Phagen-Editierungstechnologie könnte zu alternativen Behandlungen für antibiotikaresistente Bakterien führen

Da Antibiotikaresistenzen eine immer größere Bedrohung für unsere Gesundheit darstellen, suchen Wissenschaftler und Mediziner nach neuen Medikamenten zur Bekämpfung von Infektionen. Forscher des Gladstone Institute sind diesem Ziel nun mit einer neuartigen Technik zur Nutzung der Kraft von Bakteriophagen näher gekommen.

Bakteriophagen, oder kurz Phagen, sind Viren, die auf natürliche Weise Bakterien befallen und abtöten. Es gibt Tausende von Phagen, aber ihre Verwendung als Behandlung zur Bekämpfung spezifischer Bakterien hat sich bisher als schwierig erwiesen. Um die Phagentherapie zu optimieren und auf menschliche Krankheiten anwendbar zu machen, müssen Wissenschaftler Phagen zu effizienten Bakterientötungsmaschinen konstruieren. Dies würde auch eine alternative Behandlungsmethode für bakterielle Infektionen bieten, die gegen Standardantibiotika resistent sind.

Nun haben Wissenschaftler von Gladstone eine Technologie entwickelt, mit der sie das Genom von Phagen auf eine rationalisierte und höchst effektive Weise bearbeiten können. Auf diese Weise sind sie in der Lage, neue Phagen zu konstruieren und zu untersuchen, wie die Viren eingesetzt werden können, um bestimmte Bakterien anzugreifen.

„Wenn wir Phagen einsetzen wollen, um das Leben von Menschen mit Infektionen zu retten, die gegen mehrere Medikamente resistent sind, müssen wir letztlich eine Möglichkeit finden, viele Phagenvarianten herzustellen und zu testen, um die besten zu finden“, sagt Gladstone Associate Investigator Seth Shipman, Ph.D., der Hauptautor einer Studie veröffentlicht In Natur Biotechnologie. „Mit dieser neuen Technik können wir erfolgreich und schnell verschiedene Änderungen am Phagengenom vornehmen, sodass wir zahlreiche Varianten erzeugen können.“

Der neue Ansatz basiert auf Molekülen namens Retronen, die aus dem bakteriellen Immunsystem stammen und in Bakterienzellen wie DNA-Produktionsfabriken wirken. Shipmans Team hat Wege gefunden, Retronen so zu programmieren, dass sie Kopien einer gewünschten DNA-Sequenz erstellen. Wenn Phagen eine Bakterienkolonie mit Retronen infizieren, integrieren die Phagen mithilfe der in der neuen Studie des Teams beschriebenen Technik die von Retronen produzierten DNA-Sequenzen in ihr eigenes Genom.

Der Feind deines Feindes

Im Gegensatz zu Antibiotika, die viele Bakterienarten gleichzeitig abtöten, sind Phagen hochspezifisch für einzelne Bakterienstämme. Da die Zahl antibiotikaresistenter bakterieller Infektionen zunimmt – in den USA gibt es schätzungsweise 2,8 Millionen solcher Infektionen pro Jahr –, untersuchen Forscher zunehmend das Potenzial der Phagentherapie als Alternative zur Bekämpfung dieser Infektionen.

„Man sagt, der Feind deines Feindes ist dein Freund“, sagt Shipman, der auch außerordentlicher Professor in der Abteilung für Biotechnik und Therapiewissenschaften an der UCSF sowie Chan Zuckerberg Biohub Investigator ist. „Unsere Feinde sind diese pathogenen Bakterien und ihre Feinde sind Phagen.“

Phagen werden in der Klinik bereits erfolgreich zur Behandlung einer kleinen Zahl von Patienten mit lebensbedrohlichen antibiotikaresistenten Infektionen eingesetzt. Die Entwicklung der Therapien war jedoch komplex, zeitaufwändig und im großen Maßstab schwer zu reproduzieren. Ärzte müssen Sammlungen natürlich vorkommender Phagen untersuchen, um zu testen, ob einer davon gegen die spezifischen Bakterien wirkt, die von einem einzelnen Patienten isoliert wurden.

Shipmans Gruppe wollte einen Weg finden, Phagengenome zu modifizieren, um größere Phagensammlungen zu erstellen, die auf ihre therapeutische Verwendung hin untersucht werden können. Darüber hinaus wollten sie Daten darüber sammeln, was manche Phagen wirksamer macht oder was sie mehr oder weniger spezifisch für bakterielle Ziele macht.

„Als natürliche Feinde der Bakterien spielen Phagen eine wichtige Rolle bei der Gestaltung mikrobieller Gemeinschaften“, sagt Chloe Fishman, ehemalige wissenschaftliche Mitarbeiterin bei Gladstone und Co-Erstautorin der neuen Studie, die derzeit ihren Abschluss an der Rockefeller University macht. „Es ist wichtig, Werkzeuge zu haben, um ihre Genome zu verändern, um sie besser untersuchen zu können. Es ist auch wichtig, wenn wir sie so verändern wollen, dass wir mikrobielle Gemeinschaften zu unserem Vorteil gestalten können – zum Beispiel um antibiotikaresistente Bakterien abzutöten.“

Kontinuierliche Phagen-Editierung

Um Phagengenome präzise zu verändern, griffen die Wissenschaftler auf Retronen zurück. In den letzten Jahren haben Shipman und seine Gruppe Pionierarbeit bei der Entwicklung und Verwendung von Retronen zur Bearbeitung der DNA menschlicher Zellen, Hefen und anderer Organismen geleistet.

Shipman und seine Kollegen begannen mit der Entwicklung von Retronen, die DNA-Sequenzen produzieren, die speziell für die Bearbeitung eindringender Phagen entwickelt wurden – ein System, das das Team „Rekombitronen“ nannte. Dann brachten sie diese Retronen in Bakterienkolonien ein. Schließlich ließen sie Phagen die Bakterienkolonien infizieren. Während die Phagen ein Bakterium nach dem anderen infizierten, erwarben und integrierten sie kontinuierlich die neue DNA von den Rekombitronen und bearbeiteten dabei ihre eigenen Genome.

Das Forschungsteam zeigte, dass die Zahl der bearbeiteten Phagengenome umso größer wurde, je länger Phagen eine Bakterienkolonie mit Rekombitronen infizieren konnten. Darüber hinaus konnten die Forscher verschiedene Bakterien innerhalb der Kolonie mit unterschiedlichen Rekombitronen programmieren, und die Phagen erwarben mehrere Bearbeitungen, während sie die Kolonie infizierten.

„Wenn ein Phage von Bakterium zu Bakterium wandert, nimmt er verschiedene Änderungen auf“, sagt Shipman. „Mehrfache Änderungen an Phagen vorzunehmen war bisher unglaublich schwierig; so schwierig, dass Wissenschaftler es die meiste Zeit einfach nicht taten. Jetzt wirft man im Grunde genommen einige Phagen in diese Kulturen, wartet eine Weile und erhält seine mehrfach editierten Phagen.“

Eine Plattform zum Screening von Phagen

Wenn Wissenschaftler bereits genau wüssten, welche Änderungen sie an einem bestimmten Phagen vornehmen wollten, um sein therapeutisches Potenzial zu optimieren, könnten sie diese Änderungen mithilfe der neuen Plattform einfach und effektiv durchführen. Bevor Forscher jedoch die Folgen einer genetischen Veränderung vorhersagen können, müssen sie zunächst besser verstehen, wie Phagen funktionieren und wie sich Variationen ihres Genoms auf ihre Wirksamkeit auswirken. Auch hier trägt das Recombitron-System zu Fortschritten bei.

Wenn mehrere Rekombitronen in eine Bakterienkolonie gegeben werden und Phagen die Kolonie nur für kurze Zeit infizieren dürfen, erwerben unterschiedliche Phagen unterschiedliche Kombinationen von Editierungen. Derart unterschiedliche Phagensammlungen könnten dann verglichen werden.

„Wissenschaftler haben jetzt eine Möglichkeit, mehrere Gene gleichzeitig zu bearbeiten, wenn sie untersuchen möchten, wie diese Gene interagieren, oder Modifikationen einzuführen, die den Phagen zu einem wirksameren Bakterienkiller machen könnten“, sagt Kate Crawford, Doktorandin im Shipman-Labor und Co-Erstautorin der neuen Studie.

Shipmans Team arbeitet daran, die Anzahl verschiedener Rekombitronen zu erhöhen, die in eine einzelne Bakterienkolonie eingebracht und dann an Phagen weitergegeben werden können. Sie gehen davon aus, dass man letztlich Millionen von Editierungskombinationen in Phagen einbringen und so riesige Screening-Bibliotheken erstellen könnte.

„Wir wollen dies mit genügend Phagenvarianten hoch genug skalieren, damit wir anfangen können vorherzusagen, welche Phagenvarianten gegen welche bakteriellen Infektionen wirken werden“, sagt Shipman.