Forscher entwickeln Viren, um tödliche Krankheitserreger abzutöten

Forschern der Northwestern University ist es gelungen, einen tödlichen Krankheitserreger dazu zu bringen, sich von innen heraus zu zerstören.

In einer neuen Studie modifizierten Forscher die DNA eines Bakteriophagen oder „Phagen“, einer Art Virus, der Bakterien infiziert und sich in ihnen repliziert. Dann platzierte das Forscherteam die DNA in Pseudomonas aeruginosa (P. aeruginosa), einem tödlichen Bakterium, das auch sehr resistent gegen Antibiotika ist. Im Inneren des Bakteriums umging die DNA die Abwehrmechanismen des Krankheitserregers und baute sich zu Virionen zusammen, die die Zelle des Bakteriums durchschnitten, um es abzutöten.

Aufbauend auf dem wachsenden Interesse an „Phagentherapien“ stellt die experimentelle Arbeit einen entscheidenden Schritt hin zur Entwicklung von Designerviren als neue Therapeutika zur Abtötung antibiotikaresistenter Bakterien dar. Es enthüllt auch wichtige Informationen über das Innenleben von Phagen, einem wenig erforschten Bereich der Biologie.

Der StudieIn der Fachzeitschrift wurde „Ein Ansatz der synthetischen Biologie zum Aufbau und Neustart klinisch relevanter Pseudomonas aeruginosa-Schwanzphagen“ veröffentlicht Spektrum der Mikrobiologie.

„Antimikrobielle Resistenz wird manchmal als ‚stille Pandemie‘ bezeichnet“, sagte Erica Hartmann von Northwestern, die die Arbeit leitete.

„Die Zahl der Infektionen und Todesfälle durch Infektionen nimmt weltweit zu. Es handelt sich um ein massives Problem. Die Phagentherapie hat sich zu einer unerschlossenen Alternative zu unserer Abhängigkeit von der Verwendung antimikrobieller Mittel entwickelt. Aber in vielerlei Hinsicht sind Phagen die ‚letzte Grenze‘ der Mikrobiologie.“ Wir wissen nicht viel über sie. Je mehr wir über die Funktionsweise von Phagen lernen können, desto wahrscheinlicher ist es, dass wir wirksamere Therapeutika entwickeln können. Unser Projekt ist insofern wegweisend, als wir in Echtzeit etwas über die Biologie von Phagen lernen, während wir sie entwickeln .“

Als Indoor-Mikrobiologe ist Hartmann außerordentlicher Professor für Bau- und Umweltingenieurwesen an der McCormick School of Engineering im Nordwesten und Mitglied des Center for Synthetic Biology.

Verzweifelter Bedarf an Antibiotika-Alternativen

Im Zusammenhang mit der zunehmenden Verwendung antimikrobieller Mittel stellt die Zunahme antibakterieller Resistenzen eine dringende und wachsende Bedrohung für die Weltbevölkerung dar. Nach Angaben der Centers for Disease Control and Prevention (CDC) fast 3 Millionen antimikrobiell resistente Infektionen Allein in den Vereinigten Staaten kommt es jedes Jahr dazu, dass mehr als 35.000 Menschen daran sterben.

Die wachsende Krise hat Forscher dazu motiviert, nach Alternativen zu Antibiotika zu suchen, deren Wirksamkeit immer weiter nachlässt. In den letzten Jahren haben Forscher begonnen, Phagentherapien zu erforschen. Doch obwohl es Milliarden von Phagen gibt, wissen Wissenschaftler nur sehr wenig über sie.

„Auf jedes Bakterium, das es gibt, kommen Dutzende Phagen“, sagte Hartmann. „Es gibt also eine astronomisch große Anzahl von Phagen auf der Erde, aber wir verstehen nur eine Handvoll davon. Wir hatten nicht unbedingt die Motivation, sie wirklich zu studieren. Jetzt ist die Motivation da und wir erhöhen die Zahl.“ Werkzeuge, die wir ihrem Studium widmen müssen.“

Behandlung ohne Nebenwirkungen

Um mögliche Phagentherapien zu erforschen, lokalisieren oder modifizieren Forscher entweder ein vorhandenes Virus, um selektiv eine bakterielle Infektion anzugreifen, ohne den Rest des Körpers zu beeinträchtigen. Im Idealfall könnten Wissenschaftler eines Tages ein Phagentherapeutikum so anpassen, dass es ein bestimmtes Bakterium infiziert, und „à la carte“-Therapeutika mit präzisen Merkmalen und Merkmalen zur Behandlung einzelner Infektionen entwickeln.

„Das Besondere an Phagen ist, dass sie im Gegensatz zu Antibiotika sehr spezifisch sein können“, sagte Hartmann. „Wenn man zum Beispiel ein Antibiotikum gegen eine Nebenhöhlenentzündung einnimmt, stört es den gesamten Magen-Darm-Trakt. Eine Phagentherapie kann so konzipiert werden, dass sie nur die Infektion betrifft.“

Während andere Forscher Phagentherapien untersucht haben, konzentrierten sich fast alle der untersuchten Forscher auf die Verwendung von Phagen zur Infektion von Escherichia coli. Hartmann entschied sich jedoch, sich auf P. aeruginosa zu konzentrieren, einen der fünf tödlichsten menschlichen Krankheitserreger. Besonders gefährlich für Menschen mit geschwächtem Immunsystem. P. aeruginosa ist eine der Hauptursachen für Krankenhausinfektionen und infiziert häufig Patienten mit Verbrennungen oder Operationswunden sowie die Lunge von Menschen mit Mukoviszidose.

„Es handelt sich um einen multiresistenten Krankheitserreger mit höchster Priorität, der vielen Menschen große Sorge bereitet“, sagte Hartmann. „Es ist extrem resistent gegen Medikamente, daher besteht ein dringender Bedarf, alternative Therapeutika dafür zu entwickeln.“

Eine Infektion nachahmen, Abwehrkräfte umgehen

In der Studie begannen Hartmann und ihr Team mit P. aeruginosa-Bakterien und reinigten DNA aus mehreren Phagen. Anschließend verwendeten sie Elektroporation – eine Technik, die kurze Hochspannungsimpulse liefert –, um vorübergehende Löcher in die äußere Zelle der Bakterien zu bohren. Durch diese Löcher gelangte Phagen-DNA in die Bakterien, um den Infektionsprozess nachzuahmen.

In einigen Fällen erkannten die Bakterien die DNA als Fremdkörper und schredderten die DNA, um sich zu schützen. Doch nachdem Hartmanns Team den Prozess mithilfe der synthetischen Biologie optimiert hatte, gelang es ihm, die antiviralen Selbstverteidigungsmechanismen der Bakterien auszuschalten. In diesen Fällen gelang es der DNA, Informationen erfolgreich in die Zelle zu transportieren, was zu Virionen führte, die die Bakterien abtöteten.

„Wo wir erfolgreich waren, sieht man dunkle Flecken auf den Bakterien“, sagte Hartmann. „Hier brechen die Viren aus den Zellen aus und töten alle Bakterien.“

Nach diesem Erfolg führte Hartmanns Team DNA von zwei weiteren Phagen ein, die von Natur aus nicht in der Lage sind, ihren P. aeruginosa-Stamm zu infizieren. Wieder einmal hat der Prozess funktioniert.

Phagenherstellung in einer Zelle

Der Phagen tötete nicht nur die Bakterien, sondern die Bakterien schleuderten auch Milliarden weitere Phagen aus. Diese Phagen können dann verwendet werden, um andere Bakterien abzutöten, beispielsweise diejenigen, die eine Infektion verursachen.

Als nächstes plant Hartmann, die Phagen-DNA weiter zu modifizieren, um mögliche Therapien zu optimieren. Derzeit untersucht ihr Team die von P. aeruginosa ausgeschiedenen Phagen.

„Dies ist ein wichtiger Schritt bei der Entwicklung von Phagentherapien“, sagte sie. „Wir können unsere Phagen untersuchen, um zu entscheiden, welche wir entwickeln und sie schließlich als Therapeutikum in Massenproduktion herstellen.“