Die Schleimbarriere ist dicht mit Bakterien gefüllt – einige davon sind gut und andere können Infektionen verursachen. Mucine verleihen Mucus seine gelartige Struktur und sind mit Glykanen oder Ketten von Zuckermolekülen besetzt. Die Glykane entschärfen die schädlichen Erreger im Schleim, indem sie Gene einschränken, die ihre Kommunikationswege oder die Toxinproduktion steuern. Bildnachweis: Ribbeck Lab, MIT, Cambridge, MA

Millionen von Menschen werden jedes Jahr wegen Infektionen oder zur Vorbeugung mit Antibiotika behandelt. Die Zentren für die Kontrolle und Prävention von Krankheiten berichten, dass jedes Jahr mindestens 2,8 Millionen Menschen mit antibiotikaresistenten Bakterien infiziert sind, was bedeutet, dass die Keime Wege gefunden haben, Antibiotika zu überwältigen und weiter zu wachsen. Die Behandlung von Antibiotika-resistenten Infektionen ist kosten- und zeitintensiv. Zwei Teams von NIBIB-finanzierten Wissenschaftlern haben daran gearbeitet, alternative Lösungen zur Behandlung von bakteriellen Infektionen zu finden, insbesondere von antibiotikaresistenten Bakterien.

Wie bekämpft Ihre laufende Nase Bakterien?

Eine laufende Nase ist nicht der einzige Ort, an dem Schleim in unserem Körper vorhanden ist. Es werden auch viele Durchgänge wie das Verdauungssystem gesäumt, um sie geschmiert zu halten. Forscher des Massachusetts Institute for Technology (MIT) haben herausgefunden, dass Zucker im Schleim dazu beiträgt, lästige Mikroben in unserem Körper zu kontrollieren und zu entwaffnen. Die meisten Leute denken, dass die schleimige Substanz ein Ärgernis und ein eklatanter Faktor ist, aber sie spielt in vielen Körpersystemen eine entscheidende Rolle.

Mucine, die gelbildende Komponente im Schleim, sind mit Glykanen oder Zuckern beschichtet. Es ist bekannt, dass sie die Bildung von Biofilm unterdrücken, einer mikrobiellen Wachstumsform, die häufig mit Infektionen einhergeht und mit Antibiotika schwer zu behandeln ist. Diese Studie, veröffentlicht in Nature Microbiologyfindet einen breiteren Funktionsumfang für die an Mucine gebundenen Glycane. Die Forscher glauben, dass sie die lästigen Mikroben möglicherweise nicht tatsächlich abtöten müssen, sondern sie entschärfen und weniger ansteckend machen müssen.

„Antibiotika verlieren an Wirksamkeit gegen sich schnell anpassende Bakterien. Wir müssen natürlich vorkommende Abwehrmechanismen wirksam einsetzen, um uns vor Mikroben zu schützen“, sagte David Rampulla, Ph.D., Direktor des Programms NIBIB Biomaterials and Biomolecular Constructs.

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Ein Rasen voller Bakterien in einem Biofilm vor (links) und drei Stunden nach (rechts) der Behandlung mit Schleim. Die beobachtete leuchtend grüne Farbe ist das in dieser Studie verwendete Bakterium P. aeruginosa. Die Behandlung mit Schleim verringerte die Anzahl der Bakterien im Biofilm, wie aus der verringerten Menge an grüner Farbe im rechten Bild oben hervorgeht. Bildnachweis: Ribbeck Lab, MIT, Cambridge, MA

Schleim ist dicht gepackt mit schädlichen Mikroben. Wie nutzt der Körper diese schleimige Substanz, um Infektionen vorzubeugen? Man würde denken, dass etwas im Schleim die Bakterien töten kann. Das MIT-Team, angeführt von Katharina Ribbeck, Ph.D., Professorin in der Abteilung für Biotechnologie, hat herausgefunden, dass der Schleim die in seiner klebrigen Matrix enthaltenen Krankheitserreger zähmt, sodass das Immunsystem einschreiten und kämpfen kann, wenn es muss – aber der Schleim tut es nicht. töte Bakterien nicht von alleine.

„Früher dachten viele, das strukturelle Netzwerk des Schleims sei rein mechanisch, aber wir haben erfahren, dass es eine entscheidende Rolle bei der Bekämpfung problematischer Krankheitserreger spielt. Wir testen, ob diese Funktion für viele Arten universell ist.“ „sagte Ribbeck.

Die Forscher untersuchten die verschiedenen Teile des Schleims und stellten fest, dass der Schlüsselbestandteil, der die Bakterien zähmte, Glykane waren. Glykane sind Ketten von Zuckermolekülen, die verzweigte Strukturen bilden. Die Forscher fragten, ob die Glykane ohne die anderen Bestandteile im Schleim die gleiche Kraft hätten. Die Ergebnisse bestätigten, dass die Glykane robust genug sind, um selbst Krankheitserreger zu entschärfen.

Diese Studie konzentrierte sich auf die Reaktion der Glykane auf ein bestimmtes Bakterium, P. aeruginosa, das bei Menschen mit einem geschwächten Immunsystem Infektionen hervorruft. Die Doktorandin Kelsey Wheeler stellte fest, dass die Glykane die Wirksamkeit der Bakterien herabsetzen, indem sie genetische Signalwege unterdrücken, die für die bakterielle Kommunikation verantwortlich sind und Klumpenbildung oder Toxinproduktion ermöglichen. Diese Wege ermöglichen ihr ansteckendes Verhalten.

Laut Ribbeck bestand eine ihrer größten Herausforderungen darin, die Menschen davon zu überzeugen, dass es sich lohnt, Schleim zu untersuchen und nicht nur ein Abfallprodukt. „Wir können alternative Therapieansätze entwickeln, bei denen keine Antibiotika zum Abtöten von Mikroben verwendet werden, sondern die Form der Natur als biologische Technik verwendet wird – Schleim“, sagte Ribbeck.

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Als nächstes muss Ribbeck den Glycan-Code aufbrechen und verstehen, welche Glycane einen bestimmten Krankheitserreger zähmen und wie sie sich verbinden. Sie möchte auch mehr darüber erfahren, ob und wie Mikroben Glykane wahrnehmen und folglich versuchen, ihnen zu entkommen. Viele verschiedene Arten von Bakterien existieren in Gemeinschaften innerhalb unseres Körpers nebeneinander und bilden zum Teil das Mikrobiom eines Menschen, das eine wesentliche Rolle für die Verdauung und die Immungesundheit spielt. Ribbeck glaubt, dass Glykane eine wichtige Rolle bei der Aufrechterhaltung und Veränderung des Mikrobioms in unserem Körper spielen, und ihr Labor beginnt, die Theorie zu testen.

Phagen sind Viren, die Bakterien abtöten können. In dieser Studie wurden Phagen konstruiert und auf ihre Fähigkeit hin charakterisiert, antibiotikaresistente E. coli-Stämme abzutöten. Das Schema des Phagen zeigt die Gerüste, die bei jedem gentechnisch veränderten Phagen gleich waren, und die variablen Regionen des Phagen, die verändert wurden. Die farbigen Bereiche in der Nahansicht der Phagenschwänze zeigen, wo die mutierten Segmente vorkommen. Bildnachweis: Lu Lab, MIT, Cambridge, MA

Herstellung von Viren zur Bekämpfung von Antibiotika-resistenten Bakterien

Timothy Lu, Ph.D., Professor am MIT am Departement für Biotechnologie, Elektrotechnik und Informatik, hat an einem anderen alternativen Ansatz zur Behandlung antibiotikaresistenter bakterieller Infektionen gearbeitet. Lu hat einen Weg gefunden, einen speziellen Virustyp namens Bakteriophage oder Phage zu entwickeln, um verschiedene E. coli-Stämme abzutöten.

Antibiotika hemmen oder regulieren typischerweise Enzyme, die für die Kontrolle des Wachstums und der Ausbreitung von Bakterien verantwortlich sind, und geben dem Immunsystem Zeit, Infektionen zu bekämpfen. Phagen töten Bakterien durch einen anderen Mechanismus. Am häufigsten erkennen Phagen einen spezifischen Rezeptor auf einem Bakterium, der es ihnen ermöglicht, ihr Virus zu binden und in das Bakterium zu injizieren. Das Virus wird sich replizieren und schließlich die Bakterien abtöten.

„Die Verwendung von Phagen zur Behandlung von Antibiotika-resistenten Infektionen ist kein neues Konzept“, sagte Lu. Er erklärte, dass man ein umfassendes, zeitnahes Screening durchführen könne, um natürlich vorkommende Phagen zu identifizieren, die bestimmte Arten von Bakterien abtöten. „Aber am Ende des Bildschirms werden Sie wahrscheinlich eine vielfältige Gruppe von Phagen vorfinden, die sich nur schwer herstellen und wirtschaftlich reproduzierbar skalieren lassen.“

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