Nachrichten: Populationsgröße von Bakterien sorgt für genetische Variante

28.07.2021

Antibiotika-resistente Krankheitserreger haben sich zu einer der größten Bedrohungen für die öffentliche Gesundheit entwickelt. Ursache dieser globalen Krise sind zunehmende Resistenzen von Krankheitskeimen gegen immer mehr antibiotische Wirkstoffe aufgrund falscher und vor allem viel zu häufiger Anwendung von Antibiotika im medizinischen Alltag als auch in der Tierhaltung. Die prinzipiellen Mechanismen der Resistenzentstehung werden u.a. an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) erforscht. Ein bedeutender Faktor scheint dabei auch die Populationsgröße des jeweiligen Krankheitserregers, wie eine Studie der CAU mit Pseudomonas aeruginosa ergab. Im Verlauf einer Infektion mit einem pathogenen Bakterium treten mehrfach Reduktionen der Keimanzahl auf, sogenannte „Bottlenecks“. Diese Reduktion der absoluten Erregerzahl wird u.a. durch die hemmenden Barrieren des Körpers gegen das Eindringen von Erregern, das Einsetzen der Immunantwort oder schließlich die Behandlung mit Antibiotika selbst verursacht. „Bottlenecks“ können dabei das Auftreten von Zufallseffekten und somit die Ausbildung von Resistenzen bei den Keimen beeinflussen. Im Rahmen der Studie wurde die Resistenzevolution unter dem Einfluss solcher „Bottlenecks“ im Zusammenspiel mit dem durch die Antibiotikagabe ausgeübten Selektionsdruck untersucht. Wichtigstes Ergebnis: „Bottlenecks“ machen die Anpassungen des Krankheitserregers weniger vorhersagbar. „Wir haben zwei Antibiotika mit verschiedenen Wirkmechanismen jeweils am Bakterium Pseudomonas aeruginosa getestet und dabei die Populationsgröße und die Antibiotikakonzentration in zahlreichen Versuchsreihen variiert“ erklärt Dr. Niels Mahrt, Erstautor der Studie. Bei einer geringen Reduktion der Bakterienanzahl fand eine schnelle Anpassung an die Wirkstoffe häufig auf ähnlichen evolutionären Wegen statt, was auch als parallele Evolution bezeichnet wird. Bei einer starken Reduktion der Populationsgröße des Erregers ließen sich dann jedoch immer weniger dieser parallel entstehenden Anpassungen beobachten. „Unter dem Einfluss besonders starker ‚Bottlenecks‘ wird die Anpassung der Bakterien stark vom Zufall beeinflusst. Das bedeutet, dass dann vermehrt zufällig entstehende genetische Varianten, die einen evolutionären Vorteil für die Keime bieten, auf nur wenige konkurrierende Mutationen treffen und sich daher wahrscheinlich durchsetzen“, fasst Mahrt zusammen. „Zusammengenommen ergeben sich daraus deutliche Belege, dass das Zusammenspiel von unterschiedlich stark ausgeprägten ‚Bottlenecks‘ und dem durch Antibiotika ausgeübten Selektionsdruck die evolutionäre Entwicklung von Resistenzen und die Fitness der Krankheitserreger stark verändert“, so Mahrt weiter. Die Erforschung dieser Faktoren ist daher essentiell für ein vollständiges Verständnis der Evolution von Krankheitserregern und darauf aufbauenden Therapiemöglichkeiten. Übertragen auf die Behandlung von Patienten bedeutet dies, dass für eine möglichst effektive Antibiotikatherapie eine individuelle Charakterisierung der beteiligten Krankheitserreger sinnvoll ist. „Solche präzisionsmedizinischen Ansätze, bei denen der individuelle Zustand einzelner Patientinnen und Patienten einem möglichen Behandlungsansatz zugrunde liegt, sind zwar aufwändig, versprechen aber perspektivisch neue Möglichkeiten zum Beispiel bei der Bekämpfung von chronischen Infektionen“, so KEC-Sprecher Schulenburg.
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