Systematische Identifizierung antifungaler Targets durch metabolische Netzwerkanalyse (AspMetNet)

Pilzinfektionen stellen eine große Gefahr für immunsupprimierte Patienten dar. Die antifungale Therapie ist aber mit unspezifischen Symptomen, suboptimaler diagnostischer Möglichkeiten und eingeschränkten Behandlungsmöglichkeiten konfrontiert. Momentan verfügbare antifungale Medikamente interferieren mit pilzlicher Membran bzw. Zellwand und sind zum Teil durch limitierte Effizienz sowie drastische Nebenwirkungen und Resistenzentwicklung gekennzeichnet. Pilze weisen eine Vielfalt spezifischer Stoffwechselwege auf, die trotz des großen Potentials bisher als Ziel für antifungale Therapie vernachlässigt wurden. Der Erreger der Aspergillose, die Gattung Aspergillus, hat offensichtlich keine spezifischen Virulenzfaktoren. Die Pathogenität dieser Hyphenpilze fußt wahrscheinlich auf seiner Anpassungsfähigkeit in Bezug auf Gewebspenetration bzw. Nährstoffaufnahme und Metabolisierung. Damit ist Aspergillus ein Paradigma für den Stoffwechsel als Hauptziel zur Verbesserung der antimykotischen Therapie. Das Ziel dieser Studie ist die umfassende und systematische Charakterisierung des Stoffwechsels als Virulenzdeterminante von Aspergillus fumigatus, da diese Spezies für die meisten Aspergillose-Erkrankungen verantwortlich ist. Ausgehend von, mit dem annotierten Genom abgeglichenen, Transkriptom-Daten, werden mittels metabolischer Netzwerk Rekonstruktion pilzspezifische Stoffwechselwege und enzymatische Schlüsselreaktionen identifiziert. Das Ziel dieser Analyse ist die Vorhersage von Genen, deren Inaktivierung zu Auxotrophie oder Lethalität führt. Nach Priorisierung, werden diese "Kandidaten-Gene", systematisch inaktiviert bzw konditional exprimiert. Die resultierenden Mutantenstämme werden dann einer extensiven Phänotypisierung unterzogen, die unter anderem Virulenztestung im Tiermodell beinhaltet. Aufgrund der erzielten Ergebnisse, wird dann das metabolische Netzwerkmodell iterativ verbessert, was zu weiteren Kandidaten-Gene führt, die wiederum experimentell validiert werden. Diese systematische, experimentell validierte, metabolische Netzwerkanalyse hat also das Ziel neue potentielle antifungale Angriffsstellen im Stoffwechsel von A. fumigatus zu identifizieren, um die therapeutische Intervention bei Pilzinfektionen zu verbessern.

Pilzinfektionen, speziell durch den Schimmelpilz Aspergillus fumigatus, stellen eine große Gefahr für immunsupprimierte Patienten dar. Momentan verfügbare Antimykotika sind zum Teil durch limitierte Effizienz sowie drastische Nebenwirkungen und Resistenzentwicklung gekennzeichnet. Pilze weisen eine Vielfalt spezifischer Stoffwechselwege auf, die trotz des großen Potentials bisher als Ziel für antimykotische Therapie vernachlässigt wurden. Die Pathogenität dieser Hyphenpilze fußt maßgeblich auf dessen Anpassungsfähigkeit in Bezug auf Gewebspenetration bzw. Nährstoffaufnahme und Verstoffwechslung. Damit ist A. fumigatus ein Paradigma für den Stoffwechsel als Hauptziel zur Verbesserung der antimykotischen Therapie. Das Ziel dieser Studie war die systematische Charakterisierung von Stoffwechselwegen in A. fumigatus in Bezug auf dessen Virulenz. Ausgehend von Genaktivierungsprofilen wurden mittels metabolischer Netzwerk-Rekonstruktion pilzspezifische Stoffwechselwege und enzymatische Schlüsselreaktionen identifiziert, deren Inaktivierung zur Auxotrophie (Abhängigkeit von Stoffwechselmetaboliten) oder Letalität führt. Nach Priorisierung wurden Kandidaten-Gene in A. fumigatus inaktiviert und die resultierenden Mutantenstämme einer extensiven Stoffwechselanalyse unterzogen, die unter anderem Virulenztestung im Tiermodell beinhaltete. So konnte gezeigt werden, dass die Biosynthese der Aminosäure Histidin sowie der Vitamine Riboflavin und Pantothensäure für die Virulenz von A. fumigatus essentiell sind. In Vergleich führte die Inaktivierung der Biosynthese von Arginine nur zur Abschwächung der Virulenz während der Verlust der prosthetischen Gruppe Sirohäm keinen Einfluss auf die Virulenz hatte. Somit hat diese Studie die Biosynthesewege für Histidin, Riboflavin und Pantothensäure als potentielle Ziele für die Entwicklung neuer antimykotischer Therapien identifiziert. Zugleich haben diese Studien mit Auxotrophie- Mutanten verschiedene Wirtsnischen von A. fumigatus in Bezug auf das Nährstoffangebot charakterisiert.