Medizin am Abend Berlin Fazit: Zelluläres Gedächtnis überlistet Krankheitskeime
Studie des Kiel Evolution Center belegt Wirksamkeit der
sequentiellen Antibiotika-Therapie gegen den Krankheitskeim Pseudomonas
aeruginosa
Die Weltgesundheitsorganisation WHO warnt davor, dass sich scheinbar
harmlose Bakterieninfektionen in den nächsten Jahren zu einer der
häufigsten Todesursachen vor allem in den Industrienationen entwickeln
könnten.
Diese dramatische Bedrohung ist entstanden, weil die seit
Jahrzehnten als Standardtherapie verschriebenen Antibiotika in vielen
Fällen durch sich ausbreitende Resistenzen wirkungslos geworden sind und
diese Entwicklung mit zunehmender Geschwindigkeit weitergeht.
Dr. Roderich Römhild untersuchte die Wirkung der sequentiellen
Antibiotika-Gabe auf den Krankheitserreger Pseudomonas aeruginosa. © Christian Urban, Uni Kiel
-
Ursache des Problems ist die Fähigkeit der Keime zur schnellen
evolutionären Anpassung an die eingesetzten Wirkstoffe.
- Die Konsequenz
ist, dass selbst neue Antibiotika innerhalb kurzer Zeit ineffektiv
werden können.
Daher verfolgen Forschende weltweit einen alternativen
Ansatz, um in der sich zuspitzenden Antibiotika-Krise die Oberhand
zurückzugewinnen. Sie versuchen durch die Anwendung
evolutionsbiologischer Prinzipien die Wirksamkeit der aktuell
vorhandenen Wirkstoffe länger zu erhalten. Ein Forschungsteam des Kiel
Evolution Center (KEC) an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
(CAU) hat gemeinsam mit Kollegen am Max-Planck-Institut für
Evolutionsbiologie in Plön und der schwedischen Universität Uppsala d
azu
ein bisher unbekanntes Prinzip aufgedeckt, das eine komplett neue und
gleichzeitig höchst nachhaltige Therapieform ermöglicht. Ihre Ergebnisse
veröffentlichten die Wissenschaftler gestern in der renommierten
Fachzeitschrift PNAS.
Das untersuchte Behandlungsverfahren macht sich ein simples Prinzip
zunutze:
- Auf die kurze, impulsartige Gabe eines bestimmten Präparats
folgt anschließend die Anwendung eines Antibiotikums mit einer anderen
Wirkungsweise.
Am Beispiel des
Bakteriums Pseudomonas aeruginosa, das
laut WHO zu den kritischsten Keimen mit multiplen Resistenzen gehört,
erprobten die Kieler Forschenden diese abwechselnde Gabe unterschiedlich
wirkender Medikamente.
Dazu untersuchten sie in einem
Evolutionsexperiment rund 200 Bakterienpopulationen über insgesamt 500
Generationen und beobachteten, wie sich verschiedene Antibiotika und ein
geändertes zeitliches Schema der Medikamenten-Wechsel auswirkten.
Dabei
fanden sie heraus, dass besonders die Abfolge eines
Penicillin-ähnlichen Wirkstoffs und eines sogenannten Aminoglykosids und
der schnelle Wechsel mit zufälligen Intervallen besonders gut wirkten.
Kurze Vorbehandlung mit einem Penizillin erhöht die
Wirksamkeit eines nachfolgenden Aminoglykosids. Gezeigt ist eine
Verdünnungsreihe einer Bakterienprobe nach Ende der Behandlung, entweder
ohne (3 Spalten links) oder mit Vorbehandlung (3 Spalten rechts).
© Christian Urban, Uni Kiel
- „Ein kurzer einleitender Behandlungsimpuls macht den Keim anfällig, weil
er das Eindringen weiterer Medikamente in die Bakterienzellen
erleichtert.
Das zweite Antibiotikum erledigt gewissermaßen den Rest und
tötet die verbleibenden Krankheitserreger zuverlässig ab“, erklärt
Professor Hinrich Schulenburg, Leiter der Arbeitsgruppe
Evolutionsökologie und Genetik an der CAU und KEC-Sprecher.
Diese
Wirkung ist entscheidend von der Reihenfolge des Medikamenten-Wechsels
abhängig.
Das impulsgebende Präparat muss zuerst wirken, da es in die
Struktur der Zellwände des Bakteriums eingreift und so das Einfallstor
für den zweiten Wirkstoff öffnet.
Zudem sind die Geschwindigkeit und das
Muster der Sequenz ausschlaggebend:
„Wechselt man die beiden
Medikamente schneller als in der üblichen Antibiotikatherapie und in
zufälligen Abständen, lässt sich die Bildung der gefürchteten
Resistenzen am deutlichsten hemmen“, so Schulenburg weiter.
Ursächlich für den Erfolg der Sequenzbehandlung ist das sogenannte
zelluläre Gedächtnis der Krankheitserreger.
Durch das erste Antibiotikum
werden die zellulären Eigenschaften der Keime über mehrere Generationen
hinweg so verändert, dass das zweite Antibiotikum auch mit Verzögerung
besser wirken kann.
„Durch das erste Antibiotikum wird quasi eine Tür
geöffnet, die dem zweiten Antibiotikum leichteren Eintritt verschafft“,
erläutert Dr. Roderich Römhild, wissenschaftlicher Mitarbeiter in der
Arbeitsgruppe Evolutionsökologie und Genetik und Erstautor der
Veröffentlichung. „Dieser Ansatz ist aus evolutionärer Sicht besonders
vielversprechend, da die Keime nun gezwungen werden, eine Abwehr gegen
das Öffnen der Tür und somit den zellulären Gedächtniseffekt zu
entwickeln – anstelle von direkter Resistenz gegen das Antibiotikum“, so
Römhild weiter. Im Experiment konnte eine geringere Resistenzentstehung
in überzeugender Form bestätigt werden.
Erstaunlich ist, dass bereits vor rund 30 Jahren durch Zufall exakt der
nun vorgeschlagene Behandlungsmodus an Patientinnen und Patienten
ausprobiert wurde – mit beeindruckendem Erfolg:
In fast allen Fällen
konnte der untersuchte Krankheitserreger nach der sequentiellen
Antibiotika-Behandlung stark reduziert werden; bei der Hälfte war er
nicht mehr nachweisbar, und das Verfahren zeigte sich somit deutlich
wirksamer als die Standardtherapie.
Allerdings fand die Methode nie
Eingang in den medizinischen Behandlungsalltag, weil eine Erklärung für
den Therapieerfolg fehlte.
„Wir sind überzeugt, dass wir mit unseren
Ergebnissen zum zellulären Gedächtniseffekt die fehlende Erklärung nun
gefunden haben“, betont Schulenburg.
„Die neue Arbeit liefert ein
weiteres Beispiel dafür, wie mit Hilfe von evolutionsbiologischen
Konzepten und Methoden komplett neue Erkenntnisse für nachhaltige
Therapieansätze gewonnen werden können“, fasst der KEC-Sprecher
zusammen.
Antibiotikaresistenz bleibt dank des Gedächtniseffekts
und sequentieller Therapie niedrig.
Zelluläres Gedächtnis überlistet Krankheitskeime
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Prof. Hinrich Schulenburg
Sprecher „Kiel Evolution Center“ (KEC), CAU Kiel
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E-Mail: hschulenburg@zoologie.uni-kiel.de
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Originalpublikation:
Roderich Roemhild, Chaitanya S.
Gokhale, Philipp Dirksen, Christopher Blake, Philipp Rosenstiel, Arne
Traulsen, Dan I. Anderson, Hinrich Schulenburg (2018): Cellular
hysteresis as a principle to maximize the efficacy of antibiotic therapy
PNAS
https://dx.doi.org/10.1073/pnas.1810004115
Weitere Informationen für international Medizin am Abend Berlin Beteiligte
http://www.uni-kiel.de/zoologie/evoecogen Arbeitsgruppe Evolutionsökologie und Genetik, Zoologisches Institut, CAU Kiel:
http://www.kec.uni-kiel.de Forschungszentrum „Kiel Evolution Center“, CAU Kiel
http://www.evolbio.mpg.de Max-Planck-Institut für Evolutionsbiologie, Plön