„EinBlick in die Forschung“ von Prof. Alexander Dalpke und Dr. Sébastien Boutin

Der Mukoviszidose e.V. fördert viele unterschiedliche Forschungsprojekte zur Mukoviszidose. Mit unserer Reihe „EinBlick in die Forschung“ möchten wir mit Euch einen Blick in die Projekte der von uns geförderten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler werfen. Heute stellen wir Euch das Projekt von Prof. Alexander Dalpke und Dr. Sébastien Boutin vor, die mit ihrer Arbeitsgruppe zum Einfluss des Atemwegmikrobioms auf Immunantworten und Infektionen durch Pseudomonas aeruginosa bei Mukoviszidose geforscht haben. Im Interview erläutern die beiden Wissenschaftler die Ergebnisse des in 2021 abgeschlossenen Projekts, das der Mukoviszidose e.V. über seine Forschungsförderung mit 100.000 Euro unterstützt hat.

Welche Frage(n) sollte Ihr Projekt beantworten?

In den letzten Jahren konnten dank der großen Entwicklungsfortschritte in der Gensequenzierung immer schneller und kostengünstiger solche Sequenzierungen durchgeführt werden. Mikrobiologen können nun Mikroorganismen anhand der Gene identifizieren – und nicht nur über Anzucht im Labor und Bestimmung nach Wachstum und Aussehen. Die schnellere und kostengünstigere Gensequenzierung bietet daher die Möglichkeit, systematisch zu untersuchen, welche Mikroorganismen in den Atemwegen vorkommen. Dabei konnte gezeigt werden, dass Infektionen derAtemwege bei Patienten mit Mukoviszidose polymikrobieller Natur sind, d.h. häufig sind viele verschiedene Keime in unterschiedlicher Zusammensetzung daran beteiligt.

Wenn Bakterien, die sich natürlicherweise im Mund-Rachenraum befinden (kommensale Bakterien), auch in großer Vielfalt in den Atemwegen vorkommen, zeigen Patienten einen besseren klinischen Verlauf bezüglich der Lungenfunktion und weniger Entzündung durch klassische krankmachende Bakterien wie z.B. Pseudomonas aeruginosa. Daraus ist die Hypothese entstanden, dass diese kommensalen Erreger möglicherweise eine schützende Funktion vor Infektionen oder Entzündung durch P. aeruginosa haben könnten.

Dies sollte in dem geförderten Projekt in drei Arbeitspaketen geprüft werden: (i) Kommensale Erreger sollten unter Laborbedingungen hinsichtlich der Beeinflussung von Wachstum und Immunstimulation durch P. aeruginosa untersucht werden. (ii) Einflüsse des Mikrobioms auf Entzündungsreaktionen der Atemwege sollten aus Sputumproben von Mukoviszidose-Patienten analysiert werden. (iii) Eventuelle vorhandene schützende Effekte von kommensalen Bakterien sollten in einem in vitro-Modell auch in komplexeren biologischen Situationen näher untersucht werden.

Konnten alle Experimente wie geplant durchgeführt werden?

Im Rahmen der experimentellen Arbeiten konnten wir eine große Anzahl kommensaler Bakterien isolieren. Noch nicht alle konnten abschließend auf ihre Beeinflussung von P. aeruginosa untersucht werden. Insbesondere Bakterien, die nur anaerob, also ohne Sauerstoffzufuhr, wachsen, lassen sich experimentell nur schwierig mit P. aeruginosa im Zusammenspiel untersuchen.

Welche Antworten gibt das Projekt?

Es wurden 147 kommensale Bakterien aus Atemwegsproben von Patienten mit Mukoviszidose isoliert und für weitere Untersuchungen aufbewahrt. Diese wurden dann auf die Hemmung des Wachstums von P. aeruginosa in vitro untersucht. Es zeigte sich, dass speziell Stämme von Streptococcus mitis, S. oralis und S. cristatus das Wachstum des Bakteriums P. aeruginosa hemmen konnten. Ein hemmender Effekt konnte auch auf weitere Krankheitserreger der Lunge beobachtet werden. Mechanistisch zeigte sich, dass der Hemmeffekt über lösliche Substanzen übertragen werden konnte und dass pH-Absenkungen und reaktive Sauerstoffmetaboliten (das sind reaktionsfreudige und damit zellschädigende Moleküle des Sauerstoffstoffwechsels) beteiligt sind. Aktuelle Untersuchungen deuten an, dass freigesetzte kurzkettige Fettsäuren die Hemmeffekte vermitteln.

Weiter zeigte sich, dass einige der kommensalen Bakterien auch die Immunstimulation, welche P. aeruginosa auf bronchiale Epithelzellen macht (d.h. Sekretion von entzündungsfördernden Zytokinen und Chemokinen), durch die Kokultivierung unterdrücken konnten. Diese Befunde wurden dann in einem Lungen-Organoidmodell auch unter komplexeren Bedingungen bestätigt: Es zeigte sich eine verringerte Stimulation des Entzündungsgeschehens, wenn P. aeruginosa zusammen mit kommensalen Bakterien in das Lungen-Organoidmodell gegeben wurde.

Schließlich versuchten wir, diese auf Laborexperimenten beruhenden Ergebnisse bezüglich ihrer Bedeutung für Patienten mit Mukoviszidose zu untersuchen: In Sputumproben konnten wir zeigen, dass sich die mikrobiellen Gemeinschaften in sogenannte Ökotypen zusammenfassen lassen. Ökotypen, in denen viele verschiedene kommensale Bakterien zu finden waren, zeigten zumeist niedrigere Entzündungsparameter. Somit zeigen unsere Untersuchungen, dass kommensale Bakterien direkt und indirekt P. aeruginosa und die durch letzteres Bakterium ausgelösten Entzündungsreaktionen beeinflussen.

Was bedeuten Ihre Ergebnisse für CF-Patienten?

Die Ergebnisse sind zunächst nur „beobachtender“ Natur und zeigen, dass Patienten, deren Atemwegsmikrobiom durch kommensale Bakterien charakterisiert ist, weniger Entzündungen und eine bessere Lungenfunktion aufweisen. Die Bestimmung des Mikrobioms kann vielleicht künftig als prädiktiver Marker genutzt werden. Darüber hinaus wird jetzt zu untersuchen sein, ob man das Mikrobiom gezielt hin zu mehr Diversität und der vermehrten Präsenz kommensaler Bakterien verändern kann (z.B. über Ernährung, Probiotika). Außerdem könnten sich in diesem Sinne auch neue Therapieansätze ergeben, wenn wir noch genauer verstehen, wie kommensale Bakterien ihre protektiven Eigenschaften entfalten.

Gibt es Einschränkungen bei der Interpretation Ihrer Ergebnisse?

Die Ergebnisse wurden bislang nur experimentell ex vivo in Organoiden getestet, die Untersuchungen in Patienten sind nur „beobachtend“. Insbesondere bei den Patientenuntersuchungen bleibt unklar, ob das diversere Mikrobiom tatsächlich ursächlich weniger Entzündungen bedingt oder nur Folge einer noch guten Lungen-Clearance mit weniger Entzündung ist.

Wie sieht Ihr weiterer Forschungsplan zu diesem Thema aus?

Wir versuchen jetzt, die genauen Mechanismen der Hemmung von P. aeruginosa durch kommensale Bakterien zu entschlüsseln. Wenn dies gelingt, kann versucht werden, eine gezielte Beeinflussung von P. aeruginosa-Infektionen durch Mediatoren der Kommensalen oder Modulation des Mikrobioms zu bewirken. Das wäre ein ganz neuer Ansatz in der Therapie von chronischen Atemwegsinfektionen.

Vielen Dank für das Interview!

Das Interview führte Carola Wetzstein.

Hintergrundinfos und Literatur:

Das Forschungsprojekt von Prof. Dalpke und Dr. Boutin ist insgesamt sehr erfolgreich verlaufen und konnte neues Wissen generieren, so dass der Zusammenhang zwischen dem Mikrobiom und dem Entzündungsgeschehen in der Lunge von Mukoviszidose Betroffenen besser verstanden wird. Es ist demnach ein Zusammenspiel der Bakterien, die das Entzündungsgeschehen mitbeeinflussen. Die natürlicherweise in den Atemwegen vorkommenden Kommensalen, also die „guten“ Bakterien spielen eine wichtige Rolle, um die Pathogene, d. h. krankmachenden, „schlechten“ Bakterien im Griff zu halten.

Die Arbeiten an dem Projekt haben zu zwei Publikationen geführt, die in Fachzeitschriften veröffentlicht worden sind:

• Changes in the Cystic Fibrosis Airway Microbiome in Response to CFTR Modulator Therapy; B. Yi, A. Dalpke, S. Boutin; in Front Cell Infect Microbiol. 2021 Mar 17;11:548613. doi: 10.3389/fcimb.2021.548613. eCollection 2021. J Cyst Fibros
• Relationship between airway dysbiosis, inflammation and lung function in adults with cystic fibrosis; Frey et al;  2021 Sep;20(5):754-760. doi: 10.1016/j.jcf.2020.12.022. Epub 2021 Jan 8.

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