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Synthetische Partikel könnten “Antibiotika der Zukunft” werden

Die globale Bedrohung durch steigende Resistenzen gegen Medikamente steigt: es gibt kaum Antibiotika- Neuentwicklungen gegen tödliche Infektionen wie z. B. Tuberkulose. Aus diesem Grund gibt es dri

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Die globale Bedrohung durch steigende Resistenzen gegen Medikamente steigt: es gibt kaum Antibiotika- Neuentwicklungen gegen tödliche Infektionen wie z. B. Tuberkulose.

Aus diesem Grund gibt es dringenden Handlungsbedarf, um das Problem Antibiotikaresistenzen zu lösen – zum Teil bereits mit Erfolg (DOI: 10.1021/acs.nanolett.5b01943).

Forscher auf dem Gebiet der Synthetischen Biologie begegneten dieser Herausforderung innovativ: sie entwarfen Partikel mit dem Namen “Phagemids”, die schädliche Bakterien infiltrieren um dort Toxine freizusetzen, die die Bakterien abtöten.

In der Zeitschrift “Nano Letters” beschreibt das Team von Forschern vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge, wie sie Partikel auf Bakteriophagen modellierten – Viren, die Bakterien infizieren und abtöten.

Im Gegensatz zu Breitband-Antibiotika lassen die Bakteriophagen ungefährliche Bakterien intakt, während pathogene gezielt abgetötet werden. Sie wurden bereits in vielen Ländern über Jahre hinweg genutzt, beispielsweise in der ehemaligen Sowjetunion.

Leider hat die Therapie mit Bakteriophagen unter Umständen gefährliche Nebenwirkungen, wie James Collins, Professor für medizinische Ingenieurswissenschaften erklärt: “Bakteriophagen töten Bakterien durch Zelllyse oder durch Platzen des Pathogens. Dadurch können aber auch unschöne Toxine aus der Zelle freigesetzt werden, was problematisch werden kann.” 

Die freigesetzten Toxine aus den geplatzten Bakterien können eine Sepsis oder sogar in einigen Fällen den Tod verursachen, fügt er hinzu.

Sepsis kann bekanntermaßen zu einem septischen Schock führen, was eine Überreaktion des Immunsystems auslöst. Dadurch entsteht unter Umständen eine globale Entzündungsreaktion mit den schlimmsten Folgen Schwellung und disseminierte intravasale Koagulopathie (DIC) sowie unkontrollierter Blutgerinnung.

Phagemide infizieren ausgewählte Bakterien mit künstlich hergestellten Plasmiden.

In Ihrer vorherigen Forschung hatte das Team bereits Bakteriophagen erschaffen, die Proteine freisetzten, um die Wirkung herkömmlicher Antibiotika zu verstärken, ohne die Bakterien direkt abzutöten.

Innerhalb der neuen Studie entwickelten die Forscher ein Partikel, das in einer ähnlichen Art und Weise funktioniert – es infiltriert und tötet spezifisch Bakterien, ohne dass die Zellen platzen und ihre Toxine freigesetzt werden.

Die Partikel bekamen den zusammengesetzten Namen “Phagemid”, denn sie infizieren die Bakterien mit Plasmiden- kleine DNA-Stücke, die sich in dem Pathogen vermehren.

Durch synthetische Biologie erstellte das Team die Plasmide so, dass sie Proteine und Peptide exprimieren – kleinkettige Aminosäuren, die für den bakteriellen Wirt toxisch sind. Die Toxine wurden entworfen, um Schlüsselprozesse der Replikation zu unterbrechen mit dem Effekt, dass die Bakterienzellen sterben, ohne zu zerplatzen.

Das Team testete systhematisch ein breites Spektrum an Peptiden und Toxinen und zeigte wie diese eine große Menge an bakteriellen Zellen in einer Kultur zerstörten.

Die Methode, die sie entwickelten, ist hochspezifisch, so werden nur spezifische Spezies von Bakterien angegriffen, was bedeutet, dass man durch die Therapie die Infektion behandelt, ohne das restliche Mikrobiom des Körpers zu schädigen, so Prof. Collins.

Resistenz wahrscheinlich nur langsamer entwickelt

Die Forscher zeigten, dass  nach Exposition der Pathogene zu den Phagemiden keine relevanten Resistenzen entwickelt wurden, was bedeuten könnte, dass bedenkenlos mehrere Phagemidtherapien gleichzeitig verabreicht werden können, um den Behandlungseffekt effizienter zu gestalten.

Prof. Collins sagt, dass die Bakterien auf lange Sicht Resistenzen entwickeln werden, aber wahrscheinlich viel langsamer, als nach Behandlung mit Bakteriophagen allein.

Er sieht deshalb die Verwendung der Phagemide zusammen mit Schnelltests auf Bakterienkulturen, die derzeit in Entwicklung sind,als beste Möglichkeit, um eine Behandlungsmöglichkeit gegen spezifische Infektionen zu ermöglichen und erklärt: “Man würde zuerst einen diagnostischen Schnelltest durchführen, um die Bakterien des Patienten zu identifizieren und daraufhin das passende Phagemid geben, um das Pathogen abzutöten.”

Das Team experimentierte mit Phagemiden, die designt wurden, um Escherichia coli abzutöten und plant nun, ein breiteres Spektrum zu entwickeln, um bespielsweise auch Clostridium difficile und Vibrio cholerae abzutöten.

Alfonso Jaramillo, ein Professor für synthetische Biologie an der Univeristät Warwick, Vereinigtes Königreich, der nicht Teil der Studiengruppe war, bestätigte, dass diese somit möglicherweise die Antibiotika-Therapie der Zukunft entdeckt haben.

Text: esnaum/ja