Die Visualisierung von Pilzinfektionen tief im lebenden Wirtsgewebe zeigt, dass der Prolinstoffwechsel die Virulenz erleichtert

Ein internationales Wissenschaftlerteam unter der Leitung von Forschern der Abteilung für Molekulare Biowissenschaften, des Wenner-Gren-Instituts und des SciLifeLab der Universität Stockholm veröffentlicht hat In PLoS-Krankheitserreger die erste erfolgreiche Anwendung der Zwei-Photonen-Intravitalmikroskopie (IVM) zur Abbildung der Dynamik von Pilzinfektionen in der Niere eines lebenden Wirts. Die Studie zeigt, dass der opportunistische menschliche Pilzpathogen Candida albicans die Fähigkeit benötigt, Prolin, eine vom Wirt gewonnene Aminosäure, zu verstoffwechseln, um virulente Infektionen auszulösen.

Candida albicans wurde kürzlich von der Weltgesundheitsorganisation (WHO) als einer von vier Pilzpathogenen mit „kritischer Priorität“ aufgeführt. Ein charakteristisches Merkmal von C. albicans ist, dass es sich um einen kommensalen Organismus handelt, der in Symbiose mit anderen Bestandteilen der menschlichen Mikroflora gedeiht und normalerweise gut verträglich ist. Wenn Menschen jedoch unter gesundheitlichen Problemen leiden, die sich negativ auf das Immunsystem auswirken, kann C. albicans Blutkreislaufinfektionen verursachen, die bei aggressiver Behandlung tödlich enden.

Es ist bekannt, dass C. albicans-Zellen während einer Infektion ihre Morphologie von eiförmigen, hefeähnlichen zu länglichen, filamentösen Hyphenzellen ändern, ein Prozess, der mit der Fähigkeit dieses Pilzes zusammenhängt, als Krankheitserreger zu wachsen. Obwohl seit langem bekannt ist, dass Prolin das Hyphenwachstum auslöst, wurde kürzlich entdeckt, dass C. albicans Prolin als Hauptenergiequelle nutzen kann. Der Abbau von Prolin erfolgt in den Mitochondrien, den Kraftwerken der Zelle.

Das Untersuchungsteam berichtet nun, dass Prolin eine wichtige Energiequelle bei anderen pathogenen Candida-Arten ist, einschließlich des multiresistenten C. auris, einer neu auftretenden Gesundheitsgefahr und auch einem von der WHO als prioritär eingestuften Pilzpathogen. Der Hauptautor dieser Studie, Dr. Fitz Gerald S. Silao, erklärt: „In Pilzzellen, die über Mitochondrien verfügen, die mit einem vollständigen Satz energiesparender Atmungskomplexe ausgestattet sind, erzeugt der Katabolismus von Prolin fast so viel chemische Energie (ATP) wie die.“ Abbau des energiereichen Zuckers Glukose.“

Die zusammenarbeitenden Gruppen ermöglichten den Zugang zu einer Vielzahl von Infektionsmodellen, darunter künstliche Haut, Kokultur mit Immunzellen, Überleben in menschlichem Vollblut und zwei Modellwirtssysteme. Die Ergebnisse zeigten durchweg, dass Stämme, die nicht in der Lage sind, Prolin zu verstoffwechseln, deutlich reduzierte Virulenzeigenschaften und eine deutlich verminderte Fähigkeit zur Durchführung morphologischer Übergänge aufweisen. Diese Beobachtungen liefern neue Erkenntnisse darüber, dass der Prolinstoffwechsel ein Schlüsselfaktor für das Wachstum pathogener Pilze ist.

Prolin, eine der 20 natürlich vorkommenden Aminosäuren im Körper, ist in extrazellulären Matrixproteinen wie Kollagen angereichert und steht daher leicht zur Verfügung, wenn das Bindegewebe an Infektionsstellen abgebaut wird oder ein Wirt dadurch anfällig wird bei Krebswachstum oder beim Einsetzen einer Sarkopenie. Bemerkenswerterweise führte die genetische Analyse des Prolin-Utilisierungswegs (PUT) und der Kontrollmechanismen, die die Prolin-Verwendung steuern, zu der Entdeckung, dass Prolin für Zellen toxisch ist, die es nicht abbauen können. Dieser letztgenannte Befund war unerwartet und es sind weitere Arbeiten erforderlich, um das Rätsel und den zugrunde liegenden Mechanismus seiner Toxizität zu lösen.

Die Niere ist das Hauptorgan, das bei Blutkreislaufinfektionen durch C. albicans betroffen ist, und es ist wichtig zu verstehen, warum. Um Antworten zu erhalten, wandte das Team zunächst ein Mausmodell der Infektion an, das für diese Art von Arbeit weiterhin von unschätzbarem Wert ist, und stellte fest, dass C. albicans-Zellen, denen die Fähigkeit zur Prolinverwertung fehlt, weniger invasiv und virulent waren. Bemerkenswert ist, dass Mäuse, die mit Pilzzellen infiziert waren, die nicht in der Lage waren, Prolin abzubauen, z. B. Zellen, denen das Put2-Enzym (1-Pyrrolin-5-carboxylat (P5C)-Dehydrogenase) fehlte, eine mildere Erkrankung oder überhaupt keine Symptome zeigten.

Als nächstes wurde modernste 2-Photonen-Intravitalmikroskopie (IVM) verwendet, um in Echtzeit die Invasion von C. albicans-Zellen tief in die Nierenrinde eines lebenden Wirts zu visualisieren. Im Gegensatz zu nativen Wildtyp-Zellen konnten die Put2-defizienten Zellen (put2-/-) keine Hyphen in den Nieren bilden. Es sollte berücksichtigt werden, dass die Darstellung der Anfangsstadien einer laufenden Infektion aufgrund vieler Faktoren, wie etwa der geringen Größe und Seltenheit der Pilzzellen und der kontinuierlichen Bewegungen, die mit lebenswichtigen und lebenserhaltenden Prozessen in lebenden Wirten einhergehen, eine große Herausforderung darstellt.

„Der Einsatz von gentechnisch veränderten Reporterstämmen und differenziellen Färbetechniken ermöglichte es uns, das Wachstum von Pilzen tief im Gewebe schnell zu erkennen. IVM ist wirklich bahnbrechend, da es die Abbildung eines dynamischen Prozesses in Organen in ihrem intakten physiologischen Kontext und in unerreichbaren Tiefen ermöglicht.“ mit konventioneller Fluoreszenz oder konfokaler Mikroskopie“, sagt Dr. Christiane Peuckert, Leiterin der IntraVital Microscopy Facility der Universität Stockholm (IVMSU) und Mitautorin des Artikels.

Wie der leitende Autor dieser Studie, Professor Per O. Ljungdahl, erklärt: „Die Niere ist ein wichtiger Knotenpunkt für den Prolinstoffwechsel, wodurch unsere Daten mit bekannten Prozessen im Zusammenhang mit der Nierenfunktion übereinstimmen und diese Arbeit noch interessanter machen. Unsere zukünftige Forschung wird sich darauf konzentrieren.“ über die Erstellung von Sätzen von Reporterstämmen zur direkten Beurteilung und Visualisierung der Prolinverwertung in der Niere. Wir werden die Anwendung von IVM auch auf andere Candida-Arten ausweiten, um festzustellen, ob ein maßgeschneidertes Prolin-Stoffwechselnetzwerk, das auf die Wirtsumgebung von Säugetieren abgestimmt ist, ein gemeinsames und Schlüsselmerkmal von ist wichtige opportunistische menschliche Pilzpathogene, die für die menschliche Gesundheit von wachsender Bedeutung sind.“