Mit Bakteriophagen gegen antibiotikaresistente Erreger?
Bakteriophagen sind Viren, die zur Vermehrung einen bakteriellen Wirt brauchen. Außerdem können sie dafür sorgen, dass genetisches Material zwischen Bakterien übertragen wird. Genaueres Wissen über diese Wechselwirkung könnte nun entscheidend zur Entwicklung wirksamerer Strategien und Produkte auf Basis von Phagen bzw. Bakteriophagen beitragen. Mikrofluidische Analyse der Wechselwirkungen zwischen Bakteriophagen und Bakterien Das über das Marie-Curie-Programm unterstützte Projekt EvoMachine-Phage untersuchte Prozesse der antagonistischen Koevolution von Bakterien und Bakteriophagen. Schwerpunkt war der PIHCD-Phänotyp für phageninduzierte hohe Zelldichte (phage-induced high cell density), der vom Marie-Curie-Stipendiaten Dr. Steven Quistad beobachtet wurde. Ihm zufolge „zeigte sich der PIHCD-Phänotyp beim Vermengen von Bakteriophagenproben, die aus einem Komposthaufen in Paris stammten, mit dem häufigen Bodenbakterium Pseudomonas fluorescens.“ Zunächst ging er davon aus, dass die Bakteriophagen die Bakterien entweder abtöten oder im Wirtschromosom in Dormanz gehen würden. Überraschenderweise vermehrten sich die infizierten Bakterien aber stärker. Nach dieser Beobachtung suchte der Forscher von EvoMachine-Phage nach dem zugrunde liegenden Mechanismus und fand den verantwortlichen Bakteriophagen. Hierfür arbeitete Dr. Quistad mit dem innovativen Mikrofluidsystem des Biotech-Spin-off-Unternehmens MilliDrop, das am ESPCI Paris gegründet worden war. Mit dem MilliDrop-Analysator, einem vollautomatischen System zur Kultur und Analyse von Mikroorganismen, können Bakteriophagen und deren Wirte in Tausenden kleiner Submikrolitertröpfchen kultiviert werden. Die „Evolutionsmaschine“, wie Dr. Quistad sie nennt, fördert die bakterielle Vermehrung hervorragend, indem sie die Bakterienzellen ständig in Bewegung hält. Für weitere Analysen können spezifische Tröpfchen auch selektiert werden. Als die Forschergruppe um Dr. Quistad mit dem Gerät den Einfluss einzelner Bakteriophagen auf die Physiologie des Wirts untersuchte, wurden mehrere Kandidaten identifiziert, die den PIHCD-Phänotypen hervorrufen. Künftig soll vor allem nach Genkandidaten für diesen Phänotypen gesucht werden. Perspektiven für den Einsatz der Mikrofluidik in der Mikrobiologie „Als wichtigstes Ergebnis von EvoMachine-Phage konnten wir demonstrieren, dass Mikrofluidik geeignet ist, Wechselwirkungen zwischen Phagen und Wirt zu analysieren“, erläutert Dr. Quistad. Ausschlaggebend für den Erfolg des Projekts waren aber auch die zahlreichen Möglichkeiten zur fachübergreifenden Kooperation, die ESPCI Paris bot. Für das Institut arbeiteten Chemiker, Physiker, Ingenieure und Biologen zusammen und etablierten auch Kontakte zu Unternehmen. Mikrofluidische Schnelltests, die den Einfluss von Bakteriophagen auf die Wirtsphysiologie untersuchen, könnten sich für klinische Tests bewähren. Bei der herkömmlichen Methode mit Plaques dauert es ungefähr 48 Stunden, um Bakteriophagen aus einer Umweltprobe zu isolieren. Antibiotikaresistente Infektionen jedoch, die sich mitunter schnell ausbreiten, könnten durch eine schnellere Isolierung und Identifizierung der Bakteriophagen weitaus besser bekämpft werden. Das MilliDrop-System könnte außerdem deutlich schneller klinisch relevante Ergebnisse liefern. Ferner erhöht sich die Schlagkraft gegen multiresistente Erreger, indem die Virulenz spezifischer Bakteriophagenisolate bei Bakterienstämmen von Interesse getestet wird. EvoMachine-Phage gewährte damit grundlegende Einblicke in die Physiologie von Bakteriophagen und deren Wechselwirkung mit Bakterien. Da Bakteriophagen an zahlreichen biologischen Prozessen – vom Kohlenstoffkreislauf bis zu lebenswichtigen physiologischen Prozessen beim Menschen – beteiligt sind, könnten die Projektergebnisse über die Entwicklung bakteriophagenbasierter Therapeutika noch deutlich hinausgehen
Schlüsselbegriffe
EvoMachine-Phage, Bakteriophage, Bakterien, Mikrofluidik, MilliDrop, PIHCD-Phänotyp, phage-induced high cell density (PIHCD) phenotype, Tröpfchen, multiresistent, ESPCI Paris, Antibiotikaresistenz
