem Projekt wurde die Anwendbarkeit des kontrastmittelverstärkten (Kleintier-) Ultraschalls (CEUS) des Darms zur Verlaufskontrolle und Charakterisierung einer murinen DSS-Colitis untersucht. Zur weiteren Spezifizierung des CEUS auf entzündliche Darmerkrankungen kam ein Kontrastmittel zum Einsatz, das an das darmspezifisches Zelladhäsionsmolekül MAdCAM bindet und dieses visualisiert/quantifiziert. Vergleichbare krankheitsspezifische molekulare Kontrastmittel kamen beispielsweise in der sonographischen Beschreibung früher intestinaler Neoplasien über VEGF-A im AOM-DSS Colitismodell zum Einsatz.

Eine zusätzliche Weiterentwicklung in der murinen Colitisdiagnostik besteht im Einsatz von Miniatur-Endoskopen. Neben intraindividuellen Verlaufskontrollen von Colitisaktivität und Wundheilung mittels Weißlichtendoskopie, verwenden wir die Fluoreszenzendoskopie um durch den Einsatz spezifischer fluoreszierender Marker Aspekte der Karzinogenese sowie Entzündungskaskade in vivo darzustellen.

Referenzen

Bruckner M, Heidemann J, Nowacki TM, Cordes F, Stypmann J, Lenz P, Gohar F, Lugering A, Bettenworth D. Detection and characterization of murine colitis and carcinogenesis by molecularly targeted contrast-enhanced ultrasound. World journal of gastroenterology 2017;23:2899-911.

Bruckner M, Lenz P, Mucke MM, Gohar F, Willeke P, Domagk D, Bettenworth D. Diagnostic imaging advances in murine models of colitis. World journal of gastroenterology 2016;22:996-1007.

Bruckner M, Lenz P, Nowacki TM, Pott F, Foell D, Bettenworth D. Murine endoscopy for in vivo multimodal imaging of carcinogenesis and assessment of intestinal wound healing and inflammation. Journal of visualized experiments : JoVE 2014.

Bettenworth D, Mucke MM, Schwegmann K, Faust A, Poremba C, Schafers M, Domagk D, Lenz P. Endoscopy-guided orthotopic implantation of colorectal cancer cells results in metastatic colorectal cancer in mice. Clinical & experimental metastasis 2016;33:551-62.

Bettenworth D, Reuter S, Hermann S, Weckesser M, Kerstiens L, Stratis A, Nowacki TM, Ross M, Lenze F, Edemir B, Maaser C, Pap T, Koschmieder S, Heidemann J, Schafers M, Lugering A. Translational 18F-FDG PET/CT imaging to monitor lesion activity in intestinal inflammation. Journal of nuclear medicine : official publication, Society of Nuclear Medicine 2013;54:748-55.

Mucke MM, Bettenworth D, Geyer C, Schwegmann K, Poremba C, Schafers M, Domagk D, Holtke C, Lenz P. Targeting Mucosal Endothelin-A-Receptor Expression by Fluorescence Endoscopy is Feasible to Detect and Characterize Colitis-Associated Cancer in Mice. Inflammatory bowel diseases 2017;24:111-22.

Nowacki TM, Bettenworth D, Bruckner M, Cordes F, Lenze F, Becker A, Wildgruber M, Eisenblatter M. Fluorescence-mediated Tomography for the Detection and Quantification of Macrophage-related Murine Intestinal Inflammation. Journal of visualized experiments : JoVE 2017.

Schwegmann K, Bettenworth D, Hermann S, Faust A, Poremba C, Foell D, Schafers M, Domagk D, Lenz P. Detection of Early Murine Colorectal Cancer by MMP-2/-9-Guided Fluorescence Endoscopy. Inflammatory bowel diseases 2016;22:82-91.

 

 

MicroRNAs bei chronisch entzündlichen Darmerkrankungen
Abbildung 4: Schematische Darstellung der Regulation von mRNAs durch die miR-320a (links). Koloskopische Bilder vor (day 0), während (day 7) und nach (day 20) Induktion einer murinen DSS-induzierten Colitis, (rechts oben) mit den simultan gemessenen miRNA-320a Expressionsleveln im peripherem Blut der Versuchstiere (rechts unten)

MicroRNAs (miRs) sind nicht kodierende RNAs (8-24 Nukleotide) und regulieren posttranskriptional über 30% der Protein-kodierenden Gene durch Degradation oder   direkte Suppression der messengerRNA (mRNA). Neben ihrer regulatorischen Wirkung auf  zentrale biologische Prozesse wie die Hämatopoese und Zelldifferenzierung, konnte für bestimmte miRs auch ein entscheidender Einfluss auf pathophysiologische Veränderungen gezeigt werden. Darüber hinaus sind miRs auch als Biomarker zur Verlaufsbeurteilungen von immun-vermittelten Erkrankungen beschrieben.

Eine möglichst maßgeschneiderte und zeitgerechte Therapie bei CED-Patienten erfordert ein akkurates Monitoring der intestinalen Entzündungsaktivität. Trotz intensiver Bemühungen konnte bislang kein optimaler Biomarker zur nicht-invasiven Erfassung der intestinalen Krankheitsaktivität bei CED etabliert werden.

Unsere Ergebnisse zeigen, dass die miR-320a nicht nur eine spezifische Stärkung von Tight junction Proteinen an der intestinalen Epithelbarriere vermittelt, sondern auch, dass die miR-320a Expression im peripheren Blut die intestinale Krankheitsaktivität im Rahmen einer experimentellen Colitis adäquat widerspiegelt. Derzeit wird in einem translationalen Forschungsvorhaben der Stellenwert von miRs als Biomarker bei Patienten mit chronisch entzündlichen Darmerkrankungen evaluiert und die Interaktion mit pathophysiologischen Veränderungen untersucht.

Referenzen

Cordes F, Bruckner M, Lenz P, Veltman K, Glauben R, Siegmund B, Hengst K, Schmidt MA, Cichon C, Bettenworth D. MicroRNA-320a Strengthens Intestinal Barrier Function and Follows the Course of Experimental Colitis. Inflammatory bowel diseases 2016;22:2341-55.

Immunofluoresezenzfärbung von LST-1 positiven Leukozyten und Epithelzellen in Kryoschnitten von humanem Kolon.
Abbildung 5: Immunofluoresezenzfärbung von LST-1 positiven Leukozyten und Epithelzellen in Kryoschnitten von humanem Kolon.

Das Leukocyte specific Transcript (LST)-1 befindet sich im immunologisch bedeutsamen MHCIII-Cluster in unmittelbarer Nähe zum TNF-α-Locus. LST-1 besitzt inhibitorische Effekte auf die Leukozytenproliferation und spielt eine Rolle in der Differenzierung dendritischer Zellen. Zudem konnte ein Einfluss von LST-1 auf die Bildung von Nanotubes und damit auf die Zell-Zell-Interaktion nachgewiesen werden. Ferner wurde das LST-1 Transkript LST1/A als transmembranes Adaptorprotein identifiziert, welches die Tyrosinphosphatasen SHP-1 und SHP-2 an die Zellmembran rekrutiert. Für die SHP-2 Defizienz wurde die spontane Entstehung einer schweren intestinalen Entzündung beschrieben. Während LST-1 lange als leukozytenspezifisches Transkript angesehen wurde, konnten wir die Expression von LST-1 in verschiedenen Zellen des intestinalen mukosalen Immunsystems nachweisen. Die funktionelle Rolle von LST-1 in der mukosalen Entzündung ist bisher völlig unbekannt und soll im Rahmen aktuell laufender Studien aufgeklärt werden.

Referenzen

Heidemann J, Kebschull M, Tepasse PR, Bettenworth D. Regulated expression of leukocyte-specific transcript (LST) 1 in human intestinal inflammation. Inflammation research : official journal of the European Histamine Research Society  [et al] 2014;63:513-7.

Die Rolle von Infektionen mit Viren der Herpesgruppe (CMV, HSV, EBV, VZV) bei der Entstehung und Exazerbation von CED ist gegenwärtig nicht hinreichend geklärt. Außerdem ist die valide Diagnose einer klinisch relevanten und damit behandlungsbedürftigen CMV-Infektion bei CED Patienten eine Herausforderung, da exakte diagnostische Algorithmen fehlen und angewendete Verfahren oft invasiv oder zeitaufwendig sind.

Mit verschiedenen immunbiologischen Verfahren (ELISPOT, PCR, Antikörper-Nachweis) untersuchen wir daher die Rolle viraler Infektionen (v.a. mit CMV oder EBV) im Rahmen der Pathogenese von CED. Dabei soll vor allem durch direkte funktionelle Analyse der antiviralen CD8+-T-Zellen die immunologische Relevanz einer viralen Infektion im Rahmen einer akuten Exazerbation der zugrundeliegenden CED geklärt werden. Mithilfe von klinischen Studien wollen wir relevante Risikofaktoren für das Auftreten einer CMV Infektion bei CED Patienten untersuchen und dem Kliniker eine Entscheidungshilfe zur Abschätzung des Risikos einer opportunistischen Infektion an die Hand gaben.

Referenzen

Nowacki TM, Kuerten S, Zhang W, Shive CL, Kreher CR, Boehm BO, Lehmann PV, Tary-Lehmann M. Granzyme B production distinguishes recently activated CD8(+) memory cells from resting memory cells. Cellular immunology 2007;247:36-48.

Nowacki TM, Bettenworth D, Ross M, Heidemann J, Lehmann PV, Lugering A. Cytomegalovirus (CMV)-Specific Perforin and Granzyme B ELISPOT Assays Detect Reactivation of CMV Infection in Inflammatory Bowel Disease. Cells 2012;1:35-50.

Nowacki TM, Bettenworth D, Meister T, Heidemann J, Lenze F, Schmidt HH, Heinzow HS. Novel score predicts risk for cytomegalovirus infection in ulcerative colitis. In Revision. 


Bei Interesse an einer experimentellen oder klinischen Doktorarbeit im Bereich chronisch entzündlicher Darmerkrankungen senden Sie bitte eine E-Mail zusammen mit Ihrem Lebenslauf an: dominik.bettenworth(at)­ukmuenster(dot)­de

Wir freuen uns auf Sie!

Prof. Dr. med. Dominik Bettenworth
Laborleiter, Oberarzt

Dr. med. Markus Brückner
Funktionsoberarzt

Dr. med. Arne Bokemeyer
Arzt

Dr. med. Friederike Cordes
Ärztin

Cand. med. Leonie Deckers
Doktorandin

Sonja Dufentester
MTA

Cand. med. Thomas Laumeyer
Doktorand

Dr. med. Tobias Nowacki
Oberarzt

Cand. med. Lena Quill
Doktorandin

Dr. med. Claudia Ruhs
Ärztin

Dr. med. Phil-Robin Tepasse
Facharzt

Elke Weber
MTA

Dr. Florian Rieder
Cleveland Clinic Foundation, USA

Prof. Dr. Isabelle Cleynen
Institut für Genetik, Universität Leuven, Belgien

Prof. Dr. Michael Vieth
Institut für Pathologie, Klinikum Bayreuth

Prof. Dr. Christian Sina
Institut für Ernährungsmedizin, Universitätsklinikum Schleswig-Holstein

Prof. Dr. Dr. Sven Meuth
Institut für Translationale Neurologie, UKM

Prof. Dr. Thomas Pap
Institut für Muskuloskelettale Medizin, UKM

Priv.-Doz. Dr. Emile Rijcken
Klinik für Allgemein- und Viszeralchirurgie, UKM

Dr. rer. nat. Dipl.-Phys. Björn Kemper
Biomedizinisches Technologiezentrum, WWU Münster

Prof. Dr. Dirk Föll
Klinik für Pädiatrische Rheumatologie und Immunologie, UKM

Prof. Dr. Martin Götte
Klinik für Frauenheilkund und Geburtshilfe, UKM

Priv.-Doz. Dr. med. Philipp Lenz
Palliativmedizinischer Dienst, UKM