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Interessante Dokumentation auf Arte zu Tödliche Keime und Phagen

Biofilme sind eine extrem häufige Anpassung, die es Bakterien ermöglicht, sich in feindlichen Umgebungen anzusiedeln. Sie stellen einzigartige Probleme für Antibiotika und Biozide dar, die sowohl auf die Beschaffenheit der extrazellulären Matrix als auch auf das Vorhandensein von metabolisch inaktiven persistenten Zellen innerhalb des Biofilms zurückzuführen sind. Solche Chemikalien können hochwirksam gegen planktonische Bakterienzellen sein, während sie gegen Biofilme im Wesentlichen unwirksam sind. Im Gegensatz dazu scheinen Bakteriophagen eine größere Fähigkeit zu haben, diese verbreitete Form des Bakterienwachstums zu bekämpfen. Die hohe Anzahl von Bakterien in Biofilmen erleichtert die Wirkung von Bakteriophagen, indem sie eine schnelle und effiziente Infektion des Wirts und die anschließende Amplifikation des Bakteriophagen ermöglichen. Bakteriophagen haben auch eine Reihe von Eigenschaften, die Biofilme für ihre Wirkung empfänglich machen. Es ist bekannt, dass sie Enzyme produzieren (oder induzieren können), die die extrazelluläre Matrix abbauen. Sie sind auch in der Lage, persistente Zellen zu infizieren, die in ihnen ruhen, aber reaktiviert werden, wenn sie metabolisch aktiv werden. Einige kultivierte Biofilme scheinen auch besser in der Lage zu sein, die Replikation von Bakteriophagen zu unterstützen als vergleichbare planktonische Systeme. Es ist vielleicht nicht überraschend, dass Bakteriophagen als natürliche Räuber von Bakterien die Fähigkeit besitzen, diese verbreitete Form bakteriellen Lebens zu bekämpfen.

In frühen Studien, die das Potenzial von Bakteriophagen für die Biofilm-Kontrolle nachweisen konnten, fanden Hanlon et al. [24] heraus, dass Pseudomonas aeruginosa-Bakteriophagen Bakterien in einem reifen (20 Tage alten) Biofilm zerstören und (vielleicht überraschend angesichts ihrer Größe) sogar durch das dickste (12%) untersuchte Alginatgel diffundieren konnten, obwohl die Diffusion langsamer war als durch dünnere Alginatgele. Hanlon beobachtete auch, dass die untersuchten Bakteriophagen das Alginatpolymer direkt abbauen konnten, offenbar über eine vom Bakteriophagen getragene enzymatische Aktivität, obwohl dies nicht identifiziert wurde. Unabhängig von der Aktivität unterschied es sich deutlich von den stark eingeschränkten Schwanzspike-Proteinen.

Sillankorva et al. verwendeten Bakteriophagen sowohl von Pseudomonas fluorescens als auch von Staphylococcus lentus und zeigten die effektive Reduktion einzelner Spezies und gemischter Biofilme mit diesen Mitteln. Beide Bakteriophagen waren vollständig sequenziert, und es konnte gezeigt werden, dass keiner von beiden für eine Polysaccharid-Depolymerase kodiert war (obwohl der Bakteriophage von Pseudomonas fluorescens eine Endopeptidase kodierte). In ähnlicher Weise zeigten Doolittle et al. [25], dass sich der Bakteriophage Escherichia coli T4 effizient durch einen Biofilm ausbreitet, obwohl er für keine anderen Polysacchariddepolymerasen kodiert, außer für ein sehr eingeschränktes Schwanzspikelprotein, das nur während der Penetration der Wirtszelle aus dem Schwanz des Bakteriophagen herausgebrochen wird. Doolittle et al. [25] arbeiteten jedoch auch mit dem Bakteriophagen E79 von Pseudomonas aeruginosa und zeigten, dass dieser bei der Penetration von Biofilmen weniger effektiv war als T4.

Obwohl es klar ist, dass natürlich vorkommende Bakteriophagen Biofilme auch dann durchdringen können, wenn sie keine Polysaccharid-Depolymerasen produzieren (oder wenn diese eine sehr eingeschränkte Funktion haben), haben nicht alle Studien eine effiziente Infektion innerhalb von Biofilmen gezeigt, und einige Arbeiter glauben weiterhin, dass EPS-abbauende Enzyme für Biofilm-Anwendungen notwendig sind.

Tait et al. berichteten, dass eine Mischung aus drei Bakteriophagen einen Biofilm einer einzigen Spezies vollständig eliminieren könnte, dass dies aber weniger wirksam sei, wenn andere, unempfindliche Bakterienarten vorhanden sind. Kay et al. [27] zeigten auch, dass gemischte Biofilme die Wirksamkeit von Bakteriophagen abtragen können. Trotzdem zeigten Sillankorva et al. [1], dass die Effizienz in Modell-Biofilmen hoch sein kann, selbst wenn ein Bakteriophage auf eine einzelne Bakterienart abzielt, und erklärten, dass „Phagen als Methode zur Abtötung eines bestimmten Bakteriums angenommen werden können, selbst wenn sein Wirt in einem gemischten Konsortium lebt“. Sillankorva et al. [1] zeigten auch, dass reife (sieben Tage alte) Biofilme mit Hilfe von Bakteriophagen effektiv bekämpft werden können.

Es ist also klar, dass natürliche Bakteriophagen Enzyme exprimieren können und oft auch exprimieren, die in der Lage sind, Biofilme zu stören, aber dass diese für die Infektiosität in dieser Situation nicht wesentlich zu sein scheinen. Das Potenzial für die Induktion solcher Enzyme aus dem Wirtsgenom ist natürlich viel schwieriger zu identifizieren.

Bakteriophagen besitzen einzigartige Eigenschaften und sind bei der Kontrolle von Biofilmen sehr vielversprechend. Solche Anwendungen entwickeln sich jedoch noch immer, und groß angelegte Anwendungen befinden sich noch in der Entwicklung. Daher muss die Identifizierung der effektivsten Ansätze derzeit spekulativer Natur sein. Mit der Zeit und mit der Veröffentlichung weiterer Ergebnisse werden sich natürlich die besten Praktiken für solche Anwendungen herauskristallisieren.

Übersetzung der Quelle:
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4790368/
Bacteriophages and Biofilms
David R. Harper, Helena M. R. T. Parracho, James Walker, Richard Sharp, Gavin Hughes, Maria Werthén, Susan Lehman, and Sandra Morales1

Der Methicillin-resistente Staphylococcus aureus (MRSA) ist einer der bedrohlichsten Mikroorganismen für die globale menschliche Gesundheit. Zu den aktuellen Strategien zur Verringerung der Auswirkungen von S. aureus gehören eine restriktive Kontrolle des weltweiten Antibiotikaeinsatzes, prophylaktische Maßnahmen zur Verhinderung der Kontamination und die Suche nach neuartigen antimikrobiellen Mitteln zur Behandlung von Infektionen bei Mensch und Tier, die durch dieses Bakterium verursacht werden. Letztere Strategie steht derzeit im Mittelpunkt umfangreicher Forschungsarbeiten. In diesem Zusammenhang wurden phagenlytische Proteine (Endolysine und virionsassoziierte Peptidoglykan-Hydrolasen) als geeignete Kandidaten vorgeschlagen. Diese Proteine weisen in der Tat ein enges antimikrobielles Wirkungsspektrum auf und weisen praktisch keine bakterielle Resistenzentwicklung auf. Darüber hinaus liefert der therapeutische Einsatz von Phagenlykan-Proteinen in S. aureus Tiermodellen vielversprechende Ergebnisse, die eine gute Wirksamkeit ohne offensichtliche Nebenwirkungen zeigen. Dennoch sind die klinischen Studien am Menschen noch nicht abgeschlossen, und es liegen noch keine Daten vor. In diesem Minireview werden auch die Haupthindernisse für die Einführung phagenlytischer Proteine als Humantherapeutika gegen S. aureus-Infektionen analysiert. Neben den üblichen technologischen Problemen, die sich aus der großtechnischen Herstellung von therapeutischen Proteinen ergeben, ist ein großer Rückschlag das Fehlen eines geeigneten rechtlichen Rahmens, der ihre Verwendung regelt. In diesem Sinne sollten die zuständigen Gesundheitsbehörden dringend eine rechtzeitige Diskussion über diese neuen antimikrobiellen Mittel führen. Andererseits sollte die Forschungsgemeinschaft Daten liefern, die jegliche Zweifel an ihrer Wirksamkeit und Sicherheit ausräumen. Insgesamt werden die geeigneten wissenschaftlichen Daten und der entsprechende Rechtsrahmen die Pharmaunternehmen dazu ermutigen, in diese vielversprechenden antimikrobiellen Mittel zu investieren.

Übersetzung der Quelle: https://mbio.asm.org/content/9/1/e01923-17

Diana Gutiérreza, Lucía Fernándeza, Ana Rodrígueza, Pilar Garcíaa
aInstituto de Productos Lácteos de Asturias (IPLA-CSIC), Villaviciosa, Asturias, Spain

„Die Behandlungsmöglichkeiten für die alkoholische Hepatitis, eine Lebererkrankung, die mit hohem Alkoholkonsum verbunden ist, sind begrenzt. Studien an Mäusen zeigen, dass die für diese Erkrankung verantwortlichen Mikroorganismen durch eine virale Behandlung bekämpft werden können.

1984 benutzte sich der Mikrobiologe Barry Marshall notorisch als Versuchsperson für seine Forschung und trank den Inhalt einer Flasche mit dem Bakterium Helicobacter pylori, um zu zeigen, dass Bakterien Magengeschwüre verursachen1. Duan et al.2, die in der Natur schreiben, berichten nicht, dass sie solch drastische Maßnahmen ergreifen, um einen bakteriellen Zusammenhang mit einer Krankheit zu untersuchen. Dennoch liefert ihre sorgfältige Analyse einer Lebererkrankung namens alkoholische Hepatitis in Studien an Mäusen und die Analyse von Proben von Menschen, die an der Krankheit leiden, auch auffällige Beweise für die Beteiligung eines mutmaßlichen bakteriellen Täters.
Alkoholische Hepatitis ist ein schlecht verstandener Zustand, der mit hohem Alkoholkonsum zusammenhängt und schwer zu behandeln ist. Frühere Experimente an Mäusen haben gezeigt, dass das Darmbakterium Enterococcus faecalis beteiligt sein könnte3. E. faecalis gilt jedoch meist als alter Freund, der die Eingeweide vieler Tiere im gesamten evolutionären Baum, vom Menschen bis hin zu Nematodenwürmern4, bewohnt, die in der Regel weniger als 0,1% aller Bakterien in Stuhlproben von gesunden Menschen darstellen5. Nach der antibiotischen Behandlung nehmen die Bakterien der Gattung Enterococcus jedoch an Prävalenz zu und werden zu einer der häufigsten Arten von Mikroben im Darm6. E. faecalis kann Blut, Herz, Blase und Gehirn sowie Zähne, die einer Wurzelkanaloperation unterzogen wurden, infizieren7,8.

Duan und Kollegen analysierten menschliche Kotproben. Sie identifizierten E. faecalis im Stuhl von etwa 80% der Menschen mit alkoholischer Hepatitis, die sie getestet hatten, und etwa 30% der Stämme von E. faecalis hatten Gene, die für ein Toxin namens Cytolysin kodieren. Darüber hinaus hatten Menschen mit der Krankheit fast 3.000 mal mehr E. faecalis in ihren Stuhlproben als Menschen, die keine alkoholische Hepatitis hatten. Das ist kein konkreter Beweis dafür, dass die Krankheit durch dieses Bakterium verursacht wird. Die Daten der Autoren zeigen jedoch auch, dass das Vorhandensein von Cytolysin im Stuhl mit der Sterblichkeit korreliert – 89% der Menschen, deren Stuhlproben Cytolysin enthielten, starben innerhalb von 180 Tagen nach dem Krankenhausaufenthalt, verglichen mit nur 3,8% der Menschen, die an alkoholischer Hepatitis litten, deren Stuhlproben jedoch das Gift fehlten.
Die Autoren untersuchten als nächstes den Zusammenhang zwischen E. faecalis und Lebererkrankungen bei Mäusen. Die Tiere wurden mit Stämmen von E. faecalis besiedelt, die entweder Cytolysin herstellten oder nicht, und einige erhielten dann eine alkoholreiche Ernährung, während andere eine alkoholfreie Ernährung erhielten. Nur die Mäuse, die mit Cytolysin produzierenden E. faecalis besiedelt waren, entwickelten Leberschäden (Abb. 1a).

Dann, mit keimfreien Mäusen (die keine natürlichen Mikroorganismen hatten), transplantierten die Autoren Stuhlproben von Menschen mit alkoholischer Hepatitis, die E. faecalis-Stämme enthielten, in denen Cytolysin entweder vorhanden oder nicht vorhanden war. Mäuse auf einer Diät mit hohem Alkoholgehalt, die mit cytolysinhaltigen Stühlen besiedelt waren, zeigten eine Reihe von Anzeichen für Leberschäden und das Absterben von Leberzellen, während Tiere auf einer solchen Diät, die mit Stühlen ohne Cytolysin besiedelt waren, keine größeren Anzeichen von Leberschäden zeigten.

Um die krankheitsverursachenden Mechanismen zu verstehen, isolierten die Autoren Leberzellen aus den Tieren und fanden heraus, dass der Zelltod als Reaktion auf die Cytolysin-Exposition dosisabhängig war. Die Reaktion auf Cytolysin war die gleiche, unabhängig davon, ob die Mäuse eine alkoholreiche Ernährung erhalten hatten oder nicht. Dies deutet darauf hin, dass anstelle von Alkohol, der alkoholische Hepatitis verursacht, durch Schädigung der Leberzellen Schäden entstehen, weil Alkohol die Durchlässigkeit der Darmschleimhaut erhöht, damit cytolysinproduzierende E. faecalis die Leber erreichen und Krankheitssymptome verursachen kann (Abb. 1a).
Angesichts der begrenzten Behandlungsmöglichkeiten der alkoholischen Hepatitis untersuchten die Autoren, ob Schritte unternommen werden könnten, um eine Therapie zu entwickeln, die bakterienspezifische Viren, sogenannte Bakteriophagen, kurz Phagen, ausnutzt. Phagen haben gegenüber Antibiotika den Vorteil, dass sie sehr spezifisch sind, und vermeiden so, auch nützliche Bakterien abzutöten. Da sich die Oberfläche einer menschlichen Zelle wesentlich von der einer Bakterienzelle unterscheidet, wird nicht davon ausgegangen, dass Phagen tierische oder menschliche Zellen infizieren9.

Phagen werden seit fast 100 Jahren verwendet, um Salmonellen und Shigellenbakterien aus infizierten menschlichen Därmen zu entfernen10. Sie wurden auch verwendet, um das krankheitserregende Bakterium Clostridium difficile aus künstlichen Därmen und von Hamstern, die mit diesem Bakterium infiziert sind, zu entfernen11,12. Es wurde vermutet, dass sie eines Tages bei Menschen oder Tieren verwendet werden könnten, um die Zusammensetzung der Gemeinschaft von Darmmikroorganismen (die Mikrobiota) umzugestalten, um eine gesündere Mikrobiota zu produzieren, die aus mehr Bakterien besteht, die mit einer guten Gesundheit in Verbindung gebracht werden, und weniger, die mit Krankheiten in Verbindung gebracht werden13. Das Potenzial von E. faecalis-targeting Phagen zur Bekämpfung menschlicher Krankheiten wird bereits diskutiert7, und Phagen können antibiotikaresistente Stämme von E. faecalis im Zusammenhang mit menschlichen Knochen- und Wundinfektionen14,15 und Zahnkaries16 abtöten. Darüber hinaus werden Phagen für den Einsatz in der Lebensmittelindustrie entwickelt, um E. faecalis aus Käsekulturen zu entfernen und die Produktion von toxischen Abfallprodukten zu verhindern17.

Um zu testen, ob eine Methode entwickelt werden kann, um Cytolysin produzierende E. faecalis spezifisch aus Mäusen zu entfernen, identifizierten die Autoren einige Phagen, die auf diese Bakterien abzielen (Abb.1b), aber andere Darmbakterien unberührt lassen. Mäuse, die menschliche Stuhlproben und eine alkoholreiche Ernährung erhielten und denen E. faecalis-targeting Phagen verabreicht wurden, hatten weniger Leberschäden als Mäuse, die Phagen erhielten, die ein anderes Bakterium töteten, das normalerweise nicht bei Tieren vorkommt.
Diese Studie zeigt die Vorteile der Verwendung von Phagen in der Detektivarbeit, um die Beiträge von Mikroben zur Krankheit zu untersuchen. Die Autoren zeigen, dass Phagen verwendet werden können, um krankheitsverursachende bakterielle Komponenten zu identifizieren, und heben auch die Möglichkeit hervor, dass Phagen potenzielle Behandlungsmöglichkeiten bieten könnten. Weitere Tests, einschließlich klinischer Studien, wären erforderlich, um zu beurteilen, ob ein Phagenansatz in einem menschlichen Kontext sinnvoll wäre. Zum Beispiel kann die Phagenbehandlung helfen, E. faecalis im Darm zu bekämpfen, bevor eine Person eine Lebertransplantation erhält.

In der Studie von Duan und Kollegen könnten die Phagen eine Krankheit behandeln, bei der eine ursächliche Komponente ein Bakterium ist, das sich normalerweise im Darm befindet, obwohl die Krankheitsstelle an anderer Stelle im Körper liegt. Obwohl sich viele Phagenforscher auf die Verwendung dieser Viren zur Behandlung von Krankheiten konzentrieren, die mit antibiotikaresistenten Bakterien in Verbindung gebracht werden, erhöht die Arbeit von Duan et al. die Möglichkeit einer viel breiteren klinischen Rolle für sie. Es gibt immer mehr Hinweise darauf, dass Darmmikroben die Funktion bestimmter Zellen im Gehirn beeinträchtigen können, und es laufen Studien, um festzustellen, ob solche Mikroben eine Rolle bei menschlichen Hirnerkrankungen spielen (siehe go.nature.com/2cp1kfk). Vielleicht könnten Phagen Teil der nächsten Generation gezielter antimikrobieller Therapien für Krankheiten werden, die derzeit schwer zu behandeln sind. Tatsächlich könnte es viele Krankheiten geben, von denen wir derzeit nicht wissen, dass sie eine mikrobielle Komponente haben und die von Phagen bekämpft werden könnten.“

Übersetzung der Quelle: https://www.nature.com/articles/d41586-019-03417-3?WT.ec_id=NATURE-201911&sap-outbound-id=B1DB46EE2E53C2F97DD8759AF0246E5D0F9AD1F4&mkt-key=005056A5C6311ED8AAB34565834CF148
Martha R. J. Clokie is in the Department of Genetics and Genome Biology, University of Leicester, Leicester LE1 7RH, UK.
Nature 575, 451-453 (2019)
doi: 10.1038/d41586-019-03417-3