Biofilme sind hochresistente Bakteriengemeinschaften, die eine große Herausforderung bei der Behandlung von Infektionen darstellen. Während die Bildung von Biofilmen unter Laborbedingungen ausführlich untersucht wurde, ist das Verständnis ihrer Entwicklung in der komplexen Umgebung der menschlichen Atemwege bislang unklar.
Ein Forscherteam unter der Leitung von Alexandre Persat von der EPFL hat das Problem nun gelöst, indem es erfolgreich Organoide namens AirGels entwickelt hat. Organoide sind kleine, selbstorganisierte 3D-Gewebe, die aus Stammzellen gezüchtet werden und tatsächliche Körpergewebe und Organe im menschlichen Körper nachahmen. Sie stellen einen Paradigmenwechsel auf diesem Gebiet dar und ermöglichen es Wissenschaftlern, die komplizierten Umgebungen von Organen im Labor nachzubilden und zu untersuchen.
Die von Tamara Rossy und ihren Kollegen entwickelten AirGels sind biotechnologisch hergestellte Modelle menschlichen Lungengewebes, die neue Möglichkeiten in der Infektionsforschung eröffnen. Sie revolutionieren die Infektionsforschung, indem sie die physiologischen Eigenschaften der Atemwegsschleimhaut, einschließlich Schleimsekretion und Ziliarschlag, genau nachahmen. Mit dieser Technologie können Wissenschaftler Atemwegsinfektionen realistischer und umfassender untersuchen und so die Lücke zwischen In-vitro-Studien und klinischen Beobachtungen schließen.
„Zu dieser Studie gibt es viel zu sagen, aber die Entwicklung von Organoiden für die Infektionsforschung hat enormes Potenzial“, sagt Persat. „Es ist ein Game-Changer.“
In der Studie, veröffentlicht in PLoS-Biologieverwendeten die Forscher AirGels, um die Rolle des Schleims im Prozess der Biofilmbildung durch Pseudomonas aeruginosa zu untersuchen, ein pathogenes Bakterium, das häufig gegen Antibiotika resistent ist. Indem sie die AirGels mit P. aeruginosa infizierten und sie unter hochauflösender Live-Mikroskopie untersuchten, konnten sie in Echtzeit beobachten, wie das Bakterium Biofilme bildet.
Ihre Beobachtungen ergaben, dass P. aeruginosa aktiv die Kontraktion des Schleims seines Wirts mithilfe von retraktilen Filamenten induziert, die als Typ-IV-Pili (T4P) bekannt sind. Die T4P-Filamente erzeugen die notwendigen Kräfte, um den Schleim der Atemwege zusammenzuziehen, wodurch sich P. aeruginosa-Zellen ansammeln und einen Biofilm bilden können. Die Forscher validierten ihre Ergebnisse mit Folgesimulationen und biophysikalischen Experimenten an ausgewählten P. aeruginosa-Mutanten.
Die Studie zeigt, dass das AirGel-Organoidmodell einzigartige Einblicke in die mechanischen Wechselwirkungen zwischen Bakterien und der Umgebung ihrer Wirte liefern kann und in diesem Fall einen bisher unbekannten Mechanismus aufdeckt, der zur Biofilmbildung in den Atemwegen beiträgt.
Die Möglichkeit, Organoide zu konstruieren, die die Schleimhautumgebung originalgetreu nachbilden, eröffnet neue Möglichkeiten der Erforschung und ermöglicht es Forschern, übersehene Aspekte von Infektionen aufzudecken und den Einfluss zusätzlicher physiologischer Faktoren wie Temperatur, Feuchtigkeit, Medikamente und chemischer Stressfaktoren auf die Entwicklung zu untersuchen Fortschreiten der Infektion zu überwachen und gezielte Behandlungen gegen antibiotikaresistente Krankheitserreger zu entwickeln.
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PLoS-Biologie (2023). DOI: 10.1371/journal.pbio.3002209