RTF V: Klinische und ernährungsbezogene Metabolomics

Koordinator*innen: M. Laudes (CAU), K. Schwarz (CAU), A. Tholey (CAU), S. Waschina (CAU)

RTF V untersucht die Stoffwechselbeziehung (Co-Metabolismus) zwischen Wirt und Mikrobiom, also der Gesamtheit der den Körper besiedelnden Mikroorganismen, bei entzündlichen Erkrankungen. Es wird der Frage nachgegangen, welchen Beitrag das Mikrobiom zum Stoffwechsel leistet und wie die Stoffwechselprodukte, das sogenannte Metabolom, und Mikrobiom wechselseitig verändert werden können. So sollen Biomarker für erfolgreiche Therapien und das individuelle Ansprechen auf pharmazeutische- und Ernährungsinterventionen identifiziert werden.

Dazu werden neuartige Methoden zur Analyse des Metaboloms und Proteoms entwickelt sowie Modelle für den Co-Metabolismus und die Miniaturisierung der Analytiken für das Metabolom, Proteom einschließlich immunogener Peptide vorangetrieben. Aus Bioproben werden Organoide generiert bzw. Fermentationen durchgeführt als „clinical trial in a dish“. Es werden bioinformatische Prognosemodelle für die Stoffwechselleistung und den Co-Metabolismus von Wirt und Mikrobiom entwickelt sowie Routinen für die wissensbasierte Auswertung.

Mikrobiom-Metaboliten-Interaktionen sind im menschlichen Körper allgegenwärtig. Das Mikrobiom hat einen tiefgreifenden Einfluss auf das menschliche Metabolom und Proteom und das Metabolom und Proteom wiederum beeinflusst das Mikrobiom. Dieser sog. Crosstalk zwischen Mikrobiom und dem Metabolom/Proteom nimmt durch eine Vielzahl von Mechanismen Einfluss auf viele menschliche Krankheiten.

Zur Untersuchung von Metabolom und Proteom wurden hoch- und ultrahochauflösende Massenspektrometrie-Plattformen etabliert. Diese Plattenformen leisten von der Datenakquisition bis zur bioinformatischen und statistischen Auswertung die Basis zur Durchführung von Metabolomics-Studien. Dabei wird auf langjährige Erfahrung in der Analytik von Metaboliten des Stoffwechsels und Miniaturisierung der Analytik von Peptiden, Peptidomen, Proteinen und Proteomen zurückgegriffen.

Ziel ist es mit Hilfe von explorativen metabolomweiten Assoziationsstudien, multivariaten Machine Learning Modellen sowie gezielten und detaillierten Stoffwechsel- und Proteinanalysen in experimentellen Studien Mechanismen von entzündlichen Erkrankungen aufzudecken, neue therapeutische Konzepte zu entwickeln und den Erfolg von Therapien für individuelle Patienten zu prognostizieren.

Die vorhandene Infrastruktur zu Metabolom- und Proteomforschung soll zu einer schlagkräftigen wissenschafts- und technologiebasierten zentralen Einheit weiter ausgebaut werden. Es sollen innovative analytische und experimentelle Ansätze aufgebaut und die bestehenden analytischen Plattformen durch weitere Plattformen ergänzt werden. Hierfür wird, u.a., eine Kernspinresonanzspektroskopie-Metabolomik-Core-Unit etabliert, die die bereits vorhandenen Massenspektrometrie-Plattformen ergänzt. Es sollen neue Prognosemodelle für die Stoffwechselfunktion der Mikrobiota erstellt und mit Metabolom- und Proteomdaten verifiziert werden.

Die Forschung zur Interaktion von Metabolom-Mikrobiom-Wirt ist ein relativ junges Forschungsfeld, in dem sich neue Methoden und Technologien entwickeln, die weitreichende Entdeckungen für die Gesundheit, die Prävention und Therapie von Krankheiten erwarten lassen.

Das Forschungsfeld der Metabolom- und Proteomforschung basiert auf vielen naturwissenschaftlich geprägten Disziplinen und ist eine hoch interdisziplinäre Wissenschaft, die Methoden der Chemie, der Physik, der Biologie und Bioinformatik bis hin zur den Materialwissenschaften in sich vereint.

Die Kenntnis der molekularen Vorgänge, speziell auf Ebene der agierenden Moleküle (Peptide/Proteine/Metabolite) stellt eine Voraussetzung für die Diagnose, das Verstehen dieser Krankheiten dar und ist ein Schlüssel für die Entwicklung von Therapien. Um ein ganzheitliches Verständnis im Sinne der Systemmedizin und -biologie zu erreichen, werden die generierten Daten mit den Daten anderer Bereiche des Clusters z.B. zum Metagenom der Mikrobiota zusammengeführt. Die Grundlage hierfür wird durch die Entwicklung umfassenderer Metabolitendatenbanken sowie Prognosemodellen des Stoffwechsels für zukünftige integrative Analysen vorangetrieben. Speziell für die Präzisionsmedizin ist die Verfügbarkeit neuer, schnellerer und sensitiverer analytischer Methoden unabdingbar.

CD II: Untersuchung des Metaboloms in Interventionsstudien mit Nicotinamid zum Tryptophanmetabolismus
RTF III: Entwicklung und Einsatz der low cell number/single cell-Proteomics und multi-omics für die Analyse von aus Patientenmaterial gewonnenen in vitro-Modellen („clinical trial in a dish“)
RTF VII: Erweiterung und Validierung von theoretischen Modellen des Co-Metabolismus zwischen Mikrobiom und Mensch.
TI-II: Identifizierung und molekulare Charakterisierung immunogener Peptide

Worauf baut die Arbeit des Forschungsbereichs auf?

Was sind die Forschungsziele?

Was zeichnet den Forschungsbereich aus?

Was ist der Beitrag Ihres Forschungsbereichs zu einer Präzisionsmedizin für chronische Entzündungserkrankungen?

Zusammenarbeit mit anderen Forschungsbereichen im Cluster

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