In Teilprojekt 1 werden quantitative und kausale Beziehungen durch integrative biostatistische Analyse vorhandener ´omics- und Phänotypdaten gewonnen. Es werden Modelle der systemischen entzündlichen Antwort auf Infektionen der Atemwege bei Mensch und Maus erstellt, in welche sowohl diese Beziehungen als auch Erkenntnisse der anderen Teilprojekte der Konsortiumspartner aus weiteren Untersuchungen an Mensch und Maus sowie die Ergebnisse aus experimentellen Modellen und mechanistischer Modellierung einbezogen werden. Teilprojekt 5 unterstützt das Konsortium im allgemeinen durch Datenintegration, -bereitstellung und -visualisierung, Kommunikation und Projektmanagement sowie speziell die Modellierung des Geschehens bei Pneumonie durch innovative Anwendung von Dataminingverfahren.

Die Teilprojekte 2 und 4 steuern wichtige zusätzliche Daten bei und schließen so verbleibende Verständnislücken. Hierzu erfolgen neue Analysen in bestehenden Patientenkohorten, sowie die prospektive, intensive Untersuchung beatmeter Pneumoniepatienten (multiple Analysen aus dem peripheren Blut; Proteom und Mikrobiom im pulmonalen Kompartiment). Umfangreiche komplementäre Mausexperimente liefern detaillierte Informationen über frühe, beim Patienten vor der Diagnosestellung ablaufende Vorgänge. In Experimenten an isolierten Mauslungen, Lungengewebe und Zellkulturen werden zentrale Mechanismen der Pneumonie-induzierten Barrieredysfunktion untersucht. Patienten-„omics" und experimentelle Daten tragen iterativ zur Optimierung der mathematischen Modelle bei.

Ziele der Arbeiten in den Arbeitspaketen 2.4 und 4.1 am Standort Gießen sind die Charakterisierung des Lungenmikrobioms bei Patienten mit unkomplizierter (uCAP) und schwerer CAP (sCAP) (2.4) sowie bei Infektionsmodellen (4.1) mithilfe von Sequenzierungstechnologien der nächsten Generation (NGS). Zum molekularen Nachweis respiratorischer Pathogene werden zunächst Respirationsproben (Trachealaspirate, bronchoalveoläre Lavage) von n= 60 beatmeten CAP-Patienten mithilfe Kultur-abhängiger (MALDI-TOF MS) und Kultur-unabhängiger Ansätze (MassTAG PCR) untersucht. Anschließend erfolgen vertiefte Charakterisierung des Lungenmikrobioms mittels Next-Generation Sequencing (NGS), bioinformatorische Analysen über Datenanalyse-Pipelines und die Zuordnung der Ergebnisse zu den klinischen Daten. Datenaustausch wird mit den Verbundpartnern der Teilprojekte 1, 3 und 5 erfolgen (2.4). Im Arbeitspaket 4.1 wird die Mikrobiomanalyse mittels NGS als Teil der Charakterisierung der Infektionsmodelle durchgeführt.

Dieses Teilprojekt wird dem Konsortium erheblichen Nutzen durch die Erweiterung des patientenzentrierten Teils bringen und in engen Intervallen mit den Teilprojekten 1 und 3 zusammenarbeiten. Zentrale Aspekte der Pathologie der Pneumonie, die in der patientenzentrierten Forschung nicht adressiert werden können, werden in hochstandardisierten, experimentellen Modellen in vitro, ex vivo und in vivo aufgeklärt, um homogene Daten als Ausgangspunkte für die mathematische Modellierung pathophysiologischer Abläufe zu erhalten. Die experimentellen Modelle werden so entworfen, dass sie den Verlauf der Krankheit des Patienten oder spezifische Aspekte derselben abbilden. Wichtige funktionelle Module und Hypothesen aus früheren Studien in Teilprojekt 1, 2 und 3 werden durch hypothesengestützte in vitro Screening Ansätze zusammengebracht und eingehend durch Modellkonstruktion, Optimierung und schrittweise Validierung zwischen Labor und Mathematik analysiert.

Im Projekt-Konsortium CAPSyS soll durch Kombination experimenteller, mathematischer und computergestützer Methoden ein tieferes Verständnis für die derzeit unzureichend aufgeklärte Pathogenese der Pneumonie entwickelt werden. Den anvisierten Endpunkt stellt ein Mehrebenenmodell der Entzündungsreaktion dar, das Vorgänge auf Zell-, Gewebe- und Organebene zugleich und akkurat abbildet. Damit lässt sich die Komplexität der Pneumonie durch Simulationen erfassen und ihre individualgenetischen Determinanten lassen sich eruieren. Das Modell wird neben der Veranschaulichung des immunologischen Regelkreises der Lunge auch eine fundierte Hypothesenbildung und -korrektur ermöglichen, die bisher nicht verfolgte diagnostische und therapeutische Ansatzpunkte in den Fokus rücken kann. Als Basis dienen 1) vorhandene und zu erhebende experimentelle und klinische Daten der Kooperationspartner, 2) Informationen aus Online-Datenbanken und der wissenschaftlichen Fachliteratur sowie 3) Strategien zur computergestützten Auswertung und mathematischen Modellierung von Hochdurchsatzdaten. Diese Bausteine werden in einem integrativen und methodisch umfassenden Ansatz zur Definition und iterativen Verfeinerung der angestrebten Modelle herangezogen. Durch eine anschließende Analyse werden Schlüsselkomponenten der modellierten Netzwerke identifiziert und unter experimentellen Bedingungen validiert.

Ziel des Verbundes CAPSyS ist es, zu einem umfassenden Verständnis der Pneumonie von der initialen lokalen Infektion über systemische Ausbreitung der Entzündung und Verlust der Barrierefunktion zwischen Blutgefäßen und Alveolaren in der Lunge bis hin zum Lungenversagen zu gelangen. Dazu sollen die komplementären Expertisen von Klinikern, Epidemiologen, Bioinformatikern, Modellierern, Molekularbiologen und Genomforschern zusammengeführt werden. Ein zentraler Punkt des Projektes ist die detaillierte und longitudinale Charakterisierung eines speziell ausgewählten Patientenkollektives in einer bisher nicht erreichten Detailtiefe ("deep phenotyping"), um über die Aufnahme von klinischen und MultiOMICs-Daten die Modellierung des Krankheitsgeschehens zu erreichen. Das hier beschriebene Teilprojekt ist im Projektverbund für die Proteomanalysen von Plasma und BAL-Proben dieser Patienten verantwortlich. Da nicht alle Aspekte der Entwicklung der Pneumonie adequat mit humanen Proben analysiert werden können, werden begleitend und ergänzend Analysen in murinen Tiermodellen der Pneumonie ausgeführt. Mit etablierten Arbeitsabläufen erfolgt eine Charakterisierung im Verlauf der Erkrankung gewonnener Plasmaproben. Parallel erfolgt eine Analyse von BAL ("broncheoalveloar lavage"), die nach Möglichkeit sowohl die Wirtsseite als auch die Bakterien umfassen sollte. Plasma-, Gewebe- und BAL-Proteomanalysen werden zur Klärung kausaler Zusammenhänge auch in murinen Tiermodellen ausgeführt.