Erkenntnisse über Pilztoxine versprechen neue Behandlungswege für C. albicans-Infektionen

Das Gift Candidalysin des Hefepilzes Candida albicans wird bei einer Infektion in eine ungewöhnliche Proteinstruktur eingebaut, deren Zusammensetzung Wissenschaftlern bisher unbekannt ist. Forschern des Leibniz-HKI ist es nun gelungen, die Funktion dieser ungewöhnlichen Anordnung zu entschlüsseln.

Durch die Veränderung der Proteinstruktur konnte die Pathogenität des Pilzes verringert werden. Die neuen Erkenntnisse wurden genutzt, um das Pilztoxin mithilfe künstlicher Antikörper unschädlich zu machen. Dies eröffnet eine neue Möglichkeit zur Behandlung persistierender Formen vaginaler Candida-Infektionen.

Ein opportunistischer Pilz

Der Hefepilz Candida albicans ist Teil des menschlichen Mikrobioms und lebt normalerweise im Gleichgewicht mit anderen Mikroorganismen. Ist dieses Gleichgewicht jedoch gestört, kann der Pilz unkontrolliert wachsen und Infektionen verursachen. Als „Vaginalsoor“ befällt C. albicans jedes Jahr weltweit Millionen von Frauen. In manchen Fällen schlägt eine antimykotische Behandlung fehl und es kommt zu chronischen, wiederkehrenden Pilzinfektionen, die die Lebensqualität der Betroffenen deutlich einschränken und großes Leid verursachen.

Das vom Pilz abgesonderte Gift Candidalysin ist für Zellschäden im menschlichen Gewebe verantwortlich. Typischerweise kommt es bei einer Vaginalinfektion zu schweren Entzündungsreaktionen, die den Pilz jedoch kaum stören. Stattdessen nimmt die Schwere der Erkrankung zu.

Candidalysin wird vor seiner Freisetzung in ein Vorläuferprotein namens Ece1 eingebettet: Insgesamt acht Peptidsequenzen bilden eine entfaltete Struktur, was für solche Toxine sehr ungewöhnlich ist. Bisher war unklar, warum das Toxin in diese ungewöhnliche Struktur eingebaut wird und welche Rolle die einzelnen Bestandteile spielen.

In einem Studie gerade veröffentlicht in Naturmikrobiologieuntersuchte ein internationales Forscherteam des Leibniz-HKI, des Institut Pasteur Paris, des King’s College London, der University of Wisconsin und des Leibniz-Forschungszentrums Borstel die Struktur von Ece1 und bestimmten Peptiden daraus, sogenannten NCEPs (Non-Candidalysin). Ece1-Peptide).

Bei fast allen mikrobiellen Peptidtoxinen müssen die produzierenden Zellen Vorkehrungen gegen eine Selbstvergiftung treffen. Eine Ausnahme bildet hier freies Candidalysin, da es die eigenen Pilzzellen nicht schädigt. Dementsprechend kann seine Einbettung in das komplexe Vorläuferprotein Ece1 nicht durch Selbstschutz der Pilzzelle erklärt werden. Der Grund für die ungewöhnliche Struktur von Ece1 muss also ein anderer sein.

In weiteren Experimenten konnten die Forscher zeigen, dass das Toxin eine extreme Tendenz zur Selbstaggregation und Verklumpung hat. Anschließend veränderten die Forscher die Ece1-Struktur, wodurch die korrekte Faltung des Proteins gestört wurde. In Laborexperimenten wurde durch diese Manipulation die Bildung von Candida albicans-Pilzhyphen gehemmt, wodurch auch die Freisetzung von Candidalysin beeinträchtigt wurde: Das Toxin verklumpte in den Zellen und wurde unwirksam.

„Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass jedes einzelne Peptid im Ece1-Vorläuferprotein für die Freisetzung von Candidalysin notwendig ist. Die Hauptfunktion des Vorläuferproteins besteht offenbar darin, die Verklumpung des Toxins zu verhindern“, erklärt Erstautorin Rita Müller.

„Dadurch können die Pilzzellen, die Hyphen, normal funktionieren, während das Toxin leicht in die Wirtszellen gelangen und dort Schäden anrichten kann“, ergänzt die zweite Erstautorin Annika König.

Mit Nanokörpern gegen den Giftstoff

In eine weitere Studie in der Zeitschrift veröffentlicht mBioDie Forscher konzentrierten sich auf eine neue Strategie zur Neutralisierung von Candidalysin: den Einsatz von Nanokörpern.

Nanobodies sind synthetisch hergestellte Antikörper. Ursprünglich wurden sie aus dem Blut von Kamelen oder Lamas gewonnen. Sie sind viel kleiner und haben eine einfachere Struktur als ihre menschlichen Gegenstücke, was sie viel flexibler macht als menschliche Antikörper.

Nanokörper sind in der Lage, gezielt an die Bindungsstellen der Krankheitserreger anzudocken, mit denen sie sich an die Wirtszellen heften. Dadurch versperren sie den Krankheitserregern den Weg und verhindern eine Infektion. Dieses Prinzip wurde nun erstmals genutzt, um Candidalysin unschädlich zu machen.

Bei vaginalen Infektionen mit Candida albicans führt Candidalysin zu einer Schädigung des Schleimhautgewebes und begünstigt so entzündliche Überreaktionen des Immunsystems, die zur Verschlechterung der Symptome beitragen. Die Behandlungsmöglichkeiten sind derzeit sehr begrenzt, insbesondere für die chronische, wiederkehrende Form der vaginalen Candidiasis. Dennoch sind jedes Jahr weltweit rund 138 Millionen Frauen von dieser Krankheit betroffen.

Die Forscher untersuchten daher die Wirkung von Nanobodies auf die Pilzinfektion. Labortests haben gezeigt, dass spezielle Nanobodies tatsächlich die Aktivität von Candidalysin blockieren können. Im Labor reduzierten die Nanokörper sehr effektiv toxinbedingte Gewebeschäden, wodurch auch entzündliche Folgereaktionen gehemmt würden.

Die Nanokörper lokalisierten die Forscher mithilfe einer speziellen Mikroskopiemethode – der Immunfluoreszenz – direkt an den von den Pilzhyphen besiedelten Gewebestellen. Mit Hilfe weiterer Modellierungen im Labor und am Computer konnten zudem die Dosierung und der Zeitpunkt der Nanobody-Zugabe zur Neutralisierung des Toxins vorhergesagt werden.

Gegen Candidalysin gerichtete Nanokörper könnten daher bei der Behandlung komplizierter rezidivierender vaginaler Candidiasis hilfreich sein. Ein Vergleich mit dem häufig verwendeten Antimykotikum Fluconazol zeigte, dass die Kombination beider Therapieformen besonders wirksam ist.

„Zusammen mit diesem Antimykotikum könnte der Einsatz von Nanokörpern daher eine echte Behandlungsoption für die Krankheit darstellen“, sagt Erstautorin Marisa Valentine.

„Durch die Neutralisierung von Candidalysin werden die hyperinflammatorischen Symptome gelindert. Das könnte für viele Patienten von großer Bedeutung sein“, sagt ihr Kollege Paul Rudolph, ebenfalls Erstautor der Studie.