Wie können wir bakterielle Lebensgemeinschaften beeinflussen?

Worum geht es in diesem Forschungsprojekt?

Wiederherstellung einer vorteilhaften Lungenmikroflora mit sekundären Stoffwechselprodukten und Pathoblockern zur Behandlung chronischer Lungenerkrankungen.

Worum geht es in diesem Forschungsprojekt?

Beim Menschen wie bei anderen Säugetieren, sind Oberflächen, die mit der Außenwelt in Verbindung stehen (Haut, Lunge, Darm, andere) von einer sogenannten Mikroflora (das in der Wissenschaft genutzte Synonym ist Microbiom) besiedelt. Diese kommensalen (lat. commensalis ‚Tischgenosse‘) Gemeinschaften sind für die Aufrechterhaltung der Gesundheit von zentraler Bedeutung, denn ein gesundes Microbiom schützt nicht nur die äußeren Oberflächen vor dem Eindringen von Krankheitserregern, sondern produziert zahlreiche Faktoren, die für die Balance der Flussgleichgewichte (hierzu gehören u.a. Verdauung und Energiehaushalt) und die Aufrechterhaltung anderer regulärer Körperfunktionen (z.B. intaktes Immun- und Nervensystem) von zentraler Bedeutung sind. Die Existenz und zu weiten Teilen auch die Bedeutung des Microbioms für gesunde Körperfunktionen ist seit langem bekannt, neu aber ist die Erkenntnis, dass im ‚gesunden‘ Microbiom Keime existieren, deren genetische Ausstattung es möglich macht, die Zusammensetzung der ‚mikrobiellen Gesellschaft‘ durch die gezielte Produktion von sogenannten sekundären Metaboliten (Faktoren, die nicht originär zum Überleben des Produzenten benötigt werden) zu steuern. Mein weiß heute, dass bei Patienten mit schweren Lungenerkrankungen – z.B. Cystische Fibrose (CF), Bronchiektasen oder Chronisch Obstruktive Lungenerkrankung (COPD), diese Möglichkeit zur Aufrechterhaltung der Balance in der Microflora verloren gegangen ist (Abbildung 1). D.h. in den Lungen dieser Patienten werden ‚gute‘ Keime durch krankheitsverursachende verdrängt. Die Forschung im Projektabschnitt CIII verfolgt die Hypothese, dass die Wiederherstellung des gesunden Microbioms essentiell zur Gesundung des Patienten beiträgt.

Schematischer Ablauf einer metagenomischen Analyse

Durch metagenomische Analyse identifiziert: Die häufigsten Bakterienarten, die bei Patienten mit Mukoviszidose vorkommen.

Wie ist der Stand der Dinge?

In einer als wegweisend zu bezeichnenden Arbeit konnten Wissenschaftler am Interfakultären Institut für Biochemie (IFIB) der Universität Tübingen in 2016 den Nachweis führen, dass ‚gute Keime‘ des menschlichen Microbioms Sekundärmetaboliten mit bislang nicht erreichter antibiotischer Potenz produzieren (Zipperer, A. et al. Human commensals producing a novel antibiotic impair pathogen colonization. Nature 2016, 535, 511-516). Diese, als Pathoblocker bezeichneten Faktoren, zeigten hohe Wirksamkeit auch gegenüber Krankheitserregern aus der Gruppe der multiresistenten Keime, die als „Krankenhauskeime bezeichnet, eine große Gefahr für immunsupprimierte Patienten sowie ältere Patienten und frühgeborene Kinder darstellen. Vor dem Hintergrund dieses Befundes und mit der Ausgangshypothese, dass die Wiederherstellung des gesunden Microbioms essentiell zur Gesundung des Patienten beiträgt, verfolgen wir im Teilprojekt CIII drei Forschungslinien: (i) Die Darstellung von Unterschieden in der Zusammensetzung der mikrobiellen Gesellschaften im Gesunden und Lungenkranken Menschen. (ii) Die Erforschung der Bedingungen, die ‚gute Keime‘ zur Herstellung von Pathoblockern veranlassen und (iii) wie genetische Programme und Wachstumsbedingen ‚guter Keime‘ durch die Anwesenheit krankmachender (pathogener) Keime verändert werden.

Was sind die Projektziele?

Zur Identifikation gesundheitsfördernder (protektiver) Keime werden in einem ganzheitlichen Ansatz die durchschnittlichen Zusammensetzungen der Microbiome von Gesunden und Kranken erfasst. In einer Metaanalyse (d.h. eine Auswertung, die zahlreiche Einzelstudien und z.T. auch Literaturdaten erfasst) werden Unterschied zwischen Krank und Gesund dargestellt (Abbildung 2 und 3). Es darf erwartet werden, dass dieser vergleichende Ansatz zur Identifikation von Spezies führt, die die genetische Ausstattung zur Herstellung von Pathoblockern besitzen. Entsprechende Keime werden vollständig sequenziert, um entsprechende genetische Elemente (z.B. Enzyme, die zum sekundär Metabolismus gehören) zu identifizieren. Im nächsten Schritt werden dann Kulturbedingen etabliert, die diese Keime zur Anschaltung der sekundären Stoffwechselwege veranlassen. Die Substanzen werden isoliert, chemisch und funktionell charakterisiert und in iterativen Schritten über Prozesse der Medizinischen Chemie optimiert. Neben der Suche nach neuen antibiotisch wirksamen Substanzen, werden wir nach Wirkstoffen suchen, die pathogene Keime an der Herstellung von Biofilmen hindern oder in der Lage sind, Biofilme aufzulösen.

Wie kommen wir da hin?

Als Kliniker mit langjähriger Erfahrung in der Behandlung von CF und COPD Patienten, verfügt Prof. Burkhard Tümmler über breiten Zugang zu primären Patientenmaterialien wie sie in lokalen und internationalen Kohorten registriert sind (Track CF, COSYCONET and EMBARC). Ein bedeutendes Untersuchungsmaterial werden dabei induzierte Sputa sein. Geplant ist die vergleichende Erfassung der Microbiome aus 300 Sputen isoliert aus Patienten mit milden und schweren Krankheitsverläufen. Vor allem die mikrobielle Zusammensetzung der Sputa von Patienten mit milden Verlaufsformen wird zur Identifizierung von Bakterien herangezogen, die Pathoblocker herstellen könnten. Nach Identifikation solcher Keime muss, um mögliche Pathoblocker zu isolieren, die Anschaltung der sekundären Stoffwechselwege unter Kulturbedingungen im Labor gelingen. Hier muss hervorgehoben werden, dass dieser Schritt eine besondere Herausforderung darstellt, denn sekundäre Stoffwechselwege werden in der Regel nur unter entsprechendem Druck aktiviert. D.h. das natürliche Habitat der Bakterien im Kontakt mit Pathogenen muss nachgestellt werden. Prof. Rolf Müller gehört weltweit zu den wenigen Experten, die sich dieser Herausforderung erfolgreich gestellt haben. In seinem Labor wird die erreichte Expertise genutzt, um die Wirkstoffe zu isolieren. In Zusammenarbeit mit Dr. Martin Empting werden vielversprechende Substanzen chemisch und funktionell charakterisiert und ggf. in Prozessen der Medizinischen Chemie weiter verbessert. Bedeutender Pathogenitätsfaktor vieler Bakterien ist die Fähigkeit zur Ausbildung von Biofilmen, d.h. einer extrazellulären Matrix, die es den Keimen erlaubt sich in einem geschützten Raum therapeutischen Maßnahmen zu entziehen. Grundmatrix aller Biofilme sind Glycopolymere und Enzyme, die diese Biopolymere herstellen bzw. modifizieren, gehören in die große Gruppe der Kohlenhydrat-aktiven Enzyme. Kohlenhydrat-aktiven Enzyme verfügen oft über charakteristische Faltungsmotive, welche zur Identifizierung herangezogen werden können. Das Labor von Prof. Gerardy-Schahn nutzt die vorhandene, breite Erfahrung in der Glycopolymerforschung, um die im Konsortium verfügbaren genetischen Informationen zu durchmustern und entsprechende Protein neu zu identifizieren. Potentiell neue Kandidaten ebenso wie bereits bekannte Enzyme werden rekombinant erzeugt um über die funktionelle und strukturelle Charakterisierung eine Basis für die Entwicklung von Inhibitoren zu schaffen.

Leitende Forscherinnen und Forscher von Projekt C3

Projekttitel: Modulation polymikrobieller Gemeinschaften bei chronischen Lungenerkrankungen

Prof. Dr. Rita Gerardy-Schahn

Projekt: C3

CV & Contact

Prof. Dr. Burkhard Tümmler

Projekt: C3

CV & Contact

Prof. Dr. Rolf Müller

Projekt: C3

CV & Contact

Dr. Martin Empting

Projekte: C3, D3

CV & Contact

Publikationen des Projektes C3

Emerging therapies against infections with Pseudomonas aeruginosa. Tümmler B. F1000Res. 2019 Aug 7;8. pii: F1000 Faculty Rev-1371. doi: 10.12688/f1000research.19509.1. eCollection 2019. Review.

Publikationen des Projektes C3