Wie könnten potenziell gefährliche multiresistente Escherichia-coli-Bakterien erfolgreich aus dem Darm verbannt werden? Dieser Frage gingen Forschende in ihrer aktuellen Studie nach. Ihr Ansatz: Nahrungskonkurrenz.
Aus mehr als 430 verschiedenen E. coli-Stämmen, die aus Stuhlproben von Spender*innen isoliert wurden, konnten sie einige ausmachen, die die multiresistenten E. coli-Stämme erfolgreich verdrängten.
Ihre Ergebnisse stimmen die Wissenschaftler*innen optimistisch: Der Forschungsansatz künftig dazu beitragen könnte, die Verbreitung multiresistenter Darmbakterien einzudämmen und gefährliche Infektionen zu verhindern.
Escherichia coli (E. coli) und Antibiotikaresistenz
E. coli kommt bei rund 90 % der Menschen im Darm vor. "Es ist eine Art Nutznießer, der im Darm seine Nahrungsnische gefunden hat und sich dort dauerhaft ansiedeln kann", erklärt Dr. Marie Wende, Erstautorin der Studie. "Abgesehen von einigen Stämmen, die Magen-Darm-Infekte auslösen können, ist die Mehrzahl der E. coli-Stämme im Darm harmlos. Gelangen E. coli-Bakterien jedoch in die Blutbahn, kann es gefährlich werden, da sie Organe schädigen oder zu einer Blutvergiftung führen können."
Mit der Gabe von Antibiotika können solche Infektionen aber in der Regel wirksam bekämpft werden. Sofern es sich nicht um multiresistente E. coli-Bakterien handelt, die gegenüber einer Vielzahl von Antibiotika unempfindlich sind. „Infektionen mit multiresistenten E. coli-Bakterien führen weltweit zu rund 800.000 Toten jährlich. Das ist eine unglaublich hohe Zahl – hier besteht dringender Handlungsbedarf“, sagt der Letztautor der Studie Prof. Till Strowig.
Ambulant erworbene Infektionen an mukosalen Grenzflächen und Gesundheitssystem-assoziierte Infektionen. "Im Darm schlummernde multiresistente E. coli-Bakterien sind ein Risiko, da es passieren kann, dass sie in den Blutkreislauf gelangen. Besonders gefährdet sind schwer oder chronisch Kranke sowie Menschen mit geschwächtem Immunsystem. Gegen eine Infektion mit multiresistenten E. coli-Bakterien hilft dann als letzte Option im besten Fall noch ein Reserve-Antibiotikum." Doch Reserve-Antibiotika haben oftmals schwere Nebenwirkungen und sind nur begrenzt verfügbar.
Konkurrenz aus den eigenen Reihen
Sinnvoller und nachhaltiger wäre daher ein präventiver Ansatz, mit dem multiresistente E. coli-Bakterien aus dem Darm entfernt werden, bevor es überhaupt zu Komplikationen kommen kann. Und genau hier setzt die aktuelle Studie an.
Dabei machten sich die Forschenden den im Darm herrschenden Konkurrenzdruck um Nahrungsressourcen zunutze. Sie schickten über 430 verschiedene E. coli-Stämme aus Stuhlproben gesunder Spender*innen ins Rennen gegen einen multiresistenten E. coli-Stamm, der vom Institut für Medizinische Mikrobiologie und Krankenhaushygiene der MHH zur Verfügung gestellt wurde.
In ihren umfangreichen Laborversuchen ließ das Forschungsteam jeweils einen der "normalen" E. coli-Stämme gegen den multiresistenten Stamm antreten. Als Nahrungs- und Wachstumsmedium diente dabei Darminhalt steril gehaltener Mäuse. "Wir haben untersucht, ob und in welchem Ausmaß sich das Wachstum des multiresistenten Stamms in Gegenwart der jeweiligen anderen E. coli-Stämme verändert", erklärt Wende. "Einige Stämme konnten das Wachstum des multiresistenten Stamms tatsächlich stark hemmen und waren offensichtlich in der Lage, ihm die Nahrungsgrundlage zu entziehen."
Die vielversprechenden Nahrungskonkurrenz-Kandidaten haben die Forschenden in weiterführenden Untersuchungen im Mausmodell näher unter die Lupe genommen. "Wir konnten zeigen, dass diese E. coli-Stämme auch im Darm von Mäusen in der Lage waren, den multiresistenten E. coli-Stamm erfolgreich einzudämmen", sagt Wende. "Den wirksamsten Stamm testeten wir noch gegen einen weiteren multiresistenten Stamm. Den konnte er ebenso erfolgreich verdrängen."
Gemeinsam noch stärker
Um das Ausmaß der Schutzwirkung der E. coli-Stämme weiter zu untersuchen, führten die Forschenden den gesamten zuvor genannten Versuchsablauf noch einmal durch. Jedoch testeten sie diesmal die drei erfolgreichsten E. coli-Stämme gegen ein großes Spektrum multiresistenter E. coli-Stämme. Und sie nahmen noch einen weiteren Mitstreiter auf: das Darmbakterium Klebsiella oxytoca, das ähnliche, aber nicht identische Nahrungsvorlieben wie E. coli hat.
"Unsere Hypothese war, dass die Kombination aus 2 verschiedenen Bakterienstämmen die Schutzwirkung gegenüber multiresistenten E. coli-Stämmen gegebenenfalls noch verbessern könnte", erklärt Wende. Das sei tatsächlich der Fall gewesen:
"Die Kombination aus schützenden E. coli und Klebsiella oxytoca erwies sich als äußerst wirksam gegen multiresistente E. coli-Stämme, die durch einzelne E. coli-Stämme nicht effizient verdrängt werden konnten. Durch die Kombination konnten sie im Mausmodell komplett eliminiert werden."
Till Strowig: "Unsere Studie zeigt, dass spezifisch ausgewählte Bakterienstämme als Nahrungskonkurrenten in der Lage sind, multiresistente Erreger erfolgreich aus dem Darm zu verdrängen. Auf diese Weise könnten künftig gefährliche Infektionen bei vulnerablen Patientengruppen vermieden und auch die weitere Verbreitung multiresistenter Darmbakterien eingedämmt werden."
Ausblick
In weiterführenden Untersuchungen wollen die Forschenden die E. coli-Stämme, die besonders wirksam multiresistente E. coli-Stämme verdrängen konnten, im Detail charakterisieren. Sind sie ungefährlich oder scheiden sie für den Menschen schädliche Giftstoffe aus? Werden sie durch das Immunsystem erkannt, oder können sie leicht entwischen? Verändert sich ihre Wirkung gegen multiresistente Erreger in Gegenwart anderer Bakterien des Mikrobioms? Und: Werden sie womöglich leicht selbst resistent gegenüber Antibiotika?
"Diesen Fragen wollen wir umfassend nachgehen. Bis ausgewählte E. coli-Stämme als Nahrungskonkurrenten präventiv oder therapeutisch gegen multiresistente E. coli-Stämme eingesetzt werden können, ist noch einiges an Forschungsarbeit notwendig", sagt Till Strowig.
Nicole Silbermann/Deutsches Zentrum für Infektionsforschung
