Systembiologie der Krankheit

Infektion ist bei den meisten Patienten ein alltäglicher, selbsthemmender Krankheitszustand, der sich entweder durch natürliche Wirtsabwehrprozesse oder mit iatrogener Unterstützung durch Antibiotika und Source Control verbessert. Aus noch wenig bekannten Gründen entwickelt ein Teil dieser infizierten Patienten eine Organfunktionsstörung (Sepsis) durch eine fehlregulierte Wirtsantwort. Diese problematischen Patienten sind einem hohen Sterberisiko ausgesetzt (20-70%, je nach Krankheitsschwere). Tatsächlich stellt die Sepsis eine der häufigsten Todesursachen weltweit dar. Selbst bei Überlebenden entwickeln viele eine langfristige oder sogar dauerhafte körperliche und/oder kognitive Behinderung. Die frühzeitige Erkennung und Behandlung ist der wirksamste Weg, um diese hohen Morbiditäts- und Mortalitätsraten zu verhindern.

Unsere Gruppe hat sich zum Ziel gesetzt, die Herausforderungen zu meistern, die die Entwicklung und Nutzung neuartiger personalisierter kombinatorischer Therapien für die Sepsis derzeit einschränken, indem sie das Verständnis von Infektionen und Sepsis-Pathophysiologie verbessert, neue Ansätze für die Früherkennung und eine optimale Therapie von Sepsis und sepsisbezogenem Organversagen entwickelt.

Die konkreten Ziele unserer Gruppe sind: SO1: Identifizierung von Wirts-Biomarker-Signaturen durch Multi-OMICS Hochdurchsatz-Analyse, die eine frühzeitige Diagnose von Infektion und Sepsis ermöglichen und eine frühzeitige präsymptomatische Behandlung auslösen können; SO2: Erkennung geeigneter Teilmengen von Sepsis-Patienten durch Integration biologischer und klinischer Daten, um sie mit neuartigen Therapien zu behandeln; und SO3: Design kombinatorischer Therapien auf der Grundlage von in-silico Pathway-Drug-Netzwerken und deren Validierung in präklinischen und klinischen Studien.

Unsere Gruppe hat sich zum Ziel gesetzt, die Herausforderungen zu meistern, die die Entwicklung und Nutzung neuartiger personalisierter kombinatorischer Therapien für die Sepsis derzeit einschränken, indem sie das Verständnis von Infektionen und Sepsis-Pathophysiologie verbessert, neue Ansätze für die Früherkennung und eine optimale Therapie von Sepsis und sepsisbezogenem Organversagen entwickelt.

Die konkreten Ziele unserer Gruppe sind: SO1: Identifizierung von Wirts-Biomarker-Signaturen durch Multi-OMICS Hochdurchsatz-Analyse, die eine frühzeitige Diagnose von Infektion und Sepsis ermöglichen und eine frühzeitige präsymptomatische Behandlung auslösen können; SO2: Erkennung geeigneter Teilmengen von Sepsis-Patienten durch Integration biologischer und klinischer Daten, um sie mit neuartigen Therapien zu behandeln; und SO3: Design kombinatorischer Therapien auf der Grundlage von in-silico Pathway-Drug-Netzwerken und deren Validierung in präklinischen und klinischen Studien.

Ernährung

Ernährung ist einer der Eckpunkte der menschlichen Umgebung. Das Verständnis dafür, wie Nahrung die Stoffwechselregulation beeinflusst und wie Eingriffe in die Ernährung die Gesundheit verbessern können, ist eine zentrale wissenschaftliche Fragestellung. Darüber hinaus hat die Ernährungsweise einen großen Einfluss auf die gesamte Lebensqualität, der weit über die Vermeidung von Krankheiten hinausgeht. Die Ernährungsweise ist vielmehr essentiell für die individuelle Leistungsfähigkeit und Lebensfreude. Obwohl die personalisierte Ernährung als logisch nächster Schritt erscheint – vergleichbar zum Übergang von Pharmakologie zur personalisierten Medizin – stellt dies eine enorme Herausforderung dar. Die meisten Lebensmittel bestehen aus Hunderten von bioaktiven Stoffen, die zudem häufig miteinander interagieren. Außerdem liegen die Zielstrukturen in unterschiedlichen Konzentrationen vor und verschiedene Zielstrukturen haben unterschiedliche Affinitäten und Spezifitäten. Bedauerlicherweise sind Ernährungsstudien meist nicht für Mechanismus-orientierte klinische Studien ausgelegt, und über die molekularen Zielstrukturen ist wenig bekannt. Unsere Forschungsgruppe verbindet Textmining, Chemoinformatik und Netzwerkbiologie, um umfassende Ernährungsanalysen durchzuführen, welche die synergistischen Wechselwirkungen zwischen kleinen Molekülen, die zu spezifischen Phänotypen führen, aufklären. Wir hoffen, so zu einer personalisierten Ernährung beizutragen.

Mitarbeiter*innen

Albert García López
Mohammadhassan Mirhakkak Esfahani
Tongta Sae-Ong
Sascha Schäuble
Bastian Seelbinder
Lin Lin Xu

Publikationen

Li Z, Geffers R, Jain G, Klawonn F, Kökpinar Ö, Nimtz M, Schmidt‐Heck W, Rinas U (2021) Transcriptional network analysis identifies key elements governing the recombinant protein production provoked reprogramming of carbon and energy metabolism in Escherichia coli BL21 (DE3) Engineering Reports , e12393.
Mazumdar T, Teh BS, Murali A, Schmidt-Heck W, Schlenker Y, Vogel H, Boland W (2021) Transcriptomics reveal the survival strategies of Enterococcus mundtii in the gut of Spodoptera littoralis. J Chem Ecol 47(2), 227-241.
Barber AE, Riedel J, Sae-Ong T, Kang K, Brabetz W, Panagiotou G, Deising HB, Kurzai O (2020) Effects of agricultural fungicide use on Aspergillus fumigatus abundance, antifungal susceptibility, and population structure. mBio 11(6), e02213-20.
Cakir T, Uddin R, Panagiotou G, Durmuş S (2020) Novel approaches for systems biology of metabolism-oriented pathogen-human interactions: A mini-review Front Cell Infect Microbiol 10, 52. (Review)
Campos G, Schmidt-Heck W*, De Smedt J, Widera A, Ghallab A, Pütter L, González D, Edlund K, Cadenas C, Marchan R, Guthke R, Verfaillie C, Hetz C, Sachinidis A, Braeuning A, Schwarz M, Weiß TS, Banhart BK, Hoek J, Vadigepalli R, Willy J, Stevens JL, Hay DC, Hengstler JG, Godoy P (2020) Inflammation-associated suppression of metabolic gene networks in acute and chronic liver disease. Arch Toxicol 94(1), 205-217.
Dissanayake TK, Schäuble S, Mirhakkak MH, Wu WL, Ng CK, Yip C-Y, García-López A, Wolf T, Yeung ML, Chan KH, Yuen KY, Panagiotou G, To KKW (2020) Comparative transcriptomic analysis of rhinovirus and influenza virus infection. Front Microbiol 11(1580), 1-13.
Gill H, Leung GMK, Yim R , Lee P, Pang HH, Ip HW, Leung RYY, Li J, Panagiotou G, Ma ESK, Kwong YL (2020) Myeloproliferative neoplasms treated with hydroxyurea, pegylated interferon alpha-2A orruxolitinib: Clinicohematologic responses, quality-of-life changes and safety in the real-world setting. Hematology 25(1), 247-257.
Gill H, Yim R, Pang HH, Lee P, Chan TSY, Hwang YY, Leung GMK, Ip HW, Leung RYY, Yip SF, Kho B, Lee HKK, Mak V, Chan CC, Lau JSM, Lau CK, Lin SY, Wong RSM, Li W, Ma ESK, Li J, Panagiotou G, Sim JPY, Lie AKW, Kwong YL (2020) Clofarabine, cytarabine, and mitoxantrone in refractory/relapsed acute myeloid leukemia: High response rates and effective bridge to allogeneic hematopoietic stem cell transplantation. Cancer Med 9(10), 3371-3382.
Kämmer P, McNamara S*, Wolf T, Conrad T, Allert S, Gerwien F, Hünniger K, Kurzai O, Guthke R, Hube B, Linde J, Brunke S (2020) Survival strategies of pathogenic Candida species in human blood show independent and specific adaptations. mBio 11(5), e02435-20.
Khaliq W, Großmann P, Neugebauer S, Kleyman A, Domizi R, Calcinaro S, Brealey D, Gräler M, Kiehntopf M, Schäuble S, Singer M, Panagiotou G**, Bauer M**(corresponding authors**) (2020) Lipid metabolic signatures deviate in sepsis survivors compared to non-survivors. Comput Struct Biotechnol J 18, 3678-3691.