Klinik für Anaesthesiologie
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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 wurde 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

PD 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

Katharina Biere, B.Sc.

Labormanagerin

Marion Hörl

Laborteam

Wichtige Kooperationspartner

  • LMU Klinikum: Klinik für Psychiatrie
    Institut für Neuroradiologie

  • Max 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

  • Institute for Genetic Medicine, Hokkaido University, Sapporo Japan

  • Department of Experimental Medicine, MUHC- Montréal General Hospital, McGill University, Montréal, Canada

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

DoktorandInnen

  • Marina Tuschen (MSc.)

  • Nicole Burger (cand. med.)

  • Luzie Kamm (cand. med.)

  • Florian Pfeiffer (cand.med.)

  • Lukas Baden (cand. med.)

  • Kathrin König (cand. med.)

  • Noa Schumacher (cand. med.)

  • Marina Wenn (cand. med.)

  • Natalie Abdelmalek (cand. med.)

  • Tobias Peschke (cand. med.)

  • Nedim Ayvaz (cand. med.)

  • Jasmin Kramer (cand. med.)

Ausgewählte Publikationen