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Prof. Dr. Stefan Kalkhof

Lehr- und Forschungsgebiete
  • Protein-Interaktion
  • Proteinstruktur
  • Proteinmodifikationen
  • Massenspektrometrie (LC-MS)
  • Proteomik
  • Biomarker
Lehrveranstaltungen
  • Analytische Chemie
  • Biochemie
  • Proteinanalytik
  • Spektroskopie
  • Trenntechniken
  • Instrumentelle Analytik
Kontakt

Tel.: +49 (0)9561 317-210
Fax: +49 (0)9561 317-311
Raum 2-205
e-Mail: stefan.kalkhof[at]hs-coburg.de

Prof. Dr. Stefan Kalkhof ist sowohl Leiter der Hochschul-Gruppe „Instrumentelle Bioanalytik“ als auch der Fraunhofer-Arbeitsgruppe „Proteinbiomarker“, Abteilung Therapievalidierung, Fraunhofer-Institut für Zelltherapie und Immunologie IZI.

Dort liegt sein wissenschaftlicher Schwerpunkt auf der Identifizierung/Validierung von Proteinbiomarkern, der Entwicklung diagnostischer Antikörper und der Entwicklung bzw. Validierung von Single- und Multiplexassays.

Die Hochschul-Arbeitsgruppe Instrumentelle Bioanalytik befasst sich mit Proteomiksder Identifizierung von Proteinbiomarkern, der Charakterisierung ausgewählter Proteine (Strukturuntersuchung, Modifikationen, Prozessierung) sowie der Charakterisierung von niedermolekularen Molekülen (z.B. Protein-Liganden). Für diese Analysen werden geeignete Multiomics-Strategien (insbesondere LC-MS/MS) sowie spektroskopische Verfahren eingesetzt (UV-VIS, FT-IR).

Die Validierung von Proteinbiomarkern sowie die Entwicklung und Validierung von Single- und Multiplexassays zum Nachweis dieser Proteinbiomarker erfolgt in der Arbeitsgruppe „Proteinbiomarker“ der Abteilung Therapievalidierung des Fraunhofer-Institut für Zelltherapie und Immunologie IZI. Die Validierung wird dabei meist mittels ELISA, Westernblot, Peptid- oder Beadarray (Luminex) durchgeführt. Die Basis geeigneter immunchemischer Nachweisverfahren der Proteinbiomarker bilden hochaffine monoklonale Antikörper, die i.d.R. in der Arbeitsgruppe selbst entwickelt werden.

Projekte

Entwicklung und Charakterisierung aktivierender Implantat-Materialien

Bedingt durch die demographische Entwicklung in Deutschland kommt es zu einer steten Zunahme von Patienten mit Knochen- und Gewebsdefekten sowie chronischen Wunden. Dies erfordert die Entwicklung von neuartigen funktionellen Biomaterialien und Implantaten sowie Verarbeitungsverfahren zur Verbesserung der Knochen- und Geweberegeneration. Um diese Entwicklungen möglichst zielgerichtet durchführen zu können, besteht ein erheblicher Bedarf an der Entwicklung von Analyseverfahren, welche möglichst minimalinvasiv umfangreiche und detaillierte Informationen über den Zustand des Wundareals sowie den Zustand oder Abbau des Implantates liefern können. Deren Entwicklung und Anwendung steht im Fokus dieses Projektes.

Referenz: Förster,Y., Schmidt, J. R., Wissenbach, D. K., Pfeiffer, S. E. M., Baumann, S., Hofbauer, L. C., Bergen, M. von, Kalkhof, S., and Rammelt, S., “Microdialysis Sampling from Wound Fluids Enables Quantitative Assessment of Cytokines, Proteins, and Metabolites Reveals Bone Defect-Specific Molecular Profiles,” PloS one,V. 11, No.7, 2016, e0159580.

Mechanistische Untersuchungen zur Wirkung toxischer Substanzen

Gemäß der Europäischen Chemikalienverordnung zur Registrierung, Bewertung, Zulassung und Beschränkung chemischer Stoffe REACH müssen Substanzen umfangreich auf umwelt- und gesundheitsschädigende Wirkung getestet werden. Gibt es aber möglicherweise auch nachweisbare molekulare Effekte bei subtoxischen Konzentrationen? Welche Mechanismen werden auf zellulärem Niveau als Reaktion auf diese niedrigen Konzentrationen aktiviert? Diese Fragen wurden in diesem, am Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung – UFZ durchgeführten Projekt, mittels umfangreichen Proteinanalysen (Toxikoproteomik) sowie zellulären Assays für ausgewählte Substanzen adressiert und werden aktuell in Coburg fortgeführt.

Referenz: Wewering,F., Jouy,F., Caliskan, S., Kalkhof, S., Bergen, M. von, Luch, A., and Zellmer, S., “Hepatic co-cultures invitro reveal suitable to detect Nrf2-mediated oxidative stress responses on the bladder carcinogen o-anisidine,” Toxicology invitro : an international journal published in association with BIBRA, V. 40, 2017, pp. 153–160.

Entwicklung eines Massenspektrometrie-basierten Verfahrens zur Diagnostik und molekularen Untersuchung von Nierenerkrankungen

Als monoklonale Gammopathie bezeichnet man ein pathologisch erhöhtes Vorkommen eines monoklonalen Antikörpers innerhalb der Gamma-Fraktion der Serumproteine durch eine Entartung von B-Zellen. Eine Nierenbeteiligung bei dieser Erkrankung führt hierbei zu einer deutlichen Verschlechterung der Prognose und das Risiko eines Patienten ein tödliches Multiples Myelom zu entwickeln, steigt hierbei von 3% auf 18%. Zur Differenzierung der Erkrankung und damit zur Steuerung der Therapie ist eine exakte Spezifizierung der Ablagerungen notwendig. 

Mit der bildgebenden MALDI-Massenspektrometrie von Proteinen (dem Spezialgebiet der Forschungsgruppe von Prof. Andreas Römpp, Universität Bayreuth) können verschiedenste Proteine in Gewebsproben lokalisiert und nachfolgend massenspektrometrisch durch eine umfassende quantitative Proteomanalyse (dem Spezialgebiet der Forschungsgruppe von Prof. Stefan Kalkhof, Hochschule Coburg) identifiziert und quantifiziert werden. In enger Zusammenarbeit mit der von Frau Prof. Kerstin Amann geleiteten nephropathologischen Abteilung der Universität Erlangen und durch den kombinierten Einsatz dieser analytischen Techniken möchten wir perspektivisch eine Verbesserung der Diagnostik und dem molekularen Verständnis dieser Erkrankungen erreichen.

Gesundheit messen: Entwicklung von Methoden für die evidenzbasierte Gesundheitsförderung am Beispiel der Dehydration

Im Rahmen des Verbundprojektes „Gesundheit messen“ werden im von Prof. Hildebrand und Prof. Kalkhof geleiteten Arbeitspaket bereits etablierte Marker einer akuten Dehydration mit der Suche nach neuen biochemischen und molekularbiologischen Markern u.a. anhand von Blut- und Urinproben verknüpft. Mit diesen wird eine Stratifizierung von Bevölkerungsgruppen für die Gesundheitsförderung möglich sein. Hierdurch sollen die geeignetsten Präventionsmaßnahmen identifiziert und Interventionserfolge messbar gemacht werden. 

Strukturelle Untersuchung von Proteinkomplexen z.B. der TSH/TSH Rezeptorinteraktion

Der Thyreotropinrezeptor (TSH-Rezeptor) ist ein G-Protein-gekoppelter Rezeptor der Schilddrüse, welcher durch das Peptidhormon Thyrotropin angeregt wird. Diese Interaktions-vermittelte Aktivierung des Rezeptors stimuliert die Schilddrüse zur Bildung von Schilddrüsenhormonen.

Eine Störung oder übermäßige Aktivierung dieses Rezeptors ist u.a. Ursache für die Erkrankungen Morbus Basedow, welche auf einer Schilddrüsenüberfunktion (Hyperthyreose) basiert.

Ziel dieses Kooperationsprojektes mit den Arbeitsgruppen von Prof. Dr. Jens Meiler (Vanderbilt Universität, USA) und Prof. Dr. Ralf Paschke (University Calgary, Canada) ist die Aufklärung der Struktur des vollständigen Rezeptors und dessen Hormon-induzierter Strukturveränderung, um damit den Grundstein für die gezielte Entwicklung aktivierender sowie inaktivierender Liganden zu legen.

Referenz: Schaarschmidt, J., Nagel, M. B. M., Huth, S., Jaeschke, H., Moretti, R., Hintze, V., Bergen, M. von, Kalkhof, S., Meiler, J., and Paschke, R., “Rearrangement of the Extracellular Domain/Extracellular Loop1 Interface Is Critical for Thyrotropin Receptor Activation,” The Journal of biological chemistry, V. 291, No.27, 2016, pp. 14095–14108.

Biotechnische Herstellung stabil isotopenmarkierter (SI-) Aminosäuren und Aminosäurevorläufer für Markierungen in Säuger-Zellkulturen (Gefördert durch: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages)

Eine Markierung mit stabilen Isotopen (13C, 15N) hat keine funktionelle Veränderung der markierten Biomoleküle zur Folge, weshalb diese Markierungsmethode immer mehr Akzeptanz in Biologie, Pharmazie und Medizin erfährt und einen steigenden Bedarf an Anwendungen induziert. Im Rahmen dieses ZIM-Projektes werden mit Kooperationspartnern aus Industrie und Wissenschaft industriell einsetzbare biotechnologische Herstellungsmethoden für SI-Aminosäuren oder deren Vorläufermoleküle entwickelt. Parallel dazu werden etablierte metabolische Markierungsmethoden für verschiedene Anwendungen in der NMR-Spektroskopie und für Proteomiks weiterentwickelt.

Ökotoxikologische Bewertung Biozid-haltiger Baustoffe mittels konventioneller und systembiologischer Methoden (Drittmittelprojekt, finanziert durch das Bayrische Staatsministerium für Umwelt und Verbraucherschutz)

Bodenökosysteme sind einer Vielzahl toxikologisch-relevanter Stoffe, darunter diverse Biozide, ausgesetzt. Eine wesentliche Quelle dieser Bodenkontamination sind Baustoffe. Etwa 25% der jährlich hergestellten Biozidmenge wird in Baumaterialien eingesetzt und stellt ein potenzielles Risiko für Böden und Grundwasser dar. Biozid-haltige Baukomponenten werden eingesetzt, um Materialien gegen tierische Schädlinge, Algen, Pilze und andere Mikroorganismen zu schützen. Insbesondere durch den zeitlich und räumlich konzentrierten Eintrag verschiedener Biozid-haltiger Baustoffe können besonders Böden stark belastet werden.

Im Zuge des Projektes werden repräsentative Prüfmuster von Baumaterialien, sowie Komponentenmischungen in einer Bewitterungskammer unter unterschiedlichen Witterungsbedingungen inkubiert und mit Hilfe der Hochdurchsatzmethoden Proteomik und Mikrobiomanalyse näher charakterisiert. Zudem wird eine hochsensitive Biozidanalytik mittels UPLC durchgeführt. In Zusammenarbeit mit der AG Noll werden bereits etablierte und zertifizierte aquatischen, wie auch terrestrische ökotoxikologische Tests durchgeführt. Um zukünftig die Bewertung und damit die Sicherheit von Baukomponenten nachhaltig zu stärken, sollen nachfolgend die „Omics“-Methoden in enger Zusammenarbeit mit dem Umweltbundesamt in praxistaugliche Standardarbeitsanweisungen überführt werden.

Publikationen

Förster, Y., Schmidt, J. R., Wissenbach, D. K., Pfeiffer, S. E. M., Baumann, S., Hofbauer, L. C., Bergen, M. von, Kalkhof, S., and Rammelt, S., “Microdialysis Sampling from Wound Fluids Enables Quantitative Assessment of Cytokines, Proteins, and Metabolites Reveals Bone Defect-Specific Molecular Profiles,” PloS one, V. 11, No. 7, 2016, e0159580.

Hsu, M. J., Kratochvil, I., Winkler, S., Hempel, M., Kühne, H., Kalkhof, S., Baumann, S., Schubert, K., Bergen, M., and Christ, B., “Mesenchymale Stromalzellen begünstigen den Lipidabbau in isolierten Hepatozyten,” Z Gastroenterol, V. 56, No. 08, 2018, e252-e253.

Kalkhof, S., Schildbach, S., Blumert, C., Horn, F., Bergen, M. von, and Labudde, D., “PIPINO: A Software Package to Facilitate the Identification of Protein-Protein Interactions from Affinity Purification Mass Spectrometry Data,” BioMed research international, V. 2016, 2016, p. 2891918.

Kratochvil, I., Hofmann, T., Rother, S., Schlichting, R., Moretti, R., Scharnweber, D., Hintze, V., Escher, B. I., Meiler, J., Kalkhof, S., and Bergen, M. von, “Mono(2-ethylhexyl) phthalate (MEHP) and mono(2-ethyl-5-oxohexyl) phthalate (MEOHP) but not di(2-ethylhexyl) phthalate (DEHP) bind productively to the peroxisome proliferator-activated receptor γ,” Rapid communications in mass spectrometry : RCM, 2018.

May, J. C., Jurneczko, E., Stow, S. M., Kratochvil, I., Kalkhof, S., and McLean, J. A., “Conformational Landscapes of Ubiquitin, Cytochrome c, and Myoglobin: Uniform Field Ion Mobility Measurements in Helium and Nitrogen Drift Gas,” International journal of mass spectrometry, V. 427, 2018, pp. 79–90.

Rother, S., Samsonov, S. A., Hofmann, T., Blaszkiewicz, J., Köhling, S., Moeller, S., Schnabelrauch, M., Rademann, J., Kalkhof, S., Bergen, M. von, Pisabarro, M. T., Scharnweber, D., and Hintze, V., “Structural and functional insights into the interaction of sulfated glycosaminoglycans with tissue inhibitor of metalloproteinase-3 – A possible regulatory role on extracellular matrix homeostasis,” Acta biomaterialia, V. 45, 2016, pp. 143–154.

Schaarschmidt, J., Nagel, M. B. M., Huth, S., Jaeschke, H., Moretti, R., Hintze, V., Bergen, M. von, Kalkhof, S., Meiler, J., and Paschke, R., “Rearrangement of the Extracellular Domain/Extracellular Loop 1 Interface Is Critical for Thyrotropin Receptor Activation,” The Journal of biological chemistry, V. 291, No. 27, 2016, pp. 14095–14108.

Schmidt, J. R., Kliemt, S., Preissler, C., Moeller, S., Bergen, M. von, Hempel, U., and Kalkhof, S., “Osteoblast-released Matrix Vesicles, Regulation of Activity and Composition by Sulfated and Non-sulfated Glycosaminoglycans,” Molecular & cellular proteomics : MCP, V. 15, No. 2, 2016, pp. 558–572.

Wewering, F., Jouy, F., Wissenbach, D., Gebauer, S., Bergen, M. von, Luch, A., Kalkhof, S., and Zellmer, S., “A human hepatic in vitro co-culture system for the analysis of DILI related signaling,” Z Gastroenterol, V. 53, No. 12, 2015.

Wewering, F., Jouy, F., Caliskan, S., Kalkhof, S., Bergen, M. von, Luch, A., and Zellmer, S., “Hepatic co-cultures in vitro reveal suitable to detect Nrf2-mediated oxidative stress responses on the bladder carcinogen o-anisidine,” Toxicology in vitro : an international journal published in association with BIBRA, V. 40, 2017, pp. 153–160.

Wewering, F., Jouy, F., Wissenbach, D. K., Gebauer, S., Blüher, M., Gebhardt, R., Pirow, R., Bergen, M. von, Kalkhof, S., Luch, A., and Zellmer, S., “Characterization of chemical-induced sterile inflammation in vitro: application of the model compound ketoconazole in a human hepatic co-culture system,” Archives of toxicology, V. 91, No. 2, 2017, pp. 799–810.

Winkler, S., Kalkhof, S., Brückner, S., Hempel, M., Baumann, S., Bergen, M. von, and Christ, B., “Metabolic fingerprint of an immunodeficient NASH mouse model and impact after stem cell therapy,” Journal of Hepatology, V. 66, No. 1, 2017, S606-S607.

Wuchty, S., Müller, S. A., Caufield, J. H., Häuser, R., Aloy, P., Kalkhof, S., and Uetz, P., “Proteome Data Improves Protein Function Prediction in the Interactome of Helicobacter pylori,” Molecular & cellular proteomics : MCP, V. 17, No. 5, 2018, pp. 961–973.

Aktuelle Publikationsliste: https://www.researchgate.net/profile/Stefan_Kalkhof

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