• Novel targets for short-course tuberculosis therapy
• Das Taschentuchlabor
• Dr. Jekyll and Mr. Hyde: A Systems Approach to the Therapy of Nosocomial Infections Caused by Candida
• Analyse der Wirkmechanismen von Anti-Infektiva

Mycobacterium tuberculosis (Mtb) is the world's leading cause of death from a single infectious agent and the leading cause of death in AIDS patients. Tuberculosis (TB) is epidemic with approximately 1.8 billion people currently infected. The treatment of Mtb infections is difficult largely due to this organism's remarkable ability to persist in spite of months or years of antibiotic treatment, often resulting in incomplete sterilization and recurrent disease. The inevitable consequence of inadequate therapy is the emergence of multidrug-resistant (MDR) strains, which cannot be treated with the front-line antibiotics for Mtb. Because of the failures of the existing therapies, the world desperately needs new drugs that can shorten treatment duration and kill MDR Mtb. The main objective of this proposal is the development of new anti-mycobacterial agents that will shorten TB therapy by following two different approaches. The first approach will consist on testing already identified inhibitors of specific metabolic pathways essential for mycobacterial intracellular survival such as the bacterial thioredoxin system involved in detoxification of reactive oxygen and nitrogen species. These TrxRdependent pathways are used by Mtb to resist the activity of reactive oxygen intermediates (ROI) and reactive nitrogen intermediates (RNI) present within the phagosome where mycobacteria resides. These inhibitors will not lead to adverse reactions in humans since the mycobacterial TrxR is very different from its human homologue. Furthermore, as this pathway is not essential for bacterial growth in the extracellular environment, there is none or very low selective pressure that could accelerate the development of drug resistance. For all these features, inhibitors of TrxR are particularly attractive for TB drug development. The second approach involves the screening of novel compounds originating from chemical synthesis and from a collection of myxobacterial secondary metabolites that act as anti-TB agents.

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.

Candida albicans is the single most important human fungal pathogen, causing up to 70% of all fungal nosocomial infections. Although this fungus usually is a commensal and frequently found on the skin and mucosa of healthy humans, it often becomes a threatening pathogen in patients with a compromised immune system. As most C. albicans infections are caused by strains that already colonized the patient and not by those acquired in the hospital, occasionally antimycotics are given prophylactically to prevent the outbreak of the infection. However, this regime leads to selection of resistant strains and does not take into account the individual predisposition of the patient. Thus, new tools for the identification of patients at risk and new diagnosis and therapeutic strategies are needed.

However, knowledge on molecular mechanisms and underlying networks leading to the protection of the host from an infection, i.e. lock the opportunistic fungus in the commensal state, is still in its infancy, but would lead to the identification of biomarkers, which indicate the risk of a patient to acquire a C. albicans infection. Therefore, this project aims at generating a systems understanding of the key mechanisms leading to the protection of the host by preventing the pathogenic state of C. albicans. The interdisciplinary consortium of universities, research institutes, clinics and SME´s will focus on the study of host-pathogen interactions by assessing, from a Systems Biology perspective, both the response of the host to Candida albicans, and of this opportunistic pathogen to the host under commensal and pathogenic conditions. While assisting in experimental design, data interpretation and hypothesis generation, a multi-scale modelling framework capturing the key features of the interaction of Candida albicans with host (epithelial) cells and of its switch from a commensal to a pathogen will be developed, experimentally tested and iteratively refined. Modelling and experimentation are intertwined at all stages of the project.

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.