Hauttumorzentrum.de

AG Natürliche Immunität der Haut

Birgit Schittek

Prof. Dr. B. Schittek
Leitung / Head

Ilknur Aschermann

Dr. Ilknur Aschermann
Biologin
Tel.:29-80838

Marc Burian

Dr. Marc Burian
Biologe
Tel.: 29-80838

AG Natürliche Immunität der Haut

Universitäts-Hautklinik
Sektion Dermatologische Onkologie
Liebermeisterstr. 25
72076 Tübingen
Tel.: 07071-2980832
Fax: 07071-295187
Email: birgit.schittek@med.uni-tuebingen.de

Mitarbeiter

Dr. Ilknur Aschermann, Biologin: 29-80838
Dr. Marc Burian, Biologe: Tel.: 29-80838

Projekte / Projects

Untersuchungen zur Regulation, Spezifität, Wirksamkeit und klinischen Relevanz von Dermcidin-abgeleiteten antimikrobiellen Peptiden

Die Haut und die Schleimhäute sind die Haupteffektororgane des natürlichen Immunsystems, da sie eine physikalische Barriere zu der Umgebung darstellen. Antimikrobiell wirksame Peptide sind Bestandteile des natürlichen Abwehrsystems, können im Gegensatz zu den Effektoren der erworbenen Immunität bei einer Infektion sehr schnell aktiviert und freigesetzt werden und bilden damit eine erste Barriere gegen eindringende Erreger. In der menschlichen Haut werden antimikrobielle Peptide vor allem von Keratinozyten entweder konstitutiv oder nach einem inflammatorischen Stimulus produziert. Dermcidin (DCD) ist ein von uns beschriebenes neues antimikrobiell wirksames Peptid, das konstitutiv von ekkrinen Schweißdrüsen exprimiert wird und im menschlichen Schweiß vorhanden ist. Es zeigt antibiotische Aktivität gegenüber Gram-positive und Gram-negative Mikroorganismen, darunter auch S. aureus. Wir konnten zeigen, dass Dermcidin im Schweiß von Patienten mit atopischer Dermatitis, deren Haut häufig mit S. aureus besiedelt ist, vermindert vorliegt. Die natürliche Hautflora dagegen wird von S. epidermidis dominiert, S. aureus Besiedlung findet man auf gesunder Haut selten. Ziel unserer Untersuchungen ist es, zu untersuchen, welche natürlichen Abwehrmechanismen der selektiven Hautbesiedlung zugrunde liegen. Dabei werden wir u.a. die Regulation der DCD-Expression sowie den Wirkmechanismus und das Wirkspektrums des DCD-Peptids zu untersuchen. In einem weiteren biochemischen Teilprojekt soll untersucht werden, welche strukturellen Eigenschaften das Dermcidin aufweist, welche minimale Sequenz für eine biologische Aktivität notwendig ist und welche Proteasen bei der proteolytischen Prozessierung beteiligt sind. Ziel dieser Arbeiten ist es, zum molekularen Verständnis des Wirkmechanismus beizutragen.

Studies on the regulation, specificity, efficacy and clinical relevance of Dermcidin-derived antimicrobial peptides

The skin and mucous membranes are the main effector organs of the natural immune system since they constitute a physical barrier to the environment. Antimicrobial peptides are part of the natural defense system. In contrast to the effectors of the acquired immunity they can be activated during an infection and released very quickly, and thus form a first barrier against invading pathogens. In human skin antimicrobial peptides are produced mainly by keratinocytes either constitutively or after an inflammatory stimulus. Dermcidin (DCD) is described by us as a new antimicrobial peptide, which is expressed constitutively by eccrine sweat glands, and is present in human sweat. It shows antibiotic activity against Gram-positive and Gram-negative microorganisms including S. aureus. We have shown that the level of Dermcidin in sweat of patients with atopic dermatitis, whose skin is often colonized with S. aureus, is reduced. On the other hand, the natural skin flora on normal skin is dominated by S. epidermidis and S. aureus colonization is rarely found on healthy skin. The aim of our research is to investigate what are the natural defense mechanisms underlying the selective microbial skin colonization. We will investigate the regulation of expression of DCD, the mechanism of action and spectrum of activity of DCD peptides. In a further biochemical project we will investigate what are the structural characteristics of Dermcidin-derived peptides, which minimum sequence necessary for biological activity and which proteases are involved in the proteolytic processing. The aim of this work is to understand the molecular mechanism of this important human antimicrobial peptide.

Dermcidin

(A) Genomic organisation of the human dermcidin gene. (B) Shown is the protein sequence of the dermcidin precursor protein as well as the division into functional domains. The precursor protein consists of an 19 amino acid signal peptide (underlined), a 43 amino acid pro-domain and an 48 amino acid AMP-domain (in italic in the sequence). See Schittek, J Innate Immun. 2012;4(4):349-60.

Dermcidin_2


Atomic force microscopic images (AFM) of DCD-1L treated bacteria. AFMs of height (left side) and deflection (right side) are bundled for each measurement which were performed in contact mode in air. A. Untreated S. aureus 113 as control. B. Higher resolution of the untreated bacteria. C. DCD-1L (62.3 µM) treated S. aureus 113. D. Higher resolution of the treated bacteria. See Paulmann et al., J Biol Chem. 2012 Mar 9;287(11):8434-43.

Einfluss von kommensalen Staphylokokken auf eine Pathogeninfektion menschlicher Haut

Die menschliche Haut wird von einer Vielzahl von Mikroorganismen besiedelt, die in relativ stabiler Anzahl und Zusammensetzung auf der äußeren Epidermisschicht als kleine Kolonien vorkommen. Die natürliche mikrobielle Hautflora wird von S. epidermidis dominiert, wohingegen man S. aureus Besiedlung auf gesunder Haut selten findet. Patienten mit atopischem Ekzem dagegen zeigen eine verstärkte Besiedlung der Haut mit S. aureus. Es ist bislang unklar, warum menschliche Haut nur selektiv kolonisiert wird und welchen Einfluss diese Hautkommensale auf eine Pathogeninfektion haben. Obwohl es zunehmend klinische Evidenz gibt, dass probiotische oder kommensale Bakterien wichtig für die Infektionsabwehr sind, besteht über die zugrundeliegenden biologischen Mechanismen Unklarheit. Unter Verwendung humaner Keratinozyten sowie organotypischer Hautmodelle aus primären humanen Keratinozyten konnten wir eine therapeutische Wirkung kommensaler Mikroorganismen auf menschlicher Haut zeigen. Dabei induzieren kommensale Bakterien im Vergleich zu Pathogenen unterschiedliche Signalwege, um eine Immunkonditionierung menschlicher Haut zu erreichen. Langfristig möchten wir untersuchen, welche Mechanismen der selektiven Hautbesiedlung zugrunde liegen. Dazu untersuchen wir insbesondere die Regulation der von Mikroorganismen induzierten Expression von antimikrobiellen Peptiden in menschlicher Haut. Dabei verwenden wir verschiedene in vitro Modellsysteme und ein neu entwickeltes Mausinfektionsmodell. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen geben Aufschluss über eine mögliche klinische Relevanz der von Mikroorganismen differentiell induzierten antimikrobiellen Peptide. Diese Untersuchungen sind wichtig für das Verständnis und die Verbesserung der Behandlung kutaner Infektionen wie sie z.B. verstärkt beim atopischen Ekzem zu beobachten sind.

Influence of commensal staphylococci on pathogen infection of human skin

The human skin is colonized by a large variety of microorganisms that are present in a relatively stable number and composition as small colonies in the outer epidermal layer. The natural microbial flora of the skin is dominated by S. epidermidis, whereas S. aureus colonization is rarely found on healthy skin. Patients with atopic dermatitis, however show increased colonization of the skin with S. aureus. Until present it is unclear why human skin is only selectively colonized and what are the influence of skin commensals on a pathogen infection. Although there is growing clinical evidence that probiotic or commensal bacteria are important for fighting infection, the underlying biological mechanisms are not clear. Using human keratinocytes and organotypic skin models of primary human keratinocytes, we demonstrated a therapeutic effect of commensal microorganisms on human skin. Thereby commensal bacteria induce different signal pathways compared to pathogens in order to achieve an immune conditioning of human skin. On a long term, we want to investigate, what are the mechanisms underlying selective microbial skin colonization. For this purpose we examine in particular the regulation of induced expression of antimicrobial peptides by different microorganisms on human skin. Hereby, we will use different in vitro model systems and a newly developed mouse infection model. The results of these studies provide information on the possible clinical relevance of differentially induced antimicrobial peptides by different microorganisms. These studies are important for understanding and improving the treatment of cutaneous infections such as those observed in atopic dermatitis.

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S.aureus activates the MAPK and PI3K/AKT signaling pathways and suppresses NFκB activation in primary human keratinocytes. Western blot analyses of lysates of differentiated primary human keratinocytes 15min, 30min 1h or 4h after stimulation with conditioned medium of S. aureus or S. epidermidis alone or both together or the unstimulated control cells. See Wanke et al., J Invest Dermatol. 2011 Feb;131(2):382-90.

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Darstellung der schützenden Wirkung von antimikrobiellen Peptiden (AMPs) in menschlicher Haut; siehe Schittek et al. Infectious Disorders Drug Targets 8, 135-143 (2008)

Forschungsschwerpunkte

  • Antimikrobielle Peptide in menschlicher Haut
  • Einfluß von Hautkommensalen auf eine Pathogeninfektion menschlicher Haut
  • Etablierung von komplexen humanen Modellsystemen in vitro (organotypisches Hautmodell; Hautexplantate; primäre humane Keratinozyten)
  • Etablierung eines epikutanen Hautinfektionsmodell in der Maus
  • Zusammenspiel von Wirts-abgeleiteten antimikrobiellen Peptiden und Bakteriozinen
  • Mechanismus der Aktivität von Dermcidin-abgeleiteten antimikrobiellen Peptiden

Main research focus

  • Antimicrobial peptides in human skin
  • Influence of commensal bacteria on a pathogen infection of human skin
  • Establishment of complex  human skin infection models in vitro (organotypic skin model; skin explants; primary human keratinocytes)
  • Establishment of epicutaneous mouse skin infection models
  • Interplay of host-derived antimicrobial peptides and bacteriocins
  • Mechanism of activity of antimicrobial peptides derived from dermcidin

Forschungsförderung

  • Sonderforschungsbereich 776 (Die bakterielle Zellhülle), Teilprojekt A10: Die bakterielle Zellhülle als Zielstruktur für Dermcidin.
  • Deutsche Forschungsgemeinschaft: Konditionierung von epithelialen Oberflächen für eine Immunabwehr durch probiotische und kommensale Bakterien.

Funding

  • Collaborative Research Center 777 (The bacterial cell envelope), project A10: The bacterial cell envelope as a target structure for dermcidin
  • German Research Council/DFG: Conditioning of epithelial surfaces for defense by probiotic and commensal bacteria.

Aktuelle Publikationen / Recent papers