Wie kann die genaue Charakterisierung von mikrobiellen Lebensgemeinschaften zur Entwicklung von neuen Strategien gegen Biofilm-assoziierte Infektionen führen?

Worum geht es in diesem Forschungsprojekt?

Biofilme: Es mangelt an Behandlungsmöglichkeiten für Infektionen, die mit ihnen assoziiert sind.

Worum geht es in diesem Forschungsprojekt?

Bakterien in Biofilmen sind in eine selbst produzierte extrazelluläre Matrix eingebettet und weisen eine erhöhte Resistenz gegen widrige Umweltbedingungen auf. Im menschlichen Körper sind Biofilmbakterien für persistente Infektionen verantwortlich und widerstehen effizient Antibiotikabehandlungen und der menschlichen Immunantwort. Sobald eine bakterielle Biofilminfektion etabliert ist, wird es sehr schwierig, sie zu beseitigen – selbst wenn keine genotypische Resistenz vorliegt. Biofilm-Infektionen betreffen Millionen von Menschen, und jedes Jahr stellen chronische Infektionen bei Patienten aufgrund der Biofilmbildung eine große finanzielle Belastung für die nationalen Gesundheitssysteme dar. Mit dem medizinischen Fortschritt wird immer mehr Fremdmaterial zur medizinischen Behandlung und Fremdkörperimplantate eingesetzt. Dabei sind Infektionen nach wie vor eine der größten Komplikationen. Außerdem gibt es Biofilm-Infektionen, die nicht mit Fremdkörpern in Verbindung gebracht werden, wie z.B. chronische Infektionen der Lunge von Mukoviszidose-Patienten und von Patienten mit chronisch obstruktiven Lungenerkrankungen. Anhaltende Entzündungen und Veränderungen in der Struktur und Funktion des betroffenen Gewebes bestimmen bei diesen Patienten weitgehend die Morbidität und Mortalität.

Wir wollen Biomarker identifizieren, deren Vorhandensein mit der Resistenz des Pseudomonas aeruginosa-Biofilms und genetischen / metabolischen Mustern korreliert ist und die den Wechsel zur Etablierung von krankheitserregenden Biofilmen auf Implantaten charakterisieren. Dies dient der Entwicklung eines Diagnosetools für Biofilmresistenz und Krankheitserregungs-Profiling und innovativen Behandlungsstrategien, die auf Biofilm-Resistenzmechanismen abzielen.

Wie ist der Stand der Dinge?

Obwohl chronische biofilmassoziierte Infektionen ausführlich untersucht wurden, gibt es viele offene Fragen und die allgemeine Widerstandsfähigkeit von biofilmgewachsenen Bakterien ist nur unvollständig verstanden. Der erfolgreiche Einsatz von Antibiotika zur Beseitigung biofilmbedingter Infektionen hängt von unserer Fähigkeit ab, mehrere Hauptprobleme zu überwinden. Für eine gezieltere Antibiofilmtherapie sind Kenntnisse über das biofilmspezifische Resistenzprofil einzelner Bakterienisolate unerlässlich. Ebenso benötigen wir Kenntnisse darüber, wann natürliche kolonisierende Bakteriengemeinschaften in krankmachende Biofilme übergehen, z.B. auf Implantaten. Darüber hinaus müssen neue Therapieoptionen entwickelt werden, um die zweite Einschränkung der derzeitigen Behandlung zu überwinden: die allgemeine Widerstandsfähigkeit der Biofilm-Populationen.

Biofilm mit Pseudomonas aeruginosa: Lebende Zellen (grün) und tote Zellen (rot). Quelle: TWINCORE / Jann Thöming

Was sind die Projektziele?

Wir wollen neue Strategien zur Bekämpfung chronischer biofilmassoziierter Infektionen entwickeln, indem wir detaillierte Informationen über die infizierenden Krankheitserreger mit komplexen phänotypischen und genotypischen Profilmethoden kombinieren. Indem wir die Mechanismen erforschen, die der Entwicklung der Biofilm-Resistenz zugrunde liegen, könnte sich die Art und Weise der Behandlung chronischer Infektionen verändern. Unser Ziel ist es, einen kritischen, unerfüllten medizinischen Bedarf zu decken und die notwendigen Voraussetzungen für die Entwicklung wirksamer individueller diagnostischer und therapeutischer Interventionsstrategien zur Kontrolle von biofilmassoziierten Infektionen zu schaffen.

Wie kommen wir da hin?

Unsere Forschungsgruppen verfügen über umfangreiche Expertise in der Analyse der Struktur, Zusammensetzung und mikrobiologischen Vielfalt medizinischer Biofilme. Sie haben Methoden wie DNA/RNA-Sequenzierung und maschinelle Lernmethoden angewandt, um die genomische und transkriptionelle Landschaft von infizierenden Krankheitserregern in vitro und ex vivo zu beschreiben. Im Rahmen von RESIST wollen wir die gewonnenen Erkenntnisse und Erfahrungen aus unserer Arbeit an bakteriellen Biofilmen transferieren und eine genombasierte Vorhersage bakterieller Phänotypen durch Integration komplexer OMICS-Daten etablieren, auch unter Verwendung von Machine Learning Klassifikatoren, phylogenomischem Clustering und Feature-Selection-Techniken.

Biofilm mit Pseudomonas aeruginosa: Lebende Zellen (grün) und tote Zellen (rot). Quelle: TWINCORE / Jann Thöming

Leitende Forscherinnen des Projekts C1

Projekttitel: Biofilm Profling

Prof. Dr. Alice McHardy

Projekt: B2, B10, C1

CV & Contact

Prof. Dr. Susanne Häußler

Projekte: C1, C2

CV & Contact

Prof. Dr. Meike Stiesch

Projekte: C1, C2

CV & Contact

Publikationen des Projektes C1

Publikationen aus dem Jahr 2021

Removable denture is a risk indicator for peri-implantitis and facilitates expansion of specific periodontopathogens: a cross-sectional study. Grischke J, Szafrański SP, Muthukumarasamy U, Haeussler S, Stiesch M. BMC Oral Health. 2021 Apr 1;21(1):173. doi: 10.1186/s12903-021-01529-9. PMID: 33794847 Free PMC article.

Publikationen aus dem Jahr 2020

Targeting bioenergetics is key to counteracting the drug-tolerant state of biofilm-grown bacteria. Donnert M, Elsheikh S, Arce-Rodriguez A, Pawar V, Braubach P, Jonigk D, Haverich A, Weiss S, Müsken M, Häussler S.PLoS Pathog. 2020 Dec 22;16(12):e1009126. doi: 10.1371/journal.ppat.1009126. Epub ahead of print. PMID: 33351859.

Expression of the MexXY Aminoglycoside Efflux Pump and Presence of an Aminoglycoside-Modifying Enzyme in Clinical Pseudomonas aeruginosa Isolates Are Highly CorrelatedSeupt A, Schniederjans M, Tomasch J, Häussler S.  Antimicrob Agents Chemother. 2020 Dec 16;65(1):e01166-20. doi: 10.1128/AAC.01166-20. PMID: 33046496.

Evolution of Pseudomonas aeruginosa toward higher fitness under standard laboratory conditions. Grekov I, Thöming JG, Kordes A, Häussler S. ISME J. 2020 Dec 3. doi: 10.1038/s41396-020-00841-6. Epub ahead of print. PMID: 33273720.

Analysis of the organization and expression patterns of the convergent Pseudomonas aeruginosa lasR/rsaL gene pair uncovers mutual influence. Schinner S, Preusse M, Kesthely C, Häussler S. Mol Microbiol. 2020 Oct 19. doi: 10.1111/mmi.14628. Epub ahead of print. PMID: 33073409.

Host-induced spermidine production in motile Pseudomonas aeruginosa triggers phagocytic uptake. Felgner S, Preusse M, Beutling U, Stahnke S, Pawar V, Rohde M, Brönstrup M, Stradal T, Häussler S. Elife. 2020 Sep 22;9:e55744. doi: 10.7554/eLife.55744. PMID: 32960172; PMCID: PMC7538158.

Organism-specific depletion of highly abundant RNA species from bacterial total RNA. Engelhardt F, Tomasch J, Häussler S.  Access Microbiol. 2020 Sep 9;2(10):acmi000159. doi: 10.1099/acmi.0.000159. PMID: 33195973; PMCID: PMC7660241.

Parallel evolutionary paths to produce more than one Pseudomonas aeruginosa biofilm phenotype. Thöming JG, Tomasch J, Preusse M, Koska M, Grahl N, Pohl S, Willger SD, Kaever V, Müsken M, Häussler S. NPJ Biofilms Microbiomes. 2020 Jan 10;6:2. doi: 10.1038/s41522-019-0113-6.

Publikationen aus dem Jahr 2019

Establishment of an induced memory response in Pseudomonas aeruginosa during infection of a eukaryotic host. Kordes A, Grahl N, Koska M, Preusse M, Arce-Rodriguez A, Abraham WR, Kaever V, Häussler S. ISME J. 2019 Aug;13(8):2018-2030. doi: 10.1038/s41396-019-0412-1.

Genetically diverse Pseudomonas aeruginosa populations display similar transcriptomic profiles in a cystic fibrosis explanted lung. Kordes A, Preusse M, Willger SD, Braubach P, Jonigk D, Haverich A, Warnecke G, Häussler S. Nat Commun. 2019 Jul 30;10(1):3397. doi: 10.1038/s41467-019-11414-3. PMID: 31363089

Publikationen des Projektes C1