Neuer Blick aufs Immunsystem

Jeder Mensch beherbergt fast 100 Billionen Bakterien in seinem Verdauungstrakt. Diese fast unvorstellbar große Zahl übersteigt selbst die gewaltige Menge unserer Körperzellen um das Zehnfache. Es ist quasi eine eigene Welt, die in jedem von uns existiert. In den letzten zehn Jahren haben unterschiedliche Forschungsergebnisse die Erkenntnisse über dieses bakterielle Ökosystem in unserem Darm geradezu revolutioniert. Die Mediziner wissen nunmehr: Zwischen Mikroben und Mensch entsteht schon sehr früh eine innige Beziehung zum gegenseitigen Nutzen, eine Symbiose. Die ist für unsere Gesundheit unerlässlich – und das schon ab der Geburt.

Wenn die Vielfalt an Mikroben sich bei einem Baby nicht richtig entwickelt, kann das spätere Krankheiten begünstigen.

Wenn die Vielfalt an Mikroben sich bei einem Baby nicht richtig entwickelt, kann das spätere Krankheiten begünstigen: etwa chronische Darmentzündungen, Diabetes, Fettleibigkeit, multiple Sklerose, rheumatoide Arthritis, Asthma oder Allergien.

Diesem Wissen kann die hannoversche Kinderärztin Prof. Dr. Dorothee Viemann nun völlig neue Perspektiven hinzufügen. Nach jahrelanger Forschung geht sie davon aus, dass es kein Zufall ist, welche Mikroben sich im Verdauungstrakt eines neugeborenen Menschen ansiedeln. Ursächlich ist ihrer Annahme nach vielmehr ein komplexer Prozess aus wechselseitigen Einflüssen, bei dem die Abwehrkräfte des Kindes eine entscheidende Rolle spielen.

Dorothee Viemann (rechts) und Oberärztin Sabine Pirr in der Intensivstation für Früh- und Neugeborene kümmern sich um ein Baby im Brutkasten
Dorothee Viemann (rechts) und Oberärztin Sabine Pirr in der Intensivstation für Früh- und Neugeborene an der Medizinischen Hochschule Hannover (Foto: Sven Döring für VolkswagenStiftung)

Die Wissenschaftlerin von der Medizinischen Hochschule Hannover hat mit anderen Forschern umfangreiche Studien vorgenommen und viele Indizien zusammengetragen, um ihre Hypothese zu belegen, in der körpereigene Substanzen, die sogenannten Alarmine, eine wichtige Rolle spielen. Alles weist inzwischen darauf hin, dass die Rolle des Abwehrsystems bei Neugeborenen in einem völlig neuen Licht gesehen werden muss: Das Immunsystem eines Neugeborenen ist keineswegs unausgereift, wie bislang angenommen, sondern hoch aktiv – ja in manchen Fällen sogar derart aggressiv, dass es zur Selbstzerstörung kommen kann.

Auf die Idee, dass etwas an der bisherigen Sicht des kindlichen Immunsystems nicht stimmen kann, kam Dorothee Viemann schon früh. Im Jahr 1995 trat sie direkt nach dem Medizinstudium ihre erste Stelle als Ärztin im Praktikum in Kiel an – auf der Früh- und Neugeborenen-Station der Universitätskinderklinik der Christian-Albrechts-Universität. Dabei fiel ihr auf: Wenn nur wenige Tage alte Babys an Infekten erkrankten, reagierte ihr Körper mit heftigen Entzündungen, die sogar lebensbedrohlich werden konnten. Der etablierten Theorie zufolge sollten Babys aber ein Immunsystem besitzen, das nur eingeschränkt entzündlich reagieren könne, da es erst reifen müsse.

Im Untersuchungslabor hängt eine Postkarte mit einem motivierenden Motto zum weiter machen
Nicht zaudern, "machen": Mit dieser Einstellung, präsent als Postkartenmotto an der Wand, lassen sich auch gelegentliche Durststrecken überwinden. (Foto: Sven Döring für VolkswagenStiftung)

Die junge Kinderärztin hatte dagegen den Eindruck, das Gegenteil sei der Fall und das Abwehrsystem der ganz Kleinen arbeite geradezu überschäumend. "Das, was gelehrt wurde, und das, was ich in der Klinik gesehen habe, passte nicht zusammen", sagt die Ärztin und fährt fort: "Ich bin dann ganz naiv und frech zu meinem Professor gegangen und habe verkündet, ich wolle die Sepsis, die Entzündungsreaktion, bei Neugeborenen erforschen und das Rätsel lösen." Es sollte ein langer Weg nicht ohne Schwierigkeiten werden: Sich in der Wissenschaft gegen die herrschende Lehrmeinung zu stellen provoziert natürlich auch Skepsis und Widerstände.

Meine Natur ist, dass ich ein ganz schlimmer Warum-Frager bin und als Kind die Leute zur Verzweiflung getrieben habe.

Erkenntnisdrang von klein auf

Die Basis für den Wunsch, Ärztin zu werden, wurde bei Dorothee Viemann bereits im Alter von fünf Jahren gelegt: "Meine Natur ist, dass ich ein ganz schlimmer Warum-Frager bin und als Kind die Leute zur Verzweiflung getrieben habe. Doch mein Großvater, der als Landarzt praktizierte, hatte immer sehr viel Geduld. Er hat mir zum Beispiel mithilfe von Schautafeln erklärt, wie eine Mittelohrentzündung entsteht und weshalb ich sie so oft bekam."

Ab da führte ein gerader Weg zum Medizinstudium, das sie 1987 in Bochum begann – noch ohne besonderes Interesse für die Kinderheilkunde. Dass sich das änderte, ist vor allem dem damaligen Chef der dortigen Kinderklinik zu verdanken. Er hatte lange in den USA gelebt, hielt seine Vorlesungen in dem dort üblichen packenden Stil und reicherte sie mit Patientenfällen spannend an. So entfachte er bei der Studentin ihre Begeisterung für das Immunsystem von Kindern und Neugeborenen.

Durch ein Bullauge in der Medizinischen Hochschule Hannover sieht man verschwommen Dorothee Viemann mit einer Krankenschwester reden
Die nötige naturwissenschaftliche Neugierde, um Medizinern und Forscherin zu werden, verspürte Dorothee Viemann bereits als Kind. (Foto: Sven Döring für VolkswagenStiftung)

Nach Bochum folgten die Stationen Kiel, Lübeck und Münster sowie lange Auslandsaufenthalte, etwa in Boston, Straßburg und Madagaskar. Als schließlich eine Professur für Experimentelle Neonatologie in Hannover ausgeschrieben wurde, war für Dorothee Viemann sofort klar, dass das optimal zu ihren Ambitionen wie auch zu ihrer Qualifikation passen würde, und sie bewarb sich. Seit 2011 kümmert sie sich nun einerseits in der Kinderklinik der Medizinischen Hochschule um erkrankte Neugeborene und wertet andererseits in ihrem nüchternen Büroraum im Pädiatrischen Forschungsgebäude gleich nebenan ihre Untersuchungen aus.

Über die Jahre wuchs Viemanns Überzeugung, bestärkt durch ihre eigenen Forschungsergebnisse, dass das Immunsystem der Babys nicht unreif ist, sondern für den Eintritt in eine neue Umwelt schlicht anders und sinnvoll programmiert ist. Sie stellte sich die weiterführende Frage: Kann es sein, dass das Abwehrsystem darüber mitbestimmt, welche Bakterien sich im Darm eines Neugeborenen ansiedeln? Wichtig für ihre weiteren Folgerungen war der damals bereits erbrachte Nachweis, dass vor allem bei Frühgeborenen und Babys, die durch einen geplanten Kaiserschnitt zur Welt kommen, die Darmflora später nicht optimal zusammengesetzt ist, weshalb die betroffenen Personen häufiger an chronisch-entzündlichen Krankheiten leiden als "normal" geborene Kinder.

Dorothee Viemann steht nachdenklich in dem Untersuchungslabor der Medizinischen Hochschule Hannover
Dorothee Viemann möchte das Rätsel ums Baby-Immunsystem lösen. (Foto: Sven Döring für VolkswagenStiftung)

Die Neonatologin begann, die immunologischen Unterschiede zwischen den unter diesen besonderen und den unter normalen Umständen geborenen Babys genauer ins Visier zu nehmen. Hier musste ihrer Ansicht nach die Ursache liegen, warum es bei den einen zu einer unausgewogenen Besiedlung mit Keimen kommt, bei den anderen jedoch zu einer optimalen Bakterienvielfalt.

Was wäre, so fragte sich Viemann weiter, wenn die Ursache für diese mangelhafte Bakterienvielfalt bei den zu früh oder durch geplanten Kaiserschnitt geborenen Kindern die Neigung zu besonders heftigen Abwehrreaktionen wäre? Könnte diese bewirken, dass die meisten – auch die "guten" – Mikroben vernichtet werden und nur wenige, äußerst widerstandsfähige und oftmals schädliche Keime überleben?

Millionen von Keimen überschwemmen den Körper

Dazu muss man wissen: Während ein Ungeborenes im Mutterleib heranwächst, lebt es in einer quasi sterilen Umwelt, weitgehend frei von Mikroben. Sobald das Baby aber in der Welt ist, versuchen Millionen von Keimen den Körper zu besiedeln und überschwemmen auch den Verdauungstrakt regelrecht. Erstmals steht das kindliche Immunsystem zahllosen Erregern gegenüber, die es mit aller Macht zu bekämpfen beginnt.

Bei den meisten Babys wird dieser Kampf nicht mit maximaler Härte geführt. Das Abwehrsystem fährt quasi mit angezogener Handbremse, erkannte Dorothee Viemann. Das bedeutet: Nicht nur einige wenige, sondern viele verschiedene Arten von Mikroben überleben im Darm und bilden eine bunte Vielfalt, die dem Menschen guttut.

Ein Kind, das auf die Welt kommt, muss eine Balance finden zwischen den Keimen, die es abwehrt, und solchen, die es toleriert.

"Ein Kind, das auf die Welt kommt, muss eine Balance finden zwischen den Keimen, die es abwehrt, und solchen, die es toleriert." Wenn dieser Anpassungsprozess korrekt verläuft, dann entwickelt sich innerhalb der Darmflora ein gesundes Gleichgewicht, das charakteristisch für ein Individuum ist, ein Leben lang erhalten bleibt und gegen viele Krankheiten schützt.

Was genau aber bremst das Immunsystem bei den "normalen" Kindern, sodass sich die bakterielle Vielfalt herausbilden kann, und weshalb geschieht das bei den Frühgeburten und den per geplantem Kaiserschnitt auf die Welt gekommenen Babys nicht? Dorothee Viemann und ihre Mitarbeiter fanden heraus: Es sind bestimmte Substanzen, die unter dem enormen Stress einer typischen Geburt sowohl bei der Mutter als auch beim Kind ausgeschüttet werden. Sie werden Alarmine genannt und lagern sich an Rezeptoren auf der Zelloberfläche bestimmter Immunzellen an. Dort lösen sie eine biochemische Kaskade aus, die das ganze Abwehrsystem auf Sparflamme setzt.

Radikal neue Hypothesen haben keine Lobby

Bei den winzigen "Frühchen" aber und den Kaiserschnittgeburten werden in der Regel weniger Alarmine ausgeschüttet. Die Bremse des Immunsystems funktioniert also nicht mehr richtig. Die Folgen hatte Dorothee Viemann bereits als Ärztin im Praktikum auf der Früh- und Neugeborenen-Station in Kiel beobachtet: das auf Hochtouren laufende Immunsystem von Früh- und Kaiserschnittgeborenen, das lebensbedrohliche Entzündungen auslöste. Das war der Initialpunkt für ihr ganz spezifisches Forschungsinteresse.

Andere Mediziner von ihrer neuen Sicht auf das kindliche Immunsystem zu überzeugen war lange schwierig. Eine Publikation in dem renommierten Fachjournal Nature Immunology im Mai 2017 erreichte eine breite Fachöffentlichkeit und brachte die Anerkennung vieler Kollegen.

Es ist risikoreich, aber wenn es stimmt, dann ist es genial

Es war auch nicht leicht, Förderer für ihre radikal neuen Hypothesen zu finden. Nachdem Dorothee Viemann von dem Programm "Offen – für Außergewöhnliches" gehört hatte, wandte sie sich an die VolkswagenStiftung. Mit der Bemerkung "Es ist risikoreich, aber wenn es stimmt, dann ist es genial" wurde ihr Antrag dort aufgenommen.

Dorothee Viemann zieht eine Schublade aus einem Gefrierschrank mit Zellbestandteilen
Bei minus 80 Grad Celsius warten Zellbestandteile auf ihre Analyse. (Foto: Sven Döring für VolkswagenStiftung)

Dorothee Viemann ist froh darüber, denn ohne Drittmittel könnten sie und ihre Teamkollegen die Hypothese nicht belegen. Froh war sie aber nicht nur über die finanziellen Mittel, sondern auch die Unterstützung ihrer wissenschaftlichen Idee durch die Stiftung: "Es gab viele Durststrecken, in denen sonst keiner an mich glaubte." Dank dieses Beistands, der ihr eigenen Vehemenz und Energie hielt sie durch. Man spürt deutlich, wie sehr sie für ihr Thema brennt und die Forschung weiter vorantreiben möchte.

Das allerdings ist nicht einfach, denn die Betreuung der Kinder in der Klinik und die wissenschaftliche Arbeit unter einen Hut zu bekommen ist ein gewaltiger Kraftakt. Die enorme Arbeitsverdichtung führe dazu, dass es inzwischen kaum mehr gelinge, beides zugleich auf hohem Niveau zu erfüllen, stellt Dorothee Viemann fest.

Und wenn sie sich für eines von beiden entscheiden müsste? Dann wäre es für die Wissenschaft, sagt die Neonatologin. Es gebe so viele gute und engagierte Kliniker, die ihren Job mit sehr viel Herzblut machten. Doch sie sei bewusst dem Ruf nach Hannover gefolgt, um eine wissenschaftliche Arbeitsgruppe, die erste für Experimentelle Neonatologie in Deutschland, zu etablieren und ihre Hypothese mit Forschungsergebnissen zu beweisen. Die Erkenntnisse würden auch nach ihr bleiben, sinniert sie und setzt hinzu: "Die Wissenschaft hier habe ich aufgebaut, das ist mein Baby."

Das Projekt "Endogenous alarmins determine successful gut colonization by warranting immune tolerance" wird von der Stiftung außerhalb ihrer Initiativen gefördert. Die Relevanz der Fragestellung und die Neuartigkeit des Lösungsansatzes konnten die Stiftung und ihre Gutachter überzeugen, sodass unter "Offen – für Außergewöhnliches" rund 500.000 Euro für drei Jahre bewilligt wurden. Wer hier ebenfalls erfolgreich sein will, sollte eine herausragende Idee außerhalb vorgegebener Raster haben und ein außergewöhnliches Forschungsdesign verfolgen.

Publikation

Aktueller Artikel von Dorothee Viemann und ihrem Forschungsteam: High Amounts of S100-Alarmins Confer Antimicrobial Activity on Human Breast Milk Targeting Pathogens Relevant in Neonatal Sepsist. In: Frontiers in Immunology. DOI: https://doi.org/10.3389/fimmu.2017.01822

 

Einflussreiche Moleküle

Alarmine spielen in der Forschung von Dorothee Viemann und ihren Kollegen eine Schlüsselrolle. Die Stoffe waren von anderen Forschern entdeckt worden, doch erst Viemann erkannte, dass sie das Immunsystem eines Neugeborenen bremsen und so die Besiedlung des Darms mit Mikroben steuern. Dies geschieht folgendermaßen: Manche Immunzellen verfügen über die angeborene Fähigkeit, Bakterien an bestimmten, charakteristischen Molekülstrukturen zu erkennen. Stoßen sie auf die Mikroben und identifizieren sie, beginnt ein heftiger Abwehrkampf. Alarmine besitzen eine ähnliche Struktur wie die Bakterien-Moleküle und aktivieren dieselben Signalwege wie Mikroben. Alarmine sind körpereigene Moleküle: S100A8 und A9 werden von weißen Blutkörperchen produziert und bei jeder Form von Stress ausgeschüttet. Eine Voraktivierung des Immunsystems durch Alarmine führt zu einer schwächeren Abwehrreaktion auf nachfolgende Herausforderungen durch Bakterien. Für das kindliche Immunsystem ist diese angezogene Handbremse überlebenswichtig, um nach der Geburt die Besiedlung des Körpers mit Mikroben zu tolerieren.