Die "Friedenswächter" des Immunsystems bringen dem Körper bei, welche Lebensmittel er unbedenklich essen kann
Forschung eröffnet neue Wege zur Prävention und Behandlung von Lebensmittelallergien
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Lebensmittelallergien sind ernst zu nehmen und können für manche sogar tödlich sein. Doch trotz jahrzehntelanger Forschung über Allergien und ihre Ursachen ist nur sehr wenig darüber bekannt, warum die große Mehrheit der Menschen Lebensmittel verträgt, die andere krank machen oder sogar töten können.
"Wir wissen viel darüber, was das Immunsystem sieht und tut, wenn ein Patient eine Allergie hat, aber wir wissen nur sehr wenig darüber, was passiert, wenn es gut läuft", sagt Elizabeth "Beth" Sattely, außerordentliche Professorin für Chemieingenieurwesen an der School of Engineering der Stanford University und Hauptautorin einer neuen Studie, die in der Zeitschrift Science Immunology veröffentlicht wurde und sich mit dieser Frage beschäftigt.
Sattely und ihre Co-Autoren fanden heraus, dass die orale Toleranz - eine aktive Funktion des Immunsystems - die Erkennung spezifischer Proteine in gängigen Nahrungsmitteln wie Mais, Soja und Weizen beinhaltet, die dem Immunsystem signalisieren, dass sie unbedenklich zu essen sind. Diese Erkenntnisse eröffnen neue therapeutische Möglichkeiten, um gefährlichen Nahrungsmittelallergien vorzubeugen oder sie rückgängig zu machen.
Aktive Untersuchung
"Lange Zeit dachten wir, dass Nahrungsmitteltoleranz einfach bedeutet, dass das Immunsystem die Lebensmittel, die wir essen, ignoriert - das heißt, dass Toleranz die Abwesenheit von Allergie bedeutet", erklärte Sattely. "Aber jetzt wissen wir, dass Toleranz ein aktives und adaptives Verhalten ist. Bestimmte Zellen in unserem Darm untersuchen die Lebensmittel, die wir essen, und suchen nach bestimmten Proteinen. Wenn sie diese finden, signalisieren die Zellen dem Immunsystem, dass das Lebensmittel sicher ist".
Die Sucher sind als regulatorische T-Zellen - oder Tregs - bekannt. Sie sind die Friedenswächter des Immunsystems, die die Nahrung nach diesen Schlüsselproteinen absuchen und das Immunsystem beruhigen, wenn sie sie finden, und so eine allergische Überreaktion auf ein ansonsten sicheres Lebensmittel verhindern.
Sattely und sein Team, zu dem auch die Co-Erstautoren Jamie Blum, ein ehemaliger Postdoktorand in Sattelys Labor, und Ryan Kong, ein Stanford-Diplomstudent in Chemieingenieurwesen, gehören, schlossen die Lücke im Verständnis, indem sie spezifische Fragmente von Nahrungsproteinen - kurze chemische Sequenzen, die als Epitope bekannt sind - identifizierten, die den Treg-Zellen im Darm präsentiert werden und vorzugsweise eine beruhigende regulatorische Reaktion anregen, anstatt entzündliche T-Zellen, die Allergien hervorrufen.
Die Forscher betonen zwar, dass sie ihre Arbeit derzeit an Labormäusen demonstriert haben, glauben aber, dass sie diese und ähnliche molekulare Inputs kartieren können, die beim Menschen zu oraler Toleranz führen könnten.
Toleranz lehren
Blum, Kong und Mitautor Kazuki Nagashima führten Experimente und Analysen durch, die es dem Team ermöglichten, diese mit der Toleranz verbundenen Epitope in komplexen Nahrungsmitteln zu lokalisieren, indem sie das Futter der Mäuse auf Inhaltsstoffe untersuchten, die sich mit der menschlichen Ernährung überschneiden - insbesondere Mais, Weizen und Soja. Sie glauben, dass die Toleranz von einigen wenigen herausragenden Epitopen abhängt - den kürzeren Abschnitten größerer Proteine -, die die regulatorische Reaktion auslösen.
"Wir haben festgestellt, dass die regulatorischen T-Zellen auf einige Peptide stärker reagieren als auf andere", erklärt Sattely. "Nicht die gesamte Nahrung wird vom Immunsystem gleichermaßen wahrgenommen. Die T-Zellen suchen nach diesen spezifischen Proteinen".
Diese Erkenntnis bedeutet, dass das Immunsystem die orale Toleranz anhand einer begrenzten Anzahl von molekularen Hinweisen erlernt. Die Forscher können sich vorstellen, eine Bibliothek mit toleranzspezifischen Epitopen aufzubauen, die für die Entwicklung von Interventionen genutzt werden könnten, die das Immunsystem in Richtung Toleranz statt Allergie lenken.
"Was mich wirklich überrascht hat, ist, wie zielgerichtet der Mechanismus ist. Im Fall von Mais konzentrieren sich die Treg-Zellen auf ein einziges Epitop, das Teil eines größeren Moleküls ist, nämlich Zein, ein Protein im fleischigen Inneren des Maiskorns", so Kong. "In Anbetracht der enormen Anzahl potenzieller Darmantigene war es erstaunlich, eine so gezielte Reaktion zu beobachten.
Wenn wir verstehen, warum das Immunsystem dieses bestimmte Peptid auswählt und nicht andere, könnten wir mehr darüber erfahren, wie der Körper auf natürliche Weise eine Toleranz gegenüber Nahrungsmitteln entwickelt, fügte Kong hinzu. Dieses Wissen könnte wiederum dazu genutzt werden, das Immunsystem umzuprogrammieren, um Lebensmittelallergien vorzubeugen oder sogar zu behandeln.
Lebensmittel der Zukunft
"Eine der aufregendsten Erkenntnisse ist, dass die Entwicklung der zeinspezifischen T-Zellen von der Form des Proteins in der Nahrung und der mikrobiellen Gemeinschaft im Darm abhängt", erklärte Blum, die jetzt ihr eigenes Labor am Salk Institute for Biological Studies leitet. "Wir arbeiten jetzt daran, die genauen biologischen Mechanismen zu bestimmen.
Mögliche Forschungswege könnten in mehrere Richtungen führen. Sattely kann sich vorstellen, eine molekulare Karte der toleranzbedingten Epitope zu erstellen, um Behandlungs- und Therapiestrategien zu entwickeln, die Nahrungsmittelallergien verringern. In dieser Form könnten die toleranzbegünstigenden Peptide als Präzisionswerkzeuge dienen, die beruhigende regulatorische T-Zellen bei Patienten mit bestehenden Nahrungsmittelallergien in Gang setzen können. Sie kann sich auch die Möglichkeit eines präventiven Toleranz-"Impfstoffs" für Hochrisikopatienten vorstellen.
"Wir könnten einen Patienten behandeln, der bereits eine Lebensmittelallergie hat, und diese regulatorischen T-Zellen induzieren, die es ihm ermöglichen würden, seine Allergie zu überwinden", sagte sie. "Oder wir könnten frühzeitige, kindliche Expositionen entwickeln, die allergiegefährdete Patienten zur Toleranz führen, bevor sich eine Allergie entwickelt.
Sattelys Forschungshintergrund ist das Studium der Pflanzenchemie und ihrer Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit. Sie sagt, dass ihre künftige Forschung die Chemie und das Engineering von Lebensmittelproteinen - insbesondere von Samenproteinen, die einen großen Teil der menschlichen Proteinquellen ausmachen - vertiefen und testen wird, wie sich deren Feinabstimmung auf die Immunabwehr auswirkt. Auf diesem Weg plant das Team, bestimmte Pflanzenproteine zu untersuchen und Versionen zu synthetisieren, bei denen die Schlüsselepitope deaktiviert oder entfernt wurden, um die Immunreaktionen zunächst an Mäusen und schließlich an Menschen zu testen.
"Bisher haben wir gelernt, dass Toleranz mehr bedeutet als die bloße Abwesenheit einer Allergie", fasst Sattely zusammen. "Es handelt sich um ein spezifisches, peptidgesteuertes Immuntrainingsprogramm, das wir eines Tages nutzen können, um Menschen zu helfen, ohne Angst zu essen."
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