Stellen Sie sich vor, Sie versuchen, sich in einem neuen Haus einzurichten, während Sie ständig angegriffen werden. Mit dieser Situation ist das Bakterium Pseudomonas aeruginosa konfrontiert, wenn es die Lunge infiziert. Es ist schwierig für sie, sich zu verbreiten und sich gleichzeitig vor Antibiotika zu schützen. Dennoch ist sie eine der Hauptursachen für nosokomiale Infektionen und dafür bekannt, dass sie langwierige Infektionen verursacht, die gegen Antibiotika resistent sind und insbesondere bei Menschen mit Lungenerkrankungen wie Mukoviszidose, COPD oder Bronchiektasie Schäden verursachen.
Um unter schwierigen Bedingungen zu überleben, bildet P. aeruginosa Kolonien, die als "Biofilme" bezeichnet werden, d. h. Ansammlungen von Bakterien, die in einer selbst erzeugten Matrix eingeschlossen sind, die ihnen erhebliche Vorteile verschafft, u. a. Schutz vor Antibiotika.
Biofilme haben jedoch einen hohen Preis: Bakterien in Clustern verlieren auch die Fähigkeit, sich zu bewegen, Nährstoffe zu finden und sich effektiv zu verbreiten. Für das Bakterium P. aeruginosa, das eine Lunge infiziert, bedeutet dies ein Dilemma: Soll es sich auf der Oberfläche der Lunge ausbreiten oder sich zurückziehen, um Antibiotika zu widerstehen? Das richtige Gleichgewicht zu finden, kann über Leben und Tod des Erregers entscheiden - und es zu stören, kann über Leben und Tod der Patienten entscheiden.
Neue Forschungsergebnisse des Teams von Alexandre Persat vom Institut für Infektiologie der EPFL haben gezeigt, wie P. aeruginosa den Kompromiss zwischen Kolonisierung und Überleben während einer Infektion bewältigt, indem es von der Bildung eines Biofilms zum Schutz vor Antibiotika zu einem mobileren "planktonischen" Zustand wechselt, um sich auszubreiten und Zugang zu Nährstoffen zu erhalten, je nachdem, welchen Umweltbelastungen es ausgesetzt ist. Die Studie wurde in Nature Microbiology veröffentlicht.
Nachbildung natürlicher infektiöser Umgebungen zur Beobachtung von Bakterien
Um das Verhalten von P. aeruginosa besser zu verstehen, züchteten die Forscherinnen und Forscher die Bakterien auf schleimbedeckten Gewebemodellen, die der menschlichen Lunge nachempfunden sind. Diese Gewebemodelle, die sogenannten Organoide, stehen an der Spitze des Bioengineerings."Wir haben dann eine Hochdurchsatz-Screening-Technik namens Transposon Insertion Sequencing (Tn-seq) in Verbindung mit Stoffwechselmodellierung und Live-Bildgebung verwendet, um zu untersuchen, wie sich P. aeruginosa anpasst, um die Oberfläche der Lungenschleimhaut zu besiedeln und Antibiotikabehandlungen zu tolerieren", erklärt Lucas Meirelles, der die Studie leitete.
Die Wissenschaftler verwendeten auch Computermodelle, um zu simulieren, wie die Bakterien Nährstoffe in der Lungenumgebung verstoffwechseln, was dazu beitrug, die genauen Stoffwechselwege, auf die sich P. aeruginosa während der Infektion stützt, genau zu bestimmen.
Das richtige Gleichgewicht finden
Die Studie ergab, dass sich P. aeruginosa an den Lungenschleim anpasst, indem es sich auf Zucker und Laktat stützt, Nährstoffe, die in der infizierten Lunge reichlich vorhanden sind. Um auf dem Schleim zu überleben, muss das Bakterium jedoch auch essentielle, aber weniger verfügbare Nährstoffe wie Aminosäuren synthetisieren. Diese Selbstversorgung oder "metabolische Unabhängigkeit" hilft dem Bakterium, sich in den frühen Stadien der Lungeninfektion zu entwickeln.Was das Team von Alexandre Persat entdeckt hat, ist der Mechanismus, der dieses Dilemma verursacht. Sie fanden heraus, dass die Bildung von Biofilmen eine "metabolische Last" auferlegt. Mit anderen Worten: Die Produktion der klebrigen Matrix, die den Biofilm zusammenhält, verbraucht Ressourcen, was die Fähigkeit der Bakterien, sich auszubreiten, verlangsamt. In den Experimenten breiteten sich die Bakterien, die keine Biofilme bilden konnten, effizienter aus, blieben aber anfällig für Antibiotika. Dieser neue Einblick in die metabolischen Kosten der Biofilmbildung erklärt, wie die Bakterien Wachstum und Antibiotikatoleranz miteinander vereinbaren.
Die Studie verdeutlicht den schwierigen Balanceakt, den Pseudomonas aeruginosa bei Infektionen vollziehen muss. Obwohl die Bakterien die Lunge effektiv besiedeln müssen, beschränkt ihre beste Überlebensstrategie - die Bildung von Biofilmen - ihren Zugang zu Nährstoffen und damit ihre Fähigkeit, sich auszubreiten. Sobald jedoch Antibiotika eingeführt werden, wird die Biofilmbildung vorteilhaft und verhindert, dass die Bakterien eliminiert werden.
Neue Wege erforschen
Diese Entdeckung ebnet den Weg für die Erforschung neuer Behandlungsstrategien: Wenn es uns gelingt, die Fähigkeit der Bakterien zur Bildung von Biofilmen zu stören, ohne ihnen mehr Raum zur Ausbreitung zu geben, könnte sie dies anfälliger für bestehende Behandlungsmethoden machen. Und Therapien, die auf die Stoffwechselwege der Bakterien abzielen, könnten sich ebenfalls als wirksam bei der Linderung von Pseudomonas-Infektionen erweisen.Ganz allgemein sind die Wissenschaftler der Ansicht, dass die Untersuchung von Pathogenen wie P. aeruginosa in Infektionsmodellen, die die Physiologie des menschlichen Gewebes nachahmen, für die Bekämpfung der Antibiotikaresistenz von entscheidender Bedeutung ist.
"Die Antibiotikaresistenz wird sich zu einer der größten gesundheitlichen Herausforderungen dieses Jahrhunderts entwickeln, und P. aeruginosa ist ein wichtiger Akteur in diesem Problem", sagt Lucas Meirelles. Durch den Einsatz von Tissue Engineering zur Nachbildung der Atemwegsumgebung im Labor versuchen wir, die Physiologie dieses Erregers besser zu verstehen. Wir hoffen, dadurch bislang unbekannte Zielstrukturen zu entdecken, die uns bei der Bekämpfung dieser Infektionen und der Bekämpfung von Antibiotikaresistenzen helfen können."
