Impfstoff gegen den tödlichen Chytridpilz bereitet das Mikrobiom des Frosches auf zukünftige Exposition vor

Das Mikrobiom eines Menschen oder Tieres – die Ansammlung häufig nützlicher Mikroorganismen, darunter Bakterien und Pilze, die auf oder in einem Wirtsorganismus leben – kann eine wichtige Rolle bei der gesamten Immunantwort des Wirts spielen, es ist jedoch unklar, welche Auswirkungen Impfstoffe gegen schädliche Krankheitserreger haben das Mikrobiom. Eine neue von Forschern der Penn State geleitete Studie ergab, dass ein neuer Impfstoff gegen den tödlichen Chytrid-Pilz bei Fröschen die Zusammensetzung des Mikrobioms verändern kann, wodurch Frösche widerstandsfähiger gegen eine zukünftige Exposition gegenüber dem Pilz werden.

Die Studie wurde am 12. Juni in einer Sonderausgabe der Zeitschrift veröffentlicht Philosophische Transaktionen der Royal Society Blegt nahe, dass die Reaktion des Mikrobioms ein wichtiger, übersehener Teil der Wirksamkeit des Impfstoffs sein könnte.

„Die Mikroorganismen, aus denen das Mikrobiom eines Tieres besteht, können oft zur Abwehr von Krankheitserregern beitragen, indem sie beispielsweise nützliche Substanzen produzieren oder mit den Krankheitserregern um Platz oder Nährstoffe konkurrieren“, sagte Gui Becker, außerordentlicher Professor für Biologie an der Penn State und Leiter der Forschung Team. „Aber was passiert mit Ihrem Mikrobiom, wenn Sie einen Impfstoff erhalten, beispielsweise einen COVID-Impfstoff, eine Grippeimpfung oder einen attenuierten Lebendimpfstoff wie den Gelbfieberimpfstoff? In dieser Studie haben wir Frösche als Modellsystem verwendet, um mit der Erforschung dieser Frage zu beginnen.“ .“

Frösche und andere Amphibien sind durch den Chytridpilz bedroht, der auf mehreren Kontinenten zum Aussterben einiger Arten und zu einem starken Populationsrückgang bei Hunderten anderer Arten geführt hat. Bei anfälligen Arten verursacht der Pilz eine manchmal tödliche Hautkrankheit.

„Chytrid ist einer der schlimmsten, wenn nicht der schlimmste Krankheitserreger für den Artenschutz in der jüngeren Geschichte, und es besteht ein dringender Bedarf, Instrumente zu entwickeln, um seine Ausbreitung zu kontrollieren“, sagte Becker, der auch Mitglied des One Health Microbiome Center ist und das Center for Infectious Disease Dynamics an der Penn State. „Wir haben herausgefunden, dass Impfstoffe in einigen Fällen eine schützende Verschiebung im Mikrobiom auslösen können, was darauf hindeutet, dass eine sorgfältige Manipulation des Mikrobioms als Teil einer umfassenderen Strategie genutzt werden könnte, um Amphibien und möglicherweise auch anderen Wirbeltieren beim Umgang mit neu auftretenden Krankheitserregern zu helfen.“

Die Forscher verabreichten Kaulquappen einen Impfstoff, in diesem Fall eine nichttödliche Dosis eines Stoffwechselprodukts, das vom Chytridpilz erzeugt wird. Nach fünf Wochen beobachteten sie, wie sich die Zusammensetzung des Mikrobioms verändert hatte, und identifizierten einzelne Bakterienarten und ihre relativen Anteile. Die Forscher kultivierten außerdem jede Bakterienart im Labor und testeten, ob bakterienspezifische Produkte das Chytrid-Wachstum erleichterten, hemmten oder keinen Einfluss darauf hatten, indem sie die Ergebnisse mit einer großen Datenbank dieser Informationen ergänzten und verglichen.

„Eine Erhöhung der Konzentration und Dauer der Exposition gegenüber der Chytridprodukt-Prophylaxe veränderte die Zusammensetzung des Mikrobioms deutlich, sodass es einen höheren Anteil an Bakterien gab, die Anti-Chytrid-Substanzen produzieren“, sagte Samantha Siomko, Masterstudentin im Becker Lab der Universität von Alabama zum Zeitpunkt der Recherche und Erstautor der Arbeit. „Diese Schutzverschiebung deutet darauf hin, dass, wenn ein Tier erneut demselben Pilz ausgesetzt würde, sein Mikrobiom besser in der Lage wäre, den Erreger zu bekämpfen.“

Frühere Versuche, eine schützende Veränderung im Mikrobiom herbeizuführen, beruhten auf der Zugabe einer oder mehrerer Bakterienarten, von denen bekannt ist, dass sie wirksame antimykotische Metaboliten, also Probiotika, produzieren. Den Forschern zufolge müssen die Bakterien jedoch mit anderen Arten im Mikrobiom konkurrieren und es gelingt ihnen nicht immer, sich als dauerhaftes Mitglied im Mikrobiom zu etablieren.

„Diese Frösche haben Hunderte von Bakterienarten auf ihrer Haut, die sie aus ihrer Umgebung aufnehmen, und die Zusammensetzung ändert sich regelmäßig, auch mit der Jahreszeit“, sagte Becker. „Der Versuch, die Gemeinschaft zu manipulieren, beispielsweise durch die Zugabe eines bakteriellen Probiotikums, ist eine Herausforderung, weil die Dynamik in der Gemeinschaft so komplex und unvorhersehbar ist. Unsere Ergebnisse sind vielversprechend, weil wir im Wesentlichen die gesamte Bakteriengemeinschaft in eine effektivere Richtung manipuliert haben.“ gegen die Bekämpfung des Pilzerregers, ohne ein Lebewesen hinzuzufügen, das um Ressourcen konkurrieren muss, um zu überleben.“

Bemerkenswerterweise wurde die Gesamtzahl der Arten – die Diversität – innerhalb des Mikrobioms nicht beeinflusst, sondern nur die Zusammensetzung und die relativen Anteile der Arten. Die Forscher halten dies für positiv, da ein Rückgang der Diversität des Frosch-Mikrobioms oft zu Krankheit oder Tod führen kann, und es ist allgemein anerkannt, dass die Aufrechterhaltung eines vielfältigen Mikrobioms es der Gemeinschaft von Bakterien und Mikrobenarten ermöglicht, dynamischer und schneller auf Bedrohungen zu reagieren höhere funktionale Redundanz.

Die Forscher vermuten, dass diese adaptive Verschiebung der Mikrobiomzusammensetzung, die sie „Mikrobiomgedächtnis“ nennen, eine wichtige Rolle für die Wirksamkeit des Impfstoffs spielen könnte. Neben dem Verständnis der Mechanismen hinter dieser Verschiebung hofft das Forschungsteam, in Zukunft auch die Idee des Mikrobiomgedächtnisses bei erwachsenen Fröschen und anderen Wirbeltierarten zu untersuchen.

„Unser Gemeinschaftsteam hat eine Prophylaxetechnik implementiert, die auf Stoffwechselprodukten des Chytridpilzes beruht“, sagte Becker. „Es ist möglich, dass Impfstoffe, die auf mRNA oder lebenden Zellen basieren – wie sie häufig zum Schutz vor bakteriellen oder viralen Infektionen eingesetzt werden – das Mikrobiom unterschiedlich beeinflussen, und wir freuen uns, diese Möglichkeit zu erkunden.“

Zum Forschungsteam gehören neben Becker und Siomko auch Teagan McMahon – der die Prophylaxemethode entwickelt hat – von der University of Connecticut; Sasha Greenspan, Wesley Neely und Stanislava Chtarbanova an der University of Alabama; Douglas Woodhams an der University of Massachusetts; und KM Barnett an der Emory University.