Mögliches „Trojanisches Pferd“ zur Behandlung hartnäckiger bakterieller Infektionen gefunden

Bakterien können dazu verleitet werden, Todessignale zu senden, um das Wachstum ihrer schleimigen, schützenden Behausungen zu stoppen, die zu tödlichen Infektionen führen, wie eine neue Studie zeigt.

Die Entdeckung von Forschern der Washington State University könnte eines Tages als Alternative zu Antibiotika zur Behandlung schwieriger Infektionen genutzt werden. Berichterstattung im Journal Biofilmnutzten die Forscher die Botenstoffe, die sie „extrazelluläre Todesvesikel“ (D-EVs) nannten, um in Laborexperimenten das Wachstum der Bakteriengemeinschaften um bis zu 99,99 % zu reduzieren.

„Indem wir die extrazellulären Todesvesikel der Bakterienumgebung hinzufügen, betrügen wir die Bakterienzellen gewissermaßen“, sagte Mawra Gamal Saad, Erstautorin des Artikels und Doktorandin an der Gene and Linda Voiland School of Chemical Engineering and Bioengineering der WSU.

„Die Zellen wissen nicht, um welche Art von Elektrofahrzeugen es sich handelt, aber sie nehmen sie auf, weil sie es gewohnt sind, sie aus ihrer Umgebung aufzunehmen, und damit ändern sich die physiologischen Signale innerhalb der Zellen von Wachstum zu Tod.“

Bakterienresistenzen sind weltweit ein wachsendes Problem. Nach Angaben der US-amerikanischen Centers for Disease Control sind in den USA jedes Jahr mindestens 2 Millionen Infektionen und 23.000 Todesfälle auf antibiotikaresistente Bakterien zurückzuführen. Wenn Ärzte Antibiotika zur Behandlung einer bakteriellen Infektion einsetzen, können sich einige der Bakterien in ihrem schwer zu durchdringenden, schleimigen Zuhause namens Biofilm verstecken.

Diese Subpopulationen von Resistenzzellen können die Behandlung überleben und wachsen und sich vermehren, was zu chronischen Infektionen führt.

„Sie sind resistent, weil sie über ein sehr fortschrittliches und gut organisiertes Anpassungssystem verfügen“, sagte Saad. „Sobald sich die Umgebung verändert, können sie ihre intrazellulären Wege sehr schnell anpassen und so verändern, dass sie den Antibiotika widerstehen.“

In ihrer neuen Studie entdeckten die Forscher, dass die extrazellulären Vesikel für die Steuerung des Wachstums des schützenden Biofilms von entscheidender Bedeutung sind. Die Vesikel, winzige Bläschen mit einer Größe von 30 bis 50 Nanometern oder etwa 2.000 Mal kleiner als eine Haarsträhne, transportieren Moleküle von Zellen, dringen in benachbarte Zellen ein, programmieren diese dann neu und fungieren als Kommunikationssystem von Zelle zu Zelle.

Im Rahmen dieser Studie extrahierten die Forscher die Bläschen aus einer Bakterienart, die Lungenentzündung und andere schwere Infektionen verursacht. Sie stellten fest, dass die Bakterien zunächst Vesikel, sogenannte Wachstums-EVs, mit Anweisungen zum Wachstum ihres Biofilms absondern und später, je nach verfügbaren Nährstoffen, Sauerstoffverfügbarkeit und anderen Faktoren, EVs mit neuen Anweisungen senden, um das Wachstum des Biofilms zu stoppen.

Den Forschern gelang es, die Vesikel mit den Anweisungen zum Stoppen des Wachstums zu nutzen und damit die Bakterien zu täuschen, um den Biofilm in allen Phasen seines Wachstums abzutöten. Selbst als die Biofilme gesund waren und schnell wuchsen, folgten sie den neuen Anweisungen der Todes-Elektrofahrzeuge und starben. Die tödlichen Elektrofahrzeuge können den Biofilm leicht durchdringen, da es sich um natürliche, von den Bakterien abgesonderte Produkte handelt und sie über die gleiche Zellwandstruktur verfügen, sodass die Zellen sie nicht als fremden Feind erkennen.

„Indem wir die Bakterien mit diesen tödlichen Elektrofahrzeugen betrügen, können wir ihr Verhalten kontrollieren, ohne ihnen die Chance zu geben, Resistenzen zu entwickeln“, sagte Saad. „Das Verhalten des Biofilms hat sich einfach vom Wachstum zum Absterben verändert.“

Wen-Ji Dong, Professor an der WSU und korrespondierender Autor, der die Vesikel seit mehreren Jahren untersucht, ging zunächst davon aus, dass alle von Bakterien abgesonderten Vesikel das Zellwachstum fördern würden. Die Forscher waren überrascht, als sie herausfanden, dass ältere Biofilme Anweisungen zum Selbstabschalten enthielten.

„Jetzt konzentrieren wir uns auf die extrazellulären Vesikel, die von älteren Biofilmen abgesondert werden, weil sie therapeutisches Potenzial haben“, sagte er.