Im Schleim gefundene Moleküle könnten eine Cholera-Infektion verhindern

MIT-Forscher haben im Schleim gefundene Moleküle identifiziert, die eine Cholera-Infektion blockieren können, indem sie in die Gene eingreifen, die bewirken, dass die Mikrobe in einen schädlichen Zustand wechselt.

Diese als Glykane bekannten Schutzmoleküle sind ein Hauptbestandteil von Mucinen, den gelbildenden Polymeren, aus denen Schleim besteht. Das MIT-Team identifizierte eine bestimmte Art von Glykan, das verhindern kann, dass Vibrio cholerae das Toxin produziert, das normalerweise zu schwerem Durchfall führt.

Wenn diese Glykane an die Infektionsstelle gelangen könnten, könnten sie helfen, die Schleimbarriere zu stärken und Cholera-Symptome zu verhindern, von denen jährlich bis zu 4 Millionen Menschen betroffen sind. Da Glykane Bakterien entwaffnen, ohne sie zu töten, könnten sie eine attraktive Alternative zu Antibiotika sein, sagen die Forscher.

„Im Gegensatz zu Antibiotika, bei denen man ziemlich schnell Resistenzen entwickeln kann, töten diese Glykane die Bakterien nicht wirklich. Sie scheinen nur die Genexpression ihrer Virulenztoxine zu unterbinden, also könnte man versuchen, diese Infektionen zu behandeln“, sagt er Benjamin Wang Ph.D. ’21, einer der Hauptautoren der Studie.

Julie Takagi Ph.D. ’22 ist auch Hauptautor des Papiers. Katharina Ribbeck, Andrew and Erna Viterbi Professor of Biological Engineering am MIT, ist die leitende Autorin der Studie, die heute im erscheint EMBO-Journal.

Weitere wichtige Mitglieder des Forschungsteams sind Rachel Hevey, wissenschaftliche Mitarbeiterin an der Universität Basel; Micheal Tiemeyer, Professor für Biochemie und Molekularbiologie an der University of Georgia; und Fitnat Yildiz, Professor für Mikrobiologie und Umwelttoxikologie an der University of California in Santa Cruz.

Mikroben zähmen

In den letzten Jahren haben Ribbeck und andere entdeckt, dass Schleim, der einen Großteil des Körpers auskleidet, eine Schlüsselrolle bei der Kontrolle von Mikroben spielt. Ribbecks Labor hat gezeigt, dass Glykane – komplexe Zuckermoleküle, die im Schleim vorkommen – Bakterien wie Pseudomonas aeruginosa und den Hefepilz Candida albicans deaktivieren und sie daran hindern können, schädliche Infektionen zu verursachen.

Die meisten früheren Studien von Ribbeck konzentrierten sich auf Lungenpathogene, aber in der neuen Studie richteten die Forscher ihre Aufmerksamkeit auf eine Mikrobe, die den Magen-Darm-Trakt infiziert. Vibrio cholerae, das oft durch kontaminiertes Trinkwasser übertragen wird, kann schweren Durchfall und Dehydrierung verursachen. Vibrio cholerae kommt in vielen Stämmen vor, und frühere Forschungen haben gezeigt, dass die Mikrobe nur dann pathogen wird, wenn sie von einem Virus namens CTX-Phage infiziert wird.

„Dieser Phage trägt die Gene, die für das Choleratoxin kodieren, das eigentlich für die Symptome einer schweren Cholerainfektion verantwortlich ist“, sagt Wang.

Damit diese „toxigene Umwandlung“ stattfinden kann, muss der CTX-Phage an einen Rezeptor auf der Oberfläche der Bakterien binden, der als Toxin-co-regulierter Pilus (TCP) bekannt ist. Bei der Arbeit mit Mucin-Glykanen, die aus dem Gastrointestinaltrakt von Schweinen gereinigt wurden, fand das MIT-Team heraus, dass Glykane die Fähigkeit der Bakterien unterdrücken, den TCP-Rezeptor zu produzieren, sodass der CTX-Phage sie nicht mehr infizieren kann.

Die Forscher zeigten auch, dass die Exposition gegenüber Mucin-Glykanen die Expression vieler anderer Gene dramatisch verändert, einschließlich derjenigen, die zur Produktion des Choleratoxins erforderlich sind. Wenn die Bakterien diesen Glykanen ausgesetzt wurden, produzierten sie fast kein Choleratoxin.

Wenn Vibrio cholerae die Epithelzellen infiziert, die den Magen-Darm-Trakt auskleiden, beginnen die Zellen, ein Molekül namens zyklisches AMP zu überproduzieren. Dies führt dazu, dass sie große Mengen Wasser absondern, was zu schwerem Durchfall führt. Die Forscher fanden heraus, dass, wenn sie menschliche Epithelzellen Vibrio cholerae aussetzten, die durch Mucin-Glykane entwaffnet worden waren, die Zellen kein zyklisches AMP produzierten oder Wasser austraten.

Glykane liefern

Die Forscher untersuchten dann, welche spezifischen Glykane auf Vibrio cholerae wirken könnten. Dazu arbeiteten sie mit Heveys Labor zusammen, um synthetische Versionen der am häufigsten vorkommenden Glykane herzustellen, die in den natürlich vorkommenden Muzinproben, die sie untersuchten, gefunden wurden. Die meisten der von ihnen synthetisierten Glykane haben Strukturen, die als Core 1 oder Core 2 bekannt sind und sich geringfügig in der Anzahl und Art der enthaltenen Monosaccharide unterscheiden.

Die Forscher fanden heraus, dass Core-2-Glykane die größte Rolle bei der Zähmung einer Cholera-Infektion spielten. Es wird geschätzt, dass 50 bis 60 Prozent der Menschen, die mit Vibrio cholerae infiziert sind, asymptomatisch sind, so dass die Forscher die Hypothese aufstellen, dass die symptomatischen Fälle auftreten können, wenn diese Cholera-blockierenden Muzine fehlen.

„Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass möglicherweise Infektionen auftreten, wenn die Schleimbarriere beeinträchtigt ist und diese bestimmte Glykanstruktur fehlt“, sagt Ribbeck.

Sie arbeitet jetzt an Möglichkeiten, synthetische Mucin-Glykane, möglicherweise zusammen mit Antibiotika, an Infektionsstellen zu liefern. Glykane allein können sich nicht an die Schleimhaut des Körpers anheften, daher untersucht Ribbecks Labor die Möglichkeit, die Glykane an Polymere oder Nanopartikel zu binden, damit sie an diesen Auskleidungen haften. Die Forscher planen, mit Lungenkrankheitserregern zu beginnen, hoffen aber, diesen Ansatz auch auf Darmkrankheitserreger, einschließlich Vibrio cholerae, anzuwenden.

„Wir wollen lernen, wie man Glykane selbst abgibt, aber auch in Verbindung mit Antibiotika, wo man möglicherweise einen zweigleisigen Ansatz benötigt. Das ist jetzt unser Hauptziel, weil wir sehen, dass so viele Krankheitserreger von unterschiedlichen Glykanstrukturen betroffen sind“, sagt Ribbeck .