Molekulare Bakteriologie

Ein Bakterium kommt selten allein und wenn sich erst einmal viele Bakterien auf einem Fleck gesammelt haben, schließen sie sich zu Lebensgemeinschaften zusammen - sogenannten Biofilmen. Die einzelnen Bakterien erkennen durch chemische Signalmoleküle, dass viele Artgenossen in der Nähe sind. Sie heften sich an Oberflächen an, werden sesshaft und bilden mit ihren Nachbarn eine schleimige Matrix. Wenn sie das im Krankenhaus auf Kathetern oder Implantaten tun, lösen sie schwere chronische Entzündungen aus, gegen die das Immunsystem ebenso machtlos ist wie Antibiotika.

Prof. Dr. Susanne Häußler arbeitet mit ihrem Team am Institut für Molekulare Bakteriologie an der Entwicklung von neuen diagnostische Methoden und Therapien gegen bakterielle Biofilme. Der Hauptgrund dafür, dass noch keine wirksamen Behandlungsmethoden verfügbar sind, ist das Fehlen einer gemeinsamen Zielstruktur zur Biofilmhemmung, die sich in sämtlichen bakteriellen Isolaten wiederfindet. Stattdessen scheint es, dass die Biofilmbildung - selbst innerhalb einer Spezies - erheblichen Schwankungen unterliegt, und dass einzelne Isolate spezifische Entwicklungsstufen der Biofilmbildung durchlaufen. Diese individuelle, stamm-spezifische Ausbildung von Biofilmstrukturen spiegelt sich dabei sowohl in der genomischen Struktur der Bakterien wider als auch in den verschiedenen Umweltbedingungen, die einen erheblichen Einfluss auf die Entstehung von Biofilmen nehmen.

Klinische Isolate des wichtigen opportunistischen humanen Erregers Pseudomonas aeruginosa bilden ausgeprägte und sehr spezifische Biofilm-Phänotypen aus, die in wenige Haupt-Biofilm-Phänotypen unterteilt werden können (Abb. 1). Die Arbeitsgruppe hat am TWINCORE ein Verfahren entwickelt, um P. aeruginosa Biofilme in Mikrotiterplatten zu kultivieren. Unter diesen Wachstumsbedingungen kann die Empfindlichkeit von P. aeruginosa Biofilmen gegen eine große Auswahl antimikrobieller Substanzen getestet werden. Diese Testung beinhaltet sowohl Antibiotika, die gewöhnlich in der Klinik verwendet werden, als auch neue Substanzen, die eine Anti-Biofilm-Aktivität aufweisen.

Abbildung 1: Biofilm Phänotypen von 10 klinischen P. aeruginosa Isolaten. Wir finden fünf unterschiedliche Biofilmstrukturen, die allerdings sehr robust von verschiedenen klinischen Isolaten ausgebildet werden. Die Biofilme wachsen für 48h in Mikrotiterplatten, werden mit dem Viabilitäts-Kit angefärbt, welches lebendige Zellen grün und tote Zellen rot leuchten lässt, und dann mittels automatisierter, konfokaler Mikroskopie aufgenommen. Die Biofilm-Sektionen werden mit Hilfe von Imaris (3D-Bildbearbeitungssoftware der Firma Bitplane) visualisiert.

Die Aussicht, verschiedene Biofilm-Phänotypen durch die Nutzung von hochauflösender Bildgebungstechnologie präzise beschreiben zu können, verspricht durch die Identifizierung von Untergruppen biofilmbildender bakterieller Isolate eine klinisch aussagekräftige Risikoabschätzung. Stratifizierte phänotypische Daten der Biofilmbildung können dann mit genotypischen Daten der einzelnen bakteriellen Isolate (sowohl genomische als auch transkriptomische Daten) in Korrelation gesetzt werden, und so ausführliche und wertvolle Erkenntnisse über die Mechanismen der Biofilmentwicklung liefern. Dies würde neue Wege eröffnen, um neue wirksame gruppenspezifische Anti-Biofilm-Präparate zu entwickeln. Wenn dies gelingt, ist die Tür offen für eine gezielte, individualisierte Diagnostik und Therapie Biofilm-assoziierter Infektionen.

Mitteilungen

13. Januar 2017

ERC Consolidator Grant für Susanne Häußler

Pseudomonas aeruginosa ist ein widerstandsfähiges Bakterium, das fast überall in der Umwelt vorkommt. Insbesondere Patienten mit Verbrennungen und Mukoviszidose-Erkrankte sind anfällig für eine chronische Infektion mit dem...


20. Mai 2015

Bakterien in Mukoviszidose-Lungen bilden besonders widerstandsfähige Biofilme – TWINCORE Wissenschaftler decken Mechanismus auf

Zystische Fibrose, besser bekannt unter dem Namen Mukoviszidose, ist eine tückische Erbkrankheit. Durch eine Stoffwechselstörung enthalten die Körpersekrete der Patienten zu wenig Wasser. Eine der Folgen: Der Schleim in den...