• Neue Wirkstoffe für die Tuberkulose Therapie
• Das Taschentuchlabor
• Dr. Jekyll und Mr. Hyde: Ein systembiologischer Ansatz zur Behandlung nosokomialer Infektionen durch Candida albicans: Vom kommensalen Organismus zum lebensbedrohenden Pathogen
• Analyse der Wirkmechanismen von Anti-Infektiva

Mycobacterium tuberculosis (Mtb) führt weltweit zu den meisten Todesfällen verursacht durch einen einzelnen Infektionserreger und ist die Haupttodesursache bei AIDS-Patienten. Tuberkulose (TB) ist eine Epidemie mit zurzeit etwa 1,8 Milliarden infizierten Menschen. Durch die außergewöhnliche Fähigkeit des Organismus, trotz Antibiotikabehandlung über Monate bis hin zu Jahren im Menschen zu überdauern, ist die Behandlung der Tuberkuloseinfektionen schwierig und langwierig und führt oft zu einer nicht vollständigen Heilung (latente TB) und einer wieder ausbrechenden Krankheit. Als unabwendbare Konsequenz entstehen daraus multiresistente Stämme (MDR), welche mit den Standardantibiotika gegen Mtb nicht mehr behandelt werden können. Daher werden dringend neue Wirkstoffe benötigt.

Die meisten Antibiotika wirken auf Funktionen und Strukturen des Mikroorganismus, die er zu seinem Wachstum und seiner Vermehrung benötigt. Dazu gehören zum Beispiel die Synthese essentieller Zellbestandteile und die Energiegewinnung durch metabolische Prozesse. Mtb zeichnet sich jedoch durch eine sehr geringe Wachstumsgeschwindigkeit aus, die im Ruhezustand noch weiter reduziert ist. Dadurch ist die Wirksamkeit der meisten Antibiotika nur gering. In unserem Ansatz haben wir daher einen Test etabliert, mit dem wir in erster Linie eine Inhibierung der Vitalität des Testorganismus und nicht eine Inhibierung des Wachstums detektieren. Dadurch sollten wir Substanzen finden können, die auch auf ruhende Organismen wirken und zum Beispiel den Energiestoffwechsel inhibieren. Als Substanzquelle dienen in erster Linie Extrakte von Myxobakterien, die wir von Partnern aus der Abteilung Chemische Biologie (Dr. F. Sasse) zur Verfügung gestellt bekommen. In Zusammenarbeit mit Partnern der AG „Mikrobielle Wirkstoffe“ werden von Extrakten, die eine entsprechende Wirkung zeigen, größere Mengen hergestellt und anschließend die wirksamen Substanzen chemisch identifiziert. In der Folge finden bei neuen Substanzen dann Untersuchungen zum Wirkmechanismus und zum Wirkprofil statt.

Eines der Probleme für die wirksame Bekämpfung von Infektionen ist der rasche diagnostische Nachweis der Erreger. Um dazu einen Beitrag zu leisten, haben sich in dem vom BMBF geförderten „Taschentuchlabor“ – Projekt vierzehn Forschergruppen aus Wissenschaft und Industrie zusammengeschlossen. Ziel ist die Entwicklung neuartiger apparatefreier analytischer Systeme, die sich zum Beispiel in Textilien oder Hygienetüchern verarbeiten lassen. Damit sollen Krankheitserreger schnell, ohne eine komplexe Laborausrüstung identifiziert werden können. Um die Tests möglichst einfach zu halten, soll daher auch auf aufwändige Probenvorbehandlungen, wie Zellaufschlüsse, verzichtet werden. Dementsprechend soll der Nachweis über die Erkennung von spezifischen Oberflächenstrukturen, wie Proteinen oder Polysacchariden, erfolgen. Auch Candida albicans, der häufigste Verursacher von Pilzerkrankungen, besitzt auf der Oberfläche der Zellen spezielle Eiweissstoffe,  die gezielt zur Diagnostik genutzt werden sollen.

Die Hefe Candida albicans besiedelt Haut und Schleimhäute gesunder Menschen, ohne zu Krankheitssymptomen zu führen. In Patienten mit einem geschädigten oder unterdrückten Immunsystem kann sie jedoch zu schweren Infektionen führen, bei denen sie auch innere Organe schädigt oder sogar zerstört. C. albicans wird in 70% der Fälle als Erreger identifiziert und ist damit der häufigste Verursacher von Pilzinfektionen. Studien haben gezeigt, dass in der überwiegenden Zahl der Fälle der Pilz den Patienten bereits kolonisiert hatte und nicht erst im Krankenhaus erworben wurde. Daher werden bei Risikopatienten prophylaktisch Antimykotika eingesetzt. Dabei wird die individuelle Prädisposition des Patienten nicht berücksichtigt. Da dies die Entwicklung von Resistenzen fördert, werden neue Strategien für eine genauere Identifizierung von Risikopatienten und für therapeutische Eingriffe benötigt. Bislang sind allerdings die molekularen Mechanismen und zugrundeliegenden Netzwerke, die zum Schutz des Wirtes vor einer Infektion führen, also den opportunistischen Erreger in einem kommensalen Zustand fixieren, noch weitestgehend unbekannt. Ziel des Projektes ist daher die Aufklärung der Schutzmechanismen des Wirtes, die den pathogenen Zustand von C. albicans verhindern, wobei das Gesamtsystem aus Wirt und opportunistischen Erreger betrachtet wird. Dabei werden sowohl die Reaktionen des Wirtes auf die Anwesenheit der C. albicans als auch die des Pilzes auf die Anwesenheit des Wirtes unter kommensalen und pathogenen Bedingungen berücksichtigt Die Analysen finden auf der Ebene der Genexpression, von Proteinen und von sekretierten Metaboliten statt. Aus diesen Daten wird ein mehrskaliges mathematisches Modell entwickelt, das die wesentlichen Aspekte der Interaktion zwischen C. albicans und Epithelzellen des Wirtes und den Wechsel vom kommensalen zum pathogenen Organismus umfasst. Dieses Modell wird durch Experimente überprüft und kontinuierlich verbessert. Mit diesem Modell sollen die wesentlichen molekularen Schalter in den Organismen, die den Wechsel zwischen harmlosem Organismus und gefährlichem Pathogen steuern, identifiziert werden, da sie attraktive Angriffspunkte für Wirkstoffe wären. Außerdem sollten Vorhersagen über die Auswirkungen einer Behandlung des Infektionssystems mit Inhibitoren möglich werden.

Anti-Infektiva wirken idealerweise auf solche Strukturen in den Zellen der Pathogene, die in menschlichen Zellen nicht vorhanden sind. In Pilzen sind das derzeit vor allem die Biosynthesewege von Zellwand- und Zellmembran-Bestandteilen, da menschliche Zellen keine Zellwände besitzen und die Zellmembranen kein Ergosterol enthalten. Außerdem werden immer wieder mikrobielle Sensorsysteme als mögliche Angriffspunkte für Wirkstoffe diskutiert. Mit Hilfe von Sensorproteinen erkennen Mikroorganismen Veränderungen in ihrer Umgebung, wie zum Beispiel Nährstoffmangel, Zellwandschädigungen oder osmotischen Stress, und regulieren über die zugehörigen Signaltransduktionskaskaden die Anpassung an diese Veränderungen. Damit sind diese Sensorsysteme für das Überleben der Mikroorganismen unter sich verändernden Umgebungsbedingungen essentiell. Außerdem sind die Sensorproteine häufig Histidinkinasen, die nach Phosphorylierung den Phosphatrest auf ein Regulatorprotein übertragen. Diese sogenannten zwei-Komponenten-Systeme gibt es in menschlichen Zellen nicht.

Auch Pilze, wie Candida albicans, besitzen Histidinkinasen. Die Signaltransduktionskaskaden führen zur Aktivierung von weiteren Proteinkinasen, die zum Beispiel Anpassung an Stressbedingungen und  Wachstum und Zellteilung regulieren. Wir konnten zeigen, dass es landwirtschaftlich genutzte Fungizide, wie zum Beispiel Fludioxonil, und antimykotische Naturstoffe, z.B. Ambruticin, gibt, die auch auf Candida albicans wirken, und ihre Wirkung über die Histidinkinase CaNik1 vermitteln. Dies führt zur Aktivierung einer Proteinkinase-Kaskade, die in der Kinase CaHog1 endet. Diese Kinase aktiviert dann unter anderem Transkriptionsfaktoren und reguliert so Stressabwehrreaktionen. Diese Stressabwehr ist so effizient, dass die Fungizide alleine in C. albicans kaum zu einer Wachstumsreduktion führen. In Kombination mit anderen Stressbedingungen, wie zum Beispiel Eisenmangel, wird der Organismus dann jedoch geschwächt. Diese Vorgänge untersuchen wir derzeit detaillierter, um mögliche therapeutische Strategien zu entwickeln, da sich die oben erwähnten Substanzen als nicht – toxisch für menschliche Zellen erwiesen haben.

Uns ist es außerdem gelungen, die Histidinkinase CaNik1 in der nicht – pathogenen Bäckerhefe zu produzieren. Diese ist normalerweise für Substanzen, wie Fludioxonil und Ambruticin resistent, da ihr der Angriffspunkt fehlt. Wird die Kinase CaNik1 aber mit ihrer Hilfe hergestellt, reagiert die Bäckerhefe konzentrationsabhängig mit einer Wachstumsinhibierung auf die Anwesenheit dieser Wirkstoffe. Erste Untersuchungen zur Relevanz einzelner Proteindomänen  von caNik1 deuten darauf hin, dass nicht die eigentliche Kinasedomäne für die Wechselwirkung mit den Wirkstoffen wichtig ist, sondern benachbarte Domänen mit vermutlich regulatorischer Funktion.

Die weiteren Untersuchungen zielen auf strukturelle Analysen der Protein – Substanz – Wechselwirkungen, um so eventuell effektivere Substanzen entwickeln zu können. Außerdem etablieren wir dadurch Werkzeuge, um die Funktion des Proteins CaNik1 auch in Candida albicans  studieren zu können.