„Freundliche“ Darmbakterien können Krankheitserreger eliminieren, indem sie um Energieressourcen konkurrieren

Neue Forschungsergebnisse von Wissenschaftlern der UC Davis Health liefern Hinweise darauf, wie freundliche Bakterien im Darm – Probiotika – dazu beitragen können, bakterielle Krankheitserreger wie Salmonellen auszurotten, indem sie mit ihnen um die benötigten Ressourcen konkurrieren.

Die heute veröffentlichte Studie in Zellwirt & Mikrobezeigt, dass die Verfügbarkeit benötigter Nährstoffe allein nicht bestimmt, wo Bakterien – einschließlich Krankheitserreger wie Salmonellen – im Darm überleben und gedeihen können.

„Diese Erkenntnisse liefern ein besseres Verständnis der Ernährungsgrundlage der Darmbesiedelung und können dazu beitragen, die Bemühungen zur Entwicklung von Probiotika zur Bekämpfung von Infektionen zu informieren“, sagte Megan Liou, Ph.D. Kandidat im Bäumler Lab der UC Davis und Erstautor der Studie.

Menschen sind darauf beschränkt, Sauerstoff – die Luft, die wir atmen – zur Energieerzeugung zu verwenden. Mikroben haben jedoch Energiemechanismen entwickelt, die verschiedene Verbindungen und Elemente wie Nitrate „atmen“ können. Diese Mechanismen ermöglichen es Mikroben, in vielen verschiedenen Umgebungen zu überleben.

In der Studie untersuchten die Forscher einen freundlichen Bakterienstamm, Escherichia coli Stamm Nissle 1917 (E coli), und Salmonellen, ein schädlicher Bakterienstamm, der bei Menschen und Tieren Magen-Darm-Erkrankungen verursachen kann. (Einige Sorten von E coli kann Krankheiten verursachenaber die meisten sind harmlos.)

Mikroben nutzen Nitrat zur Energiegewinnung

Nitrat ist vor allem als Konservierungsmittel für Lebensmittel bekannt, aber es ist auch eine wichtige Ressource für Darmmikroben. Das Nitrat aus Nahrungsquellen wird im Dünndarm aufgenommen. Nitrat ist auch im Darm als Nebenprodukt alltäglicher Stoffwechselprozesse verfügbar. Es ist typischerweise auf sehr niedrigem Niveau, steigt aber während einer Entzündung an.

Beide Bakterienstämme im Darm nutzen Nitrat zur Energiegewinnung. Aber die Forscher fanden das heraus Salmonellen kann nur Nitrat verwenden, das von Fresszellen erzeugt wird, einer bestimmten Art von Immunzellen, die der Körper sendet, um verletztes oder infiziertes Gewebe zu reparieren.

Das E coli verwendet Nitrat, das sowohl von Darmzellen – Epithelgewebe – als auch von Phagozyten erzeugt wird, was bedeutet, dass es mit dem konkurrieren kann Salmonellen für seine Energiequelle.

Liou verglich diese verschiedenen Nitratquellen mit verschiedenen „Restaurants“, in denen die Mikroben die Ressourcen erhalten, die sie zum Wachsen benötigen.

„Die Fähigkeit von E coli Nissle in „Restaurants“ zu speisen, die von Fresszellen erzeugt wurden, und mit dem Krankheitserreger um Ressourcen zu konkurrieren, war für das Probiotikum unerlässlich, um ihm Schutz zu verleihen Salmonellen“, sagte Liou.

Als die Forscher Mäuse mit infizierten Salmonellenlöste es die erwartete Entzündung im Darm aus, was dazu führte, dass Immunzellen – Phagozyten – in das Darmlumen, die Schicht, die den Darm auskleidet, gebracht wurden. Salmonellen fand eine Nische in der fresszellenreichen Darmschleimhaut und nutzte ausschließlich die von diesen Immunzellen erzeugten Nitrate.

Sensoren begrenzen wo Salmonellen kann Ressourcen in den Darm bekommen

Ein rätselhafter Aspekt der Konkurrenz zwischen dem Probiotikum E coli und die krankheitsauslösenden Salmonellen war der Grund Salmonellen das vom gesunden Darmgewebe produzierte Nitrat nicht verwertet. Warum hat es ausschließlich Nitrat verwendet, das vom Gewebe der Immunantwort produziert wurde, wodurch die Anzahl der Plätze, an denen es „essen“ konnte, begrenzt war?

Die Antwort fanden die Forscher in den Sensoren von Salmonellen die es den Bakterien ermöglichen, ihre Umgebung zu erschnüffeln und sich in eine günstigere Umgebung zu bewegen, die als Chemotaxis-Rezeptoren bekannt sind. Sie lenkten den Erreger weg von dem aus dem Epithel stammenden Nitrat und hin zu den entzündlichen Fresszellen.

Im Wesentlichen die Salmonellen hatte keinen Sensormechanismus, der es zu gesundem Epithelgewebe lenken würde, obwohl dieses Gewebe auch Nitrate erzeugte. Das Probiotikum E coli ihm fehlen Chemotaxis-Rezeptoren, was es ihm ermöglicht, beide Nischen zu besetzen und in dessen bevorzugter Umgebung gegen den Erreger zu konkurrieren.

„Durch die Erforschung der ‚Restaurants‘ in Ihrem Dickdarm identifiziert unsere Forschung Eigenschaften von Probiotika, die uns vor Infektionen schützen“, sagte Andreas Bäumler, Seniorautor der Studie. Bäumler ist stellvertretender Forschungsleiter und Professor in der Abteilung für medizinische Mikrobiologie und Immunologie an der UC Davis School of Medicine. „Diese Erkenntnisse liefern ein besseres Verständnis der Ernährungsgrundlage der Darmbesiedlung und können dazu beitragen, die Bemühungen zur Entwicklung von Probiotika zur Bekämpfung von Infektionen zu informieren.“