Erforschung der Virulenz von Akanthamöben mit Mulit-Omics

Akanthamöben kommen als freilebende Amöben ubiquitär in der Umwelt vor. Wenn sie jedoch zufällig mit menschlichem Gewebe Kontakt haben, können sie invasiv werden und schwere Infektionen verursachen. Die häufigste Akanthamöben-Infektion betrifft das Auge und ist bekannt als Acanthamoeba-Keratitis (AK), welche vor allem bei Kontaktlinsenträgern auftritt. Die Amöben besiedeln bei schlechter Kontaktlinsenhygiene den Kontaktlinsenbehälter und gelangen mit den Linsen ins Auge, wo sie sich an die Hornhaut anheften und dann in tiefere Hornhautschichten vordringen. Eine wichtige Voraussetzung für die Infektion ist der Zell- Zellkontakt der Amöben mit den Hornhautzellen, welcher eine Kaskade an Virulenzfaktoren auslöst. Trotz großer Fortschritte in den letzten Jahren, ist unser Wissen über diese Virulenzkaskade immer noch sehr fragmentarisch. Genomdaten für Akanthamöben stehen erst seit einigen Jahren zur Verfügung. Die sogenannten omics-Methoden erlauben heute eine sehr detaillierte Aufklärung der Pathomechanismen von Mikroorganismen. In diesem Projekt werden wir die Kontaktaufnahme von Akanthamöben mit Humanzellen mit einem integrativen Omics-Ansatz untersuchen. Die geplanten Experimente basieren auf unserer jahrelangen Erfahrung mit Acanthamoeba-Kokultivierungssystemen und umfassen moderne Proteomics- Methoden gekoppelt mit Transkriptom-Sequenzierungen. Hierbei konzentrieren wir uns auf Moleküle, die von den Amöben vor, während und nach der Kontaktaufnahme abgegeben werden, und die einhergehenden Veränderungen in der Genexpression. Der derzeitige Wissenstand lässt erwarten, dass die meisten dieser Moleküle, von denen bisher nur einzelne identifiziert sind, währen des Kontaktprozesses dynamisch exprimiert werden. Unser Projekt erlaubt eine genaue Aufklärung der Virulenzkaskade von Akanthamöben und trägt damit ganz wesentlich zum Verstehen der Pathogenese der AK bei, was wiederum neue Strategien zu deren Therapie ermöglicht.

Akanthamöben sind freilebende Amöben, die weltweit in der Umwelt in großer Zahl vorkommen und sich hauptsächlich von Bakterien ernähren. Sie verfügen über ein äußerst widerstandsfähiges Dauerstadium, die Zyste, die gegen Hitze, Austrocknung und die meisten Desinfektionsmittel resistent ist. Daher können sie auch in Leitungswasser, Schwimmbädern und sogar Kontaktlinsenbehältern überleben. Gelangen sie ins Auge, können sie eine schmerzhafte Infektion der Hornhaut verursachen, die als Akanthamöben-Keratitis (AK) bekannt ist und am häufigsten bei Kontaktlinsenträgern auftritt. Die Pathogenese der AK ist noch nicht vollständig geklärt, es wird jedoch allgemein angenommen, dass der direkte Zell-Zell-Kontakt mit den Hornhautepithelzellen eine weitgehend enzymbasierte Lyse der Hornhautzellen auslöst, woraufhin die Amöben Zellbestandteile als Nahrung aufnehmen und sich im Auge vermehren. Ziel dieses Projekts war es, jene Moleküle zu charakterisieren und zu identifizieren, die an der Interaktion von Akanthamöben mit menschlichen Hornhautzellen beteiligt sind. Zu diesem Zweck haben wir Akanthamöben-Co-Kultursysteme mit menschlichen Hornhautzellen etabliert und dann zu unterschiedlichen Zeitpunkten während des Zell-Zell-Kontaktes die von den Akanthamöben produzierten und ausgeschiedenen Proteine sowie die Veränderungen der Genexpression in der Amöbe vergleichend untersucht. Zunächst haben wir proteolytische Enzyme von Akanthamöben analysiert und dadurch zwei bis dahin unbekannte extrazelluläre Proteasen identifiziert, die von den Amöben direkt nach dem ersten Kontakt mit menschlichen Hornhautepithelzellen abgegeben werden. Durch zeitliche Vergleiche des intrazellulären Proteoms mit dem jeweiligen Sekretom konnten wir zeigen, dass die Amöben auf den Kontakt mit menschlichen Zellen mit einer schnellen Aktivierung von Adhäsionsmolekülen, der Bildung von Stressproteinen und dem Umbau des Zytoskeletts reagieren, woraufhin dann proteolytische Enzyme und zytotoxische Moleküle ausgeschüttet werden. Im Gegenzug werden intrazelluläre Strukturproteine während der Anfangsphase des Zell-Zell-Kontakts weitgehend herunterreguliert. Dies haben wir schließlich mit den Interaktionen zwischen Akanthamöben und Bakterienzellen verglichen. Insgesamt sprechen unsere Ergebnisse dafür, dass Akanthamöben über ein koordiniertes Programm zur Lyse von Vertebratenzellen verfügen. Die in diesem Projekt erhobenen Daten liefern eine detaillierte Basis für das Verständnis der Pathogenität von Akanthamöben und die Identifizierung potenzieller Zielmoleküle für eine frühzeitige therapeutische Intervention.