2025 Oktober - Stefanie Widder

Ap. Prof.in Dr.in Stefanie Widder

MedUni Wien RESEARCHER OF THE MONTH, Oktober 2025

Die Jury „Researcher of the Month” verleiht die Auszeichnung für diesen Monat Frau Ap. Prof.ⁱⁿ Dr.ⁱⁿ Stefanie Widder aus Anlass der im Top-Journal „Nature Communications“ (IF 15.7) erschienenen Arbeit „Microbial community organization designates distinct pulmonary exacerbation types and predicts treatment outcome in cystic fibrosis“[1]. Die multidisziplinäre Studie entstand an der Forschungsabteilung für Infektionsbiologie (Leitung: Univ.-Prof.ⁱⁿ Dr.ⁱⁿ Sylvia Knapp) als Kooperation mit Univ.-Prof. John J. LiPuma (University of Michigan, US, Ann Arbor) und dessen Forschungsteam.

Dysbiose ist nicht gleich Dysbiose - wie Bakteriennetzwerke die Behandelbarkeit von chronischen Lungeninfekten beeinflussen

Schwere, chronische Lungenerkrankungen wie COPD, Asthma, non-CF Bronchiektasen oder Cystische Fibrose betreffen weltweit zahllose Menschen. Im Jahr 2021 wurden allein bei COPD 3,5 Millionen Todesfälle gemeldet [2]. Damit verbunden sind Störungen des Lungenmikrobioms, auch Dysbiosen genannt, die oftmals schwierige Krankheitsverläufe verursachen und die hohe Patientensterblichkeit mitverantworten [3, 4]. Diese persistierenden, polymikrobiellen Infektionen der Lunge sind schwer zu behandeln und können akute Krankheitsverschlechterungen auslösen [5, 6, 7].

In der vorliegenden Studie wurde eine Charakterisierung von bakteriellen Dysbiosen im Krankheitsmodell der Cystischen Fibrose durchgeführt und deren ökologische Netzwerke untersucht [1]. Ziel war es Hypothesen zu entwickeln, um präzisere Behandlungsstrategien für Personen mit chronischen Lungenerkrankungen zu ermöglichen [8, 9]. Zu diesem Zweck wurden mehrere hundert Sputumproben von amerikanischen CF Betroffenen gesammelt und die Zusammensetzung derer pulmonaler Dysbiosen mit Hilfe von Gensequenzierung ermittelt. An der MUW wurden mikrobielle Netzwerke mit computergestützter Modelbildung und Zeitserienanalyse sichtbar gemacht und analysiert. Obwohl die Zusammensetzungen des Lungenmikrobioms bei den untersuchten Patient:innen individuell stark variierte, kristallisierten sich zwei grundlegende Organisationstypen heraus, nämlich ausgeprägt hierarchische oder flach und zufällig strukturierte.

Diese organisatorischen Unterschiede haben überraschende Konsequenzen für das Verständnis von Infektionsprozessen. In hierarchischen Netzwerken erwiesen sich gefährliche Lungenkeime wie Pseudomonas aeruginosa oder Staphylococcus aureus als entscheidende Infektionstreiber. In zufällig strukturierten Systemen hingegen zeigten dieselben Erreger eine unauffällige Dynamik, was auf eine möglicherweise geringere Bedeutung für den Krankheitsverlauf hindeutet. Besonders relevant für Behandlungsteams und Betroffene ist, dass sich Keime je nach Dysbiosetyp vorrausichtlich unterschiedlich gut mit Antibiotika behandeln lassen. Ein datenbasiertes Computermodell, das die Wirkung antimikrobieller Medikamente auf pathogene Bakterien simulierte, prognostizierte eine verminderte Durchschlagskraft bei flach organisierten Dysbiosen.

Diese Erkenntnisse könnten künftig helfen, Behandlungen individueller anzupassen. Die Studie schafft damit eine wichtige Grundlage für translationale Forschung, mit dem langfristigen Ziel, ein personalisiertes Dysbiose-Management nicht nur bei Cystischer Fibrose, sondern auch bei COPD und anderen chronischen Lungenerkrankungen zu ermöglichen [9].

Wissenschaftliches Umfeld

Ap. Prof.ⁱⁿ Dr.ⁱⁿ Stefanie Widder arbeitet an der interdisziplinären Schnittstelle von Computational Systems Biology, Data Science und Biomedical Microbiome Research. Ihr wissenschaftlicher Fokus liegt dabei auf der Verknüpfung von mikrobiellen Interaktionen, Dynamik und emergenten Mikrobiome-Eigenschaften wie z.B. Therapy Response oder die Produktion von Immunmodulatoren. Sie nutzt computer-basierte Modellierungsmethoden wie Graphentheorie, Zeitserienanalyse und Machine learning für ihre Forschung. Wissenschaftliche Zusammenarbeiten an der Medizinischen Universität Wien (Labor für Infektionsbiologie, Leiterin: Univ.-Prof.ⁱⁿ Dr.ⁱⁿ Sylvia Knapp), sowie mit zahlreichen nationalen und internationaler Kollaborationspartner:innen bietet dafür ein ideales Umfeld. Die vorgestellte Arbeit wurde im Rahmen des renommierten Elise Richter Programms des FWF für exzellente Forscherinnen veröffentlicht und entstand in Kollaboration mit Univ.-Prof. John LiPuma (Medical School, University Michigan, US), einem internationalen Experten auf dem Gebiet der CF Mikrobiologie.

Zur Person

Stefanie Widder studierte Molekularbiologie/Genetik an der Universität Wien, wo sie sich mit Computational Modelling und komplexen Systemen im Rahmen ihrer Dissertation befasste. Als PostDoc arbeitete sie zur Theorie von komplexen biologischen Interaktionsnetzen in Wien (2003-05) und Barcelona (Universitat Pompeu Fabra, 2007-10). Im Anschluss wurde sie Junior Group Leader für Computational Systems Biology (Universität Wien, 2010-16) und etablierte dort einen eigenen Forschungsbereich: Mikrobiom-Modellierung und deren Anwendungen in Biomedizin und Ökologie. Ap. Prof.ⁱⁿ Widder war Visiting Fellow am Isaac Newton Institute of Mathematical Sciences in Cambridge, UK (2014) und bekleidete ein Senior Research Fellowship am Konrad Lorenz Institut für Evolution und Cognition Research (2016-18). 2018 wurde sie mit dem Elise Richter Preis des FWF ausgezeichnet und forscht damit als Projektleiterin zur Rolle des Lungenmikrobiomes in chronischen Lungenerkrankungen an der Medizinischen Universität Wien. Im selben Jahr erhielt Ap. Prof.ⁱⁿ Widder ihre Venia Docendi für Computerbiologie und Systembiologie. 2019 qualifizierte sich für eine Laufbahnstelle (IKV), welche 2022 erfolgreich abgeschlossen wurde. Derzeit leitet sie ein WWTF-Projekt mit dem Ziel bakterielle Produktion von humanen Immunmodulatoren zu erforschen und entwickelt ihren Forschungsschwerpunkt Microbiome Research vor allem mit Blick auf biomedizinische Anwendungen.

Ausgewählte Literatur

1. Widder, S., Carmody, L.A., Opron, K., Kalikin, L.M., Caverly, L., LiPuma, J.J. Microbial community organization designates distinct pulmonary exacerbation types and predicts treatment outcome in cystic fibrosis. Nature Comms 15, 4889  (2024) doi: 10.1038/s41467-024-49150-y

2. World_Health_Organization. Global health estimates, www.who.int/data/global-health-estimates (2024)

3. Natalini, J., Singh, S. & Segal, L.N., The dynamic lung microbiome in health and disease. Nat Rev Microbiol 21: 222-235, (2023) doi:10.1038/s41579-022-00821-x.

4. Zhao, J., Schloss, P.D., Kalikin, L.M., Carmody, L., Foster, B., Petrosino, J., Cavalcoli J., VanDevanter D., Murray, S., Li, J., Young, V.B., LiPuma, J.J. Decade-long bacterial community dynamics in cystic fibrosis airways. Proc Natl Acad Sci U S A 109(15):5809-14 (2012). doi: 10.1073/pnas.1120577109

5. Rivett, D.W., Hatfield, L., Gavillet, H., Hardman, M., van der Gast, C. Bacterial interactions underpin worsening lung function in cystic fibrosis-associated infections. mBio 16(1):e0145624 (2025) doi: 10.1128/mbio.01456-24

6. Frey, D., Boutin, S., Dittrich, S.A., Graeber, S.Y., Stahl, M., Wege, S., Herth, F., Sommerburg, O., Schultz, C., Mall, M.A., Dalpke, A. Relationship between airway dysbiosis, inflammation and lung function in adults with cystic fibrosis. J Cyst Fibros 20(5):754-760, (2021). doi: 10.1016/j.jcf.2020.12.022.

7. Widder, S., Zhao, J., Carmody, L.A., Zhang, Q., Kalikin, L., Schloss, P.D., LiPuma, J.J. Association of bacterial community types, functional microbial processes and lung disease in cystic fibrosis airways. ISME J 2022 Apr;16(4):905-914. doi: 10.1038/s41396-021-01129-z

8. Pienkowska, K., Pust, M., Gessner. M., Gaedcke, S., Thavarasa, A., Rosenboom, I., Morán Losada, P., Minso, R., Arnold, C., Hedtfeld, S., Dorda, M., Wiehlmann, L., Mainz, J.G., Klockgether, J., Tümmler, B. The Cystic Fibrosis Upper and Lower Airway Metagenome. Microbiol Spectr 11(2):e0363322, (2023) doi: 10.1128/spectrum.03633-22.

9. [4] Agustí A., Bafadhel, M., Beasley, R., Bel, E., Faner, R., Gibson, P.G., Louis, R., McDonald, V.M., Sterk, P.J., Thomas, M., Vogelmeier, C., Pavord, I., on behalf of all participants in the seminar. Precision medicine in airway diseases: moving to clinical practice. Eur Respir J 50, (2017), doi:10.1183/13993003.01655-2017