Wie Bakteriophagenresistenz Salmonella-Populationen formt

Forscher des Quadram Institute und der University of East Anglia haben herausgefunden, wie Resistenzen dazu beigetragen haben, die Entstehung dominanter Salmonella-Stämme voranzutreiben. Zusätzlich zur antimikrobiellen Resistenz kann die Resistenz gegen Bakteriophagen diesen Erregern zumindest kurzfristig Auftrieb geben.

Mit der Zunahme antimikrobieller Resistenzen wird nach neuen Wegen zur Bekämpfung von Bakterien gesucht, die Krankheiten verursachen.

Eine Forschungsrichtung befasst sich mit einem natürlichen Feind von Bakterien – Viren. Es gibt mehr Viruspartikel auf der Erde als Sterne im Universum, und einige von ihnen sind darauf spezialisiert, Bakterien zu verwenden, um sich selbst zu replizieren. Diese Viren, Bakteriophagen genannt, töten auch ihre bakteriellen Wirte, was sie zu potenziellen neuen Verbündeten im Kampf gegen bakterielle Infektionen macht.

Eine der Hauptursachen für bakterielle Erkrankungen weltweit sind Salmonella-Bakterien. Sie sind jedes Jahr für 78 Millionen Krankheitsfälle verantwortlich, und viele davon werden einer eng verwandten Gruppe von Salmonellen zugeschrieben, die Menschen und Tiere infizieren; Salmonella entericaserovar Typhimurium, oder kurz S. Typhimurium.

Der Erfolg von Salmonella Typhimurium beruht auf seiner genetischen Flexibilität, die es ihm ermöglicht, sich anzupassen und Resistenzen zu überwinden. Dies hat zu Wellen verwandter Stämme geführt, die 10 bis 15 Jahre lang dominieren, dann aber durch neue Stämme ersetzt werden. Diese neuen Stämme zeigen möglicherweise eine bessere Widerstandsfähigkeit gegenüber Bemühungen, sie zu kontrollieren, was das Entwerfen neuer Interventionen wie den Versuch macht, ein sich bewegendes Ziel zu treffen.

Professor Rob Kingsley vom Quadram Institute und der University of East Anglia und sein Team haben die Bemühungen zur Bekämpfung von Salmonellen unterstützt, indem sie ihr Genom untersucht haben, um Hinweise auf ihre Anpassungsfähigkeit zu finden und wie Änderungen im genetischen Code den Stämmen einen Wettbewerbsvorteil verschafft haben. Eine Studie aus dem Jahr 2021 deckte beispielsweise auf, wie Salmonellen eine Nische in der Schweinefleischproduktion erobern.

In einer neuen Studie, die kürzlich in der Zeitschrift veröffentlicht wurde Mikrobielle Genomikhaben sie nun den Einfluss der Bakteriophagenresistenz auf die zirkulierenden Populationen von Salmonellen untersucht und wie sich diese Räuber-Beute-Beziehung entwickelt hat.

Dies ist eine komplexe Beziehung – während Bakteriophagen Bakterien jagen, können sie auch die Verbreitung von genetischem Material über Stämme hinweg fördern. Das liegt daran, dass die Ausbreitung genetischer Variationen und die Übertragung von Resistenzgenen zwischen Bakterienpopulationen durch Phagen vermittelt werden kann – ein Prozess, der als Phagen-vermittelte Transduktion bekannt ist.

„Es gibt ein wiedererstarktes Interesse an der Verwendung von Phagen als Alternative oder als Begleitung zur Antibiotikabehandlung bei bakteriellen Infektionen, und wie bei Antibiotika liegt der Schlüssel zum Verständnis der potenziellen Entstehung von Resistenzen gegen die Phagentherapie darin, wie Resistenzen in der Natur entstehen.“ sagte Prof. Rob Kingsley.

In Zusammenarbeit mit der UK Health Security Agency (UKHSA) und der Animal & Plant Health Agency (APHA) untersuchten die Wissenschaftler Sequenzen des gesamten Genoms von Stämmen, die in den letzten Jahrzehnten von Infektionen bei Menschen und Tieren gesammelt wurden.

Sie fanden heraus, dass die Salmonella-Stämme, die am besten an das Leben in Nutztieren angepasst sind und daher am ehesten Krankheiten beim Menschen verursachen, tendenziell resistenter gegen Bakteriophagen sind. Phagenresistenz scheint Bakterien dabei zu helfen, in neue Umweltnischen einzudringen

Der derzeit dominante Stamm ST34 ist nicht nur gegen mehrere Medikamente resistent, sondern weist auch eine höhere Resistenz gegenüber Angriffen durch Bakteriophagen auf als seine Vorfahren. Dies scheint darauf zurückzuführen zu sein, dass es genetisches Phagenmaterial in sein Genom aufgenommen hat – ein Schritt, der seine Widerstandsfähigkeit gegen Bakteriophagenangriffe erhöht hat.

Dies führt jedoch zu einer faszinierenden Situation, da die Resistenz gegen Phagen bedeutet, dass diese Bakterien weniger wahrscheinlich neues genetisches Material erwerben, einschließlich Resistenzgene durch Phagen-vermittelte Transduktion. Könnte also der kurzfristige Gewinn an Phagenresistenz zu langfristigen Folgen führen, die es den Bakterien unmöglich machen, sich an Veränderungen in ihrer Umgebung wie gesellschaftliche Eingriffe oder sogar neue antimikrobielle Behandlungen anzupassen? Überwachungsdaten deuten darauf hin, dass dies die Tür für die Entstehung eines weiteren Klons öffnet, der ihn ersetzen soll.

Unabhängig von der Situation ist klar, dass eine genomische Überwachung dieser Bakterien und ihrer Bakteriophagen erforderlich ist, um sicherzustellen, dass wir alle neu auftretenden Bedrohungen erkennen und darauf reagieren können. Und je mehr wir über die gemeinsame Entwicklung dieser Mikroben erfahren, desto besser können wir ihre Bedrohungen für die menschliche Gesundheit bekämpfen.