In der Infektionsforschung ist man sich weitgehend einig, dass die Störung bakterieller Kommunikationssignale eine gute Sache ist. Doch eine Studie der UNIGE und der NTU Singapur zeigt, dass dies nicht immer der Fall ist.
Ist die Blockierung des Kommunikationssystems von Bakterien immer vorteilhaft? Ein Team der Universität Genf (UNIGE) und der Nanyang Technological University (NTU Singapore) stellt diese in der Infektologie weit verbreitete Ansicht infrage. Bei der Untersuchung eines Bakteriums, das eine schwere Herzerkrankung verursacht, zeigen die Wissenschaftler, dass die Störung der bakteriellen Kommunikationssignale mit ungünstigen klinischen Ergebnissen für Patientinnen und Patienten verbunden sein kann.
Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme des Bakteriums Enterococcus faecalis in einem Biofilm. Zum Zweck der Visualisierung wurde mit Gemini AI eine Pseudo-Färbung in Grün auf das Originalbild angewandt.
© Haris Antypas, Kenneth Ng Kok Fei Diese in
Nature Communications veröffentlichten Ergebnisse ebnen den Weg für zielgerichtetere und potenziell wirksamere therapeutische Strategien gegen diese Art von Infektionen.
Die infektiöse Endokarditis ist eine schwere Infektion der Herzinnenwand, meist der Herzklappen. Sie kann durch verschiedene Bakterien verursacht werden, darunter
Enterococcus faecalis, das besonders weit verbreitet ist. Diese Bakterien koordinieren oft ihr kollektives Verhalten durch einen Prozess namens
Quorum Sensing, ein chemisches Kommunikationssystem, das es ihnen ermöglicht, die Anzahl der Bakterien in ihrer Nähe abzuschätzen. Dank dieses Systems organisieren sie sich in dichte Ansammlungen, sogenannte Biofilme, die die Funktion der Klappen stören und gegen Antibiotika resistent sind. Die infektiöse Endokarditis ist daher mit einer hohen Morbidität verbunden.
Ein Team des SCELSE - Singapore Centre for Environmental Life Sciences and Engineering der NTU, einem multidisziplinären Forschungszentrum für Biofilme und das Mikrobiom, und der medizinischen Fakultät der UNIGE stellt nun die in der Infektologie weit verbreitete Ansicht infrage, dass die Blockierung dieses Kommunikationssystems immer vorteilhaft sei. Obwohl
Quorum Sensing-Inhibitoren aktiv als Anti-Virulenz-Therapien erforscht werden, zeigt diese Studie, dass die Unterdrückung der bakteriellen Signalübertragung bei Herzinfektionen im Gegenteil kontraproduktiv sein kann, indem sie eine aggressivere Erkrankung begünstigt.
Die Wissenschaftler stellten nämlich fest, dass
Enterococcus faecalis, wenn es seine Fähigkeit verliert, mit benachbarten Bakterien zu kommunizieren, größere und widerstandsfähigere Biofilme auf den Herzklappen bildet, was zu schwerwiegenderen klinischen Ergebnissen führt.
Diese Ergebnisse stellen eine in der Infektionsforschung populäre Idee infrage, wonach die Blockierung des
Quorum Sensing immer vorteilhaft sei.
Der Blutfluss bringt die bakterielle Kommunikation zum Schweigen
Durch die Kombination von Geräten, die den Blutfluss nachahmen, und einem Tiermodell für Herzerkrankungen entdeckte das Team, dass der Blutfluss in den frühen Stadien der Infektion das
Quorum Sensing aktiv unterdrückt. "An der Oberfläche der Herzklappen sind die Bakterien einem starken Blutfluss ausgesetzt", erklärt Dr. Haris Antypas, Senior Research Fellow am SCELSE, Hauptautor und korrespondierender Mitautor der Studie. "Dieser Fluss spült die chemischen Signale weg, die die Bakterien zur Kommunikation nutzen, und hält so das
Quorum Sensing inaktiv."
Mit fortschreitender Infektion graben sich die Bakterien tiefer in die Klappenvegetationen ein, wo sie vor dem Blutfluss geschützt sind. In diesem Stadium beobachteten die Wissenschaftler, dass das
Quorum Sensing aktiviert wird und eine Bremswirkung entfaltet, die ein übermäßiges Wachstum der Biofilme begrenzt. Auffallend ist, dass Bakterien, die vollständig kein
Quorum Sensing besitzen, diesen Kontrollmechanismus umgehen. In den Tiermodellen bildeten diese defizienten Stämme größere Biofilme, zeigten eine erhöhte Toleranz gegenüber Antibiotika und verursachten eine schwerere Erkrankung.
Das Team führte diesen Effekt auf zwei Schlüsselmechanismen zurück: eine reduzierte Produktion bakterieller Proteasen – Enzyme, die Proteine abbauen – und eine metabolische Umprogrammierung, die es den Bakterien ermöglicht, die im Wirt verfügbaren Nährstoffe effizienter zu nutzen und so ein persistierendes Wachstum anzutreiben.
Ungünstigere Ergebnisse bei Betroffenen
Die Studie analysierte auch
E.faecalis-Bakterien, die von Patientinnen und Patienten mit infektiöser Endokarditis in den USA und der Schweiz isoliert wurden. Fast die Hälfte der klinischen Isolate wies kein
Quorum Sensing auf. Diese Fälle waren mit einem länger anhaltenden Vorhandensein von Bakterien im Blutkreislauf trotz aktiver Antibiotikabehandlung verbunden. "Es handelt sich nicht um seltene Mutanten", betont Dr. Antypas. "Sie sind häufig bei Patientinnen und Patienten anzutreffen, und die Daten deuten darauf hin, dass sie aktiv zu ungünstigeren klinischen Ergebnissen beitragen können."
Diese Ergebnisse stellen somit eine in der Infektionsforschung populäre Idee infrage, wonach die Blockierung des
Quorum Sensing immer vorteilhaft sei. "Die Ergebnisse zeigen, dass bei der infektiösen Endokarditis die Hemmung des
Quorum Sensing dem Wirt tatsächlich schaden kann, indem sie das Wachstum von Biofilmen fördert", erklärt Kimberly Kline, ordentliche Professorin am Departement für Mikrobiologie und Molekulare Medizin der medizinischen Fakultät der UNIGE und Gastwissenschaftlerin am SCELSE (NTU), Seniorautorin und korrespondierende Mitautorin der Studie. "Zu verstehen, wann und wo die bakterielle Kommunikation für die Patientin oder den Patienten vorteilhaft oder schädlich ist, wird für die Entwicklung intelligenterer Therapien von entscheidender Bedeutung sein."
Quelle: Université de Genève