Harnwegsinfektionen

Wie sich Bakterien bei uns einnisten

Fast jede zweite Frau leidet mindestens einmal in ihrem Leben an einer Blasenentzündung. Und auch Männer trifft es gelegentlich. In 80 % der Fälle ist das Darmbakterium E. coli dafür verantwortlich. Es wandert über die Harnröhre zur Blase und löst dort schmerzhafte Entzündungen aus.

Der Infektionserreger E. coli (grau) hält sich mithilfe des Proteins FimH (gelb/rot), das sich an der Spitze langer Zellfortsätze befindet, an den Zelloberflächen des Harntraktes fest. (Bild: Maximilian Sauer, ETH Zürich)

In der Fachzeitschrift „Nature Communications“ berichten Forscher der Universität Basel und der ETH Zürich, wie es dem Keim dank eines Proteins mit ausgeklügelter Schließtechnik gelingt, sich an der Harnwegsoberfläche anzuheften und so sein Ausschwemmen mit dem Harn zu verhindern.

Viele Frauen wissen aus eigener Erfahrung wie schmerzhaft eine Blasenentzündung ist: Brennen beim Wasserlassen und ständiger Harndrang sind die typischen Symptome. Bei Blasenentzündungen, die oft wiederholt auftreten, ist der Hauptverursacher das Darmbakterium Escherichia coli. Es gelangt von außen in den Harntrakt, heftet sich an und ruft Entzündungen hervor.

Die Forscher um Prof. Timm Maier vom Biozentrum und Prof. Beat Ernst vom Pharmazentrum der Universität Basel sowie Prof. Rudolf Glockshuber vom Institut für Molekularbiologie und Biophysik der ETH Zürich haben nun herausgefunden, wie es den Bakterien gelingt, sich mit dem Protein FimH beim Urinausscheiden festzuhalten und dennoch die Harnröhre hinauf zu wandern.

Darmbakterium heftet sich mit Protein FimH an Zelloberflächen
Die Krankheitserreger besitzen lange fadenförmige Zellfortsätze, an deren Ende das Protein FimH einen winzigen Haken bildet. Dieses Protein, welches sich an Zuckerstrukturen auf den Zelloberflächen des Harntraktes heftet, besitzt eine besondere Eigenschaft: Es bindet umso fester an die Zuckermoleküle, je stärker am Bakterium gezogen wird. Bei der Harnausscheidung entstehen durch den Flüssigkeitsstrom starke Zugkräfte, unter denen FimH das Bakterium so vor dem Ausschwemmen schützt.

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„Durch die Kombination verschiedener biophysikalischer und biochemischer Methoden konnten wir das Bindungsverhaltens von FimH in bisher unerreichter Genauigkeit aufklären“, so Glockshuber. In ihrer Studie zeigen die Wissenschaftler nun erstmals, wie mechanische Kräfte die Bindungsstärke von FimH regulieren. „Das Protein FimH besteht aus zwei Teilen, wobei der zweite, nicht-zuckerbindende Teil steuert, wie fest der erste an die Zuckermoleküle bindet“, erläutert Maier. „Wenn beide Teile nun durch den Harnfluss auseinandergezogen werden, schnappt die Zuckerbindungsstelle zu. Lassen die Zugkräfte jedoch nach, öffnet sich die Bindungstasche. Jetzt können sich die Bakterien lösen und die Harnröhre hinauf wandern.“

Arzneistoffe gegen FimH zur Bekämpfung von Harnwegsinfektionen
Harnwegsinfektionen sind der zweithäufigste Grund für die Verschreibung von Antibiotika. Doch in Zeiten von zunehmenden Resistenzen rückt die Suche nach alternativen Behandlungsstrategien immer mehr in den Fokus. Zur Vorbeugung und Bekämpfung von E. coli-Infektionen wären Arzneistoffe, die bereits das erste Anheften von Bakterien mittels FimH in den Harnwegen blockieren, eine geeignete Alternative, weil damit der Einsatz von Antibiotika oft überflüssig würde.

Damit eröffnet sich die Möglichkeit, den hohen Antibiotikaeinsatz zu senken und der Entstehung von Resistenzen vorzubeugen. Prof. Ernst vom Pharmazentrum der Universität Basel beschäftigt sich seit mehreren Jahren intensiv mit der Entwicklung von FimH-Antagonisten. Die Resultate zur Funktionsweise von FimH werden diese Anstrengungen unterstützen und entscheidend zur Identifizierung eines Wirkstoffes beitragen.

Originalbeitrag:
Maximilian M. Sauer, Roman P. Jakob, Jonathan Eras, Sefer Baday, Deniz Eriş, Giulio Navarra, Simon Bernèche, Beat Ernst, Timm Maier, Rudi Glockshuber: Catch-bond mechanism of the bacterial adhesin FimH. Nature Communications (2016), DOI: 10.1038/ncomms10738.

Weitere Auskünfte:
Prof. Dr. Timm Maier
Universität Basel, Biozentrum
E-Mail: timm.maier@unibas.ch

Prof. Dr. Rudolf Glockshuber
ETH Zürich, Institut für Molekularbiologie und Biophysik
E-Mail: rudi@mol.biol.ethz.ch

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