Elektronenmikroskopische Aufnahme von Phagen. © Matthew Dunne / ScopeM / ETH Zürich

Phagen sind "hochspezialisierte" Viren, die jeweils nur eine bestimmte Bakterienart oder -stamm befallen. ETH-Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen um Professor Martin Loessner aus der Forschungsgruppe für Lebensmittelmikrobiologie machen sich diese Phagen-Eigenschaft zu Nutze. In einem ersten Schritt identifizieren sie Phagen, welche die drei häufigen Verursacher von Harnwegsinfekten befallen: Escherichia coli, Klebsiella und Enterokokken. Diese natürlichen Phagen wurden dann so modifiziert, dass die infizierten Wirtsbakterien nach Kontakt mit den Phagen ein Lichtsignal produzieren, welches sich messen lässt.

Mit ihrer Testmethode konnten die Forschenden die krankheitserregenden Bakterien direkt in der Urinprobe nachweisen, und dies innerhalb weniger als vier Stunden. Die Methode könnte es in Zukunft ermöglichen, durch die schnelle Diagnostik direkt ein passendes Antibiotikum zu wählen und so Resistenzbildungen zu verhindern.

Die Methode könnte auch im Vorfeld einen Hinweis dazu geben, bei welcher Patientin oder welchem Patienten eine maßgeschneiderte Phagentherapie besonders erfolgreich sein könnte, wenn diese Therapieform genutzt werden dürfte. Denn die Effizienz der Phagen beim Angriff auf das Bakterium wird bei dem beschriebenen Test bereits durch die Stärke des Lichtsignals erkennbar.

Genetisch modifizierte Phagen für Therapien?

Phagentherapien sind bereits seit mehr als 100 Jahren bekannt, gerieten aber in westlichen Industrieländern mit der Entdeckung von Penicillin in Vergessenheit. Angesichts der zunehmenden Antibiotikaresistenzen rücken sie wieder mehr ins Blickfeld. Auch dass Phagen nur eine Zielbakterienart angreifen, wäre bei der Bekämpfung von Bakterien ein entscheidender Vorteil. Doch: "Phagen haben kein Interesse daran, ihren Wirt, also das krankmachende Bakterium, vollständig abzutöten", erklärt einer der beiden Letztautoren der Studie, der ETH-Forscher Samuel Kilcher, der bis im Februar 2023 an der ETH geforscht hat. Um die Wirksamkeit der Phagen zu verstärken, haben die Forschenden sie genetisch modifiziert. Die modifizierten Phagen produzieren im Inneren des infizierten Wirtsbakterium nicht nur neue Phagen, sondern auch sogenannte Bakteriozine. Diese bakterienabtötenden Proteine werden freigesetzt und sind besonders wirksam gegen Bakterienstämme, die Teile ihrer Oberfläche so verändert haben, dass die Phagen sie nicht mehr erkennen.

Ausblick

Weltweit seien viele akademische und kommerzielle klinische Studien am Laufen, welche das Potential von natürlichen und genetisch optimierten Phagen systematisch untersuchen, so Matthew Dunne, einer der Letztautoren der Studie. Bis solche Therapien aber in westlichen Ländern breit angewendet werden können, ist es ein weiter Weg. Neben umfangreichen klinischen Studien wären nach Angaben der ETH Zürich auch regulatorische Anpassungen sinnvoll, die dem Umstand Rechnung tragen, dass Phagen biologische Einheiten sind, die mit ihren bakteriellen Wirten co-evolvieren, sich also laufend weiterentwickeln.

Bei der vorliegenden Studie (zweitgenannte Publikation unten) handelt es sich um einen Machbarkeitsnachweis. Als nächstes wollen die Forschenden der ETH Zürich gemeinsam mit ihren Partnern von der Universitätsklinik Balgrist die Wirksamkeit einer Therapie mit Hilfe der modifizierten Phagen in einer klinischen Studie mit ausgewählten Patienten und Patientinnen prüfen.

Publikationen

Meile, S., Du, J., Staubli, S. et al. Engineered reporter phages for detection of Escherichia coli, Enterococcus, and Klebsiella in urine. Nat Commun 14, 4336 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-39863-x

Du, J., Meile, S., Baggenstos, J. et al. Enhancing bacteriophage therapeutics through in situ production and release of heterologous antimicrobial effectors. Nat Commun 14, 4337 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-39612-0

Quelle: Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich)