Pseudomonas aeruginosa zählt zu den weltweit gefährlichsten Krankenhauskeimen. Der Erreger befällt Atemwege und Lunge, was für immungeschwächte Menschen lebensbedrohlich sein kann. Eine Schweizer Forschungsgruppe hat nun herausgefunden, wie das Bakterium in die Lunge gelangt. Das Team züchtete Lungenorganoide und beobachtete dann, mit welch ausgeklügelter Strategie der Erreger die Verteidigungslinie der Lunge durchbricht. Die Ergebnisse wurden im Fachblatt "Nature Microbiology" veröffentlicht.
Eine Barriere aus Schleim
Unser gesamter Atemtrakt ist mit einer spezialisierten Schleimhaut ausgekleidet, welche die tieferen Schichten des Lungengewebes schützt. Jene Schleimhaut besteht aus Millionen von Zellen mit beweglichen Härchen, den Flimmerhärchen, zwischen denen schleimbildende Becherzellen sitzen.
Deren Schleim verhindert, dass Mikroorganismen und damit auch Krankheitserreger tief in die Lunge eindringen – dafür bildet er eine fast undurchdringliche Barriere. Ausgerechnet Pseudomonas aeruginosa ist allerdings dazu in der Lage, jene Barriere zu durchbrechen.
Diese Bakterien gehören zu den Krankenhauskeimen und nach Angaben des Robert Koch-Instituts zu den häufigsten Ursachen von Lungenentzündungen, die in Zusammenhang mit Klinik-Aufenthalten auftreten und vor allem für immungeschwächte und beatmete Patient*innen lebensgefährlich sind. Die Weltgesundheitsorganisation (WHO) zählt Pseudomonas aeruginosa zu den zwölf weltweit gefährlichsten bakteriellen Pathogenen, die gegen mehrere Antibiotika resistent sind.
Doch wie schafft es der Erreger, die Schleim-Barriere zu durchdringen? Hinweise liefern die Lungenorganoide einer Schweizer Forschungsgruppe, die aus menschlichen Stammzellen gewonnen und mit dem Erreger infiziert wurden. "Wir haben menschliches Lungenmikrogewebe gezüchtet, das den Infektionsprozess im Körper eines Patienten realistisch nachahmt", wird Urs Jenal vom Biozentrum der Universität Basel in einer Mitteilung zitiert. "Diese Lungenmodelle ermöglichten es uns, die Infektionsstrategie des Erregers aufzudecken."
Eine Strategie aus der griechischen Mythologie
Tatsächlich wendeten die Bakterien eine ausgeklügelte Strategie an, um in das Barrieregewebe einzudringen. So wird in der Studie beschrieben: "In der ersten Phase der Infektion breitet sich P. aeruginosa rasch aus, indem es die in der Schleimschicht verfügbaren Nährstoffe nutzt." In dieser Anfangsphase kämen nur wenige Bakterien mit der Gewebeoberfläche in Kontakt und das Gewebe bleibe intakt.
"In der nächsten Phase des Infektionsprozesses beginnt P. aeruginosa, sich an das darunter liegende Epithelgewebe zu heften und es anzugreifen, möglicherweise weil der Schleim erschöpft ist, was sich in einem Stillstand des Erregerwachstums zeigt", so die Studie weiter. Dann nutzten die Bakterien die schleimproduzierenden Becherzellen als trojanische Pferde. "Indem sie die Becherzellen angreifen, die nur einen kleinen Teil der Lungenschleimhaut ausmachen, können die Bakterien die Verteidigungslinie durchbrechen und das Tor öffnen", so Jenal.
Die Erreger griffen die Becherzellen mit geballter Wucht an, drängen in sie ein, vermehrten sich und brächten die Zellen schließlich dazu, zu platzen und damit abzusterben. Das Platzen der toten Zellen führe wiederum zu Rissen in der Barriere und damit zu undichten Stellen, welche von den Bakterien umgehend ausgenutzt würden: Schnell siedelten sich diese an den Schwachstellen an, von wo aus sie sich in tiefere Geweberegionen ausbreiteten.
"Dank der Entwicklung menschlicher Lungenorganoide verstehen wir jetzt viel besser, wie sich die Erreger in menschlichem Gewebe und vermutlich auch in Patienten verhalten", fasst Jenal zusammen. Organoide der menschlichen Lunge und anderer Organe wie der Blase erlaubten es den Forschenden, die Wirkung von Antibiotika im Gewebe zu untersuchen und beispielsweise festzustellen, wo und wie Bakterien während der Behandlung überleben. Sie seien damit in Zukunft für die Entwicklung neuer und wirksamer Strategien zur Bekämpfung von Krankheitserregern unverzichtbar.
