CSSB-Forscher Entdecken Neue Virulenzmechanismen von Pseudomonas aeruginosa

Das stäbchenförmige, gramnegative Bakterium Pseudomonas aeruginosa ist weltweit für rund 7 Prozent aller nosokomialen Infektionen verantwortlich. Jedes Jahr steht der Erreger mit etwa 559.000 Todesfällen in Verbindung, da er verschiedene Körperregionen wie die Lunge, die Haut oder die Blutbahn befallen kann. Umso dringlicher ist das Ziel, die genauen Angriffswege des Keims zu verstehen.

Ein Team aus der Gruppe von Prof. Michael Kolbe am Centre for Structural System Biology (CSSB) hat gemeinsam mit Kooperationspartnern vom Forschungszentrum Jülich, dem EMBL Hamburg, DESY und BIOTECH Thailand neue Virulenzmechanismen aufgedeckt.

Strukturbiologische Analysen enthüllen Enzyme und Proteine

Ausgehend von einer am HZI durchgeführten Untersuchung von klinischen Isolaten identifizierte Kolbes Forschungsgruppe Strukturelle Infektionsbiologie PLC H und PLC N als relevante Virulenzfaktoren bei P. aeruginosa. Bakterielle Phospholipasen (PLCs) sind Enzyme, die Lipide in Zellmembranen abbauen und daher wesentliche Virulenzfaktoren für eine effiziente Infektion von Wirtszellen darstellen.

Zwar war bereits bekannt, dass PLC H und PLC N eine bedeutende Rolle bei der Infektion spielen, doch hatten die Forschenden nur begrenzte Einblicke, wie diese Enzyme tatsächlich funktionieren oder wie ihre Strukturen aussehen. Um die molekularen Mechanismen von PLC H und N aufzuklären, setzten die Forschenden verschiedene Methoden der Strukturbiologie ein, um die biophysikalischen und strukturellen Eigenschaften der Enzyme zu untersuchen.

Insbesondere bestimmte das Team die Struktur von PLC H mittels Kryo-Elektronenmikroskopie (Kryo-EM) an der Multi-User-Anlage des CSSB. Die Kryo-EM – eine Technik, bei der mittels hochenergetischer Elektronenstrahlen hochauflösende Bilder von schockgefrorenen Proben aufgenommen werden – zeigte, dass PLC H drei unterschiedliche molekulare Formen aufweist.

Um zu untersuchen, wie PLC N an verschiedene Proteine bindet, führten die Forschenden Röntgenkristallographie-Experimente an der P11-Beamline bei PETRA III, der Synchrotronstrahlungsanlage von DESY, durch.

Wie das Bakterium Wirtszellmembranen schädigt

PLC H ist die am häufigsten vorkommende PLC in P. aeruginosa und tritt meist zusammen mit seinem Chaperon R2 auf. Bemerkenswerterweise zeigte sich, dass der PLC-H/R2-Komplex eine deutlich höhere Zytotoxizität, d.h. eine größere Fähigkeit, einzelne Zellen abzutöten, aufweist als PLC-N.

Pseudomonas aeruginosa ist eine ubiquitäre Gram-negative opportunistische Spezies, die für ein breites Spektrum akuter und chronischer Infektionen verantwortlich ist, insbesondere bei immundefizienten Personen sowie Patienten mit Mukoviszidose oder indwelling devices (implantierten medizinischen Geräten).

Seine pathogenen Erfolge beruhen auf einem ausgeklügelten Arsenal an Virulenzdeterminanten, darunter Biofilmbildung, ein vielseitiges Typ-III-Sekretionssystem (T3SS), das Effektortoxine (ExoS, ExoU, ExoT, ExoY) abgibt, potente sekretierte Enzyme (elastase, phospholipases), Siderophor-vermitteltes Eisen-Scavenging und Exotoxine wie Exotoxin A.

Resistenzen und globale Bedrohung durch den Erreger

Die neuen Einblicke fallen in eine Zeit, in der der Erreger ohnehin wegen seiner enormen Widerstandskraft im Fokus der Medizin steht. Das Bakterium exhibits intrinsic resistance to many antibiotic classes via low outer-membrane permeability, chromosomally encoded multidrug efflux pumps (MexAB-OprM, MexXY), inducible β-lactamases (AmpC) and target-modifying enzymes.

Additional resistance emerges through acquisition of extended-spectrum β-lactamases, carbapenemases and aminoglycoside-modifying enzymes, as well as mutations in porin genes (oprD) or regulatory circuits that upregulate efflux. Within biofilms, cells display phenotypic tolerance to antibiotics and host defences, further complicating eradication.

P. aeruginosa infections typically occur in healthcare settings. Good hand hygiene and infection prevention and control can help reduce the risk of infection. P. aeruginosa can be resistant to antibiotics, making these infections difficult to treat.

Pseudomonas is a group of bacteria commonly found in the environment, like in soil and water. The most common type causing infections among humans is Pseudomonas aeruginosa. P. aeruginosa can cause infections in the blood, lungs (pneumonia), urinary tract, or other parts of the body after surgery.

In 2017, MDR P. aeruginosa caused an estimated 32,600 infections among hospitalized patients and 2,700 estimated deaths in the United States. Patients in healthcare settings are at highest risk, especially those who are on breathing machines (ventilators), have devices such as catheters, or have open wounds from surgery or burns.

Recent studies from Nature Portfolio have documented the alarming emergence of highly resistant P. aeruginosa in aquatic food chains. Investigations of isolates from fish and human handlers revealed uniform resistance to key aminoglycosides and polymyxins, with over 80 % of strains classified as MDR or XDR.

Perspektiven für zukünftige Therapien

The global rise of multidrug-resistant (MDR) and extensively drug-resistant (XDR) P. aeruginosa strains has created an urgent need for novel therapeutic and preventive strategies, from antivirulence agents and biofilm disruptors to phage and combination regimens.

To determine if someone has a P. aeruginosa infection, healthcare providers will send a specimen to the laboratory for antimicrobial susceptibility testing. Treatment generally includes antibiotics, though treatment options are limited for MDR P. aeruginosa.

Patients and caregivers should keep their hands clean, particularly before and after caring for wounds or touching a medical device, remind people including healthcare providers to clean their hands before touching the patient or handling medical devices, and allow healthcare staff to clean their room daily when in a healthcare setting.

Readers should consult qualified medical professionals for any health concerns, diagnosis, or treatment guidance regarding infections.