Verzuckerte Zellen: Wie der Körper Krankheitserreger erkennt

Wie setzt sich der Körper gegen Infektionen zur Wehr? Diese Frage treibt Professor Bernd Lepenies bei seiner Forschung an. Seit Januar 2025 ist er Inhaber des Lehrstuhls für Biochemie und Chemie an der Tierärztlichen Fakultät der LMU. Er will insbesondere besser verstehen, wie Krankheitserreger in Wechselwirkung mit dem Immunsystem treten: „Ich untersuche die Mechanismen, mit denen ein tierischer oder menschlicher Körper unerwünschte Eindringlinge erkennt – wie er also zwischen eigenen und fremden Zellen unterscheidet.“

Zuckermoleküle – eine unterschätzte Stoffgruppe

Im Zentrum stehen dabei sogenannte Lektine, eine Klasse von Schaltermolekülen des Immunsystems. Sie erkennen spezifische Zuckerstrukturen auf der Oberfläche von Zellen. „Zucker und ihre Wechselwirkungen mit zuckerbindenden Proteinen sind in der Wissenschaft bisher noch extrem unterbewertet“, findet der Biochemiker. Unter den Makromolekülen kenne man vor allem Proteine als molekulare Werkzeuge in den Zellen und Nukleinsäuren als Bestandteil der Erbsubstanz.

Komplexe Zuckerstrukturen hingegen sind, so Lepenies, bislang noch wenig im Fokus der Aufmerksamkeit. Dabei gibt es sie in Form von Zucker-modifizierten (glykosylierten) Proteinen und Fetten als Bestandteil jeder Zelloberfläche, der sogenannten Glykokalyx. Das Zusammenspiel von Lektinen und Glykokalyx spielt bei ganz grundlegenden biologischen Vorgängen eine entscheidende Rolle, beispielsweise bei der Entwicklung, Migration und Teilung von Zellen und bei der Fortpflanzung. Aber eben auch bei Entzündungsprozessen und der Wirt-Pathogen-Interaktion.

Weil jeder Organismus eine ganz spezifische Glykosylierung aufweist, kann das Immunsystem sie zur Selbst-Fremd-Unterscheidung nutzen und so unerwünschte Zellen identifizieren. Auch sogenannte Tumor-assoziierte Antigene auf der Zelloberfläche sind meistens Zucker. „Lektin-Interaktionen sind dadurch vielversprechende Ansatzpunkte für neuartige Therapien, nicht nur gegen Infektionen, sondern auch bei Autoimmun- und Krebserkrankungen.“

Medikamente gezielt einschleusen

Bernd Lepenies verfolgt bei seiner Arbeit anwendungsorientierte Ansätze, die die Funktion von Lektinen nutzen – zum Beispiel, um Wirkstoffe zielgenauer im Körper zu verteilen. Denn manche Lektine führen bei Aktivierung zur Endozytose – zur Aufnahme in die Zelle. Wenn also der richtige Zucker an das Lektin bindet, sperrt er wie ein passender Schlüssel die Zelle auf. Der Zucker und alles, was daran gebunden ist, wird dann ins Zellinnere hereingelassen.

„Wenn man zum Beispiel ein Liposom – eine winzige Fettblase – mit einem Krebsmedikament oder einem Antibiotikum belädt, dann kann man den Wirkstoff über diese Zucker-Lektin-Erkennung viel gezielter in bestimmte Zellen einbringen“, erklärt Lepenies. Dafür muss man natürlich wissen, auf welchen Zelltypen welche Lektine vorhanden sind. „Das untersuchen wir unter anderem, sowohl im Menschen als auch in veterinärmedizinisch relevanten Tierarten.“

Das Immunsystem trainieren

Der zweite Ansatz, den die Arbeitsgruppe von Lepenies verfolgt, ist ein relativ neuartiges Konzept, bei dem man versucht, das angeborene Immunsystem über Lektin-Rezeptoren gezielt zu trainieren, sodass sie auf bestimmte Signale sensibler reagieren oder aber umgekehrt eine höhere Toleranz gegen sie entwickeln. Auf diese Weise könnte man das Immunsystem auf bestimmte Erreger oder Tumorzellen abrichten oder verhindern, dass es bei Autoimmunerkrankungen überreagiert.

Das ist alles andere als einfach: Auf der Oberfläche von Krankheitserregern existieren nämlich viele verschiedene komplexe Zucker, die häufig mehrere Lektine gleichzeitig ansteuern. Die unterschiedlichen Signale können sich synergistisch verstärken oder gegenseitig herunterregulieren. „Das sind wirklich harte Nüsse, die wir zu knacken haben, aber in diesem Feld steckt eine Menge Potenzial!“, sagt Lepenies.

Ein Biochemiker in der Tiermedizin

Auf die Frage, wie er zu diesem Fachgebiet gekommen ist, antwortet Bernd Lepenies: „Mich hat schon immer die molekulare Wechselwirkung von Krankheitserregern mit dem Immunsystem interessiert.“ Weil er unbedingt in einem Biosicherheitslabor mit Krankheitserregern arbeiten wollte, fiel nach dem Abitur die Wahl des Studienortes auf Hamburg. Am Bernhard-Nocht-Institut für Tropenmedizin und der Universität Hamburg promovierte er zum Thema Malaria-Infektion. Anschließend wechselte er als Postdoc an die ETH Zürich, wo er zum ersten Mal in Kontakt mit den Zuckern kam.

Nachdem er erfolgreich eine BMBF-Nachwuchsgruppe einwerben konnte, wechselte er ans Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Potsdam und habilitierte parallel an der Freien Universität Berlin. „In dieser Zeit legte ich den Grundstein für meine heutige Arbeit, indem ich die Erkenntnisse zur Immunologie aus meiner Dissertationszeit mit dem Wissen über die Zucker-Biochemie und das Drug-Targeting aus meiner Postdoc-Zeit verknüpfte.“

Holistisch und interdisziplinär

Die Glyko-Immunologie nahm er als Forschungsschwerpunkt mit, als er 2015 an die Tierärztliche Hochschule Hannover berufen wurde. Dort setzte er fort, was er in Berlin begonnen hatte, jetzt jedoch auch erweitert auf verschiedene Tierarten. Dabei ging es um das sogenannte One-Health-Prinzip, einen holistischen Ansatz, der davon ausgeht, dass menschliche und tierische Gesundheit im Kontext einer gesunden Umwelt eng miteinander verknüpft sind. Diese Sichtweise prägt Lepenies‘ Forschung bis heute: „Das Übergreifende und die Erweiterung meiner Forschung auf das Tier haben mich sehr fasziniert. Wir sind eine der wenigen Gruppen, die Lektine so ganzheitlich für Menschen und veterinärmedizinisch relevante Tierarten betrachten.“

Dass er eines Tages an einer tierärztlichen Fakultät lehren und forschen würde, hätte er zu Beginn seiner Karriere nie gedacht. „Ich habe im Verlauf der Jahre realisiert, dass man offen sein muss für unerwartete Wendungen und die Verknüpfung verschiedener Disziplinen.“ Diese Erfahrung möchte Lepenies als Vertrauensdozent für die Studienstiftung des deutschen Volkes an Studierende und als Mentor an junge Forschende weitergeben. Auch sie sollen seiner Meinung nach ein bisschen am Wegesrand schauen und nicht nur geradlinig einem vorgeschriebenen Pfad folgen. „Das kann man einerseits mangelnde Stringenz nennen oder fehlenden Fokus, andererseits Flexibilität und Offenheit für andere Disziplinen – und diese Offenheit hat mir in meiner wissenschaftlichen Arbeit bisher sehr geholfen."