Ein Grazer Forschungsteam identifizierte mithilfe von Maschinellem Lernen das charakteristische Immunprofil von COPD. Die Ergebnisse sind ein wichtiger Schritt zu besseren Vorhersagen und individueller Therapie.
Text: Sebastian Deiber
COPD gehört zu den weltweit häufigsten Todesursachen. Die Krankheit zeichnet sich durch eine chronische Entzündung des Atemtrakts und des Lungenparenchmys aus, was zu Atemwegsverengung und Lungenemphysemen führt. Schätzungen zufolge ist in Österreich etwa jede zehnte Person über 40 betroffen. Außer einer Lungentransplantation gibt es keine heilende Therapie.
Eine dauerhaft fehlregulierte Immunantwort spielt für Genese und Verlauf der Krankheit eine zentrale Rolle, sagt Dr. Leigh Marsh, Gruppenleiter am Otto Loewi Forschungszentrum und Lung Research Cluster der Med Uni Graz: „Beispielsweise erkennen die B- und T-Lymphozyten des adaptiven Immunsystems körpereigene Zellen, die etwa durch Toxine in Zigarettenrauch geschädigt wurden, irrtümlich als fremd. Sie können zudem Auto-Antikörper bilden, die das Gewebe weiter schädigen. Besonders betroffen sind die Atemwege, das Lungenparenchym und die pulmonaren Blutgefäße.“
Trotz der Bedeutung der Immunzellen bei COPD ist wenig darüber bekannt, wie sie im Detail zusammenwirken. Bisherige Forschung konzentrierte sich auf eine Auswahl bestimmter Zellpopulationen, zudem fehlte häufig der Vergleich mit gesundem Lungengewebe.
Immunzell-Profiling mit Machine Learning
In einer aktuellen Studie machte sich ein von Marsh geleitetes internationales Forschungsteam ein genaues Bild des vollständigen lokalen Immunprofils von Patient*innen mit fortgeschrittener COPD. Das Team wählte einen sogenannten „Multi-Omics“-Ansatz: Durchflusszytometrie und Cytokin-Profiling wurden mit Transkriptom-Daten der Lunge ‒ sowohl räumlich aufgelöst als auch auf Ebene einzelner Zellen ‒ kombiniert. „Unsere zentrale Herausforderung war die enorme Datenmenge“, sagt Marsh. Ein Machine-Learning-Algorithmus half den Forschenden dabei, hohe Datenqualität zu erreichen, die Datenkomplexität zu reduzieren und Muster zu erkennen.
In der Studie konnte gesundes Lungengewebe zum Vergleich herangezogen werden, „da im Rahmen von Lungentransplantationen in manchen Fällen aus medizinischen Gründen Größenreduktionen der Spenderlunge vorgenommen werden müssen und dabei überschüssiges, gesundes Gewebe anfällt. Dieses wurde von der MedUni Wien zur Verfügung gestellt“, erklärt Marsh.
Das Ergebnis der Analysen: „Die lymphozytäre Entzündung bei fortgeschrittener COPD ist im Vergleich mit gesundem Gewebe stark ausgeprägt“, sagt Marsh. Erhöhte Spiegel von Immunsignalmolekülen deuten darauf hin, dass Immunzellen kontinuierlich rekrutiert werden, was Chronifizierung und Progression der Krankheit erklären könnte.
In einem zweiten Analyseschritt interessierten sich die Forschenden für die Unterschiede zwischen den Patient*innen. Es gelang ihnen, zwei Gruppen zu identifizieren: Eine zeigt eine besonders starke adaptive Immunreaktion. Dieses Profil korreliert mit einem schwereren Krankheitsbild: „Diese Patient*innen haben schlimmere Emphyseme mit massiver Beeinträchtigung der Lungenfunktionen“, so der Forscher. Das Team nannte diesen bis dato unbekannten COPD-Subytp „Emphysema Inflammatory Subgroup“ (EIS).
Hoffnung auf individuelle Therapie
„Jetzt wollen wir untersuchen, welche Zusammenhänge zwischen Immunzellen und Klinik tatsächlich kausal sind und ob wir die Immunprofile, die fürs Spätstadium charakteristisch sind, bereits im Frühstadium detektieren können“, nennt Marsh nächste Ziele. Gelingen diese Schritte, würde dies Vorhersagen über Krankheitsverläufe und somit potenzielle frühzeitige Diagnosen und Interventionen ermöglichen, hofft das Team. „COPD ist keine einheitliche Erkrankung, sondern umfasst verschiedene Endotypen mit unterschiedlichen Verläufen“, erklärt Marsh. Daher sind individuelle Maßnahmen entscheidend, um die Krankheit zu mildern und verlangsamen.
Die Forschenden hoffen, einen Meilenstein auf dem Weg dorthin zu setzen. „Sobald wir wissen, dass ein gegebenes Krankheitsbild von spezifischen Immunzellen verursacht wird, kann man im Rahmen einer immunmodulierenden Therapie diese gezielt hemmen“, sagt Marsh.
Foto: Leigh Marsh (c) Otmar Winterleitner/Med Uni Graz