Forscher untersuchen die bakterielle Immunität, um Infektionskrankheiten zu verstehen.

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Patienten mit Mukoviszidose sind oft mit Pseudomonas aeruginosa infiziert, einem Bakterium, das die Lunge infiziert und die Atmung behindert und oft zum Tod führt.

P. aeruginosa selbst kann auch mit Viren infiziert sein, was die klinischen Ergebnisse von Mukoviszidosepatienten beeinflussen kann.

„Genau wie Menschen von Bakterien infiziert werden, werden die Bakterien von Viren infiziert“, sagt Rachel Whitaker, Professorin für Mikrobiologie und Leiterin des Forschungsthemas Infection Genomics for One Health am Carl R. Woese Institute for Genomic Biology an der University of Illinois in Urbana-Champaign. „Da ist diese verschachtelte, geschichtete Reihe von Ökosystemen und Wechselwirkungen von Infektionen.“

Whitaker und ihre Doktoranden, Whitney England und Ted Kim, hatten die Idee, P. aeruginosa als eine Art „Modellsystem“ zu nutzen, um zu verstehen, wie die Wechselwirkungen von Bakterien mit Viren die menschliche Gesundheit beeinflussen können.

Ihre in mSystems veröffentlichten Ergebnisse geben einen Einblick in die Vielfalt und das Immunsystem dieses Bakteriums.

Wissenschaftler glauben, dass P. aeruginosa wahrscheinlich aus der Umwelt kommt. Die schwersten Infektionen des Bakteriums treten in Krankenhäusern auf.

„Es gibt viele Bemühungen, um zu verhindern, dass Kinder (mit Mukoviszidose) diese Infektion bekommen, aber diese Erstinfektion passiert fast immer“, sagte Whitaker. „Die Belastung, die du bekommst, ist die Belastung, die du so ziemlich für den Rest deines Lebens hast.“

Die spezifische Belastung, mit der ein Patient infiziert ist, beeinflusst seine Behandlung. Einige Stämme sind gegen Antibiotika resistent, während andere Gene enthalten, die die Infektion verschlimmern.

„Einer der großen Unterschiede zwischen diesen Stämmen ist, ob sie, die Bakterien, mit Viren infiziert sind“, sagte Whitaker.

Das Immunsystem der Bakterien, das CRISPR/Cas-System genannt wird, verhindert, dass sie mit Viren infiziert werden. Die Forscher analysierten dieses Immunsystem bei P. aeruginosa in einer Gruppe von Mukoviszidosepatienten in einer Klinik in Kopenhagen, Dänemark, und sie fanden heraus, dass die bakteriellen Immunprofile unterschiedlich sind.

„Die Bakterienpopulation in Kopenhagen sieht aus wie die globale Vielfalt“, sagte Whitaker. „Innerhalb eines Menschen ist es nicht vielfältig, aber innerhalb dieser Gemeinschaft, in diesem einen Krankenhaus, ist es das.“

Von dort aus wollten sie sehen, ob sie feststellen können, welche Viren eine Chance haben, diese Bakterienpopulation zu infizieren. Sie verglichen die Bakterienpopulation mit bekannten Viren von P. aeruginosa und fanden heraus, dass einige Viren vom Immunsystem der Bakterien stark angegriffen wurden, während andere es nicht waren.

„Das ist eine Art Überraschung, denn man würde denken, dass es vielleicht einen Virus oder etwas geben würde, das der Mittelpunkt der Immunität sein würde“, sagte Whitaker. „Aber in Wirklichkeit gibt es ein vielfältiges Immunsystem gegen eine Vielzahl von Viren.“

Whitaker sagte, dass dieses Wissen genutzt werden könnte, um bestimmte Viren, die in die Bakterienpopulationen in bestimmten Krankenhäusern eindringen könnten, gezielt zu bekämpfen oder zumindest vorsichtig zu behandeln.

„Es kommt irgendwie zu gemeindemedizinischen Ideen…. können wir vorhersagen, wie sich diese Epidemie in dieser Bakterienpopulation ausbreiten wird?“, sagte sie. „Diese Daten können dazu verwendet werden.“

Im Moment befindet sich die Forschung eher in einem prädiktiven Stadium, bis die Wissenschaftler herausfinden, woher diese Viren stammen.

„Bis wir das wissen, wäre es schwierig, eine Strategie zu entwickeln, um die Übertragung zu stoppen“, sagte Whitaker. „Es gibt noch einige andere Teile des Puzzles, die wir brauchen, bevor wir wirklich Strategien entwickeln können, um diese Übertragung zu verhindern. Das ist so etwas wie der erste Schritt.“

Doch nicht immer wollen Wissenschaftler P. aeruginosa vor möglichen Viren schützen. In diesem Fall helfen Viren Mukoviszidose-Patienten, indem sie tödliche Bakterien abtöten.

Mukoviszidose-Patienten verwenden oft eine Phagentherapie, bei der Viren zur Abtötung von Bakterien eingesetzt werden, um P. aeruginosa zu bekämpfen, das einige antibiotikaresistente Stämme aufweist. Die Kenntnis der Immunprofile der Bakterienpopulation kann helfen, diese Art der Therapie zu verbessern.

„Der nächste Schritt ist, herauszufinden, woher die Viren kommen und wie sie sich verbreiten, und ob wir sie in der Phagentherapie einsetzen können“, sagte Whitaker.

In größerem Umfang legt diese Forschung den Grundstein für andere Forscher, die sich mit bakteriellen Infektionen beschäftigen, sei es, um die Antibiotikaresistenz zu stoppen oder Epidemien zu verhindern.

„Es nutzt die grundlegenden evolutionären Prinzipien der Immunität, um Infektionskrankheiten zu verstehen“, sagte Whitaker.

Dies ist eines der Ziele des IGOH-Themas, das evolutionäre und ökologische Prinzipien auf die Dynamik der Infektion anwendet – ob es sich um eine gute oder schlechte Infektion handelt.

„Wir wollen in diesem Fall nicht wirklich Epidemien verhindern – wir wollen Epidemien der Viren fördern, die die Bakterien töten“, sagte Whitaker. „Ich denke, das ist ein großer Schritt in diese Richtung.“

Mehr Informationen:
Whitney E. England et al, Metapopulationsstruktur der CRISPR-Cas-Immunität bei Pseudomonas aeruginosa und seinen Viren, mSystems (2018). DOI: 10.1128/mSysteme.00075-18-18

tekk.tv

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