Welche individuellen menschlichen Faktoren begünstigen die Bildung von Biofilmen?

Worum geht es in diesem Forschungsprojekt?

Rasterelektronische Aufnahme eines Makrophagen (rot) und des Bakteriums Pseudomonas aeruginosa (blau)

Worum geht es in diesem Forschungsprojekt?

Implantat-assoziierte Infektionen stellen ein ernstes Gesundheitsrisiko in Kliniken dar. Die Ursache sind Mikroorganismen, die biologische Oberflächen oder Oberflächen von dauerhaft implantierten Medizinprodukten besiedeln, und dort Biofilme ausbilden können. Bei Biofilmen handelt es sich um Ansammlungen von Mikroorganismen, die an hydratisierten Schnittstellen gebunden und in selbst produzierten extrazellulären Matrizen eingeschlossen sind. Sie stellen eine große Herausforderung bei der Behandlung von Patienten dar. Bakterien in Biofilmen weisen veränderte Phänotypen in Bezug auf Wachstumsraten, Genexpressionsprofilen und Proteinproduktion auf. Eingebettet in ihre extrazelluläre Matrix bilden sie sowohl gegen Antibiotika als auch gegen die Effektormechanismen des Wirt-Immunsystems Resistenzen aus. Da die alleinige Verabreichung von Antibiotika für die Behandlung dieser Infektionen meist unwirksam ist, ist die Entfernung des infizierten Implantats zusammen mit der Verabreichung von Antibiotika die einzige Behandlungsmöglichkeit. Dies führt zu hohen Kosten und zu wiederholten Eingriffen bei Patienten.

Makrophagen (rot), von Pseudomonas aeruginos (grün) infiziert. Die Zellkerne sind blau zu sehen. Foto: Dr. Sebastian Felgner

Immunfluoreszenzfärbung: Pseudomonas aeruginosa-Bakterien, deren Geißeln grün gefärbt sind.
Foto: Dr. Sebastian Felgner

Wie ist der Stand der Dinge?

Die Zusammenhänge zwischen der Bildung bakterieller Biofilme auf Implantaten und dem Immunsystem des Wirtes wurden bisher nicht im Detail untersucht. So ist noch wenig über die Rolle des Immunsystems bei der Entwicklung von Implantat-assoziierten Biofilmen bekannt, die von S. aureus oder P. aeruginosa oder anderen pathogenen Bakterien produziert werden. Dies wäre jedoch für die Entwicklung von neuen Behandlungsstrategien von essentieller Bedeutung.

Für die Entwicklung eines Mausmodells zur Untersuchung Implantat-assoziierter Infektionen haben wir osmotische Pumpen mit S. aureus besiedelt und subkutan in C57Bl/6 Mäuse implantiert. Die Bakterien exprimierten eine bakterielle Luciferase, die es ermöglicht, ihre Expansion und die Entwicklung von Biofilmen durch den Einsatz nicht-invasiver Bildgebungsverfahren in vivo zu überwachen. Zudem wurde das Vorhandensein von Bakterienaggregaten und Biofilmen auf der Oberfläche der Implantate durch Immunfluoreszenz und Elektronenmikroskopie nachgewiesen. Darüber hinaus waren myeloische Zellen, darunter Neutrophile und Monozyten, zu den kolonisierten Pumpen eingewandert. Diese bildeten für die Bakterien eine Barriere zum das Implantat umgebenden Gewebe. Trotz der engen Nachbarschaft von Bakterien und myeloischen Zellen haben diese die Bakterien nicht phagozytiert. Lediglich die Eindämmung von Bakterien um die Pumpen konnte beobachtet werden. Depletion von Granulozyten führte zu einer verstärkten Infektion und zur Einwanderung von Bakterien in das den Pumpen benachbarte Gewebe.

Unterm Mikroskop: Hautproben mit Staphylococcus aureus innerhalb von Zellfallen (Pfeile).

Was sind die Projektziele?

Unsere bisherigen Experimente mit osmotischen Pumpen, die immunmodulierende Substanzen abgeben, haben gezeigt, dass die Bildung von S. aureus-Biofilmen durch rekrutierte myeloischen Zellen beeinflusst werden kann. Zunächst sollten diese Erkenntnisse auf andere biofilmbildende bakterielle Krankheitserreger ausgedehnt werden.

Ein übergeordnetes Ziel dieses Projekts ist, die infiltrierenden myeloischen Zellen sowie die sich im Biofilm befindlichen Bakterien im Detail zu charakterisieren. Durch die Applikation von Substanzen über die osmotischen Pumpen, die die Funktion von myeloischen Zellen modulieren können, soll deren Effekt auf die Biofilmbildung untersucht werden.

Ebenso sollen Deletionsmutanten von Bakterien sowie genetisch veränderte Wirte eingesetzt werden, um weitere Informationen über die sich im Biofilm befindlichen Bakterien und die Möglichkeit der Modulation des Biofilms zu erhalten.

Wie kommen wir da hin?

Wir werden osmotische Pumpen in Bakterienkulturen kolonisieren sowie Mäusen subkutan implantieren und diese für verschiedene Zeiträume untersuchen. Eine wichtige Technik zur Quantifizierung der Bakterien wird die nicht-invasive in-vivo-Bildgebung sein. So werden Bakterien eingesetzt, die eine Luciferase exprimieren und mittels des IVIS-Systems in narkotisierten Maus nachgewiesen werden können. Der quantitative Nachweis der Bakterien durch sogenanntes Ausplattieren kann hier nicht eingesetzt werden, da wir beobachtet haben, dass ein Teil der Bakterien bei der Entfernung der Pumpen aus den Tieren verloren geht. Andererseits ermöglicht es die nicht-invasive Bildgebung, die Steigerung oder Reduzierung der Bakterienzahl auf dem Implantaten in Echtzeit zu verfolgen und die Daten von einzelnen Mäusen im Zeitverlauf zu erfassen. Das IVIS wird auch zur Quantifizierung der Bakterien unter Antibiotikatherapie eingesetzt. Wir erwarten, dass die Bakterien aufgrund der Formation eines reifen Biofilms gegen Antibiotika-Behandlung resistent sind. Bei durch das Immunsystem modulierten Biofilmen könnte dies hingegen anders sein. Die Analyse wird zudem durch mikroskopische Untersuchung der kolonisierten Pumpen mit Hilfe der Light-Sheet- und Rasterelektronenmikroskopie unterstützt. Letztere liefert hochauflösende Bilder, während für die Light-Sheet-Mikroskopie Biofilme mit fluoreszierenden Antikörpern gegen Bestandteile des Biofilms oder gegen die Bakterien gefärbt werden können.

Unterm Mikroskop: Oberfläche osmotischer Pumpen, die Anti-S. aureus-Antikörper sind in grün zu sehen.

Rasterelektronenmikroskopie von kolonisierten Implantatoberflächen.

Abbildungen geändert von https://doi.org/10.3389/fimmu.2019.01082, Copyright bei den Autoren.

Mausmodell für Implantat-assoziierte Infektionen.

Leitende Forscherinnen und Forscher von Projekt C2

Projekttitel: Welche Wirtsfaktoren treiben die Biofilmbildung voran?

Prof. Dr. Reinhold Förster

Projekte: B5, B9, C2

CV & Contact

Prof. Dr. Susanne Häußler

Projekte: C1, C2

CV & Contact

Prof. Dr. Meike Stiesch

Projekte: C1, C2

CV & Contact

Publikationen des Projektes C2

IL-1β Promotes Staphylococcus aureus Biofilms on Implants in vivo. Gutierrez Jauregui R, Fleige H, Bubke A, Rohde M, Weiss S, Förster R. Front Immunol. 2019 May 17;10:1082. doi: 10.3389/fimmu.2019.01082. eCollection 2019.

Publikationen des Projektes C2