Krankheitserreger behandeln oder tolerieren, das ist hier die Frage

Warum scheinen manche Menschen nie krank zu werden, während andere ständig Viren und Bakterien zum Opfer fallen? Wie kann der Ehepartner einer erkrankten Person vermeiden, sich die Wanze des Partners einzufangen, obwohl er jede Nacht neben ihm schläft? Fragen wie diese sind während der COVID-19-Pandemie für viele Menschen in den Vordergrund gerückt, und Wissenschaftler sind ihrer Beantwortung dank einiger aquatischer Helfer nun einen großen Schritt näher gekommen: Kaulquappen.

Forscher des Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering an der Harvard University haben bei der Entwicklung von Kaulquappen von Xenopus laevis-Fröschen genetische und biologische Mechanismen entdeckt, die die Krankheitstoleranz verbessern – die Fähigkeit von Zellen und Geweben, Schäden in Gegenwart eindringender Krankheitserreger zu widerstehen – und Medikamente identifiziert die die Kaulquappen sogar in Gegenwart von tödlichen Bakterien am Leben erhalten können. Viele der gleichen Mechanismen finden sich auch bei Säugetieren, was darauf hindeutet, dass Infektionen bei Menschen und anderen Tieren eines Tages behandelt werden könnten, indem ihre Toleranz gegenüber Krankheitserregern erhöht wird.

„In den letzten 75 Jahren bestand der Standardansatz zur Behandlung von Infektionen darin, sich auf die Abtötung des Erregers zu konzentrieren, aber der übermäßige Einsatz von Antibiotika bei Nutztieren und Menschen hat zum Auftreten von antibiotikaresistenten Bakterien geführt, die uns immer schwerer tun Unsere Forschung hat gezeigt, dass die Konzentration auf die Veränderung der Reaktion eines Wirts auf einen Krankheitserreger, anstatt den Krankheitserreger selbst abzutöten, ein wirksamer Weg sein könnte, Tod und Krankheit zu verhindern, ohne das Problem der Antibiotikaresistenz zu verschärfen“, sagte Erstautorin Megan Sperry, Ph.D ., ein Postdoktorand am Wyss Institute, der von den Wyss-Fakultätsmitgliedern Michael Levin, Ph.D. und Donald Ingber, MD, Ph.D.

Die Studie erscheint heute in Fortgeschrittene Wissenschaft.

Kartierung des Kaulquappen-Toleranznetzwerks

Das Phänomen, dass einige Wirte gegenüber infektiösen Krankheitserregern tolerant sind, die sie krank machen sollten, wurde in den letzten Jahrzehnten in der Wissenschaft gut dokumentiert. Mäuse können zum Beispiel Lungenentzündung verursachende Pneumococcus-Bakterien in ihren Nasengängen beherbergen, ohne Anzeichen einer Krankheit zu zeigen, und afrikanische und asiatische Affen sind bekanntermaßen weniger anfällig für bestimmte Krankheitserreger als Menschen und unsere nahen Verwandten, die Affen.

Untersuchungen zur Biologie der Krankheitstoleranz haben ergeben, dass sie mit der Aktivierung von Stressreaktionen verbunden ist, die normalerweise durch einen niedrigen Sauerstoffgehalt (Hypoxie) ausgelöst werden. Diese zellulären Reaktionen programmieren T-Zellen neu, was das Ausmaß der von ihnen verursachten Entzündung reduziert, und beeinflussen auch die Bewegung von Metallionen, die für das Überleben von Bakterien entscheidend sind.

Als Teil der laufenden Suche des Wyss Institute nach Medikamenten, die diese biologischen Prozesse replizieren und Toleranz beim Menschen hervorrufen könnten, wollten Sperry und ihr Team sehen, ob sie eine Kombination aus Computertechniken und praktischen Experimenten verwenden könnten, um die Gene herauszukitzeln und molekulare Wege, die die Toleranz bei Xenopus-Fröschen kontrollieren, und dann vorhandene Medikamente finden, die diese Wege aktivieren und einen Zustand der Toleranz gegenüber Krankheitserregern induzieren könnten.

Sie entschieden sich für die Verwendung von Xenopus-Froschembryos für ihre Studien, da diese Embryonen leicht zu züchten und in großer Zahl zu analysieren sind und bekanntermaßen eine natürliche Toleranz gegenüber hohen Belastungen bestimmter Bakterienarten aufweisen. Sie setzten die Embryonen sechs verschiedenen Arten pathogener Bakterien aus und analysierten dann die Genexpressionsmuster der Tiere nach der Infektion. Embryonen, die auf die aggressivere Art Aeromonas gestoßen sind. hydrophila und Pseudomonas aeruginosa zeigten 52 Stunden nach der Infektion sichtbare Veränderungen in ihrer körperlichen Entwicklung und einen Tag nach der Infektion weitreichende Veränderungen ihrer Genexpressionsmuster, was die physiologischen Reaktionen der Tiere auf die Krankheitserreger widerspiegelt.

Die anderen vier Arten verursachten keine sichtbaren Veränderungen an den Embryonen, was zunächst darauf hindeutete, dass die Tiere nicht auf die Erreger reagierten. Aber die genetische Analyse sagte eine andere Geschichte. Während zwei der Arten, S. aureus und S. pneumoniae, nur sehr wenige genetische Veränderungen in den Genexpressionsprofilen der Embryonen verursachten, verursachten die Arten Acinetobacter baumanii und Klebsiella pneumoniae signifikante Veränderungen in einem Satz von 20 Genen, die während der Infektion mit unverändert geblieben waren die aggressiveren Bakterien. Diese genetischen Veränderungen schienen mit einem positiven Einfluss auf die Gesundheit der sich entwickelnden Frösche zu korrelieren, was darauf hindeutet, dass sie an der Toleranzreaktion der Tiere beteiligt sein könnten.

Die Forscher verwendeten einen Computeransatz, um Xenopus-Gene zu kartieren, die signifikante Veränderungen in ihren entsprechenden Genen beim Menschen erfahren hatten, und analysierten, wie diese Gene miteinander interagieren, indem sie sie in „Gennetzwerken“ organisierten. Sie fanden heraus, dass die Embryonen, die A. baumanii und K. pneumoniae tolerierten, signifikante Verschiebungen in ihren Gennetzwerken aufwiesen, die sich von den Verschiebungen unterschieden, die bei Embryonen beobachtet wurden, die einer Infektion mit A. hydrophila und P. aeruginosa erlagen.

Ein bestimmtes Gen, HNF4A, war in den toleranten Embryonen stark hochreguliert und mit mehreren Genen verbunden, die am Transport von Metallionen und der Erhöhung der Sauerstoffverfügbarkeit beteiligt sind – beides Prozesse, die zuvor mit der Krankheitstoleranz in Verbindung gebracht wurden. HNF4A hilft auch, den zirkadianen Rhythmus aufrechtzuerhalten, und die Wissenschaftler fanden heraus, dass das Umdrehen des Lichtzyklus der Embryonen die Toleranz gegenüber A. hydrophila-Infektionen erhöhte, was die faszinierende Möglichkeit aufwirft, dass die Modulation des zirkadianen Rhythmus die Reaktion eines Organismus auf eine Infektion beeinflussen könnte.

„Es war wirklich aufregend zu sehen, dass die Pathogentoleranz anscheinend durch mehrere koordinierte biologische Prozesse – Hypoxie, Metallionentransport und zirkadianer Rhythmus – moduliert wird, denn es könnte möglich sein, eine ganze Klasse von Medikamenten zu entwickeln, die gleichzeitig auf mehrere Stoffwechselwege abzielen, um zu helfen Organismen widerstandsfähiger gegen Schäden durch Infektionen machen und gleichzeitig unerwünschte Nebenwirkungen vermeiden“, sagte Co-Autor Richard Novak, Ph.D., ein ehemaliger Lead Staff Engineer am Wyss Institute, der jetzt Mitbegründer und CEO von Unravel Biosciences ist.

Behandle den Körper, nicht den Käfer

Bewaffnet mit diesen vielversprechenden Ergebnissen machten sich Sperry, Novak und ihr Team auf den Weg, um zu sehen, ob sie solche Medikamente finden könnten. Zuerst verglichen sie die Genexpressionssignatur, die sie in den toleranten Xenopus-Embryonen identifiziert hatten, mit vorhandenen Daten von Mäusen und Primaten, die mit Bakterien infiziert worden waren, gegen die sie tolerant waren. Sie fanden heraus, dass die Gennetzwerke in toleranten Xenopus-Embryonen wichtige Überschneidungen mit denen in toleranten Mäusen und Primaten hatten und dass zwölf Gene allen Arten gemeinsam waren. Unter diesen Genen waren mehrere, die an einem Prozess namens Nuklearfaktor-Kappa-B (NF-?B)-Signalweg beteiligt sind, der Entzündungsreaktionen auf Infektionen sowie den Metallionentransport und zelluläre Hypoxiereaktionen reguliert.

In der Zuversicht, dass die Xenopus-Toleranzgene ein guter Indikator für Aspekte der Toleranz bei Säugetieren sind, untersuchten sie dann mehr als 30 Arzneimittel, von denen bekannt ist, dass sie den Metallionentransport oder Hypoxie beeinflussen, indem sie sie Xenopus-Embryonen verabreichten, die mit A. hydrophila infiziert waren. Drei Medikamente erhöhten das Überleben von Embryonen erheblich, obwohl ein Krankheitserreger vorhanden war, der sie hätte töten sollen: Deferoxamin, ein von der FDA zugelassenes Medikament, das an Eisen- und Aluminiumionen bindet; L-Mimosin, das an Eisen und Zink bindet; und Hydralazin, das an Metallionen bindet und auch Blutgefäße erweitert.

Da bekannt ist, dass Metallionentransport und Hypoxiewege miteinander verbunden sind, hatten die Forscher die Vermutung, dass diese metallfangenden Medikamente ein biologisches Protein namens HIF-1? stabilisieren. HIF-1? reguliert die Reaktionen der Zellen auf Hypoxie und kann an der Reduzierung von Gewebeschäden und der Erhöhung der Krankheitstoleranz beteiligt sein. Also verabreichten die Wissenschaftler ein Medikament namens 1,4-DPCA, von dem bekannt ist, dass es die Aktivität von HIF-1? über einen separaten, aber verwandten Mechanismus verstärkt. Dieses Medikament erhöhte das Überleben von Xenopus-Embryonen auf mehr als 80 % in Gegenwart von tödlichen Bakterien. Als die Forscher zusammen mit 1,4-DPCA einen Inhibitor von HIF-1? hinzufügten, erlagen die Embryonen der Infektion, was bestätigte, dass HIF-1? tatsächlich eine Schlüsselrolle bei der Infektionstoleranz spielt.

Entscheidend ist, dass die Xenopus-Gene, die aufgrund der Behandlung mit 1,4-DPCA die größten Veränderungen in ihren Expressionsniveaus erfahren haben, auch in der 20-Gen-Signatur der Pathogentoleranz vorhanden sind, die die Forscher zuvor identifiziert hatten, was darauf hindeutet, dass das Medikament Aspekte des natürlichen nachahmt Toleranz einschließlich modulierender Gene, die an der Metallionenbindung beteiligt sind.

„Seit die Keimtheorie der Krankheit im 19. Jahrhundert von der Wissenschaft akzeptiert wurde, hat sich die Behandlung auf die Krankheitserreger selbst konzentriert. Aber diese Experimente zeigen, dass die Modulation der physiologischen Reaktionen eines Wirts auf einen Krankheitserreger die gleiche Aufmerksamkeit verdient und bieten könnte ein dringend benötigter alternativer Ansatz zur Behandlung von Krankheiten“, sagte der Co-Autor und Mitglied der Wyss Associate Faculty Michael Levin, Ph.D., der auch Vannevar Bush Chair und Direktor des Allen Discovery Center an der Tufts University ist.

Die Forscher warnen jedoch davor, dass toleranzinduzierende Medikamente keine Wunderwaffe gegen Infektionen sind. Die zunehmende Toleranz der Menschen gegenüber Infektionen könnte dazu führen, dass sie einen schädlichen Erreger nie vollständig aus ihrem Körper entfernen, was langfristige gesundheitliche Auswirkungen haben könnte. Darüber hinaus könnten diese Menschen mit anhaltenden, geringgradigen Infektionen den Erreger auf andere übertragen, die anfälliger sind. Daher werden Medikamente, die die Toleranz erhöhen, wahrscheinlich am besten in Kombination mit anderen Maßnahmen wie Impfstoffen oder in isolierten Notfallsituationen wie dem Schutz von Ärzten und Krankenschwestern eingesetzt, die auf einen tödlichen Erregerausbruch reagieren.

„Dies ist ein wunderbares Beispiel dafür, wissenschaftliche oder medizinische Paradigmen auf den Kopf zu stellen: Anstatt nach einem weiteren hochgradig zielgerichteten Antibiotikum zu suchen, gegen das Krankheitserreger in Zukunft Resistenzen entwickeln werden, haben wir uns entschieden, Wege zu finden, um den Wirt zu stimulieren, um eine breite Palette von Toleranzen zu erreichen von Infektionen. Obwohl diese Arbeit weit von der Klinik entfernt ist, zeigt sie den Wert des Denkens über den Tellerrand hinaus und eröffnet neue Ansätze für die Entwicklung von Therapeutika“, sagte der leitende Autor und Wyss-Gründungsdirektor Donald Ingber, der auch der Judah Folkman-Professor von ist Vascular Biology an der Harvard Medical School (HMS) und dem Boston Children’s Hospital sowie Professor für Bioengineering an der Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences.

Das Team untersucht weiterhin Stressreaktionen, die denen ähneln, die bei der Pathogentoleranz bei Xenopus gefunden wurden, jetzt hauptsächlich im Kontext des Biostasis-Projekts des Wyss Institute.

Zu den weiteren Autoren des Artikels gehören die ehemaligen Wyss Institute-Mitglieder Vishal Keshari, Alexandre Dinis und Diogo Camacho, Ph.D.; Mark Cartwright, Ph.D., leitender Wissenschaftler am Wyss Institute; Jean-François Paré Ph.D. von der Queen’s University, Ontario, Kanada; und Michael Super, Ph.D., ein Lead Staff Scientist am Wyss Institute.