Erforschung der Antibiotikaresistenzen, der Bakterien und der sie vernichtenden Viren
Eine aktuelle Studie, die von den EU-finanzierten Projekten EPICut und EVOIMMECH unterstützt wird, wirft ein neues Licht auf den Einsatz von Viren, sogenannten Bakteriophagen, zur Behandlung bakterieller Infektionen. Bakteriophagen, oder einfach Phagen, sind für den Menschen harmlos und greifen nur Bakterien an. Zusammen mit Antibiotika eingesetzt, verstärken sie die heilende Wirkung bei Infektionen und verringern die Chancen der Bakterien, eine Antibiotikaresistenz zu entwickeln. Bakterien können jedoch gegen Phagen resistent werden. Die in der Zeitschrift „Cell Host & Microbe“ veröffentlichte Studie liefert wertvolle Erkenntnisse über die optimale Kombination der Phagentherapie mit Antibiotika. Bakterien zeigen sich bei einem Angriff durch Phagen nicht gänzlich hilflos. Wenn die Viren Bakterien infizieren, indem sie in Moleküle auf der Zelloberfläche eindringen, veranlasst dies die Bakterien, ihr Abwehrsystem zu aktivieren – eine Familie von DNA-Sequenzen, die als „geclusterte, regelmäßig verteilte, sich palindromisch wiederholende DNA-Abschnitte“ (clustered regularly interspaced short palindromic repeats, CRISPR) bezeichnet werden. CRISPR-Sequenzen stammen aus DNA-Fragmenten von Phagen, die das Bakterium zuvor bereits infiziert hatten. Daher können sie DNA von ähnlichen Phagen beim nächsten Versuch, ein Bakterium zu infizieren, erkennen und zerstören. Bakterien können sich auch verteidigen, indem sie ihre Zelloberfläche verändern und den Rezeptor entfernen, an den Phagen normalerweise anhaften. Aufgrund dessen sind sie dann nicht mehr in der Lage, Krankheiten zu verursachen, oder es kommt zu einer milderen Erkrankung.
Prüfung der bakteriellen Reaktion auf Antibiotika und Phagen
In ihrer Studie führten die von der EU geförderten Forschenden Laborexperimente mit Pseudomonas aeruginosa durch, einem Bakterium, das bekanntermaßen Lungenentzündungen sowie Blutinfektionen und andere Infektionskrankheiten beim Menschen verursacht. Leider gestaltet sich die Behandlung von Infektionen mit Pseudomonas aeruginosa im Gesundheitswesen aufgrund der zunehmenden Antibiotikaresistenzen immer schwieriger. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler setzten das Bakterium acht verschiedenen Antibiotika aus und beobachteten Variationen in der Art und Weise der Resistenzentwicklung gegen Phagen, was sich wiederum auf die Virulenz des Bakteriums auswirkt. Vier der acht getesteten Antibiotika führten zu einem deutlichen Anstieg der CRISPR-basierten Immunität des Bakteriums. Alle vier Antibiotika waren bakteriostatisch: sie hemmten das Wachstum der Bakterienzellen, ohne diese abzutöten. Das Forschungsteam konnte somit zeigen, dass die erhöhte, durch bakteriostatische Antibiotika ausgelöste CRISPR-Immunität auf eine langsamere Entwicklung der Phagen innerhalb der Bakterienzelle zurückzuführen ist. So gewinnt die Zelle mehr Zeit, in den Besitz der Phagen-DNA-Sequenzen zu kommen und eine Immunantwort zu erzeugen. „Antibiotikaresistenzen bereiten große Probleme für die öffentliche Gesundheit – wir müssen dringend und rasch handeln“, erklärt der Seniorautor der Studie, Prof. Edze Westra vom Projektpartner EPICut und von der Universität Exeter in Großbritannien, Gastgeberin des Projekts EVOIMMECH, in einer auf der Website der Universität veröffentlichten Pressemitteilung. „Die Phagentherapie könnte ein wichtiger Bestandteil des Instrumentariums sein, mit dem der Einsatz von Antibiotika verringert und ihre Wirksamkeit erhöht werden kann, indem sie mit diesen in Kombination verwendet wird. Wir haben herausgefunden, dass wir durch die Verwendung unterschiedlicher Antibiotika in Kombination mit Phagen beeinflussen können, auf welche Weise Bakterien eine Phagenresistenz entwickeln, wodurch sich die Chancen auf eine wirksame Behandlung erhöhen. Dieser Effekt sollte bei der Phagen-Antibiotika-Kombinationstherapie berücksichtigt werden, da er wichtige Folgen für die Virulenz von Krankheitserregern hat.“ Die von EPICut (Molecular mechanisms, evolutionary impacts and applications of prokaryotic epigenetic-targeted immune systems) und EVOIMMECH (The evolutionary ecology of bacterial immune mechanisms) unterstützte Studie „liefert grundlegende Erkenntnisse über die Einschränkungen von CRISPR-Immunsystemen, die mit Viren konfrontiert werden“, so die Hauptautorin Dr. Tatiana Dimitriu, ebenfalls von der Universität Exeter. „Kürzlich wurde entdeckt, dass viele CRISPR-Cas-Immunsysteme mit Zellreaktionen verbunden sind, die Bakterien dazu anregen, ihr Wachstum bei einer Phageninfektion zu verlangsamen oder zu stoppen. Wir vermuten, dass dies für die Zellen eine entscheidende Rolle bei der Auslösung einer wirksamen Immunantwort spielen könnte.“ Weitere Informationen: EPICut-Projekt EVOIMMECH-Projekt
Schlüsselbegriffe
EPICut, EVOIMMECH, Phagen, Bakterien, Antibiotikaresistenzen, CRISPR, Immunantwort, Immunsystem