Westfälische Wilhelms-Universität Münster: Forschungsbericht 2003-2004 - Interdisziplinäres Zentrum für Klinische Forschung

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2003 - 2004

 

 
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Forschungsschwerpunkte 2003 - 2004  
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Zell- und Molekularbiologische Grundlagen der Entzündung
Proteasevariabilität bei Porphyromonas gingivalis

 
Porphyromonas gingivalis ist als einer der hauptpathogenen Keime an der entzündlichen Destruktion des Zahnhalteapparates im Verlauf einer Parodontitis beteiligt. Für die hohe Virulenz von P. gingivalis wird u. a. dessen komplexes proteolytisches System verantwortlich gemacht. Erste Untersuchungen zeigten, dass innnerhalb dieses Systems eine hohe genetische Heterogenität besteht, deren Auswirkungen nicht bekannt sind. Ziel des Projektes war es daher, die Art und Häufigkeit von Mutationen in ausgewählten Protease-kodierenden Genen (pepO, kgp, rgp1, rgp2, tpr und prtT) mittels direkter Sequenzierung von PCR-Produkten zu untersuchen. Die Templates stammen aus klinischen P. gingivalis Isolaten, die im Rahmen der innerhalb dieses Projektes initiierten Longitudinalstudie gewonnen wurden. Im Rahmen dieser Longitudinalstudie wurden bisher über 250 Patienten vor und nach Therapie genauestens klinisch und mikrobiologisch untersucht. Dieser umfassende Datenbestand ermöglichte es, die gefundenen Sequenz-variationen innerhalb der P. gingivalis Proteasegene mit den klinischen Parametern der Patienten zu korrelieren, sowohl in Bezug auf Ausprägung und Schwere der Erkrankung bei Diagnosestellung, als auch auf die Krankheitsentwicklung unter Therapie über die folgenden Jahre. Bisher wurden hierzu folgende Ergebnisse erzielt:

  1. Sequenzanalyse proteasecodierender Gene von P. gingivalis und Prävalenz spezifischer P. gingvalis Genotypen bei unterschiedlichen Formen der Parodontitis

    1.1. Heterogenität des fimA-Gens und Prävalenz verschiedener fimA-Genotypen

    FimA wurde bereits in einer Reihe von Studien als einer der Hauptvirulenzfaktoren von P. gingivalis beschrieben. Dies ist durch die FimA induzierte vermittelte Fähigkeit zur Zelladhärenz und -invasivität zurüchzuführen. Bei 102 von 208 Patienten konnte in der subgingivalen Plaque P. gingivalis nachgewiesen und isoliert werden (PCR und mikrobiologische Isolation). 35 P. gingivalis Isolate wurden sequenziert, wobei folgende fimA Genotypen unterschieden wurden. Typ I, Typ II, Typ III, Typ IV und Typ V. Interessanterweise zeigten 8 von 9 fimA Typ I Genotypen dieselbe Sequenz innerhalb der auf das fimA Gen ausgerichteten Primerbindungsstelle wie für den Typ II, so dass die einzig bisher veröffentlichten Angaben zur Prävalenz und Assoziation von fimA-Genotypen als nicht verlässlich erscheinen. Darüber hinaus wurde ein bisher nicht beschriebener Typ II fimA Genotyp (fimA Genotyp IIb) identifiziert, sowie 2 weitere bisher nicht beschriebene Typ IV Genotypen (fimA Genotyp IVa und IVb). Basierend auf diesen Ergebnissen wurde eine Restriktionanalyse entwickelt mit der es im Gegensatz zur bisher in der Literatur beschriebenen PCR Methode möglich ist, verlässlich zwischen fimA Typ  I und Typ II sowie zwischen fimA Typ IVa und Typ IVb zu unterscheiden. Mit Hilfe dieser Methode wurden 102 Patientenisolate typisiert, so dass die Sensitivität der neuen Methodik mit den Sequenzdaten überprüft werden konnte. Dabei wurden folgende Prävalenzen festgestellt: fimA-Genotyp I in 27 Patienten (26.5% von allen Patienten), fimA-Genotyp II in 41 Patienten (40.2%), wobei 26 Patienten (25,5%) von fimA Typ IIa und 15 (14,7%) von fimA IIb kolonisiert wurden. Fünf Patienten (4.9%) wurden von fimA Typ III und 20 Patienten (19.6%) von fimA Typ IV kolonisiert. Von den fimA Typ IV positiven Patienten trugen 12 (11,8%) fimA Typ IVa und 8 (7,8%) fimA Typ IVb. FimA Typ V konnte in 4 Patienten (3.9%) identifiziert werden. Zwei Patienten (2.0%) wiesen Mischkulturen aus Typ III und IVa bzw II und IVa auf. Bei 3 Patienten (3.0%) konnte kein PCR-Produkt amplifiziert werden. Durch sukzessive Verlagerung der Primer up- and downstream des fimA-Gens bis zum Erhalt eines PCR-Produkts und dessen anschließender Sequenzierung, konnte nachgewiesen werden, dass bei diesen Isolaten das komplette fimA-Gen deletiert ist. Die statistische Auswertung dieser Querschnittsuntersuchung mittels einer auf Rauchen und Alter adjustierten ANOVA erbrachte allerdings keinerlei Unterschiede hinsichtlich des Schweregrades (Prozentualer Anteil der Taschensondiertiefen (TST) von 4 bis 6 mm, TST = 7mm, und Blutung auf Sondierung) der Parodontitis und Kolonisation mit einem spezifischen fimA Genotyp.

    1.2. Heterogenität des kgp-Gens und Prävalenz unterschiedlicher kgp-Genotypen

    Bei den bereits oben beschriebenen Isolaten von P. gingivalis wurde mittels Sequenzierung das für eine Lysin-spezifische Cysteinprotease codierende kgp Gen untersucht. Diese zu den Gingipainen zählende Protease soll durch posttranlationelle Modifikation von FimA die Expression der Fimbrien maßgeblich beeinflussen. Bisher sind in der Literatur keine Untersuchungen zur Sequenzanalyse und Heterogenität des kgp-Gens bekannt. Interessanterweise konnten nur 2 unterschiedliche Varianten des kgp-Gens (kgp Typ a und kgp Typ b) gefunden werden, die sich in etwa gleichmäßig auf die untersuchten Isolate verteilten. Die Sequenz des kgp Gens weist im N- und C-terminalen Bereich die für Bakterien typische Heterogenität auf, während der ca 400 bp umfassende Bereich um das katalytische Zentrum in zwei konservierten Varianten auftritt, die innerhalb eines Typs zu 99,5% homolog sind, während zwischen den beiden Varianten nur 84,25 % Homologie bestehen. Dies machte einen phänotypischen Unterschied der beiden Enzymvarianten sehr wahrscheinlich, in der bisherigen Analyse konnte aber keine Korrelation mit den klinischen Daten festgestellt werden.

    1.3. Prävalenz und in vivo Pathogenität der rgpA, rgpB, pepO und tpr codierenden Gene von P. gingivalis

    Die Sequenzierung des für eine Methylprotease codierenden Gens pepO ist abgeschlossen. Die Auswertung der Sequenzanalyse sowie die statistische Analyse stehen noch aus. Das tpr-Gen wird zur Zeit sequenziert. Die Sequenzanaylse der für die Arginin-spezifischen Cysteinproteaesen (Gingipain A und Gingipain B) codierenden Gene rgpA und rgpB ergaben die charakteristischen Aminosäurenaustausche N281D, S283Y, S286P und K331N um das katalytische Zentrum des rgpB der ansonsten in hohem Maße sequenzhomologen Gingipaine rgpA und rgpB. Interessanterweise konnten diese Sequenzunterschiede innerhalb des rgpA-Gens nicht festgestellt werden, das bei allen untersuchten Isolaten den Genotyp NSSK aufweist. Im Gegensatz hierzu konnten bei den rgpB-Sequenzen 5 Genotypen von P. gingivalis identifiziert werden, die entsprechend ihrer Aminosäure-sequenz benannt wurden. So wurde der Genotyp P. gingivalis NYPN in 27 Patienten (33.3%) vor und in 8 (9,8%) Patienten nach Therapie, der Genotyp NSSN in 25 (30.9%) vs. 9 (11%), NSSK in 22 (27.2%) vs. 2 (2.5%), NYPK in 5 (6.2%) vs. 1 (1.2%) und DYPN in 1 Patient (1.2%) vs. 0 (0%) nachgewiesen. Nur ein Patient (1.2%) zeigte eine subgingivale Kolonisation mit 2 P. gingivalis rgpB Genotypen (NSSK/NYPN) vor Therapie, welche nach Therapie nicht mehr detektiert werden konnten. Die Ergebnisse dieser Studie weisen darauf hin, dass sich im Gegensatz zu rgpA mindestens 5 rgpB Genotypen in P. gingivalis Wildstämmen unterschieden lassen.

  2. Entzündungsregulation bei Parodontitis

    Neben P. gingivalis assoziierten Faktoren könnte auch eine gegen P. gingivalis unzureichende oder überschießende Immunabwehr für die klinisch zu beobachtende individuell unterschiedliche Progredienz P. gingivalis-assoziierter Parodontitiden verantwortlich sein. Die bisher durchgeführte aufwendige Probenentnahmestrategie hat zur Erstellung einer DNA- und Gewebebank sowie einer autologen Stammsammlung geführt. Bisher konnten etwa 250 Patienten mit aggressiver und chronischer Parodontitis verschiedenster Schweregrade für diese Studie rekrutiert werden. Etwa 160 Patienten befinden sich nach Abschluss der konservativen und chirurgischen Parodontitistherapie (Phase I-V der Studie) in der Phase der unterstützenden Parodontitistherapie. Etwa 140 Gewebeproben der Studienpatienten (im Rahmen medizinisch indizierter chirurgischer Massnahmen entnommen) wurden mittlerweile für die Expressionsanalysen asserviert.

    2.1. Prädisponierende Genpolymorphismen

    Die Variabilität des klinischen Schweregrades einer Parodontitis ist neben mikrobiologischen Parametern auch zu etwa 50% durch genetische Unterschiede erklärbar. Deshalb wurde bei 154 Studienpatienten und 52 gesunden Kontrollprobanden das Vorhandensein von mit einer erhöhten Anfälligkeit für bakterielle Infektionen assozierter Genpolymorphismen getestet. Nach DNA-Isolation wurde mittels RLFP die entsprechenden Polymorphismen im Intercellular adhesion molecule-1 (ICAM-1)-Gen, im Macrophage migration inhibitor factor (MIF)-Gen, und im Human beta-defensin-1 (hBD-1) untersucht. Die statistische Auswertung mittels einer auf Rauchen und Alter adjustierten ANOVA erbrachte für alle getesteten Polymorphismen keinerlei Unterschiede hinsichtlich des Schweregrades (Prozentualer Anteil der Taschensondiertiefen (TST) von 4 bis 6 mm, TST = 7mm, und Blutung auf Sondierung) der Parodontitis.

    2.3. Expressionsanalyse mittels Microarrays

    Um Grundlagenerkenntnisse zur Rolle der Immunantwort des Wirts bei Parodontitis zu gewinnen, wird eine Expressionsanalyse immunrelevanter Gene in Biopsien von Parodontitispatienten im Vergleich zu gesundem Kontrollgewebe mit den human inflammation arrays von MWG durchgeführt. Da die Gingivabiopsien nur sehr geringe Gewebemengen ergaben und somit die RNA-Ausbeuten bei weitem nicht die notwendige Quantität für die Markierungsprotokolle nach den Herstellerangaben erreichten, wurde ein eigenes Protokoll entwickelt. Um Vergleiche der Daten zwischen den verschiedenen Experimenten zu ermöglichen, wurden Aliquots einer humanen RNA aus Zellkultur auf jeden Array cohybridisiert. Die RNA von 16 Patienten und 5 gesunden Kontrollpersonen ist bisher in Doppelbestimmungen hybridisiert worden. Die statistische Auswertung der erhaltenen Daten wird zur Zeit durchgeführt. Das weitere Vorgehen ist von dieser Auswertung abhängig, entweder werden noch weitere Hybridisierungen durchgeführt oder die bisherigen Ergebnisse durch real time PCR verifiziert.

Drittmittelgeber:

Bundesminister für Bildung, Forschung und Technologie + IZKF Münster

Beteiligte Wissenschaftler:

Dr. med Dr. med. dent Th. Beikler, Univ.-Prof. Dr. med. dent. Th.F. Flemmig

Veröffentlichungen:

Beikler T, Peters U, Ehmke B, Flemmig TF (2003) Sequence analysis of kgp in Porphyromonas gingivalis isolates from periodontitis patients. Oral Microbiol Immunol 18: 393 - 397.

Beikler T, Peters U, Prajaneh S, Prior K, Ehmke B, Flemmig TF (2003) Prevalence of Porphyromonas gingivalis fimA genotypes in Caucasians. Eur J Oral Sci 111: 390 - 394.

Koehler A, Karch H, Beikler T, Flemmig TF, Suerbaum S, Schmidt H (2003) Multilocus sequence analysis of Porphyromonas gingivalis indicates frequent recombination. Microbiology 149: 2407 - 2415.

Beikler T, Abdeen G, Schnitzer S, Salzer S, Ehmke B, Heinecke A, Flemmig TF (2004) Microbiological shifts in intra- and extraoral habitats following mechanical periodontal therapy. J Clin Periodontol 31: 777 - 783.

Beikler T, Prior K, Ehmke B, Flemmig TF (2004) Specific antibiotics in the treatment of periodontitis - a proposed strategy. J Periodontol 75: 169 - 175.

 

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