Nim-vermittelte Resistenz

Das anaerobe Bakterium Bacteroides fragilis und andere Vertreter aus dem Genus Bacteroides (Bacteroides spp.) sind im Allgemeinen harmlose, ja sogar nützliche Mitbewohner des menschlichen Darms. Allerdings können sie sich zu bedeutenden Krankheitserregern entwickeln, wenn sie, etwa durch unglücklich verlaufende Operationen im Bauchbereich verursacht, ihr eigentliches Habitat verlassen und andere Teile des Körpers besiedeln. Lebensbedrohliche Abszesse oder Blutvergiftungen können die Folge sein. Zwar sind Bacteroides-Infektionen mit Antibiotika behandelbar, doch unglücklicherweise können sich Bacteroides spp. sehr rasch Resistenzen gegen eine große Zahl an Antibiotika aneignen. Die zurzeit am häufigsten gegen Bacteroides eingesetzten Antibiotika sind die Carbapeneme und das Metronidazol. Trotz des prinzipiell hohen Wirkungsgrads des Metronidazols kommt es immer wieder zu erfolgslosen Behandlungsversuchen, verursacht durch bestimmte Resistenzgene, welche in Bacteroides sp. vorkommen. Diese sogenannten nim Gene, bzw. die von ihnen kodierten Nim Proteine, machen Bacteroides spp. unempfindlicher, oder in gewissen Fällen sogar völlig resistent gegenüber Metronidazol. Die Wirkungsweise der Nim Proteine ist allerdings noch nicht aufgeklärt und frühere Hypothesen zu ihrer Funktion erwiesen sich als nicht zutreffend. Das Ziel dieses Projekts ist es, die Auswirkungen der Nim Proteine auf die Physiologie von Bacteroides spp. zu untersuchen und aufzuklären, mit welchen Faktoren in der Zelle die Nim Proteine interagieren, um ihre Wirkung zu entfalten. Zu diesem Zweck, werden in diesem binationalen Projekt zwei Wiener Arbeitsgruppen, und eine Arbeitsgruppe aus Szeged, Ungarn, zusammenarbeiten, um die Nim-vermittelte Resistenz biochemisch und genetisch aufzuklären. Wir erwarten, dass ein tiefergehendes Verständnis der Resistenzmechanismen gegenüber Metronidazol in Bacteroides spp. die zukünftige Entwicklung von Gegenstrategien ermöglichen wird.

Die anaeroben Darmbakterien aus dem Genus Bacteroides sind bedeutende Kommensalen aber sie können auch ernste Infektionen verursachen, wenn sie ihre intestinale Nische verlassen und andere Bereiche des Körpers erreichen, etwa aufgrund von Verletzungen im Zuge von Operationen im Abdomen oder bei Dickdarmkrebs. Aus dem Genus Bacteroides ist B. fragilis der am meisten pathogene Vertreter, welcher Bakteriämie und Abszesse in verschieden Stellen des Körpers verursachen kann, oft im Zusammenwirken mit anderen, aeroben Bakterien. Die Todesrate beläuft sich auf bis zu 40%. Infektionen mit B. fragilis werden üblicherweise mit Antibiotika wie Amoxicillin + Clavulansäure, Carbapenemen und Metronidazol behandelt. Besonders die letzten beiden Substanz(gruppen) haben ihre ursprüngliche Wirkung im Wesentlichen beibehalten, Resistenzen treten jedoch auf. Metronidazolresistenz wird mit den nim-Genen in Verbindung gebracht, von denen vermutet wird, dass sie für Nitroreduktasen (Nim-Proteine) kodieren, welche Metronidazol deaktivieren können. Frühere Studien deuten allerdings daraufhin, dass die Wirkungsweise der nim-Gene komplexer ist. In diesem Projekt wollten wir den Mechanismus, mit welchem nim-Gene Schutz gegen Metronidazole verleihen, aufklären und führten biochemische Vergleiche und differentielle Expressionsstudien mit B. fragilis Stämmen mit und ohne nim-Gen durch. Wir fanden heraus, dass nim-Gene B. fragilis für eine Resistenzentwicklung vorbereiten, welche es erlaubt im Darm gegenüber anderen Bakterien konkurrenzfähig zu bleiben, indem zentrale Stoffwechselwege erhalten werden. In B. fragilis Stämmen ohne nim-Gen hingegen wird die Resistenzentwicklung vom Verlust bedeutender Stoffwechselwege begleitet, da die Aufnahme von Eisen, einem essentiellen Bestandteil vieler Enzyme, verringert ist. B. fragilis nimmt Eisen üblicherweise mittels Aufnahme von Häm, d.h. der sauerstoffbindenden Komponente des Hämoglobins, welche ein zentral komplexiertes Eisenatom besitzt, auf. In metronidazolresistenten B. fragilis ohne nim-Gen wird der Import von Häm durch Herunterregulierung von einem hämbindenden Protein, HmuY, inhibiert. In B. fragilis Stämen mit nim-Gen ist das nicht der Fall. Außerdem werden B. fragilis Stämme ohne nim-Gen nach Resistenzentwicklung hypersensibel gegenüber Sauerstoff, nicht aber B. fragilis Stämme mit nim-Gen. Überraschenderweise bewirkt jedoch die vollständige Weglassung von Häm im Wachstumsmedium keine gesteigerte Toleranz gegenüber Metronidazol sondern gegenteilig eine Hypersensitivierung, auch in Stämmen welche unter normalen Bedingungen hochresistent sind. Folglich stellt die Hämkonzentration für B. fragilis im Zusammenspiel mit Metronidazol ein zweischneidiges Schwert dar. Diese Erkenntnisse sind von potentieller praktischer Bedeutung, da bei Empfindlichkeitsprüfungen in der klinischen Praxis die Hämkonzentration genau eingehalten werden muss. Abschließend entdeckten wir auch, dass die Expressionsspiegel von nim-Genen für die Ausformung der nim-vermittelten Metronidazolresistenz wie oben beschrieben von Bedeutung sind. Auch diese Entdeckung ist von potenzieller Bedeutung in der klinischen Praxis, da die Expressionsspiegel von nim-Genen in der Bewertung von Metronidazolresistenz bisher keine Berücksichtigung fanden.