CandidOmics: Integrativ omics Studie von Candida auris

Dieses Projekt wird das neu auftretende Pilzpathogen Candida auris hinsichtlich seiner Pathogenität und der molekularen Mechanismen von dessen anti-fungaler multidrug Resistenz (AMDR) untersuchen. C. auris wurde 2009 entdeckt und hat sich in weniger als einem Jahrzehnt in über 20 Ländern auf 5 Kontinenten verbreitet. Es kann tiefsitzende Infektionen verursachen, die sich über den Blutkreislauf verbreiten. Darüber hinaus, infiziert es auch Atemwege, Harnwege , Knochen und Weichteile. Außerdem kann C. auris auf abiotischen Oberflächen wie Kathetern gedeihen und ist so ein ernstes Risiko für Personen mit einem gestörten Immunsystem oder anderen Krankheiten, die vermehrt in der älteren Bevölkerung auftreten. Aufgrund der hohen Übertragbarkeit, AMDR und der berüchtigten Fehldiagnose in der Klinik, stellt C. auris eine globale Gesundheitsbedrohung dar. Seine ausgeprägte Arzneimittelresistenz gegen alle Antimykotika ermöglicht es C. auris im Patienten zu verharren, diesen zu besiedeln und erneut zu infizieren. Des Weitern kann C.auris stark am Hautgewebe haften. Dies verstärkt seine rasche Ausbreitung in Krankenhausumgebungen. Aufgrund dieser hohen Übertragbarkeit durch Haut-zu-Haut-Kontakte ist es das erste Pilzpathogen, das von den Centers for Disease Control and Prevention (CDC) als Bedrohung für die öffentliche Gesundheit eingestuft wird. Ein großes Hindernis für die Bekämpfung von C. auris Infektionen ist unser mangelndes molekulares Verständnis der Pathogenese und Virulenz dieses Pilzes. Um an dieses Problem heranzugehen, wird dieses Projekt einen integrativen Multi-Omics-Ansatz nutzen, um die molekularen Grundlagen der Pathogenese und Mechanismen der AMDR von C. auris zu entschlüsseln. Wir werden modernste Technologien im Bereich der Genomik und Proteomik anwenden, um die Virulenz von C. auris, die Interaktion mit dem Immunsystem unter Verwendung von primärer Immunzellkulturen und in vivo Mausmodellen aufzudecken. Wir werden die Gene und Faktoren untersuchen, d ie für die fungale AMDR verantwortlich sind, insbesondere für die Wirkstoffe Caspofungin und Amphotericin B. Die erwartenden Ergebnisse werden ein besseres Verständnis der Pathogenitätsmechanismen von C. auris liefern und die molekularen Grundlagen von AMDR enträtseln. Darüber hinaus werden Daten aus diesem Projekt für die Entdeckung von C. auris-spezifischen Biomarkern und die Identifizierung von neuen therapeutischen Ansätzen für die Entwicklung von Antimykotika relevant sein. In einer Zeit des Ausbruchs von Infektionskrankheiten ist es von grundlegender Bedeutung, das molekulare Wissen über infektiöse Mikroben zu erweitern, um im Falle von Pandemien besser vorbereitet zu sein. Daher werden Daten aus diesem Projekt von unschätzbarem Wert sein, um neue ther apeutische Optionen für infektiöse menschliche Pilzpathogene, insbesondere solche, die durch Candida -Arten verursacht werden, zu entdecken und zusätzlich, die molekularen Grundlagen von C. auris-Infektionen zu enthüllen.

Candida auris ist ein aufkommendes multiresistentes Pilzpathogen, welches von den US-amerikanischen-Centers-for-Disease-Control als kritische Bedrohung anerkannt und von der Weltgesundheitsorganisation als äußerst prioritär eingestuft wird. Trotz seiner Bedeutung ist unser Verständnis der Pathogenese von C. auris und der Mechanismen der Arzneimittelresistenz, aufgrund der unzureichenden molekularen Daten, noch begrenzt. Dies stellt eine grundlegende Herausforderung für unser Verständnis des Erregers und die Entwicklung von Interventionsstrategien dar. Das Hauptziel dieses Projekts bestand darin, die Pathogenese von C. auris zu entschlüsseln und seine Arzneimittelresistenzmechanismen, insbesondere gegen Amphotericin B (AmB), aufzuklären. Zu diesem Zweck haben wir eine integrative quantitative Proteomics-Strategie verwendet, um die Wirt-Pathogen-Wechselwirkung zu untersuchen, indem wir molekulare Daten aus C. auris während der Untersuchung extrahierten; i) In-vitro-Kokultur mit Makrophagen von Mäusen und ii) In-vivo-Assay durch intraperitoneale Injektion (i.p.) von C. auris-Zellen in Mäuse und anschließende erneute Isolierung von Pilzzellen. Die integrierte Omics-Datenanalyse ergab mehrere Virulenzfaktoren, darunter Proteine wie ADH2 und HSP21. Um ihre Funktion in der Virulenz zu validieren, wurden C. auris-Mutanten, denen die Gene ADH2 und HSP21 fehlen, durch eine Fusions-PCR-Strategie erzeugt. Diese Mutanten wurden anschließend Mäusen injiziert und auf ihre Lebensfähigkeit getestet. Dabei zeigte sich, dass sie im Gegensatz zum Wildtyp von C. auris sehr empfindlich auf die Abtötung durch den Wirt in vivo reagieren. Um den Arzneimittelresistenzmechanismus von C. auris aufzuklären, wurden Pilzzellen mit AmB behandelt und einer Proteomanalyse unterzogen. Darüber hinaus wurde eine neuartige Strategie zur Wiederverwendung von Arzneimitteln unter Verwendung der Proteomdatenbank von C. auris entwickelt, um eine Liste von FDA-zugelassenen Arzneimittel für die Anti-Auris-Aktivität zu erhalten. Das Screening führte zur Identifizierung des Arzneimittels Tavaborol (C7H6BFO2), welches eine vielversprechende antimykotische Wirkung gegen alle fünf Klassen von C. auris mit IC50 im M-Bereich zeigte. Um die neuartige Funktion von Tavaborol auszunutzen, wurde eine vergleichende Proteomic-Analyse zwischen mit Tavaborol und AmB behandelten Pilzzellen durchgeführt. Bei der AmB-Behandlung wurden stress-molecule (DDR48, orf19.7085, orf19.4503, orf19.813), Moleküle der Glycerinbiosynthese (RHR2) und Efflux-Arzneimitteltransporter (SGE1) identifiziert. Der Resistenzmechanismus gegen AmB scheint sowohl in einer Überexpression von stress-molecule begründet zu sein, um dem durch das Medikament verursachten oxidativen Stress entgegenzuwirken, als auch der Expression von Efflux-Arzneimitteltransportern und der Synthese von Osmolyten wie Glycerin, um der osmolytischen Wirkung von AmB entgegenzuwirken. Tavaborol inhibiert die Leucyl-tRNA-Synthetase, welche die Ligation der Aminosäure L-Leucin an tRNA katalysiert. Proteomik-Daten von Candida, welche mit Tavaborol behandelt wurden, zeigten eine Überexpression von Proteinen, die mit der Leucin-Biosynthese (LEU1, LEU4) und GLT1 verbunden sind, welche für die Glutamat-Biosynthese verantwortlich sind, was auf eine komplizierte Kontrolle der Aminosäurebiosynthese als Reaktion auf Tavaborol schließen lässt. Zusätzlich wurde Elektronenmikroskopie der mit AmB und Tavaborol behandelten C. auris-Zellen durchgeführt. Die Ergebnisse zeigten den Aufbau eines großen intrazellulären Raums sowohl in mit AmB als auch mit Tavaborol behandelten Candida-Zellen im Vergleich zu unbehandelten Kontrollen.