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Forschungsschwerpunkte

Zunehmende Antibiotikaresistenzen, chronische Infektionen und (wieder-)auftretende Krankheitserreger gehören zu den größten gesundheitlichen Herausforderungen der Menschheit. Als öffentliche Einrichtung leistet das Helmholtz-Institut für RNA-basierte Infektionsforschung (HIRI) mit seinem integrierten Ansatz Pionierarbeit. Es will das große Potenzial von RNA in Diagnostik und Therapie ausschöpfen, um neue Strategien zur Bekämpfung von Infektionskrankheiten zu entwickeln.

Drei zentrale Forschungsbereiche

Unter der Leitung von HIRI-Direktor Jörg Vogel konzentriert sich das Institut auf drei zentrale Bereiche: Es betreibt Grundlagenforschung an bakteriellen Krankheitserregern, an Viren und an der Immunabwehr des Wirts. Übergeordnetes Ziel ist es, künftig neuartige RNA-basierte Therapeutika und Technologien für die Diagnostik und Behandlung von Krankheiten zu entwickeln.

Aktuelle Forschungsthemen – zum Beispiel RNA-Modifikationen – sind integraler Bestandteil der Arbeit am HIRI und sichern dem Institut einen Platz an der Spitze der Infektionsforschung. Seine Kerntechnologien, insbesondere Hochdurchsatz-Sequenzierungsansätze, eröffnen neue Möglichkeiten, um die verschiedenen Funktionen von Ribonukleinsäuren (RNA) in Infektionsprozessen auf molekularer Ebene zu analysieren und zu verstehen.

 

Die mRNA-Impfung gegen COVID-19 zeigt ganz deutlich, wie Wirkstoffe mit Ribonukleinsäuren sehr schnell entwickelt und spe­zifisch angepasst werden können. Diese Anpassungsfähigkeit wollen wir uns zunutze machen, um neue maßgeschneiderte Therapeutika zu entwickeln und Infektionskrankheiten zu bekämpfen.

Jörg Vogel (Mehr in diesem Interview)

Integrierter wissenschaftlicher Ansatz

Mit seinem integrierten wissenschaftlichen Ansatz und der hoch modernen Infrastruktur bietet das HIRI ein lebendiges Forschungsumfeld für etablierte ebenso wie für junge Wissenschaftler:innen. Zahlreiche Synergien – etwa in der Vernetzung mit der starken angewandten Forschung an der Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg und am Braunschweiger Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung (HZI) – schaffen beste Voraussetzungen, um gewonnene Erkenntnisse in die Anwendung zu bringen. Dies ist ein fruchtbarer Boden auch für Kooperationen mit der Industrie, um gemeinsam neue Wege in der Diagnose und Behandlung von Infektionskrankheiten zu beschreiten.

 

Bakterielle Infektionen

Trotz verbesserter Präventions- und Behandlungsmöglichkeiten sind bakterielle Krankheitserreger nach wie vor eine Hauptursache für lebensbedrohliche akute und chronische Erkrankungen weltweit. Die Zunahme multiresistenter Keime in Krankenhäusern bedroht heute die beträchtlichen Fortschritte unserer modernen Medizin. Darüber hinaus können Infektionen sowie die Einnahme von Breitband-Antibiotika dramatische Veränderungen in der Darm-Mikrobiota verursachen, mit Auswirkungen auf die Entwicklung und Ausprägung scheinbar nicht zusammenhängender Krankheiten.

Auf dem Gebiet der bakteriellen Infektionen will das HIRI neue Wege zur schnellen Diagnose und Behandlung entwickeln. Ein Hauptziel ist die umfassende gleichzeitige RNA-basierte Charakterisierung des Erregers und des infizierten Wirts in Echtzeit und in hoher Auflösung. Dabei soll, soweit möglich, auch immer die umgebende Mikrobiota berücksichtigt werden. Die Wissenschaftler:innen in diesem Bereich untersuchen dabei insbesondere solche RNA-Moleküle, die (a) für die Herstellung krankmachender Faktoren des Erregers entscheidend sind, (b) die bei Kontakt des Erregers mit dem Wirt verstärkt oder vermindert produziert werden oder (c) die die Gen-Aktivität miteinander interagierender Mitglieder der Mikrobiota beeinflussen. Dieses Wissen wird dann für therapeutische Maßnahmen mit klinisch relevanten bakteriellen Krankheitserregern genutzt.

Virus-Infektionen

Viren sind für Millionen von akuten und chronischen Infektionen verantwortlich, teils verbunden mit verheerenden Folgen wie lebenslanger Behinderung, Krebs oder Tod. Für viele dieser Infektionen fehlen bis heute wirksame Impfstoffe oder Behandlungen. Darüber hinaus ist die Mehrzahl der neu auftretenden Infektionen, die globale Epidemien (Pandemien) auslösen können, viralen Ursprungs. Daher ist die Erforschung der virusbedingten Krankheitsentstehung (Pathogenese), die Identifizierung neuer Zielstrukturen als Angriffspunkte für Medikamente und die darauf basierende Entwicklung solcher Medikamente von großem öffentlichen Interesse.

Im Hinblick auf virale Infektionen wollen HIRI-Wissenschaftler:innen aufklären, welche Rolle RNA-Moleküle in der Entstehung und im Verlauf einer Infektion spielen. Dazu müssen sie zunächst sogenannte nicht-kodierende RNAs (ncRNAs) des Virus und die mit ihnen in Verbindung stehenden regulatorischen Elemente verstehen. Das HIRI will herausfinden, wie diese ncRNAs mit RNA-Molekülen im Wirtsorganismus interagieren, auf die das Virus abzielt. Dabei schafft das HIRI neue Forschungsansätze für die Entwicklung und präklinische Prüfung einer neuen Generation antiviraler Therapien: Diese sollen gezielt die Funktionen von ncRNAs beeinflussen, um auf diesem Weg virusbedingte Erkrankungen zu bekämpfen beziehungsweise zu verhindern.

Wirtsabwehr

Die Abwehrreaktion auf Infektionen besteht aus einer Reihe komplexer Interaktionen zwischen Krankheitserreger, Körperzellen des Wirts und dessen Immunsystem. Während einer Infektion starten das angeborene und das erworbene Immunsystem des Wirts aufeinander abgestimmte Abwehrreaktionen, um einen eingedrungenen Erreger in Schach zu halten. Das erfordert erhebliche "Umbaumaßnahmen" im Wirtsorganismus in Form einer veränderten Produktion (= Expression) an körpereigenen RNA-Molekülen. Dies gilt dabei gleichermaßen für die bekannten Protein-produzierenden (= kodierenden) RNAs wie auch für die regulatorischen (= nicht-kodierenden) RNAs. Diese sogenannten RNA-Expressionsänderungen werden durch den Erreger, aber auch durch die aktivierten Abwehrmechanismen des Wirts selbst beeinflusst. Eine engmaschige Kontrolle dieser Mechanismen ist notwendig, um das Überleben des Erregers ebenso wie eine wirtsschädigende Überaktivierung des Immunsystems (Immunpathologie) zu verhindern. Diese Steuerungsmechanismen hängen entscheidend von komplexen RNA-basierten regulatorischen Netzwerken ab.

HIRI-Forschung auf dem Gebiet der Wirtsabwehr will die komplexen RNA-Netzwerke aufklären, die an der Kontrolle einer Infektion beteiligt sind. Ein Ziel ist die umfassende RNA-basierte Kartierung der individuellen Reaktionen aller beteiligten Zelltypen während einer Infektion. Dafür untersuchen die Wissenschaftler:innen die Funktionen von solchen ncRNAs und RNA-Elementen, die durch die Wirtsreaktion auf bakterielle und virale Infektionen reguliert und gesteuert werden. Die gewonnenen Erkenntnisse werden für therapeutische Ansätze genutzt mit dem Ziel, die Wirtsantwort auf die Infektion zu modulieren und so die Pathogenese zu begrenzen.

RNA-basierte Therapeutika

Vor dem Hintergrund steigender antimikrobieller Resistenzen und neuer Krankheitserreger ist es dringend erforderlich, das aktuell vorhandene Spektrum an Antiinfektiva zu erweitern. RNA-basierte Therapeutika und RNA-bindende Medikamente bieten überaus spannende Möglichkeiten für hoch präzise und damit minimal invasive Eingriffe zur Bekämpfung von Krankheitserregern und zum Schutz des Wirts.

Übergeordnetes Ziel des HIRI ist es daher, neue Präzisionstechnologien für den Transport von RNA-Medikamenten zu entwickeln, die zur Behandlung von Infektionskrankheiten eingesetzt werden können. Dies erfordert zunächst ein hohes Maß an interdisziplinärer Forschung an der Schnittstelle von klinischer Medizin, Biowissenschaften, (Nano-) Materialwissenschaften und pharmazeutischer Forschung. Ausgehend von modernster physikalisch-chemischer Analytik soll die RNA-Arzneimittelforschung dann in die klinische Erprobung führen.

Bakterielle Infektionen

Trotz verbesserter Präventions- und Behandlungsmöglichkeiten sind bakterielle Krankheitserreger nach wie vor eine Hauptursache für lebensbedrohliche akute und chronische Erkrankungen weltweit. Die Zunahme multiresistenter Keime in Krankenhäusern bedroht heute die beträchtlichen Fortschritte unserer modernen Medizin. Darüber hinaus können Infektionen sowie die Einnahme von Breitband-Antibiotika dramatische Veränderungen in der Darm-Mikrobiota verursachen, mit Auswirkungen auf die Entwicklung und Ausprägung scheinbar nicht zusammenhängender Krankheiten.

Auf dem Gebiet der bakteriellen Infektionen will das HIRI neue Wege zur schnellen Diagnose und Behandlung entwickeln. Ein Hauptziel ist die umfassende gleichzeitige RNA-basierte Charakterisierung des Erregers und des infizierten Wirts in Echtzeit und in hoher Auflösung. Dabei soll, soweit möglich, auch immer die umgebende Mikrobiota berücksichtigt werden. Die Wissenschaftler:innen in diesem Bereich untersuchen dabei insbesondere solche RNA-Moleküle, die (a) für die Herstellung krankmachender Faktoren des Erregers entscheidend sind, (b) die bei Kontakt des Erregers mit dem Wirt verstärkt oder vermindert produziert werden oder (c) die die Gen-Aktivität miteinander interagierender Mitglieder der Mikrobiota beeinflussen. Dieses Wissen wird dann für therapeutische Maßnahmen mit klinisch relevanten bakteriellen Krankheitserregern genutzt.

Virus-Infektionen

Viren sind für Millionen von akuten und chronischen Infektionen verantwortlich, teils verbunden mit verheerenden Folgen wie lebenslanger Behinderung, Krebs oder Tod. Für viele dieser Infektionen fehlen bis heute wirksame Impfstoffe oder Behandlungen. Darüber hinaus ist die Mehrzahl der neu auftretenden Infektionen, die globale Epidemien (Pandemien) auslösen können, viralen Ursprungs. Daher ist die Erforschung der virusbedingten Krankheitsentstehung (Pathogenese), die Identifizierung neuer Zielstrukturen als Angriffspunkte für Medikamente und die darauf basierende Entwicklung solcher Medikamente von großem öffentlichen Interesse.

Im Hinblick auf virale Infektionen wollen HIRI-Wissenschaftler:innen aufklären, welche Rolle RNA-Moleküle in der Entstehung und im Verlauf einer Infektion spielen. Dazu müssen sie zunächst sogenannte nicht-kodierende RNAs (ncRNAs) des Virus und die mit ihnen in Verbindung stehenden regulatorischen Elemente verstehen. Das HIRI will herausfinden, wie diese ncRNAs mit RNA-Molekülen im Wirtsorganismus interagieren, auf die das Virus abzielt. Dabei schafft das HIRI neue Forschungsansätze für die Entwicklung und präklinische Prüfung einer neuen Generation antiviraler Therapien: Diese sollen gezielt die Funktionen von ncRNAs beeinflussen, um auf diesem Weg virusbedingte Erkrankungen zu bekämpfen beziehungsweise zu verhindern.

Wirtsabwehr

Die Abwehrreaktion auf Infektionen besteht aus einer Reihe komplexer Interaktionen zwischen Krankheitserreger, Körperzellen des Wirts und dessen Immunsystem. Während einer Infektion starten das angeborene und das erworbene Immunsystem des Wirts aufeinander abgestimmte Abwehrreaktionen, um einen eingedrungenen Erreger in Schach zu halten. Das erfordert erhebliche "Umbaumaßnahmen" im Wirtsorganismus in Form einer veränderten Produktion (= Expression) an körpereigenen RNA-Molekülen. Dies gilt dabei gleichermaßen für die bekannten Protein-produzierenden (= kodierenden) RNAs wie auch für die regulatorischen (= nicht-kodierenden) RNAs. Diese sogenannten RNA-Expressionsänderungen werden durch den Erreger, aber auch durch die aktivierten Abwehrmechanismen des Wirts selbst beeinflusst. Eine engmaschige Kontrolle dieser Mechanismen ist notwendig, um das Überleben des Erregers ebenso wie eine wirtsschädigende Überaktivierung des Immunsystems (Immunpathologie) zu verhindern. Diese Steuerungsmechanismen hängen entscheidend von komplexen RNA-basierten regulatorischen Netzwerken ab.

HIRI-Forschung auf dem Gebiet der Wirtsabwehr will die komplexen RNA-Netzwerke aufklären, die an der Kontrolle einer Infektion beteiligt sind. Ein Ziel ist die umfassende RNA-basierte Kartierung der individuellen Reaktionen aller beteiligten Zelltypen während einer Infektion. Dafür untersuchen die Wissenschaftler:innen die Funktionen von solchen ncRNAs und RNA-Elementen, die durch die Wirtsreaktion auf bakterielle und virale Infektionen reguliert und gesteuert werden. Die gewonnenen Erkenntnisse werden für therapeutische Ansätze genutzt mit dem Ziel, die Wirtsantwort auf die Infektion zu modulieren und so die Pathogenese zu begrenzen.

RNA-basierte Therapeutika

Vor dem Hintergrund steigender antimikrobieller Resistenzen und neuer Krankheitserreger ist es dringend erforderlich, das aktuell vorhandene Spektrum an Antiinfektiva zu erweitern. RNA-basierte Therapeutika und RNA-bindende Medikamente bieten überaus spannende Möglichkeiten für hoch präzise und damit minimal invasive Eingriffe zur Bekämpfung von Krankheitserregern und zum Schutz des Wirts.

Übergeordnetes Ziel des HIRI ist es daher, neue Präzisionstechnologien für den Transport von RNA-Medikamenten zu entwickeln, die zur Behandlung von Infektionskrankheiten eingesetzt werden können. Dies erfordert zunächst ein hohes Maß an interdisziplinärer Forschung an der Schnittstelle von klinischer Medizin, Biowissenschaften, (Nano-) Materialwissenschaften und pharmazeutischer Forschung. Ausgehend von modernster physikalisch-chemischer Analytik soll die RNA-Arzneimittelforschung dann in die klinische Erprobung führen.

Mehr zu unserer Forschung

 

Forschungsgruppen
Publikationen
RNA in Würzburg
SARS-CoV-2-Forschung