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Bakterien können sich bei einem Antibiotikaangriff schlafend stellen

Resistente Bakterien entziehen sich der Wirkung von Antibiotika, indem sie unempfindlich werden, z. B., indem sie Antibiotika abbauen. Es gibt aber noch eine andere Überlebensstrategie für Bakterien: Sie versetzen sich in einen schlafähnlichen Zustand, um eine Behandlung mit Antibiotika auszuhalten – sie werden persistent. Nach Abschluss der Therapie erwachen sie zu neuem Leben.

Ein Schweizer Forschungsteam isolierte die Bakterienart Staphylococcus aureus eines infizierten Patienten und wies nach, dass einzelne Bakterienkolonien kleiner waren als die anderen. Bisher wurde angenommen, dass sich persistente Bakterien erst über einen längeren Zeitraum unter Laborbedingungen entwickeln.

Um herauszufinden, unter welchen Bedingungen Bakterien persistent werden, führten die Forschenden verschiedene Stresstests durch. Stressfaktoren sind zum Beispiel die Anwesenheit menschlicher Immunzellen, Antibiotika oder eine saure Umgebung, wie sie in Abszessen herrscht. Resultat: Je extremer die Bedingungen gestaltet wurden, desto höher wurde der Anteil der persistenten Bakterien.

Es erwies sich, dass eine umfassende molekulare Neuprogrammierung stattgefunden hatte, die eine Verlangsamung des Stoffwechsels bewirkte. Das Resultat war jedoch nicht ein vollkommener Stillstand, sondern eine Art Dämmerzustand. Aus dem die Bakterien wieder „erwachen“ sobald die Umgebung freundlicher wird. Dieser Mechanismus, so hofft man jetzt, könnte zur Entwicklung neuer Behandlungen gegen persistente Bakterien beitragen. Wird das Wachstum reaktiviert, könnten sich die Bakterien einem Antibiotika-Angriff nicht mehr entziehen.

Referenz:
Universität Zürich
Molecular reprogramming and phenotype switching in Staphylococcus aureus lead to high antibiotic persistence and affect therapy success, PNAS 2021, https://www.pnas.org/content/118/7/e2014920118

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Biotechnologie Onkologie Wissenschaft

Magnetische Bakterien zur Tumorbekämpfung

Wissenschaftler nutzen magnetische Bakterien, um auf der Mikroebene Flüssigkeiten zu beeinflussen. Jetzt denken sie an einen Einsatz in der menschlichen Blutbahn, um damit Krebsmedikamente präzise zu einem Tumor zu bringen.

Forschende haben solche magnetotaktische Bakterien vor 45 Jahren im Meer entdeckt. Die Mikroorganismen nehmen das im Wasser gelöste Eisen auf. In ihrem Innern bilden sich Eisenoxid-Kristalle, die sich in einer Reihe anordnen. Wie eine Kompassnadel richten sich diese Bakterien am Erdmagnetfeld aus, um so im Gewässer navigieren zu können.
Simone Schürle, ETH Zürich, bewies mit ihrem Team dass bereits verhältnismäßig schwache rotierende Magnetfelder reichen, um die Bakterien zu steuern. Ein Bakterienschwarm kann die sie umgebende Flüssigkeit bewegen. Damit erzeugen sie einen ähnlichen Effekt wie eine Mikropumpe und können so in der Flüssigkeit vorhandene Wirkstoffe in verschiedene Richtungen bewegen, wie zum Beispiel aus der Blutbahn heraus ins Tumorgewebe. Durch die Verwendung von sich überlagernden Magnetfeldern, die sich örtlich gegenseitig verstärken, beziehungsweise auslöschen, kann man diese Pumpaktivität auch auf eine kleine Region punktgenau reduzieren. Zudem kann das Prinzip außerhalb des Körpers genutzt werden, um in kleinsten Gefäßen verschiedene Flüssigkeiten lokal miteinander zu mischen, ohne mechanische Mikropumpen fabrizieren und steuern zu müssen.

Denkbar ist auch, für eine künftige medizinische Anwendung synthetische Bakterien mit optimalen funktionellen Eigenschaften zu konstruieren oder bereits tote Bakterien umzubauen und einzusetzen. Angedacht wird auch der Einsatz von bestimmten Bakterien, die ohne Sauerstoff auskommen und sich in Krebspatienten bevorzugt im sauerstoffarmen Gewebe von Tumoren anreichern.

Referenzen: ETH Zürich
Self-Replicating Ferrofluids for Fluidic Transport, Advanced Functional Materials 2020, 30: 2003912,
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202003912

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Immunologie Infektiologie Wissenschaft

Allergien als Schutz vor bakteriellen Infektionen

Etwa 150 Millionen Menschen in Europa leiden unter wiederkehrenden Allergien – Tendenz steigend. Die Akademie für Allergologie und klinische Immunologie prognostiziert, dass im Jahr 2025 jeder zweite Europäer an einer Allergie leiden wird. Warum so viele Menschen Allergien entwickeln, ist größtenteils immer noch unklar. Ein internationales Forscherteam hat nun eine mögliche Ursache dafür entdeckt, warum der Körper eine Allergie entwickelt. Offenbar geht mit einer Allergie eine gewisse Schutzfunktion vor Bakterien einher. So scheinen Allergien die Abwehrkraft gegen bakterielle Infektionen zu erhöhen. 

Die Wissenschaftler fanden heraus, dass bei Mäusen durch eine milde Hautinfektion mit dem Bakterium Staphylococcus aureus eine Allergie entstand und diese Allergie im weiteren Verlauf der Studie die Mäuse vor erneuten Infektionen mit diesem Erreger schützte. Die Forschenden beobachteten, wie Mäuse spezifische IgE-Antikörper gegen bakterielle Komponenten entwickelten. Diese Immunantwort erhöhte die Resistenz der Mäuse gegenüber schweren Infektionen der Lungen, der Haut und anderen Geweben. Mäuse, denen funktionelle IgE-Effektormechanismen oder Mastzellen fehlten, waren nicht in der Lage einen solchen Schutz aufzubauen. 

Diese Erkenntnisse deuten darauf hin, dass die „allergische“ Immunantwort nicht ausschließlich pathologisch, sondern bei bakteriellen Infektionen auch schützend sein kann. Die Forschenden kommen zu dem Schluss, dass Allergien zur Abwehr von toxinproduzierenden pathogenen Bakterien beitragen könnten und leisten mit ihrer Forschungsarbeit einen wertvollen Beitrag zum allgemeinen Verständnis von Allergien.

Referenzen:

CeMM Forschungszentrums für Molekulare Medizin der Österreichischen Akademie der Wissenschaften, Medizinische Universität Wien, Stanford University School of Medicine 

https://cemm.at/fileadmin/img/News/20200909_Immunity_Knapp/Pressetext_Starkl_et_al_DE_Final.pdf

IgE Effector Mechanisms, in Concert with Mast Cells, Contribute to Acquired Host Defense against Staphylococcus aureus; Immunity, 9. September 2020, DOI: https://doi.org/10.1016/j.immuni.2020.08.002

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Gastroenterologie Infektiologie Wissenschaft

E.coli: Wer schneller wächst, ist früher tot

Bakterien sind Überlebenskünstler: Wenn sie Nahrung bekommen, vermehren sie sich rasant, doch sie können auch Hungerphasen überdauern. Allzu schnelles Wachstum reduziert jedoch ihre Überlebensfähigkeit, das zeigen Untersuchungen eines Forschungsteams der Technischen Universität München (TUM) an Kolibakterien. Die Ergebnisse könnten dabei helfen, die Wirksamkeit von Antibiotika zu steigern.

Untersucht wurde, inwieweit schnelles oder langsames Wachstum die Überlebensfähigkeit von Kolibakterien beeinflusst. Dabei hat sich gezeigt, dass Veränderungen der Wachstumsbedingungen direkte Auswirkungen auf die Sterberaten haben: die am besten ernährten und am schnellsten wachsenden Bakterien, sterben auch als erste, wenn man ihnen die Nahrung entzieht. Üppige Ernährung ist also schlecht für die Fitness von Bakterien. Sie sind offenbar auf schnelles Wachstum eingestellt und gehen verschwenderisch mit den Energie- Ressourcen um. Das wird ihnen während der Hungerphase zum Verhängnis.

Die Forschungsergebnisse lassen sich möglicherweise in Zukunft dazu nutzen, um beispielsweise die Wirkung von Antibiotika zu verbessern: „Man könnte nach dem Zuckerbrot-und-Peitsche-Prinzip beispielsweise Darmbakterien durch Verzehr einer Süßspeise zum Wachstum anregen. Das würde sie schwächen, wenn man dann ein Antibiotikum gegen eine Darminfektion einnimmt“, erklärt Forschungsleiter Prof. Ulrich Gerland von der TU München. Für konkrete Empfehlungen ist es aber noch zu früh. Hier sind weitere Forschungen nötig.

Referenzen:
TUM Technische Universität München
Pressemitteilung
Slower growth of Escherichia coli leads to longer survival in carbon starvation due to a decrease in the maintenance rate, Molecular Systems Biology, (2020) 16:e9478, DOI: https://doi.org/10.15252/msb.20209478

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Genetik Pneumologie Wissenschaft

Mukoviszidose: Andockstelle für Bakterien entdeckt

Mukoviszidose (zystische Fibrose), ist eine der häufigsten genetischen Erkrankungen. Ursache ist die Mutation eines Gens, das an der Sekretion von Schleim beteiligt ist, wodurch dieses ungewöhnlich dick wird und die Atemwege verstopft. Trotz erheblicher therapeutischer Fortschritte verringert die Erkrankung immer noch die Lebenserwartung, insbesondere durch lebensbedrohliche Infektionen der Atemwege. Wissenschaftler der Universität Genf (UNIGE) haben nun den Grund für die große Anzahl von Lungeninfektionen entdeckt.

Offenbar fördert ein Protein (Vav3) diesen Prozess, indem es „bakterielle Andockstationen“ auf der Oberfläche der Atemwege produziert. Es wird bei Erkrankten überexprimiert und zwingt zwei andere Proteine (Fibronektin, Integrin b1) dazu, sich auf der Zelloberfläche zu verbinden und einen Komplex zu erzeugen, der es besonders der Bakterienart „Pseudomonas aeruginosa“ erleichtert, hier anzudocken und die oft tödlichen Infektionen auszulösen. Es ist das erste Mal, dass ein Mechanismus beobachtet wurde, der eine günstige Mikroumgebung für ein Bakterium schafft, bevor es es überhaupt eintrifft, meinen die Forscher. Das Verständnis dieses Prozesses könnte eventuell dazu beitragen, das Auftreten schwerer Infektionen, etwa durch die Hemmung von Vav3, zu verhindern.

Université de Genève
Pressemitteilung
Originalpublikation: Cell Reports July 7, 2020 https://www.cell.com/cell-reports/fulltext/S2211-1247(20)30823-8

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Gastroenterologie Onkologie Wissenschaft

Bakterien hinterlassen Signatur in Darmkrebszellen

Manche Bakterien verursachen Schäden im Erbgut, die zu Krebs führen könnten. Forscher unter der Leitung von Thomas F. Meyer vom Max-Planck-Institut für Infektionsbiologie in Berlin haben zusammen mit Kollegen aus Helsinki, Stockholm und Barcelona einen genetischen Fußabdruck identifiziert, den Escherichia coli in Darmzellen hinterlässt. Und sie haben entdeckt, dass diese Mutationen bei bestimmten Darmkrebsformen besonders häufig auftreten. Sie liefern damit erstmals einen direkten Beleg dafür, dass ein Bakterium Krebs auslösen kann.

Die Wissenschaftler haben auch nachgewiesen, das das vom E. Coli produzierte Toxin „Colibactin“ einen Einfluss auf Tumorsuppressor-Gene wie APC hat, das besonders häufig betroffen war. Auch andere Bakterien können Colibactin, sowie andere Genotoxine mit potentiell krebsfördernden Eigenschaften bilden. Die Wechselwirkung zwischen den Toxinen der Bakterien und den Epithelzellen und ihre Rolle bei der Krebsentstehung soll deshalb nun weiter erforscht werden.

Referenz:
Dziubańska-Kusibab P.J et al., Nature Medicine, 1st June 2020; https://www.nature.com/articles/s41591-020-0908-2

Max Plank Institute Karolinska Institutet University of Helsinki Stockholm University

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