Wissenschaftler zeigen, wie schnell wachsende Bakterien Antibiotika widerstehen können

Wissenschaftler haben gezeigt, wie einige schnell wachsende Bakterien einer Behandlung mit Antibiotika widerstehen können, so eine heute in veröffentlichte Studie eLife.

Die Ergebnisse zeigen, dass schnell wachsende Individuen innerhalb von Bakterienkolonien eine signifikant höhere Expression aktiver Ribosomen aufweisen – Partikel innerhalb der Zelle, die Proteine ​​synthetisieren. Dies hilft den Bakterien, die Ansammlung einer wichtigen Klasse von Antibiotika namens Makrolide zu vermeiden und daher Therapien zu widerstehen. Diese Erkenntnisse könnten genutzt werden, um die Entwicklung verbesserter Antibiotika-Verbindungen zu informieren, die auf diese Überlebensstrategie abzielen.

Bakterielle Infektionen können Lebensmittelvergiftungen, Lungenentzündung, Sepsis und andere schwere Krankheiten verursachen. Sie können zwar mit Antibiotika behandelt werden, aber der übermäßige Einsatz dieser Medikamente in den letzten Jahren hat dazu geführt, dass Bakterien zunehmend resistent gegen sie werden, was eine erhebliche Bedrohung für die globale Gesundheit darstellt.

Damit ein Antibiotikum gegen Infektionen wirksam ist, muss es sein zelluläres Ziel in einer ausreichenden Konzentration erreichen, um das Bakterienwachstum zu hemmen.

„Antibiotikaresistenzen bedrohen weiterhin die Lebensfähigkeit aktueller Behandlungen. Wir müssen verstehen, wie einzelne Bakterien innerhalb einer Kolonie verhindern können, dass Antibiotika in ihre Zellen gelangen, damit wir diesen Mechanismus mit neuen Therapien angreifen können“, sagt Urszula Łapińska, PDRA an der Universität aus Exeter, Großbritannien. „Die meisten vorhandenen Daten zur Arzneimittelpermeabilität in Bakterien wurden durch Messungen gewonnen, die entweder ein durchschnittliches Ergebnis einer großen Population liefern oder von einer kleinen Anzahl von Bakterien stammen Zellen in einer Bakterienkolonie.“

Um diese Lücke zu schließen, begannen Łapińska und das Team mit der Hypothese, dass Variationen in der Reaktion von Bakterien auf Medikamente durch unterschiedliche Medikamententransportraten zwischen einzelnen Zellen verursacht werden könnten. Um dies zu testen, verwendete das Team einen multianalytischen Ansatz, bei dem Mikrofluidik-Mikroskopie, gesundheitsgefährdende Bakterien und fluoreszierende Sonden aus Antibiotika von Dr. Mark Blaskovich von der University of Queensland kombiniert wurden. Dieser Ansatz ermöglichte es dem Team, die Wechselwirkungen zwischen gewöhnlichen Antibiotika und vielen lebenden, einzelnen Bakterien während der Medikamentendosierung in Echtzeit zu untersuchen. Durch die Kombination dieses Ansatzes mit mathematischen Modellierungstechniken, die von Prof. Krasimira Tsaneva-Atanasova an der University of Exeter entwickelt wurden, erhielt das Team Daten, mit denen es schnell und effizient einzelne antibiotikaresistente Bakterien identifizieren konnte.

Ihre Analysen zeigten, dass schnell wachsende Individuen innerhalb einer Kolonie die Akkumulation von Makroliden in ihren Zellen vermeiden – eine Entdeckung, die im Gegensatz zu der derzeitigen Meinung steht, dass langsames Zellwachstum der Hauptbeitrag zum Überleben von Antibiotika ohne genetische Variation ist. Diese Vermeidung wird durch eine deutlich höhere Menge an Ribosomen vor der medikamentösen Behandlung im Vergleich zu den langsam wachsenden Gegenstücken der Individuen ermöglicht. Ribosomen ermöglichen wichtige zelluläre Prozesse, einschließlich Efflux – ein System, das toxische Substanzen, wie z. B. antimikrobielle Verbindungen, aus der Zelle pumpt.

Mit diesem neuen Wissen zeigten die Forscher dann, dass die chemische Manipulation der äußeren Membran der Bakterienzellen es ihnen ermöglicht, schnell wachsende Varianten mit geringer Makrolidakkumulation auszurotten, was unseren Kampf gegen Antibiotikaresistenzen unterstützt.

„Diese Arbeit enthüllt eine bisher unerkannte Überlebensstrategie bei einigen Mitgliedern von Bakterienkolonien“, schließt Dr. Stefano Pagliara, Senior Lecturer für Mikrofluidik an der University of Exeter, UK. „Diese Erkenntnisse werden Mikrobiologen und Klinikern, die an der Entwicklung wirksamerer Antibiotikatherapien arbeiten, direkt zugutekommen gegen Antibiotikaresistenzen.“