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Schwerpunktherausgeber

W. Seeger, Gießen

A. Althoff, Gießen

Internist 2006 · Suppl 1 47:S6–S13

DOI 10.1007/s00108-006-1627-6

Online publiziert: 17. Mai 2006

© Springer Medizin Verlag 2006

H. Hossain · T. Chakraborty

Institut für Medizinische Mikrobiologie, Gießen

Microarray-basierte Transkriptomanalysen bei InfektionskrankheitenEin neuer diagnostischer Weg

Individualisierte Therapie – ein Paradigmenwechsel?

Fortschritte in der DNA-Sequenzie-

rung haben zur Vervollständigung

des humanen Genomprojektes und

zu einer steigenden Zahl von voll-

ständig bekannten Genomen von

Krankheitserregern geführt. Diese Er-

rungenschaften bieten neue Möglich-

keiten, die Pathogenese von Infekti-

onskrankheiten zu untersuchen. Für

das Verständnis dieser Krankheiten

ist das Wissen um die komplexen In-

teraktionen zwischen Erreger und

Wirt von unschätzbarem Wert. Die

Microarray-Technologie ist ein ideales

Werkzeug, diese Interaktionen zu un-

tersuchen. Sie erlaubt die simultane

Analyse tausender Gene, und ihre An-

wendung in klinischer Forschung ver-

spricht eine revolutionäre Verbesse-

rung der Diagnose, Therapie und Vor-

beugung dieser Krankheiten.

Grundlegendes zur Microarray-Technologie

Im Verlauf einer Infektion kommt es

beim infizierten Wirt zu dramatischen

Änderungen der Genexpression mit Be-

teiligung einer Vielzahl von Genen unter-

schiedlicher Funktionen [8]. Die Erfas-

sung dieser Änderungen erweitert nicht

nur das Wissen um die Pathogenese ei-

ner Infektion durch neue Einblicke in die

Wirtsantwort, sondern kann auch dia-

gnostisch genutzt werden und ist eine zu-

kunftsträchtige Alternative zur herkömm-

lichen Infektionsdiagnostik.

E Die Microarray-Technologie ist ein

ideales Werkzeug, um die veränderten

Genaktivitäten als Antwort des Wirtes

auf eine Infektion zu erfassen.

Ein Microarray ist eine spezifische An-

ordnung von immobilisierten Nuklein-

säuren mit definierten Basensequenzen,

sog. Gensonden („Probes“), auf einer fes-

ten Oberfläche. Die Anlagerung (Hybridi-

sierung) von fluoreszenzmarkierten Nu-

kleinsäuren aus einer zu untersuchenden

Probe, sog. „Targets“, an diesen Genson-

den erlaubt die parallele Messung der rela-

tiven Konzentrationen einer Vielzahl ver-

schiedener mRNA- oder DNA-Sequenzen

in der Probe ([24], . Abb. 1).

Microarrays ermöglichen so die Ana-

lyse von Expressionsmustern tausen-

der Gene (20.000–40.000) in einem ein-

zigen Experiment, wodurch Zeitaufwand

und Ressourcen enorm eingespart werden

können. Sie erlauben den Nachweis von

kleinsten Mengenunterschieden von Nu-

kleinsäuren und zeichnen sich durch eine

sehr hohe Sensitivität aus.

Der Vorteil der Microarrays liegt in

dem genomweiten Ansatz, wodurch nicht

hypothesengenerierte Fragestellungen

ohne Vorwissen über beteiligte Gene und

deren Interaktionen bis ins Detail bear-

beitet werden können. Dies ermöglicht

v. a. die Untersuchung der gesamten be-

kannten und unbekannten biologischen

Stoffwechselwege (Pathways). Gerade bei

Infektionskrankheiten ist die koordinierte

Interaktion mehrerer funktionaler Stoff-

wechselwege noch völlig unverstanden,

aber von zentraler Bedeutung für das Zu-

sammenspiel von Wirt und Erreger [7].

Anwendungsmöglichkeiten

In der Infektiologie finden Microarrays

hauptsächlich Anwendung bei Genoty-

pisierungs- und Genexpressionsstudien.

Die Genotypisierungsstudien umfassen

die Analyse des Genoms über die Mes-

sung der DNA und werden zur Identifi-

zierung und Charakterisierung des Erre-

gers bzw. Wirtes eingesetzt. Genexpressi-

onsstudien dagegen umfassen die Analy-

se des Transkriptoms (Gesamtheit aller

mRNA in der Zelle zu einem bestimmten

Zeitpunkt) über die Messung von mRNA

und werden zur Untersuchung der Regu-

lation von Genen eingesetzt. Daher eig-

nen sich Genexpressionsstudien, um bei-

de Seiten der Erreger-Wirt-Beziehung auf

transkriptioneller Ebene zu untersuchen

(. Abb. 2).

Erregerassoziierte Anwendungen

DiagnostikMikroorganismen können über die DNA-

Sequenz ihres Genoms identifiziert wer-

den. Die große Zahl der Sonden mit un-

terschiedlichen DNA-Sequenzen auf den

Microarrays, verbunden mit einer hohen

Bindungsspezifität gegenüber den hybri-

disierten Proben, erlaubt den Nachweis ei-

ner Vielzahl von Krankheitserregern mit

hoher Sensitivität und Spezifität.

S6 | Der Internist Suppl 1 · 2006

> Microarrays können nicht nur speziesübergreifend, sondern sogar familien- bzw. klassenübergreifend eingesetzt werden

Um beispielsweise Durchfallerreger und

deren krank machende Eigenschaften zu

bestimmen, können verschiedene anti-

gene Determinanten und Virulenzfak-

toren von bekannten Durchfallerregern

mittels der Microarrays in einem ein-

zigen Ansatz untersucht werden [12]. So-

mit kann nicht nur der Keim identifi-

ziert werden, sondern auch eine Aussage

über z. B. Toxin produzierende Gene ge-

macht werden. Wang et al. [38] entwickel-

ten einen Array, der 140 verschiedene Vi-

ren nachweisen konnte, und zeigten, dass

Microarrays hervorragend geeignet sind,

um verschiedene Spezies einer Gattung,

Ordnung oder Familie simultan nachzu-

weisen. Bei der Fokussuche in einem In-

fektionsgeschehen könnten Microarrays

nicht nur speziesübergreifend, sondern

sogar familien- bzw. klassenübergreifend

eingesetzt werden. Beispielsweise könnte

bei konnatalen Infektionen der Nachweis

von Viren (Herpes simplex, Zytomega-

lie, Rubella), Bakterien (Treponema pal-

lidum) und Protozoen (Toxoplasma gon-

dii) mittels Microarrays in einem einzigen

Ansatz erbracht werden.

Die Microarray-Technologie eignet

sich nicht nur für den Nachweis von be-

kannten Erregern, sondern auch bisher

unbekannte Keime können über eine Hy-

bridisierung mit Universal-Arrays, die

weite Teile von konservierten DNA-Se-

quenzbereichen abdecken, nachgewiesen

werden [30].

Epidemiologie und EvolutionEine der häufigsten Anwendungsgebiete

von Microarrays sind epidemiologische

Untersuchungen von Infektionskrank-

heiten. Über die Wahl der Gensonden

erlauben Microarrays sowohl den Nach-

weis großer als auch kleiner Variationen

im Genom und eignen sich daher zur Dif-

ferenzierung von Stämmen bei epidemi-

ologischen Fragestellungen, wie z. B. bei

Ausbrüchen mit Rotaviren [13] oder Cam-

pylobacter jejuni [23]. An mehreren, zeit-

lich versetzten Ausbrüchen von rheuma-

tischem Fieber konnten Smoot et al. [32]

durch den Genomvergleich von 36 Patien-

tenisolaten von Streptokokken der Grup-

pe A Serotyp M18 zeigen, dass Ausbrüche

in Salt Lake City, die 12 Jahre auseinan-

der lagen, durch einen nahezu genetisch

Abb. 1 9 Überblick über die einzelnen Schritte eines Microarray-Experimentes

Abb. 2 9 Anwendung von Microarrays bei Infektions-krankheiten



identischen Stamm ausgelöst wurden. Di-

ese Erkenntnisse wären nicht möglich ge-

wesen ohne den Einsatz einer Technolo-

gie, die die globale Analyse von bakteri-

ellen Genomen erlaubt. Vor diesem Hin-

tergrund können auch evolutionsgene-

tische Fragestellungen beantwortet wer-

den, indem evolutionär konservierte und

divergente Gene bei verschiedenen Orga-

nismen untersucht werden und Assoziati-

onen zwischen diesen Organismen erlau-

ben. So konnten Dobrindt et al. [18] bei

einem Vergleich von 36 extraintestinalen

und intestinalen, pathogenen und nicht-

pathogenen E. coli zeigen, dass die Akqui-

rierung von Genen durch Bakteriophagen

und Deletionen von Genen als globale

evolutionäre Prozesse involviert waren.

PathogenitätDer Einsatz von Microarrays ermöglich-

te in einer Vielzahl von Studien, die mo-

lekularen Mechanismen der Wirtsinvasi-

on und Umgehung der Wirtsabwehr so-

wie die Überlebensstrategien von Erre-

gern zu erkennen.

Auf der Suche nach den Faktoren, die

zur Infektiosität und Übertragung von Vi-

brio cholerae beitragen, konnten Merrell

et al. [25] zeigen, dass die Genexpression

des Choleratoxins kurz vor der Ausschei-

dung ausgeschaltet wird, dafür aber Gene

für die Motilität und Nährstoffaufnahme

aktiviert werden.

Ben Mamoun et al. [3] untersuchten

den Malariaerreger Plasmodium falci-

parum in 5 unterschiedlichen Stadien der

Parasitenentwicklung und zeigten, dass

bei der Infektion zeitlich zunächst Gene

der Proteinbiosynthese involviert waren,

dann metabolische Gene (vornehmlich

der Glykolyse) und schließlich Gene für

die Adhäsion und Invasion aktiviert wur-

den. Listeria monocytogenes (Lm), der

Erreger der Listeriose, ist eines der weni-

gen Bakterien, die ihre Aufnahme in die

Wirtszelle selbst induzieren und sich im

Zytosol der Wirtszelle vermehren können.

Chatterjee et al. [10] untersuchten die Ge-

nexpression von Lm im Phagosom und

Zytosol von Makrophagen und konnten

zeigen, dass Lm gleich nach der Aufnah-

me im Phagosom die Transkription hin-

sichtlich einer Stressantwort remodelliert

und nach Austritt ins Zytosol zahlreiche

Virulenzgene einschaltet, um die Ausbrei-

tung einzuleiten.

Diese Array-Ergebnisse zeigen deut-

lich, dass eine koordinierte Genexpressi-

on beteiligter bekannter und bisher unbe-

kannter Faktoren essenziell für die erfolg-

reiche Invasion eines Wirtes ist.

Umgehung oder Neutralisierung der

Abwehrmechanismen des Wirtes sind

von zentraler Bedeutung für die Patho-

genität eines Erregers. Staudinger et al.

[34] konnten zeigen, dass die Phagozyto-

se von E. coli durch neutrophile Granulo-

zyten bei E. coli zu einer starken Expressi-

on von Genen führte, die durch den Oxi-

dase-sensing Transkriptionsfaktor OxyR

reguliert wurden. OxyR-defiziente E. co-

li dagegen waren hypersensitiv gegenüber

einer neutrophilen Phagozytose, sodass

angenommen werden kann, dass OxyR

E. coli vor oxidativen antimikrobiellen

Faktoren schützt.

Wirtassoziierte Anwendungen

Ein umfassendes Wissen über das Im-

munsystem des Wirtes ist essenziell für

das Verständnis von Infektionskrank-

heiten. Globale Genexpressionsanalysen

sollen helfen, die komplexen Sachverhalte

der Immunologie aufzuklären. Untersu-

chungen an Zellen des angeborenen und

erworbenen Immunsystems zu unter-

schiedlichen Stadien der Differenzierung,

Reifung und Aktivierung sollen schritt-

weise dazu beitragen, die Komplexität des

Immunsystems zu entschlüsseln.

Angeborenes Immunsystem („innate immunity“)Die Bedeutung des angeborenen Immun-

systems, eingeleitet durch das Erkennen

von mikrobiellen Oberflächen- oder se-

zernierten Komponenten, wird zuneh-

mend erkannt. Um die genetischen Pro-

zesse bei der Entwicklung von Abwehr-

zellen des angeborenen Immunsystems

zu untersuchen, werden zunehmend

Microarrays eingesetzt [11, 22]. Le Naour

et al. [22] konnten zeigen, dass 255 Gene

bei der Differenzierung von dendritischen

Zellen reguliert waren, die hauptsächlich

bei der Zelladhäsion, der Signaltransduk-

tion und dem Lipidmetabolismus betei-

ligt waren. Viele dieser Gene waren zu-

vor nicht mit dendritischen Zellen in Zu-

Zusammenfassung · Abstract

Internist 2006 · Suppl 1 47:S6–S13

DOI 10.1007/s00108-006-1627-6

© Springer Medizin Verlag 2006

H. Hossain · T. Chakraborty

Microarray-basierte Transkriptomanalysen bei Infektionskrankheiten. Ein neuer diagnostischer Weg

Zusammenfassung

Die komplexe Interaktion zwischen einem

Erreger und einem Wirt ist die molekulare

Grundlage für eine Infektionskrankheit. Die

Microarray-Technologie bietet über die Ana-

lyse des Transkriptoms ideale Möglichkeiten,

diesen Dialog zwischen Erreger und Wirt zu

untersuchen. Die Erkenntnisse aus der Ent-

schlüsselung der molekularen Details dieser

Interaktionen werden zur Identifizierung und

Charakterisierung von virulenzassoziierten

Genen des Erregers und Abwehrstrategien

des Wirtes führen. Diese Informationen ha-

ben das gewaltige Potenzial, unser Verständ-

nis der molekularen Pathogenese von Infekti-

onskrankheiten zu vertiefen und neue Mög-

lichkeiten der Diagnostik, Behandlung, Pro-

gnostik und Prävention dieser Erkrankungen

zu eröffnen.

Schlüsselwörter

Infektion · Erreger-Wirt-Beziehung · Microar-

ray · Genexpression · Transkriptomanalyse

Microarray-based transcriptome analyses in infectious diseases. A new diagnostic method

Abstract

The complex interaction between a patho-

gen and a host is the molecular basis of in-

fectious diseases. Microarray technology is a

powerful tool to investigate the crosstalk be-

tween pathogen and the host as it assess-

es whole genome expression profiles in re-

sponse to disease. Deciphering the molecu-

lar details on both sides of the host-pathogen

interaction will increase our understanding of

the pathogenesis of infectious diseases and

offer improvements in their diagnosis, treat-

ment, prognosis, and prevention.

Keywords

Infection · Host-pathogen interaction ·

Microarray · Gene expression · Transcriptome

analysis

S9Der Internist Suppl 1 · 2006 |

sammenhang gebracht worden. Mittels

Microarrays konnte auch die Breite der

genetischen Antwort von dendritischen

Zellen, Makrophagen und anderen Ab-

wehrzellen des angeborenen Immunsys-

tems dargestellt werden [11, 20, 28]. So-

wohl die konsistente Antwort gegenü-

ber allen Organismen (z. B. Hochregulie-

rung von Interferon-regulierten Genen)

als auch die Regulation von Gengruppen

gegenüber verschiedenen Kategorien von

Organismen zeigen, dass antigenpräsen-

tierende Zellen ein vorgefertigtes Signal-

muster gegenüber verschiedenen Erre-

gern haben [20].

Erworbenes Immunsystem („adaptive immunity“)Microarrays wurden auch in diesem Be-

reich eingesetzt, um die Entwicklung der

B- und T-Zell-Immunität zu beleuch-

ten [31]. Bei B-Zellen konnten spezifische

Genaktivitätsmuster in den verschiedenen

Stadien der B-Zell-Differenzierung, -Akti-

vierung und -Toleranzentwicklung nach-

gewiesen werden. Schaffer et al. [31] konn-

ten bei B-Zellen in Keimzentren von lym-

phatischem Gewebe eine Hochregulie-

rung von Genen, die für die Proliferati-

on verantwortlich sind, und eine Herun-

terregulierung von Genen für die Glyko-

lyse feststellen. Diese Genexpressionssig-

natur war spezifisch für das Differenzie-

rungsstadium und zeigte, dass B-Zellen

in Keimzentren im Zuge der Proliferation

eine Minderung des Größenwachstums

in Kauf nehmen. Es konnte auch gezeigt

werden, wie ein transkriptionaler Repres-

sor der Differenzierung, BCL-6, bei der

Entstehung von Lymphomen beteiligt

sein könnte. Die Aktivierung von BCL-

6 würde zu einer Unterdrückung von In-

hibitoren der Differenzierung führen, so-

dass die B-Zelle in einem Differenzie-

rungsstadium verbleibt und immer wei-

ter proliferiert [31].

Unterschiede in der Genexpression

konnten in ähnlicher Weise auch bei der

Differenzierung und Aktivierung von T-

Zellen (zytotoxische Zellen, Th1- und

Th2-Helferzellen) nachgewiesen wer-

den [37]. Teague et al. [37] konnten bei

ruhenden T-Zellen eine Expression von

2057 Genen von insgesamt 6319 auf dem

Array nachweisen und damit zeigen, dass

„Ruhen“ kein inaktiver Zustand ist. Acht

Stunden nach der Aktivierung waren im

Vergleich zum Ruhezustand 143 Gene

hoch- und 139 herunterreguliert, wobei

die hochregulierten Gene vornehmlich

bei der Zellteilung beteiligt waren. Ob-

wohl die Zellteilung noch im Gang war,

zeigte das Genexpressionsprofil nach 24 h

bereits eine Annäherung an den Ruhezu-

stand, sodass angenommen werden kann,

dass auf Transkriptionsebene die Aktivie-

rung und Differenzierung von T-Zellen

innerhalb von 8–12 h ihr Maximum er-

reicht haben.

Das Wissen um die Antwort von ein-

zelnen Abwehrzellen ist wichtig, birgt je-

doch die Gefahr, dass bei der Einzelbe-

trachtung wichtige Informationen über

die koordinierte Wirtsantwort eines in-

takten Immunsystems gegenüber Erre-

gern verloren gehen. Daher werden in vie-

len Studien nicht einzelne Zellfraktionen,

sondern periphere mononukleäre Blut-

zellen (PBMC; Lymphozyten und Mo-

nozyten) mittels Microarrays untersucht.

Die simultane Untersuchung von ver-

schiedenen Abwehrzellen liefert zwar ein

umfassenderes Bild, ist aber auch mit ei-

ner wesentlich größeren Datenmenge ver-

bunden und setzt eine komplexere Analy-

se voraus.

Unterschiede zwischen WirtenUnabhängig von einer Infektion kann die

Genexpression in Abwehrzellen variieren.

Whitney et al. [39] zeigten, dass Alter, Ge-

schlecht, Tageszeit und die Zusammenset-

zung der Blutzellen die Genexpression in

gesunden Individuen beeinflussten. Beim

Vergleich der Amplitude der Genexpres-

sionsänderung innerhalb gesunder Pro-

banden und zwischen gesunden Proban-

den und Patienten mit bakterieller Infekti-

on oder Leukämie konnten sie feststellen,

dass die Änderung der Genexpression in-

nerhalb der Probanden wesentlich kleiner

war als die Änderung zwischen gesunden

Probanden und Patienten.

Erreger-Wirt-Interaktionen

Die Analyse der genomweiten Expressi-

onsmuster des Wirtes während einer In-

fektion liefert Einblicke in Mechanis-

men, wie der Wirt den Erreger erkennt

und bekämpft. Der Erreger wiederum

kann die Wirtsantwort manipulieren, in-

dem er z. B. die MHC-Expression unter-

drückt, um die Immunabwehr zu umge-

hen [16] oder sogar Abwehrmaßnahmen

des Wirtes nutzt, um sein eigenes Über-

leben zu sichern, wie es am Beispiel von

B. pertussis zu sehen ist, welches das Mu-

zin für sich nutzt [2]. Ein weiterer Mecha-

nismus von Erregern, die Immunabwehr

zu reduzieren und die Ausbreitung zu er-

leichtern, ist die Induktion von Genen, die

Tab. 1 Studien zur Untersuchung der Wirtsantwort auf eine Infektion

Erreger Zellart Referenz

Bakterien

B. pertussis Epithelzellen 2

B. pertussis PBMC 5

Salmonella typhimurium MØ 17

M. tuberculosis MØ 28

H. pylori Magenepithel 27

Chlamydia trachomatis HeLa-Zellen 40

Viren

Herpes simplex (HSV) Fibroblasten 36

Epstein-Barr (EBV) B-Zellen 9

Zytomegalie (CMV) Fibroblasten 33

Hepatitis B (HBV) Leberzellen 29

Masern PBMC 6

HIV Lymphozyten 16

Parasiten

T. gondii Fibroblasten 4

Leishmania spp., T. gondii, Brugia malayi DC, MØ 11

PBMC periphere mononukleäre Blutzellen, DC dendritische Zellen, MØ Makrophagen, HeLa Epithel-zellen (Zervixkarzinom).



für den programmierten Zelltod (Apopto-

se) verantwortlich sind [17].

Die experimentellen Ansätze zur Un-

tersuchung der verschiedenen Aspekte der

Erreger-Wirt-Beziehung sind in . Tab. 1

aufgeführt.

Wirtsantwort auf verschiedene OrganismenMehrere Studien haben gezeigt, dass nach

Infektion mit phylogenetisch diversen Or-

ganismen, ein Teil der komplexen Wirts-

antwort aus einer stereotypen Immunan-

twort besteht [20, 21]. Huang et al. [20]

konnten beim Vergleich der Genexpres-

sion von dendritischen Zellen gegenü-

ber einem Bakterium (E. coli), einem Vi-

rus (Influenza A) und einem Sprosspilz

(C. albicans) einen gemeinsamen Satz von

166 Genen finden, der von jedem Keim in

dendritischen Zellen induziert wurde. Die

Immunantwort war unabhängig vom Or-

ganismus und zeigte eine koordinierte

Beteiligung der angeborenen und erwor-

benen Immunität. Gene, die kurz nach

Kontakt mit dem Erreger wieder an Ak-

tivität abnahmen, waren an der Erken-

nung und Phagozytose der Erreger beteili-

gt. Zu diesem Zeitpunkt wurden Gene für

die Expression von Zytokinen, Chemoki-

nen, Rezeptoren und Zytoskelett hochre-

guliert. Diese Beobachtung spiegelt die

Bewegung der dendritischen Zellen und

die Rekrutierung von anderen Abwehrzel-

len zum Ort des Geschehens wider. Zwölf

Stunden nach Infektion konnte eine er-

höhte Expression von Transkriptionsfak-

toren und Signalmolekülen für Antigen-

präsentation nachgewiesen werden, wäh-

rend nach 18 h die Expression von Che-

mokinrezeptoren erhöht war, was wieder-

um auf die Migration der dendritischen

Zellen zu den Lymphknoten hinweist. Im

kompletten Zeitverlauf war die Expression

von Genen für die Produktion von Sauer-

stoffradikalen erhöht und damit hinwei-

send auf ein kontinuierliches Abtöten von

Erregern.

Die Dynamik dieser Genexpression

zeigt, wie umfassend Microarrays zeitlich

aufeinander folgende Ereignisse und die

Koordination verschiedener Stoffwech-

selwege bei der Immunantwort darstel-

len können.

Wirtsantwort auf verschiedene BakterienBoldrick et al. [5] fanden einen Satz von

205 gemeinsam exprimierten Genen in

PBMCs nach In-vitro-Stimulation mit ab-

gestorbenen Bordetella pertussis, Staphy-

lococcus aureus und E. coli. Gene für die

Regulation von Zytokinen und Chemoki-

nen waren am häufigsten vertreten. Die-

se Gene werden vornehmlich durch NF-

kB reguliert, welches sowohl die angebo-

rene als auch die erworbene Immunant-

wort dirigiert. Gramnegative Bakterien

induzierten dabei eine stärkere Expressi-

on als grampositive Bakterien. Zusätzlich

fanden Boldrick et al. 96 Gene, die nach

2 h herunterreguliert wurden. Diese Gene

waren beteiligt an der Regulation von Mo-

nozyten anlockenden Chemokinen, Zell-

Zell-Adhäsion, Diapedese, Leukozyten-

extravasation, Erkennung von Bakterien

und Antigenpräsentation. Die Repressi-

on dieser wichtigen Abwehrmaßnahmen

kurz nach einer Infektion ist als Selbst-

schwächung zu verstehen, um sicherzu-

stellen, dass antigenpräsentierende Zel-

len nur dann am Ort verbleiben und An-

tigene präsentieren, wenn sie Kontakt mit

Erregern haben.

Unterscheidung zwischen verschiedenen ErregernDurch die Konvergenz der Signalüber-

tragung kann der Wirt sowohl auf unspe-

zifische pathogenassoziierte molekulare

Merkmale wie Komponenten der bakte-

riellen Zellwand und virale Nukleinsäu-

ren als auch auf spezifische Virulenzfak-

toren unzähliger Organismen adäquat re-

agieren.

Während eine Vielzahl der Gene

gleichsam bei bakteriellen, viralen und

fungalen Infektionen reguliert wird, konn-

ten Huang et al. [20] zeigen, dass es mög-

lich ist, basierend auf spezifischen Genex-

pressionsmustern, zwischen Infektionen

mit E. coli, Influenza A und C. albicans

zu unterscheiden [20]. Auch Boldrick et

al. [5] konnten zeigen, dass eine Unter-

scheidung auf Transkriptionsebene nicht

nur zwischen grampositiven und gramne-

gativen Infektionen möglich ist, sondern

auch zwischen verschiedenen Spezies und

sogar individuellen Stämmen von B. per-

tussis und S. aureus unterschieden wer-

den kann. Sie zeigten auch, dass die Gen-

expression davon abhängig war, ob der B.-

pertussis-Stamm abgetötet war oder noch

lebte und ob der lebende Stamm ein To-

xingen trug oder nicht. Diese Studien zei-

gen, dass Microarray-basierte Methoden

zu der Erkenntnis führten, dass die Induk-

tion bestimmter Genexpressionen hinwei-

send dafür sein kann, dass ein Keim ätio-

logisch an der Pathogenese einer Erkran-

kung beteiligt ist und die Genexpression

nicht z. B. durch die endogene Flora indu-

ziert wird. Diese Erkenntnisse bergen viel

Potenzial für die Verbesserung der Dia-

gnose, Behandlung und Prognose von In-

fektionskrankheiten in der Zukunft.

Metabolische StoffwechselwegeDie Untersuchung der Regulationen von

Stoffwechselwegen bei Infektionskrank-

heiten war bisher nicht trivial, da die Ab-

grenzung von erregerinduzierter zu wir-

tinduzierter Aktivierung schwierig war.

Mittels Microarrays kann nun die Regu-

lation der Wirtsgene bei einer Infektion

separat analysiert werden. Blader et al. [4]

konnten bei Infektionen mit T. gondii zei-

gen, dass Wirtsgene, die Enzyme für Gly-

kolyse und Cholesterolbiosynthese kodie-

ren, hochreguliert waren. Während die

Cholesterolbiosynthese als Reaktion auf

den Verbrauch von Sterolen durch den

Erreger angesehen werden kann, könnte

die Regulation der Glykolyse als Ant-

wort auf ein anaerobes Milieu, induziert

durch zellulären Stress, zu deuten sein.

Diese Ergebnisse erlauben die Hypothese,

dass es einen metabolischen Grund geben

könnte, warum T.-gondii-haltige Zysten

hauptsächlich in Gehirn und Muskeln ge-

funden werden – beide sind Gewebe mit

einer hohen Rate der Glykolyse.

Durch den vermehrten Einsatz der

Microarray-Technologie in infektiolo-

gischen Fragestellungen kann der meta-

bolische Beitrag an der Pathogenese von

Infektionskrankheiten in naher Zukunft

aufgeklärt werden.

ZeitpunktDer zeitliche Ablauf einer Wirtsantwort

ist von zentraler Bedeutung für das Ver-

ständnis der Immunpathogenese. Eine

sehr frühe Immunantwort lässt auf die

Aktivierung des angeborenen Immun-

systems schließen [20]. Obwohl wahr-

scheinlich weniger als 1 aller Gene in-


nerhalb der ersten 2 h nach Infektion re-

guliert werden, kann deren Beitrag ent-

scheidend sein für die Initialisierung ei-

ner adäquaten Immunantwort [4]. Einige

Gene werden als Antwort auf sezernierte

Produkte reguliert und können so bereits

in der frühen Phase der Infektion eine Im-

munantwort einleiten, obwohl der Erre-

ger noch nicht in Gewebe eingedrungen

ist. Andere Gene dagegen werden erst in-

duziert, wenn der Erreger sich im Zellin-

neren befindet [4].

In-vivo- vs. In-vitro-Studien

Die meisten Microarray-Studien untersu-

chen die Wirtsgenexpression nach einem

Stimulus in vitro. In-vivo-Experimente,

z. B. mit Patientenblut während einer aku-

ten Infektion, unterliegen allen Einflüssen

des Gesamtsystems Wirt und geben da-

her ein umfassendes Bild der Wirtsant-

wort wieder. Sie erlauben Aussagen zur

individuellen Empfänglichkeit (Suszepti-

bilität) für eine Infektion, zur Wirtsant-

wort auf eine Therapie und zur Prognose

der Erkrankung. Patienten, deren Krank-

heitsbild sich klinisch nicht unterscheiden

lässt, können nun mittels „genetischer Si-

gnaturen“ in Gruppen eingeteilt werden,

die sich bezüglich der Antwort auf die

Therapie und Prognose unterscheiden

lassen und von einer individualisierten

Therapie profitieren können.

In Krebsstudien sind diese Microarray-

basierten Modelle bereits etabliert [1].

SepsisDie schwere Sepsis und der septische

Schock sind trotz bestmöglicher Inten-

sivtherapie nach wie vor mit einer ho-

hen Mortalität verbunden [26]. Einer der

Gründe dafür ist, dass die gängigen dia-

gnostischen Methoden weder frühzeitig

noch eindeutig die Progression eines Pa-

tienten in einen septischen und damit le-

bensbedrohlichen Zustand anzeigen kön-

nen [14]. Mittels genomweiter Genexpres-

sionsanalysen aus zirkulierenden Blut-

zellen von schwer erkrankten Patienten

soll bestimmt werden, was diese Blutzel-

len „wissen“ und was gängige diagnos-

tische Methoden nicht vermitteln kön-

nen [14]. Diese Ansätze sind derzeit Ge-

genstand von 2 groß angelegten natio-

nalen Programmen mit dem Ziel, syste-

mische entzündliche Zustände beim Pa-

tienten besser klassifizieren zu können.

Das National Institute of General Medi-

cal Sciences (NIH) in den USA hat „In-

flammation and the Host Response to In-

jury“ gefördert („Trauma Glue Grant“;

http://www.gluegrant.org), ein kollabo-

ratives Forschungsprogramm zur Erfor-

schung der biologischen Gründe, warum

Patienten mit gleichen Verletzungsmus-

tern dramatisch unterschiedliche Verläu-

fe haben können.

In ähnlicher Weise untersucht das

deutsche Nationale Genomforschungs-

netzwerk (NGFN; http://www.sipage.

ngfn.de/index.htm) die regulatorischen

Mechanismen bei septischen Ereignissen

bei Hochrisikopatienten (Patienten mit

Polytrauma, schwerer Pneumonie, Pank-

reatitis und Frühgeborene). Vorläufige Er-

gebnisse aus diesen Programmen weisen

darauf hin, dass zirkulierende Blutzellen

(Leukozyten) in der Tat sehr viele „Infor-

mationen“ über den Zustand des Patienten

mit sich tragen und dass mittels Microar-

rays diese Informationen genutzt werden

können, um Expressionsprofile von Pati-

enten zu erstellen, die als molekulare dia-

gnostische Mittel zur Diagnose und Pro-

gnose der Sepsis dienen können [15].

Therapeutische Intervention

Gene, die bei einer Erkrankung expri-

miert werden, können auf die Ursache der

Erkrankung hindeuten oder den Krank-

heitsprozess charakterisieren bzw. deter-

minieren. Solche Gene oder deren Ex-

pressionsprodukte können als Ziele für

eine kausale oder symptomatische Thera-

pie selektiert werden.

Therapeutischer EffektMicroarray-Studien ermöglichen einer-

seits die Identifizierung von Genen, Ge-

nprodukten und Stoffwechselwegen als

mögliche therapeutische Zielobjekte und

andererseits die Analyse der therapeu-

tischen Effekte auf Genexpressionsebene.

Belcher et al. [2] untersuchten die Infekti-

on von Epithelzellen mit B. pertussis und

konnten zeigen, dass die Gabe von Sali-

zylaten zu einer Suppression von mehre-

ren proinflammatorischen Genen führte.

Auch Dexamethason führte zu einer Inhi-

bition dieser Gene, aber gleichzeitig indu-

zierte es iNOS, was zu einer erhöhten Ge-

websschädigung führen kann. Dieses un-

erwartete Ergebnis führt zu der Erkennt-

nis, dass bei der Behandlung des Keuch-

hustens mit Dexamethason Vorsicht ge-

boten ist. In ähnlicher Weise empfahlen

Stylianou et al. [35] Vorsicht bei der The-

rapie mit Interferon-α bei HIV-Patienten.

Sie konnten an PBMCs von HIV-Pati-

enten zeigen, dass die Gabe von Interfe-

ron-α zwar eine antivirale Aktivität hat-

te, aber auch zu einer Hochregulation

von proapoptotischen Genen und des

HIV-Korezeptors CCR5 führte. Diese Er-

gebnisse weisen darauf hin, dass Interfe-

ron-α eine Rolle bei der Progression der

HIV-assoziierten Immunschwäche spie-

len könnte. Interferon-α führte auch zur

Induktion von inflammatorischen Zyto-

kinen, was dessen toxische Nebenwir-

kungen erklären könnte.

Neue therapeutische IndikationenGenexpressionsanalysen können bei The-

rapiestudien unerwartete Effekte beim

Wirt aufzeigen und auf neue therapeu-

tische Indikationen für ein Medikament

hinweisen. Goasduff et al. [19] unter-

suchten die molekularen Mechanismen

der immunmodulatorischen Substanz

Murabitide an Makrophagen und stellten

neben den erwarteten Effekten der Immu-

nantwort auch eine Hochregulation von

Wachstumsfaktoren fest, die an der Kno-

chenbildung beteiligt waren. Dies führte

zu der Annahme, dass Murabitide bei ent-

zündlichen Erkrankungen eingesetzt wer-

den könnte, bei denen das Gleichgewicht

zwischen Knochenbildung und -abbau

gestört ist [19].

Diese Studien zeigen, dass Microarrays

dazu beitragen können, in Zukunft eine

auf das Individuum abgestimmte Thera-

pie auf Basis der genetischen Veranlagung

zu ermöglichen.

Fazit für die Praxis

Die Microarray-Technologie hat das Po-

tenzial, die Erforschung und Behand-

lung vieler Erkrankungen zu revolutio-

nieren [15]. Ihre Stärke liegt in der relativ

unbeeinflussten Darstellung der Verän-

derungen der Genexpression. Eine ver-

minderte Wirtsantwort auf einen Erre-

ger kann darauf hinweisen, dass die In-



hibition der Immunantwort ursächlich

für die Erkrankung ist, während eine er-

höhte Genexpression darauf hinweist,

dass die Erkrankung auf eine exzessive

oder inadäquate Wirtsantwort zurückzu-

führen ist. Microarrays mit wirts- und er-

regerspezifischen Gensonden können in

Zukunft die Aktivitäten der Erreger- und

Wirtgenome bei einer Infektion simultan

darstellen und neue biologische Einbli-

cke in die regulatorischen Netzwerke der

Immunantwort ermöglichen. Inwieweit

dieses Ziel in den nächsten Jahren er-

reicht werden kann, wird kontrovers dis-

kutiert. Es darf aber angenommen wer-

den, dass diese Technologie innerhalb

der nächsten Dekade zu einem verbes-

serten Verständnis der molekularen Ur-

sachen von Infektionskrankheiten und

zu neuen Ansätzen in der Diagnostik, Be-

handlung, Prognostik und Prävention

dieser Erkrankungen führen wird.

Korrespondierender AutorDr. H. HossainInstitut für Medizinische MikrobiologieFrankfurter Straße 107, 35392 Gieß[email protected]

Danksagung. Wir danken Herrn PD Dr. Eugen Do-

mann und Herrn Andre Brillon für hilfreiche Diskussi-

onen und die kritische Durchsicht dieser Übersichts-

arbeit.Das dieser Arbeit zugrunde liegende Vorhaben

wurde im Rahmen des Nationalen Genomforschungs-

netzes NGFN mit Mitteln des Bundesministeriums für

Bildung und Forschung unter dem Förderkennzeichen

01GS0401 gefördert. Die Verantwortung für den Inhalt

dieser Veröffentlichung liegt beim Autor.

Interessenkonflikt. Es besteht kein Interessenkon-

flikt. Der korrespondierende Autor versichert, dass kei-

ne Verbindungen mit einer Firma, deren Produkt in

dem Artikel genannt ist, oder einer Firma, die ein Kon-

kurrenzprodukt vertreibt, bestehen. Die Präsentation

des Themas ist unabhängig und die Darstellung der In-

halte produktneutral.

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