Dr. Lisa Osbelt-Block und Prof. Till Strowig verhindern mit Mikrobiom-Engineering schwere Infektionen.
Thema
Die Ingenieurinnen und Ingenieure des Mikrobioms
Ein neues Zeitalter der Prävention: Mikrobiom-Engineering am HZI
Das Mikrobiom übernimmt eine Vielzahl gesundheitserhaltender Funktionen im Körper. Die Mikroben können Nährstoffe produzieren, Entzündungen dämpfen oder Krankheitserreger verdrängen. Um all diese Aufgaben erfüllen zu können, muss das Mikrobiom in einem Gleichgewicht sein. Das heißt beim Mikrobiom in erster Linie, dass es möglichst vielfältig ist. Denn so haben es schädliche Mikroorganismen schwerer, eine Nische zum Leben zu finden. Wenn die Mikrobiom-Vielfalt nachlässt oder schädliche Keime dominieren, entsteht ein Risiko für Entzündungen, Infektionen oder chronische Erkrankungen – und genau hier setzt das Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung (HZI) an. Mittels „Mikrobiom-Engineering“ gestalten Dr. Lisa Osbelt-Block und Prof. Till Strowig das Darmmikrobiom gezielt, um Krankheiten vorzubeugen.
Während Probiotika meist transient besiedelnde und harmlose Bakterien liefern oder eine fäkale Mikrobiota-Transplantation (FMT), auch Stuhltransplantation genannt, das gesamte Mikrobiom ersetzen kann, zielt Mikrobiom-Engineering auf präzise Eingriffe ab: Forscher:innen entfernen einzelne Krankheitserreger aus der Gemeinschaft, ersetzen verlorengegangene Funktionen oder gestalten das Ökosystem so um, dass es sich selbst repariert. Am HZI geht es vor allem um eine Frage: Wie können wir Infektionen von vornherein verhindern?
Die Werkzeuge der Mikrobiom-Ingenieur:innen sind dabei nicht Maßbänder und Messuhren, sondern Mikroorganismen, Bakteriophagen und die Genschere CRISPR. „Eigentlich sind wir alle in gewisser Weise die Ingenieure unseres Mikrobioms. Was wir essen und mit wem wir uns umgeben, beeinflusst unser Mikrobiom. Unser Ansatz des Mikrobiom-Engineering ist aber zielgerichteter“, sagt Prof. Till Strowig, Leiter der HZI-Abteilung „Mikrobielle Immunregulation“. „Unser Ziel ist die Prävention schwerer Infektionen, die ihren Ursprung im Darm haben können. Wir wollen diese Bakterien aus dem Darm entfernen, bevor es zu Komplikationen kommen kann, sobald sie die Darmbarriere durchbrechen.“
Elektronenmikroskopische Aufnahme von Klebsiella oxytoca, einem kraftvollen Gegenspieler von Krankheitserregern
Dafür setzen sein Team und er auf die Kraft anderer darmbewohnender Bakterien: Sie haben herausgefunden, dass das Reservoir krankmachender Bakterien im Darm beseitigt werden kann, wenn er mit bestimmten Gegenspielern besiedelt ist: „Am weitesten fortgeschritten ist unsere Forschung an der Art Klebsiella oxytoca, die andere Klebsiellen und Salmonellen aus dem Darm verdrängen kann“, sagt Dr. Lisa Osbelt-Block, Wissenschaftlerin in Strowigs Abteilung. „Wir konnten zeigen, dass K. oxytoca einerseits mit krankmachenden Klebsiellen um dieselben Nährstoffe konkurriert und andererseits die Bedingungen im Darm so verändert, dass sich die Gemeinschaft nützlicher Bakterien erholen kann – K. oxytoca handelt quasi wie ein Mini-Ingenieur, der das Mikrobiom repariert.“ Aber auch gegen Enterobakterien wie pathogene Escherichia coli erprobt das Team, das eine Ausgründung anstrebt, mikrobielle Gegenspieler.
Mit Unterstützung des Deutschen Zentrums für Infektionsforschung (DZIF) entwickelt das Team seine Bakterienstämme als lebendes Biotherapeutikum (LBP). Ein solches Präparat mit gefriergetrockneten, aber lebenden Mikroorganismen gilt als Arzneimittel und muss klinisch geprüft und zugelassen werden. Das unterscheidet den Ansatz der Forscher:innen auch von herkömmlichen Probiotika, die als Nahrungsergänzungsmittel vermarktet werden. Ihnen werden zwar gesundheitsfördernde Effekte zugeschrieben, die klinische Wirkung wird jedoch meist nicht nachgewiesen.
„Unser Ansatz soll bei Fehlkolonisationen eingesetzt werden, wenn wir einzelne potenziell krankmachende Bakterienstämme aus dem Mikrobiom verdrängen wollen“, sagt Osbelt-Block. Wenn das Mikrobiom etwa durch mehrfache Gabe von Breitbandantibiotika komplett durcheinandergeraten sei oder der hartnäckige Keim Clostridioides difficile sich im Darm breitgemacht habe, sei aber ein anderer Ansatz wie die Stuhltransplantation notwendig. Dabei werden gesunde Darmbakterien von einem Spender oder einer Spenderin auf eine empfangende Person übertragen, um das gestörte Mikrobiom zu sanieren.
Ein Skalpell für das Mikrobiom
„Wenn die Stuhltransplantation ein Vorschlaghammer ist, ist unsere Mikrobiom-Engineering-Technologie ein Meißel: Kraftvoll, aber trotzdem fein genug, um präzise zu wirken“, vergleicht Osbelt-Block die Werkzeuge. Weltweit erforschen Forschungsgruppen, u.a. auch am HZI, ergänzende Werkzeuge, um das Mikrobiom mit einem „Skalpell“ zu manipulieren. So wollen sie Mikrobiom-Veränderungen quasi ohne Nebenwirkungen erzielen. Dafür erforschen sie, wie sie mit programmierbaren Antibiotika oder der Genschere CRISPR einzelne Gene von Bakterien direkt im Darm an- oder ausschalten können. Weitere Projekte widmen sich Bakteriophagen, die ebenfalls direkt im Darm wirken. Diese Viren können unerwünschte Bakterienstämme spezifisch infizieren und sie so aus der Gemeinschaft entfernen. Mit diesen Werkzeugen – vom Meißel bis zum Skalpell – wollen die Forscher:innen am HZI nicht nur das Mikrobiom reparieren, sondern es gezielt und nachhaltig gestalten – für eine neue Ära der Prävention. Der Methodenkoffer der Mikrobiom-Ingenieur:innen ist dabei noch lange nicht ausgeschöpft.
Weitere Informationen
HZI Podcast „InFact“ mit Lisa Osbelt-Block und Till Strowig: Unser Mikrobiom und wie es uns gesund erhält
Bei der 6. Portfolio-Konferenz des Institute for Biomedical Translation (IBT) Lower Saxony im Medical Park Hannover wurde das Projekt „DeColi“ des Helmholtz-Zentrums für Infektionsforschung (HZI) in Braunschweig mit einer Förderung von rund 1 Million Euro ausgezeichnet. DeColi nutzt einen präventiven Ansatz: Statt auf bereits entstandene Infektionen zu reagieren, zielt das Projekt darauf ab, gramnegative Krankheitserreger gezielt aus dem Darmreservoir zu eliminieren, bevor diese Krankheiten auslösen können. Insgesamt wurden bei der Konferenz 2,3 Millionen Euro vergeben. Neben DeColi wurde das Projekt „Pathopress“ der Universitätsmedizin Göttingen und der HAWK Göttingen gefördert.
Das Bakterium Segatella copri ist einer der häufigsten Bewohner des menschlichen Darms. Forschende des Helmholtz-Zentrums für Infektionsforschung (HZI) haben in ihrer aktuellen Studie herausgefunden, dass es Stämme dieser Bakterienart gibt, die genetisches Bonusmaterial besitzen, das sie sauerstofftoleranter macht. Dafür ist unter anderem das Vorhandensein des molekularen Regulators OxyR entscheidend. Mit Hilfe umfangreicher Datenanalysen fand das HZI-Team heraus, dass Stämme von Segatella copri mit OxyR insbesondere in industrialisierten Regionen der Welt vorkommen. Die Forschenden vermuten, dass das Vorhandensein von OxyR hier einen Selektionsvorteil für das Bakterium bietet. Störungen des Darmmikrobioms, etwa durch Antibiotika, können zu zeitweise erhöhten Sauerstoffvorkommen im Darm führen. Wie sich die Besiedlung des Darms mit unterschiedlichen Stämmen von Segatella copri gesundheitlich auswirkt, wollen die Wissenschaftler:innen in weiterführenden Untersuchungen herausfinden. Die Studie wurde heute im Fachmagazin „Cell Host and Microbe“ veröffentlicht.
Die Helmholtz-Gemeinschaft startet mit neuen Kampagnen zu strategischen Zukunftsthemen ins Jahr 2026, um technologische Durchbrüche schneller in die Anwendung zu bringen. In den Helmholtz-Kampagnen „Biomedical Engineering Initiative“, „Water Safety and Security Initiative“ und der „Quantum Use Challenge“ entstehen innovative Lösungen – von nadelfreier Blutzuckermessung per Wearable über Quantensensoren für leistungsfähigere Batterien bis hin zu neuen Konzepten für das Wassermanagement in Großstädten. Die Kampagnen entstehen im Schulterschluss mit Partnern aus Politik, Wirtschaft und Gesellschaft und greifen zentrale Schlüsseltechnologien sowie strategische Forschungsfelder der Hightech Agenda Deutschland der Bundesregierung auf. Vier Projekte des Helmholtz-Zentrums für Infektionsforschung (HZI) und seiner Standorte in Greifswald, Saarbrücken und Würzburg sind Teil der neuen Forschungskampagnen.
