Klein Lab

Bei angeborenen (=primären) Immundefekten (inborn errors of immunity = IEI) handelt es sich um eine Gruppe seltener, hereditärer Erkrankungen des Immunsystems, die durch eine Immundefizienz mit Neigung zu rezidivierenden, teils opportunistischen Infektionen gekennzeichnet ist. Mitunter werden auch autoimmunologische Manifestationen sowie eine erhöhte Inzidenz maligner Erkrankungen beobachtet. Unser interdisziplinäres Team bestehend aus wissenschaftlich tätigen Ärzten, Biologen, Biochemikern und Bioinformatikern hat es sich zum Ziel gesetzt, primäre Immundefekte (PID) auf molekularer Ebene zu charakterisieren. Unser klinisch-translationaler Ansatz ermöglicht uns dabei wertvolle Einblicke in das Innenleben des menschlichen Immunsystems auf zellulärer und molekularer Ebene.

Zur weiterführenden Diagnostik bei Verdacht auf Vorliegen eines primären Immundefekts gehört seit einigen Jahren auch die Genomsequenzierung, in der Regel als whole exome sequencing. Aufgrund der enormen genetischen Variabilität innerhalb der Bevölkerung werden im Rahmen der anspruchsvollen bioinformatischen Analysen häufig mehrere „potenziell krankheitsauslösende“ Mutationen identifiziert. Anschließend werden diese mit Hilfe diverser in vitro und in vivo assays auf ihre biologische Relevanz hin beurteilt.

Eine entscheidende Rolle auf der Suche nach weiteren Patienten mit primären Immundefekten spielen unsere Kollaborationen mit Ärzten und Wissenschaftlern weltweit, beispielsweise im Rahmen der Care-for-Rare Alliance oder des VEO-IBD Consortiums. Dank ihrer Mithilfe ist es uns gelungen, ein umfangreiches klinisches Register anzulegen, das den Ausgangspunkt vieler unserer Forschungsprojekte darstellt. So konnten wir in den letzten Jahren die genetischen und pathophysiologischen Grundlagen einer Reihe von angeborenen Defekten des Immunsystems aufklären. Auch in Zukunft arbeiten wir weiter intensiv daran, Pathologien des Immunsystems besser zu verstehen und damit den Grundstein für die Entwicklung neuer therapeutischer Strategien zu legen.

Publikationen:

Abdollahpour H, Appaswamy G, Kotlarz D, Diestelhorst J, Beier R, Schaffer AA, Gertz EM, Schambach A, Kreipe HH, Pfeifer D, Engelhardt KR, Rezaei N, Grimbacher B, Lohrmann S, Sherkat R, Klein C (2012) The phenotype of human STK4 deficiency. Blood 119: 3450-3457. PubMed

Bahrami E, Witzel M, Racek T, Puchalka J, Hollizeck S, Greif-Kohistani N, Kotlarz D, Horny HP, Feederle R, Schmidt H, Sherkat R, Steinemann D, Gohring G, Schlegelbeger B, Albert MH, Al-Herz W, Klein C (2017) Myb-like, SWIRM, and MPN domains 1 (MYSM1) deficiency: Genotoxic stress-associated bone marrow failure and developmental aberrations. The Journal of allergy and clinical immunology. PubMed

Kotlarz D, Ziętara N, Uzel G, Weidemann T, Braun CJ, Diestelhorst J, Krawitz PM, Robinson PN, Hecht J, Puchałka J, Gertz EM, Schäffer AA, Lawrence MG, Kardava L, Pfeifer D, Baumann U, Pfister E-D, Hanson EP, Schambach A, Jacobs R, Kreipe H, Moir S, Milner JD, Schwille P, Mundlos S, Klein C (2013) Loss-of-function mutations in the IL-21 receptor gene cause a primary immunodeficiency syndrome. The Journal of experimental medicine 210: 433-443. PubMed

Schober T, Magg T, Laschinger M, Rohlfs M, Linhares ND, Puchalka J, Weisser T, Fehlner K, Mautner J, Walz C, Hussein K, Jaeger G, Kammer B, Schmid I, Bahia M, Pena SD, Behrends U, Belohradsky BH, Klein C, Hauck F (2017) A human immunodeficiency syndrome caused by mutations in CARMIL2. Nature communications 8: 14209. PubMed

Li Y, Führer M, Bahrami E, Socha P, Klaudel-Dreszler M, Bouzidi A, Liu Y, Lehle AS, Magg T, Hollizeck S, Rohlfs M, Conca R, Field M, Warner N, Mordechai S, Shteyer E, Turner D, Boukari R, Belbouab R, Walz C, Gaidt MM, Hornung V, Baumann B, Pannicke U, Al Idrissi E, Ali Alghamdi H, Sepulveda FE, Gil M, de Saint Basile G, Hönig M, Koletzko S, Muise AM, Snapper SB, Schwarz K, Klein C, Kotlarz D (2019).Human RIPK1 deficiency causes combined immunodeficiency and inflammatory bowel diseases. PNAS 15;116(3):970-975. Pubmed

Gentherapien stellen einen vielversprechenden therapeutischen Ansatz im Kontext angeborener Erkrankungen des Immunsystems dar. Dazu zählt auch das Wiskott-Aldrich-Syndrom (WAS), ein lebensbedrohlicher Immundefekt, der mit rezidivierenden bakteriellen, viralen und Pilzinfektionen sowie Thrombozytopenie, Ekzemen und Zeichen der Autoimmunität einhergeht. Ursächlich sind x-chromosomal rezessiv vererbte loss-of-function-Mutationen im WAS-Gen, das für WASP (Wiskott-Aldrich syndrome protein) kodiert. WASP-Defizienz führt zur Fehlfunktion verschiedener Leukozytenpopulationen, darunter Störungen der B-, T- und NK-Zell-Funktion sowie der Zellmigration.

Im Jahr 2004 begannen wir mit der Durchführung einer hämatopoetischen Stammzell-Gentherapie bei der mittels eines γ-retroviralen Vektors die WASP-Expression wiederhergestellt werden sollte. Zehn klinisch schwer betroffene Patienten wurden eingeschlossen. Bei neun von zehn Patienten kam es zu einem dauerhaften engraftment mit Wiederherstellung der WASP-Expression in Leukozyten und Thrombozyten sowie einer deutlichen klinischen Besserung bezüglich der Immunfunktion, Blutgerinnung und autoimmunologischen Manifestationen. Allerdings kam es einige Jahre nach der Behandlung bei mehreren Patienten zur klonalen Expansion hämatopoetischer Zellen und Ausbildung myelodysplastischer Syndrome sowie akuter Leukämien. Während wir im Rahmen unserer Studie die Durchführbarkeit und Effektivität einer hämatopoetischen Stammzell-Gentherapie bei WAS demonstrieren konnten, geht der Einsatz γ-retroviraler Vektoren als Folge unkontrollierter genomischer Integration mit einem nicht unerheblichen Risiko der Leukämieentwicklung einher. Unser Ziel ist daher die Entwicklung neuartiger Gentherapien mit verbessertem Sicherheitsprofil. Mit Hilfe von Großtiermodellen und CRISPR-Cas9-basiertem genome editing sollen unerwünschte Nebenwirkungen minimiert und eine physiologische Genexpression gewährleistet werden.

Publikationen:

Boztug K, Dewey RA, Klein C (2006) Development of hematopoietic stem cell gene therapy for Wiskott-Aldrich syndrome. Curr Opin Mol Ther 8: 390-395. PubMed

Boztug K, Schmidt M, Schwarzer A, Banerjee PP, Diez IA, Dewey RA, Bohm M, Nowrouzi A, Ball CR, Glimm H, Naundorf S, Kuhlcke K, Blasczyk R, Kondratenko I, Marodi L, Orange JS, von Kalle C, Klein C (2010) Stem-cell gene therapy for the Wiskott-Aldrich syndrome. The New England journal of medicine 363: 1918-1927. PubMed

Braun CJ, Boztug K, Paruzynski A, Witzel M, Schwarzer A, Rothe M, Modlich U, Beier R, Gohring G, Steinemann D, Fronza R, Ball CR, Haemmerle R, Naundorf S, Kuhlcke K, Rose M, Fraser C, Mathias L, Ferrari R, Abboud MR, Al-Herz W, Kondratenko I, Marodi L, Glimm H, Schlegelberger B, Schambach A, Albert MH, Schmidt M, von Kalle C, Klein C (2014) Gene therapy for Wiskott-Aldrich syndrome--long-term efficacy and genotoxicity. Science translational medicine 6: 227ra233. PubMed