AG Diabetes und Biomaterialien

Die Karlsburger Typ-1-Diabetes-Risikostudie

Der insulin-abhängige Diabetes mellitus Typ 1 (T1DM) wird verursacht durch eine selektive, autoimmunologische Zerstörung der insulin-produzierenden Betazellen. Bereits viele Jahre vor der klinischen Manifestation sind im Blut der Betroffenen Autoantikörper (AAk) nachweisbar, die gegen betazell-spezifische Antigene, wie Glutamatdecarboxylase GAD65 (GADA), Proteintyrosinphosphatase IA-2 (IA-2A), Insulin (IAA) und inselzellzytoplasmatische Antigene (ICA) gerichtet sind. Für das Auftreten dieser AAk konnte von verschiedenen Arbeitsgruppen bei erstgradig Verwandten von Patienten eine prognostische Bedeutung hinsichtlich einer Progression zu einem manifesten T1DM gezeigt werden. Diese Probanden weisen zwar ein etwa zehnfach höheres Erkrankungsrisiko als die Allgemeinbevölkerung auf, deren Risiko in Deutschland 0,4% beträgt. Jedoch haben etwa 90% der neu diagnostizierten Patienten keine Verwandten ersten Grades mit T1DM und entstammen somit der gesunden Allgemeinbevölkerung.

Um die prädiktive Wertigkeit der AAk bei Probanden ohne betroffene erstgradige Verwandte zu bestimmen, wurde seit 1995 in der Karlsburger Typ-1-Diabetes-Risikostudie in einer gesunden Schulkinderpopulation von ca. 15.000 Schulkindern durch ein kombiniertes AAk-Screening auf GADA, IA-2A, IAA und ICA die Häufigkeit und die Kombinationen dieser AAk in der gesunden Bevölkerung ohne Diabetesheredität untersucht. Diese Analysen ergaben, dass bei Kindern mit multiplen AAk sowie Kindern mit hochtitrigen singulären AAk auch ein hohes genetisches Risiko durch Vorliegen der diabetes-assoziierten HLA-DR- und -DQ-Allele besteht. Eine Analyse der GADA-Epitopspezifität zeigte darüber hinaus, dass sich bei Kindern mit hohem Risiko und Kindern mit Manifestation der Erkrankung das Bindungsmuster dieser AAk dynamisch entwickelt und im zeitlichen Verlauf mehrere Epitope umfasst. Weiterhin konnte nachgewiesen werden, dass die Affinität der GADA und der IAA bei Kindern mit multiplen AAk und/oder T1DM-Manifestation signifikant erhöht ist gegenüber Kindern mit singulären AAk.

Neben anderen Umwelteinflüssen werden Virusinfektionen als eine mögliche Ursache der Initiation der Beta-Zellzerstörung angesehen. Wir konnten in den Seren von Schulkindern aus der Karlsburger Typ-1-Diabetes-Risikostudie mit multiplen AAk und bei T1DM-Patienten zum Zeitpunkt der Manifestation RNA-Sequenzen von Enteroviren nachweisen. Im Langzeitverlauf der Studie ergab eine Auswertung nach 18 Jahren, dass das kumulative T1DM-Risiko beim Vorliegen multipler AAk-Positivität nach zehn Jahren bei 59,7% und nach 18 Jahren bei 75,1% liegt. Es ist somit in der gesunden Allgemeinbevölkerung mit dem Risiko bei erstgradigen Verwandten von Typ-1-Diabetikern vergleichbar. Darauf basierend wäre mit einem kombinierten AAk-Screening auch in der gesunden Allgemeinbevölkerung eine präzise individuelle Risikoabschätzung als Basis für eine mögliche präventive Intervention zur Verhinderung der T1DM-Manifestation bei Risikoprobanden möglich.

Aktuelle Arbeiten in der Karlsburger Typ-1-Diabetes-Risikostudie betreffen unter anderen die prognostische Wertigkeit der 2007 neu entdeckten AAk gegen den Zink-Transporter 8 (ZnT8A) sowie einer zusätzlichen Bestimmung von AAk gegen IA-2beta bei IA-2A-positiven Schulkindern.

Mit dem Klinikum Karlsburg, Klinik für Diabetes und Stoffwechselerkrankungen (Dr. J. Kuhn, Prof. Dr. W. Kerner) besteht seit 1994 eine enge Zusammenarbeit sowohl in der Forschung als auch im Bereich der klinischen Diagnostik. Aktuell wird ein gemeinsames Verbundprojekt der EUROIMMUN AG, des Klinikums Karlsburg und der Klinik und Poliklinik für Allgemeine Chirurgie der UMG durch die Europäische Union Europäischer Fond für Regionale Entwicklung mit 1,0 Mio. Euro (Chirurgie anteilig 250.000 €) gefördert.

DASP/ IASP:Evaluierung von Assays für diabetes-assoziierte Autoantikörper

In der Arbeitsgruppe Prädiktive Diagnostik wurden zum Nachweis der diabetes-assoziierten AAk verschiedene Immunoassays etabliert und evaluiert. Die dabei entwickelten Radioimmunoassays gehören zu den weltweit sensitivsten Methoden und wurden bisher in allen internationalen Rundversuchen evaluiert. Seit 2002 ist die Arbeitsgruppe Referenzlabor des "Center of Disease Control and Prevention" (CDC, Atlanta, U.S.A.) und des "Diabetes Autoantibody Standardization Program" (DASP) der "Immunology of Diabetes Society" für die Bestimmung von GADA, IA-2A und IAA sowie internationales Referenzlabor der "Eurotransplant International Foundation" (Leiden, Niederlande) für die Bestimmung von GADA, IA-2A und ICA.

PD Dr. Michael Schlosser gehört zudem seit 2004 dem Antikörperkomitee der "Immunology of Diabetes Society" an, das sich derzeit fünf Wissenschaftlern aus den USA, Italien, UK und Deutschland zusammensetzt. Das Komitee führt im Rahmen des "Diabetes Autoantibody Standardization Program" beziehungsweise seit 2012 des "Islet Autoantibody Standardization Program" (IASP) regelmäßig internationale Ringversuche zur Assay-Evaluierung mit Beteiligung von weltweit mehr als 40 Laboratorien durch und veröffentlicht die Ergebnisse entsprechend. Das Programm wird von der Immunology of Diabetes Society, dem NIH und der University of Florida finanziert.

Zur Karlsburger Typ-1-Diabetes-Risikostudie:

• Schlosser M, Strebelow M, Wassmuth R, Arnold M-L, Breunig I, Rjasanowski I, Ziegler B, Ziegler M. The Karlsburg Type 1 diabetes risk study of a normal schoolchild population: Association of ß-cell autoantibodies and Human Leucocyte Antigen-DQB1 alleles in antibody-positive individuals. J Clin Endocrinol Metab 87 (2002) 2254-2261.
• Schlosser M, Banga JP, Madec AM, Binder KA, Strebelow M, Rjasanowski I, Wassmuth R, Gilliam LK, Luo D, Hampe CS. Dynamic changes of GAD65 autoantibody epitope specificities during progression to type 1 diabetes. Diabetologia 48 (2005) 922-930.
• Schlosser M, Koczwara K, Kenk H, Strebelow M, Rjasanowski I, Wassmuth R, Achenbach P, Ziegler A-G, Bonifacio E. Antibody affinity distinguishes high and low risk insulin autoantibody positive children from the general population. Diabetologia 48 (2005) 1830-1832.
• Moya-Suri V, Schlosser M, Zimmermann K, Rjasanowski I, Gürtler L, Mentel R. Enterovirus RNA sequences in sera of schoolchildren in the general population and their interaction with Type 1 diabetes associated autoantibodies. Int J Med Microbiol 54 (2005) 879-883.
• Bender C, Schlosser M, Christen U, Ziegler AG, Achenbach P. GAD autoantibody affinity in schoolchildren from the general population. Diabetologia 57 (2014) 1911-1918.
• Till AM, Kenk H, Rjasanowski I, Wassmuth R, Walschus U, Kerner W, Schlosser M. Autoantibody-defined risk for Type 1 diabetes mellitus in a general population of schoolchildren: results of the Karlsburg Type 1 Diabetes Risk Study after 18 years. Diabet Med 32 (2015) 1008-1016.
• Stifter K, Schuster C, Schlosser M, Boehm BO, Schirmbeck R. Exploring the induction of preproinsulin-specific Foxp3(+) CD4(+) Treg cells that inhibit CD8(+) T cell-mediated autoimmune diabetes by DNA vaccination. Sci Rep. 6 (2016) 29419. doi: 10.1038/srep29419.
• Baumann K, Kesselring K, Lampasona V, Walschus U, Kerner W, Wassmuth R, Schlosser M. Autoantibodies against zinc transporter 8 further stratify the autoantibody-defined risk for type 1 diabetes in a general population of schoolchildren and have distinctive isoform binding patterns in different forms of autoimmune diabetes: results from the Karlsburg Type 1 Diabetes Risk Study. Diabet Med. 38 (2021) e14389. doi: 10.1111/dme.14389

Zu DASP/ IASP:

• Achenbach P, Schlosser M, Williams AJ, Yu L, Mueller PW, Bingley PJ, Bonifacio E. Combined testing of antibody titer and affinity improves insulin autoantibody measurement: Diabetes Antibody Standardization Program. Clin Immunol 122 (2007) 85-90.
• Törn C, Mueller PW, Schlosser M, Bonifacio E, Bingley PJ & Participating Laboratories. Diabetes Antibody Standardization Program: evaluation of assays for autoantibodies to glutamic acid decarboxylase and islet antigen-2. Diabetologia 51 (2008) 846-852.
• Schlosser M, Mueller PW, Törn C, Bonifacio E, Bingley PJ & Participating Laboratories. Diabetes Antibody Standardization Program: evaluation of assays for insulin autoantibodies. Diabetologia 53 (2010) 2611-2620.
• Lampasona V, Schlosser M, Mueller PW, Williams AJ, Wenzlau JM, Hutton JC, Achenbach P. Diabetes Antibody Standardization Program: first proficiency evaluation of assays for autoantibodies to zinc transporter 8. Clin Chem 57 (2011) 1693-1702.
• Schlosser M, Mueller PW, Achenbach P, Lampasona V, Bingley PJ & Participating Laboratories. Diabetes Antibody Standardization Program: First evaluation of assays for autoantibodies to IA-2β. Diabetes Care 34 (2011) 2410-2412.
• Williams AJ, Lampasona V, Schlosser M, Mueller PW, Pittman DL, Winter WE, Akolkar B, Wyatt R, Brigatti C, Krause S, Achenbach P & Participating Laboratories. Detection of Antibodies Directed to the N-Terminal Region of GAD Is Dependent on Assay Format and Contributes to Differences in the Specificity of GAD Autoantibody Assays for Type 1 Diabetes. Diabetes 64 (2015) 3239-3246.
• Lampasona V, Pittman DL, Williams AJ, Achenbach P, Schlosser M, Akolkar B, Winter WE; Participating Laboratories. Islet Autoantibody Standardization Program 2018 Workshop: Interlaboratory Comparison of Glutamic Acid Decarboxylase Autoantibody Assay Performance. Clin Chem. 65 (2019) 1141-1152.

Die Verträglichkeit von Implantatmaterialien im Körper ist von entscheidender Bedeutung für die langfristige Funktion des Implantats. Neben der Zytotoxizität, der Gewebekompatibilität, der Karzinogenität und der Thrombogenität kommt dabei der Immunogenität und der Entzündungsreaktion eine zentrale Rolle zu. Abweichend vom normalen Verlauf der Wundheilungsreaktion bleibt in der Regel über die gesamte Verweildauer des Implantats im Körper eine chronische Entzündung bestehen. Deren Endphase wird als Fremdkörperreaktion bezeichnet und ist durch das persistente Vorhandensein von Makrophagen und mehrkernigen Fremdkörperriesenzellen sowie Lymphozyten im Periimplantgewebe gekennzeichnet.

Die Immunogenität von Implantatmaterialien wurde bisher als Teil der Bewertung von deren Biokompatibilität nur wenig untersucht. Ausgehend von frühen Untersuchungen zur Bildung von Antikörpern gegen polymere Biosensormembranen lag der Fokus der Arbeitsgruppe zunächst im Rahmen mehrerer DFG- und BMFT-Projekte auf dem Nachweis von spezifischen Antikörpern gegen die Polymer-Matrix und die Imprägnierung von Gefäßprothesen. Darüber wurde für Gefäßprothesen die Assoziation der Antikörperantwort und der Prothesenkonstruktion mit den lokalen Gewebereaktionen analysiert.

Aufbauend auf diesen Arbeiten war die Arbeitsgruppe ab 2005 mit In-vivo-Untersuchungen zu akuten und chronischen lokalen und systemischen Entzündungsreaktionen gegen verschiedene Implantatmaterialien an mehreren EU-, Bundes- und Landes-geförderten Verbundprojekten beteiligt. Zu den dabei untersuchten Materialien zählten unter anderem Calciumphosphat, Titan und Titan-Legierungen, Polylactid sowie Kollagen, deren Oberfläche mit verschiedenen physiko-chemischen Verfahren modifiziert beziehungsweise beschichtet wurde. Dies umfasste beispielsweise Niedertemperaturplasma-Prozesse zur Erzeugung von Oberflächen mit zell-adhäsiven, anti-adhäsiven und anti-bakteriellen Eigenschaften, kovalente und nicht-kovalente Beschichtungen mit Membranlipiden sowie elektrochemische Verfahren zur Erzeugung von osteoinduktiven/ osteokonduktiven Calciumphosphat-Schichten.

Perspektivisches Ziel ist es, die Eignung systemischer Parameter der Immunogenität wie den Nachweis einer materialspezifischen Antikörperantwort und Veränderungen des Serumprofils pro- und anti-inflammatorischer Zytokine als mögliche diagnostische und prognostische Marker in der Verlaufskontrolle nach Implantation sowie als neue Methoden zur Testung der Biokompatibilität von neuen oder modifizierten Implantatmaterialien zu untersuchen.

Aktuell werden die Arbeiten der Arbeitsgruppe zu diesem Forschungsschwerpunkt durch zwei Verbundprojekte durch das Landesamt für Gesundheit und Soziales Mecklenburg-Vorpommern, Projekt 'HOGEMA' (Chirurgie anteilig 182.244,53 €) und das Ministerium für Wirtschaft, Bau und Tourismus Mecklenburg-Vorpommern, Europäischer Fond für Regionale Entwicklung, Implantate mit Wachstumsfaktoren (Chirurgie anteilig 236.688,00 €) gefördert.

• Zippel R, Wilhelm L, Hoene A, Walschus U Ueberrueck T, Schlosser M. Local tissue reaction and differentiation of the prosthesis-specific antibody response following functional implantation of vascular grafts in pigs. J Biomed Mater Res B Appl Biomater 85 (2008) 334-342.
• Walschus U, Hoene A, Neumann HG, Wilhelm L, Lucke S, Lüthen F, Rychly J, Schlosser M. Morphometric immunohistochemical examination of the inflammatory tissue reaction after implantation of calcium phosphate-coated titanium plates in rats. Acta Biomater 5 (2009) 776-684.
• Patrzyk M, Hoene A, Jarchow R, Wilhelm L, Walschus U, Zippel R, Schlosser M. Time course of fibronectin in the peri-implant tissue and neointima formation after functional implantation of polyester-based vascular prostheses with different porosity in pigs. Biomed Mater 5 (2010) ID 055003.
• Hoene A, Walschus U, Patrzyk M, Finke B, Lucke S, Nebe B, Schroeder K, Ohl A, Schlosser M. In vivo investigation of the inflammatory response against allylamine plasma polymer coated titanium implants in a rat model. Acta Biomater 6 (2010) 676-683.
• Kochanowski A, Hoene A, Patrzyk M, Walschus U, Finke B, Luthringer B, Feyerabend F, Willumeit R, Lucke S, Schlosser M. Examination of the inflammatory response following implantation of titanium plates coated with phospholipids in rats. J Mater Sci Mater Med 22 (2011) 1015-1026.
• Walschus U, Hoene A, Patrzyk M, Finke B, Polak M, Lucke S, Nebe B, Schroeder K, Podbielski A, Wilhelm L, Schlosser M. Serum profile of pro- and anti-inflammatory cytokines in rats following implantation of low-temperature plasma-modified titanium plates. J Mater Sci Mater Med 23 (2012) 1299-1307.
• Hoene A, Patrzyk M, Walschus U, Straňák V, Hippler R, Testrich H, Meichsner J, Finke B, Rebl H, Nebe B, Zietz C, Bader R, Podbielski A, Schlosser M. In vivo examination of the local inflammatory response after implantation of Ti6Al4V samples with a combined low-temperature plasma treatment using pulsed magnetron sputtering of copper and plasma-polymerized ethylenediamine. J Mater Sci Mater Med 24 (2013) 761-771.
• Lucke A, Hoene A, Walschus U, Kob A, Pissarek JW, Schlosser M. Acute and chronic local inflammatory reaction after implantation of different extracellular porcine dermis collagen matrices in rats. Biomed Res Int 15 (2015) ID 938059.
• Hoene A, Patrzyk M, Walschus U, Finke B, Lucke S, Nebe B, Schröder K, Schlosser M. Systemic IFNγ predicts local implant macrophage response. J Mater Sci Mater Med 26 (2015) ID 131.
• Walschus U, Hoene A, Patrzyk M, Lucke S, Finke B, Polak M, Lukowski G, Bader R, Zietz C, Podbielski A, Nebe JB, Schlosser M. A cell-adhesive plasma polymerized allylamine coating reduces the in vivo inflammatory response induced by Ti6Al4V modified with plasma immersion ion implantation of copper. J Funct Biomater 8 (2017) ID 30.
• Lucke S, Walschus U, Hoene A, Schnabelrauch M, Nebe JB, Finke B, Schlosser M. The in vivo inflammatory and foreign body giant cell response against different poly(l-lactide-co-d/l-lactide) implants is primarily determined by material morphology rather than surface chemistry. J Biomed Mater Res A. 106 (2018) 2726-2734. doi: 10.1002/jbm.a.36500.
• Nebe JB, Rebl H, Schlosser M, Staehlke S, Gruening M, Weltmann KD, Walschus U, Finke B. Plasma Polymerized Allylamine-The Unique Cell-Attractive Nanolayer for Dental Implant Materials. Polymers (Basel). 11 (2019) 1004. doi: 10.3390/polym11061004. Hoene A, Lucke S, Walschus U, Hackbarth C, Prinz C, Evert FK, Neumann HG, Schlosser M. Effects of copper-impregnated collagen implants on local pro- and anti-inflammatory and regenerative tissue reactions following implantation in rats. J Biomed Mater Res A. 108 (2020) 871-881. doi: 10.1002/jbm.a.36865.
• Koppe C, Hoene A, Walschus U, Finke B, Testrich H, Pohl C, Brandt N, Patrzyk M, Meichsner J, Nebe B, Schlosser M. Local Inflammatory Response after Intramuscularly Implantation of Anti-Adhesive Plasma-Fluorocarbon-Polymer Coated Ti6AI4V Discs in Rats. Polymers (Basel). 13 (2021) 2684. doi: 10.3390/polym13162684.
• Waletzko-Hellwig J, Pohl C, Riese J, Schlosser M, Dau M, Engel N, Springer A, Bader R. Effect of High Hydrostatic Pressure on Human Trabecular Bone Regarding Cell Death and Matrix Integrity. Front Bioeng Biotechnol. 9 (2021) 730266. doi: 10.3389/fbioe.2021.730266. eCollection 2021.
• Köhler R, Pohl C, Walschus U, Zippel R, Wilhelm L, Hoene A, Patrzyk M, Schlosser M. Association of systemic antibody response against polyethylene terephthalate with inflammatory serum cytokine profile following implantation of differently coated vascular prostheses in a rat animal model. J Biomed Mater Res A. 2021 Jul 9. doi: 10.1002/jbm.a.37265. Online ahead of print.

• Eingeworbene eigene Drittmittel seit 1992: 2,25 Mio Euro

• 96 Originalarbeiten in Zeitschriften mit Peer Review
• 20 Buchbeiträge
• 2 Originalarbeiten in Zeitschriften ohne Peer Review
• 342 Vorträge und Poster auf nationalen und internationalen Kongressen (220 zitierfähige Abstracts)

• 1. Posterpreis der 160. Tagung der Vereinigung Nordwestdeutscher Chirurgen, Hamburg, Dezember 1997: Zippel R, Schlosser M, Wilhelm L, Oehme J. Antigenität von Dacron-Gefäßprothesen - Untersuchungen an Mäusen.
• 1. Posterpreis der 33. Jahrestagung der Deutschen Diabetes-Gesellschaft, Leipzig, 21.-23. Mai 1998: Strebelow M, Schlosser M, Ziegler B, Rjasanowski I, Waßmuth R, Ziegler M. Vergleichende Charakterisierung der beta-zellreaktiven Autoantikörper bei Typ-1- Diabetikern und genetisch prädisponierten Risikoprobanden einer normalen Schulkinderpopulation.
• Heinrich-Sauer-Förderpreis der Norddeutschen Diabetes-Gesellschaft 1998: Strebelow M, Schlosser M, Ziegler B, Rjasanowski I, Waßmuth R, Ziegler M. Die Karlsburger Typ-I-Diabetes-Risikostudie - Vergleichende Charakterisierung der Beta-zellreaktiven Autoantikörper in einer normalen Schulkinderpopulation und bei Typ-I-Diabetikern. 7. Jahrestagung der Norddeutschen Diabetesgesellschaft, Hamburg, 30-31 Oktober 1998
• 1. Posterpreis der 35. Jahrestagung der Deutschen Diabetes-Gesellschaft, München, 31. Mai - 03. Juni 2000: Schlosser M, Waßmuth R, Strebelow M, Ziegler B, Ziegler M. Karlsburg type 1 diabetes risk study in normal schoolchildren - High positive predictive value of diabetes-associated autoantibodies.
• 2. Posterpreis des Symposiums Biomaterialien in der Allgemeinchirurgie. Jahrestagung International College of Surgeons, Deutsche Sektion. Rostock-Warnemünde, 15-16.Juni 2007: Hoene A, Wilhelm L, Walschus U, Überrück T, Schlosser M, Zippel R. Differenzierung der humoralen Immunantwort nach funktioneller Implantation von Polyester-Gefäßprothesen im Tiermodell Schwein.
• Heinrich-Sauer-Förderpreis der Norddeutschen Diabetes-Gesellschaft: 16. Jahrestagung der Norddeutschen Diabetesgesellschaft, Schwerin, 5.-6.Oktober 2007: Schlosser M. Differenzierung des Typ-I-Diabetesrisikos durch GAD65-Antikörper Epitopanalyse und Insulin-Antikörperaffinität in antikörperpositiven Kindern aus der Allgemeinbevölkerung.