Stress und Immunsystem in Extremwelten
Die Wechselwirkung zwischen Stress und dem Immunsystem und seinen Funktionen sind komplex und noch nicht ausreichend erforscht. Das Immunsystem ist mit seinen Zellen in nahezu allen Geweben vertreten, um mikrobielle Gefahren für Leib und Leben zu erkennen und eine adäquate Abwehr zu erzielen - bei uns und unseren Patienten hier auf der Erde, aber auch bei Astronauten auf der ISS oder in Lebenswelten, die dem Weltraum ähnlich sind (Antarktis) und die dort ganz besonderen Stressoren ausgesetzt sind. Unsere Forschung ist relevant, da Stress durch Änderungen der Lebensumstände uns alle betrifft, Allergien und Immunfehlfunktionen mit zunehmender Inzidenz auftreten und die gewonnenen und noch zu gewinnenden Erkenntnisse der Forschung unter Weltraumbedingungen (auf der Erde und im Weltraum) eine hohe Datenqualität erlauben. Damit werden die unmittelbare Notwendigkeit und ein Nutzen präventiver und therapeutischer Interventionen nicht nur für den Raumfahrer, aber auch für gesunde und kranke Menschen hier auf der Erde schneller und systematischer erreicht. Diese sehr aktuellen Forschungsthemen im Spannungsfeld von Stress, Immunologie und Allergien und Altern haben eine große Bedeutung in der modernen Welt und der Medizin der Zukunft. Alle Untersuchungen werden durch Förderungen Dritter ermöglicht.
Projektbereiche der Arbeitsgruppe
Translation & Personalisierte Medizin
Riscoin Studie
Untersuchung von Ausmaß und Dauer der Impfantwort gegen SARS-CoV-2 und Ermittlung von Faktoren, die zu einer stärkeren/schwächeren Impfantwort führen können. Dazu werden genetische und metabolische Parameter untersucht sowie Daten zu Umweltfaktoren erhoben (Rauchen, Stress, psychische Belastung, Medikamente, Ernährung etc.), die alle die Immunantwort beeinflussen können. Unser Labor beschäftigt sich in diesem konsortialen Projekt in der Arbeitsgruppe 2 vor allem mit Stress- und Immunfunktionsmarkern.
Diese Studie ist in Kooperation mit der Klinik für Psychiatrie und Psychotherapie, Kinderklinik, Med. Klinik und Poliklinik II, Genzentrum, Max-von-Pettenkofer-Institut und dem Tropeninstitut umgesetzt worden.
COVID-19, Perioperatives- und Intensive Care- Immunmonitoring
In ex-vivo- und in-vitro-Analysen untersuchen wir, ob das Stress Chaperon/ Stress Protein GRP78, wenn es das auf der Zelloberfläche exprimiert wird (csGRP78), als alternativer SARS-CoV-2-Eintrittsrezeptor auf menschlichen Monozyten mit nur geringer oder keiner ACE2-Expression dienen könnte.
COVID-19
In ex-vivo- und in-vitro-Analysen untersuchen wir, ob das Stress Chaperon/ Stress Protein GRP78, wenn es das auf der Zelloberfläche exprimiert wird (csGRP78), als alternativer SARS-CoV-2-Eintrittsrezeptor auf menschlichen Monozyten mit nur geringer oder keiner ACE2-Expression dienen könnte.
STRONG
Während eines Parabelfluges herrscht aufgrund von abwechselnder Mikro- und Hypergravitation akuter Stress auf zellulärer Ebene und auch auf den gesamten Organismus. In unterschiedlichen Studien untersuchen wir assoziierte Stress-Antwortsysteme und die Effekte von Gravitationsstress auf die Funktion des Immunsystems und ob es geschlechtsspezifische Adaptionen an diese Stressoren gibt.
Antarctica-Hypoxia-Isolation and Confinement
Die Antarktis dient als erdgebundenes Modell zur Simulation von weltraumassoziierten Stressoren wie z.B. von Hypoxie und Isolation. Die CHOICE-Studie untersucht die – auch geschlechtsabhängigen - Effekte dieser Stressoren auf das Immunsystem sowie weitere stress-permissive physiologische Systeme.
Anpassungsvorgänge an Extremwelten
CHOICEe
Können längere Aufenthalte in Extremwelten z.B. auf Polarstationen Allergien auslösen? CHOICEe ist eine über das „European Polar Board (EPB), der ESA und uns implementierte, epidemiologische Studie, die die Inzidenz und Prävalenz von Allergien auf den Polarstationen weltweit untersucht. Dies dient der Aufklärung des Zusammenhangs zwischen Weltraumbedingungen, persönlicher Disposition und der (Langzeit-) Effekte auf die Funktionen des Immunsystems.
IMMUNO2
Dieses europäisch-russische Projekt erforscht die Auswirkungen von Stress auf das Immunsystem und auf neuro(-endokrine) Marker vor, während und nach einem mindestens 6-monatigen Aufenthalt auf der Internationalen Raumstation (ISS). Diese Studie schließt DTI/MRI-Bildgebungs- und Biomarkeruntersuchungen ein (in Zusammenarbeit mit Prof. Peter zu Eulenburg am KUM, und Prof. F. Wuyts in Antwerpen)
SPACE-VIROLOGY
Die durch diverse Stressoren des Exposoms hervorgerufenen Reaktivierungen verschiedener Herpesviren sind sowohl im Speichel nachweisbare Surrogatmarker einer Immunsuppression, haben aber auch per se einen Krankheitswert bei Raumfahrern. Diese Situation ist auch auf Patienten auf der Erde übertragbar. Noch frühere Immundysfunktionsmarker könnten „neuere“ und in diesem Kontext durch Herrn Dr. Osterman (MvPI) eingebrachte Viren sein. Diese Untersuchungen erfolgen in enger Zusammenarbeit mit der NASA.
Headache on ISS
Das Projekt untersucht die Pathophysiologie des Weltraumkopfschmerzes, der bei rund 70% der Astronauten auf der ISS auftritt. Dabei werden Marker für die Gefäßintegrität im Gehirn und Blut-Hirnschrankenfunktion gemessen.
HiberBaby
Welche Mechanismen erlauben den Zell-Stoffwechsel zu reduzieren und können wir diese aktiv induzieren? Durch vergleichende genetische Analysen bei Winterschlaf durchführenden Säugetieren, Neugeborenen und erwachsenen Menschen sollen Proteine und zelluläre Signalwege ermittelt werden, die eine endogene Stoffwechselreduktion vermitteln. Eine gezielte Reduktion des menschlichen Stoffwechsels hätte eine große Bedeutung in der Transplantations- und Intensivmedizin, aber auch bei zukünftigen bemannten Langzeitmissionen beispielsweise zum Mars.
Diese Untersuchungen erfolgen in einem nationalen Konsortium der Universitäten Ulm, Hamburg und Frankfurt.
µg Forschung & Zellfunktion
GRAIN
Während eines Parabelfluges wird in einem Flusskammersystem die Fähigkeit von Immunzellen untersucht, sich unter Gravitationsstress an ein simuliertes Gefäßbett anzuheften. Dieses biomechanische und biomedizinische Projekt wird in Zusammenarbeit mit der Chinese Academy of Sciences in China umgesetzt.
Ground Based Facility (GBF) Projekt
Schwerelosigkeit kann auf der Erde simuliert werden, um schwerkraftabhängige Prozesse auf zellulärer Ebene zu erforschen. In Zusammenarbeit mit dem DLR wird ein funktioneller Immunassay unter simulierter Schwerelosigkeit durchgeführt und die Möglichkeit einer „Gravitationstherapie“ durch Hypergravitation bei Immundefizienzen untersucht.
Entwicklung neuer Technologien & Methoden
E-Nose
Das Projekt der elektronischen Nase (E-Nose) hat zum Ziel, Erkrankungen anhand der Ausatemluft zu detektieren. Wie bei speziell ausgebildeten Hunden, die dank ihres ausgeprägten Geruchsinns Diabetes mellitus, Pneumonien oder maligne Tumoren bei Patienten erkennen können, soll dieses Prinzip der Atemgasanalyse verlässlich auf die maschinelle E-Nose übertragen werden. Vorteile dieser Technik sind die fehlende Invasivität bei der Probengewinnung mit entsprechend hoher Patientencompliance, die geringen Analysekosten sowie die geringe Größe des Geräts. Eines der Geräte des Labors kam bereits auf der ISS zum Einsatz, wo es zur Erkennung der Keimbesiedlung auf verschiedenen Bauteilen verwendet wurde. Somit stellt dieses Projekt auch einen Technologietransfer von Raumfahrttechnologie in die Humanmedizin dar.
In aktuellen Studien (E-NOSE Bakt und ENOSE-KI) wird diese Atemgasanalyse etabliert, um infektiöse Erkrankungen wie Pneumonien zu detektieren und gleichzeitig für die Therapiesteuerung Informationen zu den verursachenden Erregern wie Bakterien, Pilzen oder Viren zu erhalten.
IMMUNITY ASSAY
Entwicklung, Validierung und Etablierung einer neuen Testplattform für immunologische Diagnostik auf der ISS. Die aktuell verfügbaren Untersuchungsmethoden auf der ISS sind limitiert. Ziel dieses Projektes ist, einen neuen funktionalen Immunassay auf der ISS in Schwerelosigkeit (Mikrogravitation) durchzuführen.
µIMMUNE
Entwicklung eines innovativen funktionalen Immunassays, der erstmals die Durchführung der Immunfunktionsanalyse auf der ISS unter Nutzung der Mikrofluidik zulassen soll. Diese PowerBlade-Technologie wird im Rahmen einer Kooperation mit Prof. Teodor Veres vom National Research Council (NRC) in Kanada weiterentwickelt.
Crew Interactive Mobile CompanioN (CIMON)
CIMON ist der erste autonome Roboter auf der ISS, der mit künstlicher Intelligenz (KI) ausgestattet ist. CIMON wurde im November 2018 durch Alexander Gerst in Betrieb genommen und soll Astronauten im Columbus-Modul bei Prozeduren assistieren und so helfen, die tägliche Arbeits- und Stressbelastung zu reduzieren. Die Entwicklung von CIMON’s Funktionalitäten und eine positive User Experience stehen dabei im Vordergrund. Dieses Projekt läuft in enger Zusammenarbeit mit Airbus, IBM und dem Deutschen Zentrum für Luft und Raumfahrt (DLR). Die Arbeitsgruppe betreut das Projekt von wissenschaftlich Seite und ist für ethische Fragestellungen, die Probandenbetreuung und die Analyse der Mensch-Maschinen Interaktion verantwortlich.
Kontakt
Prof. Dr. Alexander Choukér
Arbeitsgruppen-und Laborleitung
Dr. Dominique. Moser
Stellvertretende Laborleitung
PD Dr. Judith-Irina Buchheim
Leitungsstab/Projektleitende
Prof. Dr. Matthias. Feuerecker
Leitungsstab/Projektleitende
PD Dr. Tobias Wöhrle
Leitungsstab/Projektleitende
Dr. Ingeborg Biener
Dr. Malte Kamrath
Katharina Biere
Laborteam
Marion Hörl
Laborteam
Wichtige Kooperationspartner
LMU Klinikum: Klinik für Psychiatrie
Institut für NeuroradiologieMax von Pettenkofer Institut, LMU München
Institut für Dopinganalyse und Sportbiochemie (IDAS), Klinikum Kreischa
Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin, Gravitationsbiologie (DLR), Köln
SCK-CEN, Lab of Molecular & Cellular Biology, Belgian Nuclear Research Center, Mol, Belgien
Laboratoire Stress, Immunité, Pathogènes (SIMPA), Université de Lorraine, Nancy, Frankreich
NASA´s Immunology Laboratory, Houston, Texas, USA
Craig Venter Institute & NIAID, Bethesda; MD
National Research Council (NRC), Kanada
National Microgravity Laboratory and Center for Biomechanics and Bioengineering, Institute of Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Peking, China
Fördernde Institutionen
Innovationsprogramm des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz /DLR
Deutsches Luft- und Raumfahrtzentrum (DLR)
Bundesministerium für Gesundheit (BMG)
DFG/Sinogerman Programm
Europäische Raumfahrtagentur (ESA)
Uniscentia Stiftung
Industrielle Partner
Airbus Defence & Space
FRIZ Biochem
PLASMION
LANZ –KI
AUDI
IMMUMED
Qiagen (IPA, San Francisco)
DoktorandInnen
Sandra Matzel (Ärztin)
Valeria Rojas (MSc)
Marina Tuschen (MSc)
Bing Han (Arzt)
Nicole Burger (cand. med.)
Luzie Kamm (cand. med.)
Florian Pfeiffer (cand.med.)
Ausgewählte Publikationen
- B-Cell Homeostasis Is Maintained During Two Months of Head-Down Tilt Bed Rest With or Without Antioxidant Supplementation. Bonnefoy J, Baselet B, Moser D, Ghislin S, Miranda S, Riant E, Vermeesen R, Keiler AM, Baatout S, Choukér A, Frippiat JP. Front Immunol. 2022 Feb 16;13:830662.
- One Year in the Extreme Isolation of Antarctica-Is This Enough to Modulate an "Allergic" Sensitization? Feuerecker M, Strewe C, Aumayr M, Heitland T, Limper U, Crucian B, Baatout S, Choukér A. Biomedicines. 2022 Feb 15;10(2):448. doi: 10.3390/biomedicines10020448.
- The Future of Personalized Medicine in Space: From Observations to Countermeasures. Pavez Loriè E, Baatout S, Choukér A, Buchheim JI, Baselet B, Dello Russo C, Wotring V, Monici M, Morbidelli L, Gagliardi D, Stingl JC, Surdo L, Yip VLM. Front Bioeng Biotechnol. 2021 Dec 13;9:739747. doi: 10.3389/fbioe.2021.739747.
- Changes in Blood Biomarkers of Brain Injury and Degeneration Following Long-Duration Spaceflight. Zu Eulenburg P, Buchheim JI, Ashton NJ, Vassilieva G, Blennow K, Zetterberg H, Choukér A. JAMA Neurol. 2021 Dec 1;78(12):1525-1527. doi: 10.1001/jamaneurol.2021.3589.
- European space agency's hibernation (torpor) strategy for deep space missions: Linking biology to engineering. Choukér A, Ngo-Anh TJ, Biesbroek R, Heldmaier G, Heppener M, Bereiter-Hahn J. Neurosci Biobehav Rev. 2021 Dec;131:618-626. doi: 10.1016/j.neubiorev.2021.09.054. Epub 2021 Oct 1.
- Exploratory RNA-seq analysis in healthy subjects reveals vulnerability to viral infections during a 12- month period of isolation and confinement. Buchheim JI, Billaud JN, Feuerecker M, Strewe C, Dangoisse C, Osterman A, Mehta S, Crucian B, Schelling G, Choukér A. Brain Behav Immun Health. 2020 Sep 24;9:100145. doi: 10.1016/j.bbih.2020.100145.
- COVID-19 Impairs Immune Response to Candida albicans. Moser D, Biere K, Han B, Hoerl M, Schelling G, Choukér A, Woehrle T. Front Immunol. 2021 Feb 26;12:640644. doi: 10.3389/fimmu.2021.640644.
- COVID-19-The largest isolation study in history: the value of shared learnings from spaceflight analogs. Choukér A, Stahn AC. NPJ Microgravity. 2020 Oct 22;6:32. doi: 10.1038/s41526-020-00122-8.
- Plasticity of the human IgM repertoire in response to long-term spaceflight. Buchheim JI, Ghislin S, Ouzren N, Albuisson E, Vanet A, Matzel S, Ponomarev S, Rykova M, Choukér A, Frippiat JP. FASEB J. 2020 Dec;34(12):16144-16162. doi: 10.1096/fj.202001403RR.
- Changes of brain DTI in healthy human subjects after 520 days isolation and confinement on a simulated mission to Mars. Brem C, Lutz J, Vollmar C, Feuerecker M, Strewe C, Nichiporuk I, Vassilieva G, Schelling G, Choukér A. Life Sci Space Res (Amst). 2020 Feb;24:83-90. doi: 10.1016/j.lssr.2019.09.004.
- Specific Immunologic Countermeasure Protocol for Deep-Space Exploration Missions. Makedonas G, Mehta S, Choukèr A, Simpson RJ, Marshall G, Orange JS, Aunon-Chancellor S, Smith SM, Zwart SR, Stowe RP, Heer M, Ponomarev S, Whitmire A, Frippiat JP, Douglas GL, Krieger SS, Lorenzi H, Buchheim JI, Ginsburg GS, Ott CM, Downs M, Pierson D, Baecker N, Sams C, Crucian B. Front Immunol. 2019 Oct 11;10:2407. doi: 10.3389/fimmu.2019.02407.
- Cells´ Flow and Immune Cell Priming under alternating g-forces in Parabolic Flight. Moser D, Sun SJ, Li N, Biere K, Hoerl M, Matzel S, Feuerecker M, Buchheim JI, Strewe C, Thiel CS, Gao YX, Wang CZ, Ullrich O, Long M, Choukèr A. Sci Rep. 2019 Aug 2;9(1):11276. doi: 10.1038/s41598-019-47655-x.
- Immune function testing in sepsis patients receiving sodium selenite. Guo A, Srinath J, Feuerecker M, Crucian B, Briegel J, Boulesteix AL, Kaufmann I, Choukèr A. J Crit Care. 2019 Aug;52:208-212. doi: 10.1016/j.jcrc.2019.05.001.
- Sex differences in stress and immune responses during confinement in Antarctica. Strewe C, Moser D, Buchheim JI, Gunga HC, Stahn A, Crucian BE, Fiedel B, Bauer H, Gössmann-Lang P, Thieme D, Kohlberg E, Choukèr A, Feuerecker M. Biol Sex Differ. 2019 Apr 16;10(1):20. doi: 10.1186/s13293-019-0231-0.
- Stress Related Shift Toward Inflammaging in Cosmonauts After Long-Duration Space Flight. Buchheim JI, Matzel S, Rykova M, Vassilieva G, Ponomarev S, Nichiporuk I, Hörl M, Moser D, Biere K, Feuerecker M, Schelling G, Thieme D, Kaufmann I, Thiel M, Choukèr A. Front Physiol. 2019 Feb 19;10:85. doi: 10.3389/fphys.2019.00085.
- Modulations of Neuroendocrine Stress Responses During Confinement in Antarctica and the Role of Hypobaric Hypoxia. Strewe C, Thieme D, Dangoisse C, Fiedel B, van den Berg F, Bauer H, Salam AP, Gössmann-Lang P, Campolongo P, Moser D, Quintens R, Moreels M, Baatout S, Kohlberg E, Schelling G, Choukèr A, Feuerecker M. Front Physiol. 2018 Nov 26;9:1647. doi: 10.3389/fphys.2018.01647.
- Immune System Dysregulation During Spaceflight: Potential Countermeasures for Deep Space Exploration Missions. Crucian BE, Choukèr A, Simpson RJ, Mehta S, Marshall G, Smith SM, Zwart SR, Heer M, Ponomarev S, Whitmire A, Frippiat JP, Douglas GL, Lorenzi H, Buchheim JI, Makedonas G, Ginsburg GS, Ott CM, Pierson DL, Krieger SS, Baecker N, Sams C. Front Immunol. 2018 Jun 28;9:1437. doi: 10.3389/fimmu.2018.01437.
- Immune sensitization during 1 year in the Antarctic high-altitude Concordia Environment. Feuerecker M, Crucian BE, Quintens R, Buchheim JI, Salam AP, Rybka A, Moreels M, Strewe C, Stowe R, Mehta S, Schelling G, Thiel M, Baatout S, Sams C, Choukèr A. Allergy. 2019 Jan;74(1):64-77. doi: 10.1111/all.13545.
- PlanHab Study: Consequences of combined normobaric hypoxia and bed rest on adenosine kinetics. Strewe C, Zeller R, Feuerecker M, Hoerl M, Matzel S, Kumprej I, Crispin A, Johannes B, Debevec T, Mekjavic IB, Eiken O, Thiel M, Schelling G, Choukèr A. Sci Rep. 2018 Jan 29;8(1):1762. doi: 10.1038/s41598-018-20045-5.
- Early immune anergy towards recall antigens and mitogens in patients at onset of septic shock. Feuerecker M, Sudhoff L, Crucian B, Pagel JI, Sams C, Strewe C, Guo A, Schelling G, Briegel J, Kaufmann I, Choukèr A. Sci Rep. 2018 Jan 29;8(1):1754. doi: 10.1038/s41598-018-19976-w.
- Oxidative burst and Dectin-1-triggered phagocytosis affected by norepinephrine and endocannabinoids: implications for fungal clearance under stress. Buchheim JI, Hoskyns S, Moser D, Han B, Deindl E, Hörl M, Biere K, Feuerecker M, Schelling G, Choukèr A. Int Immunol. 2018 Mar 8;30(2):79-89. doi: 10.1093/intimm/dxy001.
