Projekt 04

Virom im Typ-1-Diabetes (T1D) und virale Infiltration der Pankreas-Inseln

• Projektleiter:innen:
  • TUD: Barbara Ludwig & Michele Solimena
  • UZH: Alexandra Trkola & Michael Huebr
• Student:innen:
  • TUD: Arvind Reddy Kandi (Promotionsstudent im 1. Jahr)

Hintergrund:

Typ-1-Diabetes (T1D) resultiert aus der autoimmunbedingten Zerstörung von β-Zellen. Mehrere Virusinfektionen, wie Coxsackievirus B (CVB), Rotavirus, Mumps und Cytomegalovirus, werden mit Typ-1-Diabetes in Verbindung gebracht, da sie eine Autoimmunreaktion auslösen können. Es wird zudem vermutet, dass weitere bisher unbekannte Virusinfektionen Autoimmunität fördern und somit mit T1D assoziiert sein könnten.

Wir (Zürich – Trkola/Huber Gruppe) haben eine eigene Probenvorbereitung und eine metagenomische Virussequenzierungsplattform für diagnostische Zwecke entwickelt, optimiert und validiert. Die metagenomische Sequenzierung ist eine neuartige und komplexe Technologie, die eine umfassende Erkennung potenziell aller viralen (und anderer) Krankheitserreger in einer klinischen Probe ermöglicht. Dabei werden alle Nukleinsäuren mittels Amplifikation und Hochdurchsatz-Sequenzierung erfasst. Die Datenanalyse erfolgt über eine hausinterne bioinformatische Pipeline, die Pathogen-Lesungen erkennt und den Virusspezies zuordnet. Ein wichtiger Schwerpunkt unserer Forschung liegt auf der Untersuchung des Viroms bei immungeschwächten und transplantierten Patienten sowie bei klinischen Fällen unbekannter Infektionsursache.

Wir schlagen nun vor, diese Technologien zur Untersuchung des Virom-Status nach Ausbruch von T1D einzusetzen. Ein Virus, das am häufigsten mit der Zerstörung der Pankreas-Inseln und möglicherweise mit T1D in Verbindung gebracht wird, ist das positive Einzelstrang-RNA-Virus Coxsackievirus B5 (CVB5).

Wir (Dresden – Solimena Gruppe) konnten zeigen, dass eine Infektion von Insulinom-Zelllinien (INS-1 und MIN6) sowie von Maus-Inseln mit CVB5 die glukoseabhängige Biosynthese von Insulingranula nicht hemmt, jedoch deren Vorräte durch Induktion einer Versauerung und vorzeitigen Aktivierung von Cathepsinen im Trans-Golgi-Netzwerk reduziert. Dies führt zur proteolytischen Degradation von Granulaproteinen vor deren Sortierung in sekretorische Granula. Bemerkenswerterweise fanden wir, dass ein Protein, das vom SARS-CoV-2-Virus (ebenfalls ein positives Einzelstrang-RNA-Virus, das mit β-Zell-Schädigung und T1D assoziiert wird) kodiert wird, den pH-Wert im frühen sekretorischen Weg verändert.

Daher ist es möglich, dass eine gemeinsame Eigenschaft von RNA-Viren darin besteht, die pH-Homöostase entlang des sekretorischen Weges infizierter Zellen zu verändern. Wir schlagen vor, diese Hypothese zu testen, indem wir Veränderungen der Funktion, Genexpression, Ultrastruktur und vor allem der pH-Homöostase von primären Maus- und humanen Inseln nach CVB5-Infektion untersuchen.

Wir (Dresden – Ludwig Gruppe) verfügen über umfangreiche Erfahrung in der Isolation humaner, Schweine- und Maus-Inseln und betreiben das einzige human Inseltransplantationszentrum in Deutschland.

Das CVB5 wird als Virus diskutiert, das die Pankreas-Inseln zerstört und möglicherweise T1D fördert. Wir (Dresden – Solimena Gruppe) konnten zeigen, dass CVB5 die glukoseabhängige Insulingranulabiosynthese in INS-1 und MIN6 sowie in Maus-Inseln zwar nicht hemmt, aber die Granulavorräte reduziert, vermutlich durch gezielten Abbau von Granulaproteinen vor ihrer Verarbeitung im sekretorischen Weg.

Wir schlagen nun vor, die Effekte einer CVB5-Infektion auf die Funktion von primären Maus- und humanen Inseln in vitro zu untersuchen, mit besonderem Fokus auf Veränderungen der Insel- und β-Zell-Ultrastruktur sowie mittels Multiomics.

Wir (Dresden – Ludwig Gruppe) bringen unsere langjährige Erfahrung in der Isolation von humanen, Schweine- und Maus-Inseln sowie in der Inseltransplantation in diese Studie ein.

Der etablierte Ansatz zur CVB5-Infektion kann auch genutzt werden, um weitere Infektionen zu testen, die sich aus der Analyse des zirkulierenden Viroms durch die Trkola/Huber Gruppe ergeben könnten.

Ziele:

1) Charakterisierung des Viroms und der antiviralen Antikörperantworten bei Patienten mit Typ-1-Diabetes mittels viraler metagenomischer Sequenzierung und VirScan.

2) Bewertung der Auswirkungen einer CVB5-Infektion auf die Ultrastruktur von Insel- und β-Zellen, Multi-Omics-Analysen und das Überleben der Zellen.

Mehrwert durch die Zusammenarbeit zwischen Dresden & Zürich:

Die Dresdner Gruppe verfügt über umfangreiche Erfahrung in der Isolation und funktionellen Charakterisierung humaner und tierischer Pankreas-Inseln. Die Zürcher Trkola/Huber-Gruppe arbeitet eng zusammen und hat die virale metagenomische Sequenzierung (mNGS) für verschiedene klinische Proben etabliert.

Die Dresdner Gruppe wird eine experimentelle Pipeline aufbauen, um die Auswirkungen einer CVB5-Infektion auf die Funktion und das Überleben von Pankreas-Inseln zu untersuchen. Diese experimentelle Pipeline soll zudem genutzt werden, um die Effekte weiterer Viren zu bewerten, die von der Zürcher Gruppe im Rahmen der Virom-Analyse identifiziert werden.

Synergien:

Wir werden mit den Projekten 8 und 9 zusammenarbeiten, um das Virom im Plasma von Patienten mit Post-Infektions-Syndromen zu untersuchen und zu bewerten, ob das Virom mit der Immun- und Stoffwechselantwort auf diätetische Interventionen zusammenhängt. Zusätzlich werden wir mit den Projekten 3, 6 und 8 kooperieren, um potenziell die Auswirkungen der in diesen Modellen etablierten Infektionen auf die Struktur und Funktion von Maus-Inseln in Bezug auf den metabolischen Zustand zu untersuchen.