Welche Proteine setzen Pseudomonaden unter Luftabschluss frei?
Dr. Sandra Schwarz forscht in Tübingen an Pseudomonas aeruginosa (P. aeruginosa). Sie möchte die bakteriellen Substanzen finden, die diese Bakterien unter anaeroben Bedingungen (d. h. unter Sauerstoffabschluss) freisetzen. Diese Situation ist bei chronischen Infektionen gegeben, wenn sich die Bakterien tief in der Lunge in einem Biofilm vor äußeren Einflüssen verstecken und sich dadurch schützen. Ob und welche krankmachenden Substanzen die Pseudomonaden unter solchen anaeroben Bedingungen abgeben, soll in ihrem vom Mukoviszidose e.V. geförderten Projekt (1904) untersucht werden. Um diese Untersuchungen möglichst an der Situation in Patienten auszurichten, wurden P. aeruginosa Stämme genutzt, die von Mukoviszidose-Betroffenen stammen. Diese wurden im Labor unter Luftabschluss angezüchtet und die von den Bakterien freigesetzten Proteine anhand von Sonden untersucht, die mit Antikörpern aus Patientenseren versehen waren. So möchte die Arbeitsgruppe genau die Proteine herausfischen, die als Antigen erkannt werden und damit möglicherweise krankmachende Eigenschaften haben. (Antigene sind Proteine, die das Immunsystem als „feindlich“ erkennt und dagegen Antikörper ausbildet).
P. aeruginosa-Proteine isoliert, die Untersuchung hinsichtlich krankmachender Wirkung folgt
Die Arbeitsgruppe konnte mehrere Proteine von P. aeruginosa auf diese Weise isolieren, die Identifikation dieser Proteine läuft allerdings noch. Wenn man bedenkt, dass für ca. 40% der Gene von P. aeruginosa noch gar nicht bekannt ist, ob und für welches Protein sie die Information tragen, so besteht die Chance, über diesen Ansatz die Rolle des einen oder anderen CF-relevanten Proteins von P. aeruginosa aufzuklären – und damit hätte man ggf. ein neues Ziel für eine spezifische Therapie gegen P. aeruginosa.
Mikrobiom-Forschung: Auch in der Lunge sind Monokulturen eher schlecht
Die Gesamtheit der Bakterien in der Lunge interessiert Prof. Dalpke (Dresden) und Dr. Boutin (Heidelberg). Ging man vor einigen Jahren noch davon aus, dass in eine gesunde Lunge keine Bakterien gehören, so weiß man inzwischen, dass eine Lunge nur dann gesund ist und bleiben kann, wenn die richtigen, die „guten“ Bakterien dort vorhanden sind. Man spricht ganz allgemein von kommensalen Bakterien, wenn man die Bakterien meint, die zu einer normalen, gesunden bakteriellen Flora gehören.
Ökotypen korrelieren mit dem Gesundheitszustand
In dem vom Mukoviszidose e.V.geförderten Projekt (1805) untersuchten Dalpke und Boutin systematisch, welche verschiedenen Bakterien sie in mikrobiologischen Proben von Mukoviszidose-Betroffenen mit unterschiedlichem klinischen Gesundheitszustand im Vergleich zu gesunden Kontrollen fanden. Sie entdeckten verschiedene typische Bakterien-Gemeinschaften, sogenannte „Ökotypen“. Ist die Bakterien-Gemeinschaft vielfältig und finden sich verschiedene kommensale Bakterien darunter, so war auch meist die Lungenfunktion besser als in Patienten mit einer eingeschränkten Bakterien-Gemeinschaft. Besonders Pseudomonas aeruginosa oder auch Staphylococcus aureus verdrängen die guten Bakterien mit der Zeit und es entwickeln sich „Monokulturen“, die mit einer schlechteren Lungenfunktion korrelierten.
Die guten Bakterien hemmen die schlechten
Auch das Entzündungsgeschehen ist dann größer, wenn die „guten“ Bakterien fehlen. Die Forscher konnten in Ko-Kolonisationsexperimenten zeigen, dass das Vorhandensein von kommensalen Bakterien das Wachstum von P. aeruginosa hemmen kann. Nun sind sie dabei, den dahinterliegenden Mechanismus zu entschlüsseln. In ihrem Projekt konnten sie schon zeigen, dass der pH-Wert dabei eine Rolle spielt, aber vermutlich auch Stoffwechselprodukte (z. B. Lactat), die das Wachstum von anderen Bakterien kontrollieren. In gesunden Organen stellt sich ein funktionierendes Gleichgewicht ein, gelingt dieses erst gar nicht oder wird das Gleichgewicht gestört, so kann es dazu führen, dass pathogene Keime die Oberhand gewinnen und der Ökotyp „Monokultur“ entsteht.
Kann man die guten Bakterien therapeutisch nutzen?
Die Arbeitsgruppe möchte nun weiter daran arbeiten, die Mechanismen, mit denen kommensale Bakterien die krankmachenden Bakterien hemmen, aufzuklären. Denn wenn man die Mechanismen kennt, könnte man diese für eine Therapie nutzen. Wer weiß, vielleicht kann man zukünftig die Kulturen von kommensalen Bakterien nutzen, um Medikamente gegen krankmachende Keime herzustellen. Eine Wiederherstellung eines gesunden Ökotyps wäre das Ziel einer solchen Behandlung.
Im Blog des Mukoviszidose e.V. „EinBlick in die Forschung“ wurde das Projekt von Dalpke und Boutin kürzlich vorgestellt:
Nicht-tuberkulöse Mykobakterien – ein Forschungs-Hotspot
Der Mukoviszidose e.V. fördert gleich mehrere Projekte zu nicht-tuberkulösen Mykobakterien (NTM). Dabei geht es sowohl um die Rolle der NTMs beim Krankheitsgeschehen, die Untersuchung möglicher Übertragungswege, die Verbesserung der Diagnostik als auch die Entwicklung von neuen Behandlungsoptionen.
Nicht-tuberkulöse Mykobakterien sind oft mit einer klinischen Verschlechterung verbunden, wobei die Diagnostik nicht einfach ist. In der normalen Routine-Diagnostik ohne spezielle Untersuchung auf NTMs werden sie leicht übersehen. Auch ist eine NTM-Diagnostik nur aus Sputum oder Lungenspülungen möglich, Rachenabstriche reichen hierfür nicht aus. Eine antibiotische NTM-Behandlung geht meist über viele Monate und der Erfolg ist nicht garantiert, da Resistenzen gegen Antibiotika typisch für diese Bakterien sind. Frühe Therapien scheinen insgesamt erfolgversprechender. Daher ist eine frühzeitige Erkennung einer NTM-Besiedelung wichtig.
Bluttest zur Erkennung einer NTM-Infektion
Für die Tuberkulose-Diagnostik ist schon seit vielen Jahren ein Bluttest etabliert, der anzeigt, wenn die untersuchte Person Kontakt mit Tuberkulose-Bakterien hatte (Mycobacterium tuberculosis-Komplex). Der etablierte Tuberkulose-Test funktioniert über eine Blutprobe, die darin enthaltenen Abwehrzellen (T-Zellen) reagieren bei Kontakt mit spezifischen Proteinen des Erregers, indem sie Interferon freisetzen. Die Messung der Interferon-Antwort zeigt an, ob eine Person positiv in Bezug auf Tuberkulose ist (Interferon-Gamma Release Assays, IGRA).
Einen solchen IGRA-Test möchte Dr. Mathis Steindor aus Essen auch für Nicht-tuberkulöse Bakterien, die NTMs, entwickeln. Dabei konzentriert er sich auf den Mycobacterium abcessus-Komplex (MABC), da diese Bakterien unter den NTMs bei Mukoviszidose-Betroffenen bei uns am häufigsten vorkommen. In einem vom Mukoviszidose e.V. finanzierten Projekt (1902) wurden bereits erste Proteine aus M. abcessus identifiziert, die eine Interferon-Antwort sichtbar machen können. Die Sensitivität des Tests ist aber noch nicht gut genug, so dass in einem Folgeprojekt nun weitere für den Mycobacterium abcessus-Komplex typische Proteine hinsichtlich der Eignung für einen solchen IGRA-Test untersucht werden sollen. Zur Durchführung dieser Forschung erhielt Dr. Steindor den Christiane-Herzog Forschungspreis.
Wie werden NTMs übertragen? Gibt es Hinweise auf eine Übertragung im klinischen Umfeld?
NTMs kommen in der Umwelt vor, so dass eine Infektion über Umweltkeime möglich ist. Inwiefern die Übertragung von NTMs von Patient zu Patient oder über klinische Einrichtungen eine Rolle für das Infektionsgeschehen spielt, wird kontrovers diskutiert. Zur Risikominimierung von Übertragungssituationen empfehlen daher die Forschungsgemeinschaft Mukoviszidose (FGM) gemeinsam mit der Arbeitsgemeinschaft der Ärzte im Mukoviszidose e.V. (AGAM) einmal jährlich die gezielte mikrobiologische Diagnostik auf eine vorliegende NTM-Besiedelung bei allen Patienten ab zehn Jahren, sowie bei Sputum-produzierenden Patienten unter zehn Jahren (vgl. Epidemiologisches Bulletin des RKI von 2014).
Rund 150 NTMs von 120 verschiedenen CF-Betroffenen untersucht
Dr. Michael Hogardt aus Frankfurt untersucht in seinem vom Mukoviszidose e.V. geförderten Kleinprojekt (2003) die Übertragung von Mykobakterien. Dabei arbeitet er mit den größten CF-Ambulanzen zusammen. Über 150 Proben von 120 verschiedenen CF-Betroffenen hat er hinsichtlich der Gensequenz untersucht um den Verwandtschaftsgrad unter den verschiedenen NTM-Stämmen festzustellen. Je ähnlicher die Gensequenz, desto eher kann man davon ausgehen, dass die Stämme auf einen gemeinsamen Ursprung, also den gleichen NTM-Klon, zurückzuführen sind – daraus könnte man Hinweise auf den Weg der Übertragung ableiten. In dem Projekt konnte Hogardt verwandte Stämme in verschiedenen Patienten finden, allerdings auch in Patienten, die sich im klinischen Umfeld nie getroffen hatten. Das konnte anhand der Besuchsdaten der Kliniken nachgewiesen werden. Vergleiche mit international veröffentlichten NTM-Sequenzdaten zeigt, dass NTM-Klone weltweit vorkommen und allein der Nachweis des gleichen NTM-Klons in verschiedenen Patienten nicht bedeutet, dass dieser von Patient zu Patient übertragen wurde. Auch eine Übertragung durch die Umwelt muss immer mit bedacht werden. Die Wege der Übertragung sind demnach oft nicht eindeutig nachvollziehbar, eine frühzeitige und zuverlässige Diagnostik von NTM nach wie vor sehr wichtig um auch weiterhin potentielle Übertragungen zu vermeiden.
Nachwuchsforscher forscht an neuen Wirkstoffen gegen NTM
Dr. Adrian Richter aus Halle zeigte in seinem Vortag, dass die NTM-Forschung auch ein interessantes Gebiet für Nachwuchsforscher ist. Er arbeitet an der Entwicklung von neuen, gegen NTM gerichtete Antibiotika. Damit sollen derzeit resistente NTM zukünftig erfolgreich therapierbar werden. Ein Wirkstoff-Screening hat er schon durchgeführt und nun eine Leitsubstanz an der Hand, die er hinsichtlich Wirksamkeit, Sicherheit und Anwendbarkeit optimieren möchte. Die ersten vielversprechenden Ergebnisse hat er vorgestellt, die Weiterentwicklung der neuen Wirkstoffe plant Richter in den nächsten Jahren in Kooperation mit CF-erfahrenen Klinikern, Mikrobiologen sowie Pharmakologen.
Und noch ein weiteres Forschungsprojekt zu NTM wird aktuell vom Mukoviszidose e.V. gefördert (2004), wobei hier wieder eine andere Fragestellungen, u. a. Resistenzen und deren Erkennung, im Vordergrund stehen.
Makrophagen - Stört das fehlende CFTR-Protein die Funktion der Abwehrzellen
Makrophagen sind Abwehrzellen, die aus weißen Blutkörperchen entstehen. Makrophagen zirkulieren im Blut oder treten über in Gewebe – dabei immer auf der Suche nach krankmachenden Organismen und fehlerhaften Zellen oder Zellresten.
Bakterien werden von Makrophagen regelrecht aufgefressen (phagozytiert) und im Innern abgetötet, das geschieht mit Hilfe eines besonders sauren pH-Werts in einem abgeschlossenen Bereich der Zelle. Makrophagen können aber noch mehr, sie präsentieren Bestandteile der gefressenen feindlichen Zellen, so dass wiederherum andere Zellen dagegen Antikörper ausbilden und das spezifische Immunsystem an der Abwehr ebenfalls mitwirken kann. Makrophagen setzen auch Cytokine frei, d. h. Signalstoffe, die das Entzündungsgeschehen initiieren um andere Abwehrzellen zum Ort des Geschehens rufen – solange, bis alles bereinigt und die Gefahr gebannt ist. Danach sollte die Entzündung wieder abebben.
Arbeiten die Abwehrzellen bei CF weniger effizient?
Mit dieser zentralen Rolle stehen die Makrophagen im Interesse der CF-Forscher, die sich fragen, ob auch das Fehlen des CFTR-Proteins hier einen Unterschied macht und die Makrophagen bei CF-Betroffenen ihrer Abwehrrolle nicht richtig nachkommen können.
Dr. Antje Munder aus Hannover untersucht in ihrem vom Mukoviszidose e.V. geförderten Projekt (1905) verschiedene Makrophagen systematisch, sowohl mit funktionierendem CFTR-Protein als auch ohne (F508del-Mutation). Sie konnte schon zeigen, dass die CF-Makrophagen es nicht schaffen, den pH-Wert im Zellinnern (genaugenommen in den Lysosomen) soweit abzusenken wie bei den Makrophagen „gesunder“ Kontrollen. In der Zellkultur konnte Munder zeigen, dass auch die CFTR-Makrophagen Bakterien aufnehmen können, das Abtöten aber länger dauert. Ob dieser Mechanismus in der Lunge von CF-Betroffenen genau so passiert und dazu führt, dass krankmachende Bakterien die Oberhand im Abwehrkampf gewinnen, ist damit noch nicht bewiesen – aber ein mögliches Indiz liegt vor. Weitere Forschung wird sich anschließen, die noch näher am Patienten ausgerichtete sein wird und auch die Gesamtheit des Abwehrgeschehens in der Lunge betrachten muss. Die Experimente von Dr. Munder wurden alle mit Makrophagen durchgeführt, die aus induzierten Stammzellen im Labor zu Makrophagen weiterentwickelt wurden. Dafür arbeitet sie mit Prof. Ulrich Martin, ebenfalls aus Hannover, zusammen, der Experte auf dem Gebiet der Stammzellforschung ist.
Ex-vivo Gentherapie: Zellen entnehmen, korrigieren, vervielfältigen, zurückführen
Auch in einer weiteren Fragestellung arbeiten die beiden zusammen. Wenn Blutvorläuferzellen, also Stammzellen, im Labor vermehrt und zu Makrophagen angezüchtet werden können, dann ist auch der folgende Schritt denkbar: eine Patienten-individuelle Gen-Korrektur des CFTR-Defekts in den Vorläuferzellen kann im Labor Makrophagen heranreifen lassen, die in Bezug auf den CFTR-Defekt geheilt sind. Diese könnten dem Patienten zurückgegeben werden und die normale Abwehrreaktion erfüllen. Dr. Munder arbeitet an einer solchen Makrophagen-Transplantation – zunächst noch im Mausmodell, um die Machbarkeit zu zeigen. Wenn alles gut läuft, dann ist eine solche ex-vivo-Gentherapie (d. h. Korrektur des Gendefekts außerhalb des Körpers und Zurückführung der Zellen) zur Korrektur von Makrophagen denkbar – wenn auch sicherlich bis dahin noch einige Jahre vergehen werden.
Antibiotika-Allergien: Kann eine erneute Verabreichung gewagt werden?
Dr. Jobst Röhmel aus Berlin untersucht Antibiotika-Allergien bei Mukoviszidose-Betroffenen in seiner vom Mukoviszidose e.V. geförderten Studie (1705). Er möchte wissen, ob bei einigen Patienten eine Verabreichung nach einmalig festgestellter allergischer Reaktion doch wieder möglich ist. Er zeigt Daten aus seiner klinischen Studie, bei der er Antibiotika unter klinischer Kontrolle erneut verabreicht und u. a. auch per Bluttest die T-Zellen (Abwehrzellen, die zu dem spezifischen Abwehrsystem gehören) untersucht. Die Aussagekraft und Verwendbarkeit dieses T-Zell-Test wird in Kooperation mit einem Labor für Immunpharmakologie aus Liverpool im Rahmen der Studie untersucht. Erste Ergebnisse zeigten, dass der Labortest anzeigen kann, wann eine erneute Verabreichung besser vermieden werden sollte und bei welchen Patienten eine erneute Verabreichung vorsichtig versucht werden kann (nach vorherigem Provokationstest und klinischer Beobachtung). In seinem Patientenkollektiv konnte er immerhin bei 60% der Patienten das zuvor gemiedene Antibiotikum erfolgreich wiederverwenden. Aufgrund der Corona-Situation und dem Neubeginn vieler Patienten mit der Modulatoren-Therapie konnten leider in diese Studie nur die Hälfte der ursprünglich geplanten Patienten einbezogen werden, so dass die Aussagekraft statistisch betrachtet nicht ausreichend gesichert ist.
MRT-Bildgebung besser durch künstliche Intelligenz?
Die Lungenbildgebung soll helfen, Veränderungen der Lunge frühzeitig zu erkennen und Lungenschäden zu lokalisieren. Eine strahlungsfreie Bildgebung ist wegen der schon im Kindesalter angewendeten und wiederholten Durchführungen im Leben von CF-Betroffenen vorteilhaft. Die Arbeitsgruppe in Heidelberg arbeitet schon seit vielen Jahren daran, die Magnetresonanztomografie (MRT) für die Lungendiagnostik bei CF zu verbessern. Inzwischen liegen verschiedene Fachpublikationen der AG vor, die die diagnostische Anwendung und Aussagekraft, Validierung der Methode und die Vergleichbarkeit zwischen verschiedenen Zentren zeigen. In einem aktuell vom Mukoviszidose e.V. geförderten Kleinprojekt (2006) arbeitet Dr. Mark Wielpütz aus Heidelberg an einer weiteren Verbesserung der Methode. Auch die Perfusionsmessung ist mit der MRT möglich, d. h. die Durchblutung der Lunge kann sichtbar gemacht werden. Hier ist eine Auswertung jedoch sehr personalintensiv und nur schwer quantifizierbar. Durch die Anwendung von künstlicher Intelligenz soll das verbessert werden. Dafür wurden bereits zahlreiche Bilder inklusive Auswertung eingelesen, um das System zu trainieren. So soll eine Software entwickelt werden, die die Auswertungen von MRT-Perfusionsmessungen zukünftig unterstützen soll.
Beide FGM-Seminare gaben einen guten Überblick über ausgewählte Forschungsprojekte, die der Mukoviszidose e.V. finanziell unterstützt. Den Referenten wurde die Möglichkeit geboten, eigene Ergebnisse mit anderen CF-Expertinnen und Experten zu diskutieren. Wenn dies auch nur digital möglich war, so zeigte die Aktivität im Chat großes Interesse an den Forschungsarbeiten.
Dieser Bericht ist Teil unserer Zusammenfassungen der Ergebnisse der Nordamerikanischen CF-Konferenz und der Deutschen Mukoviszidose Tagung (DMT), die im November digital stattfanden.
