Die Mikroorganismen in unserem Darm spielen eine zweischneidige Rolle: Einerseits sind sie essenziell für die Verdauung, andererseits bergen sie Krankheitserreger. Diese können, je nach Umständen, von harmlosen Durchfallerregern bis hin zu lebensbedrohlichen Keimen reichen, die bei geschwächtem Immunsystem oder geschädigter Darmwand schwere Infektionen auslösen können. Die Entwicklung von Impfstoffen gegen resistente Darmbakterien ist eine grosse Herausforderung, da das Darm-Immunsystem einzigartig ist. Nun hat ein internationales Forscherteam unter Beteiligung der ETH Zürich und der Universität Oxford eine vielversprechende neue Strategie zur Bekämpfung von Darmerregern entwickelt, die auf einer cleveren Kombination aus Impfung und Konkurrenz beruht.
Eine wirksame Kombination zur Aushungerung von Krankheitserregern
Professorin Emma Slack von der ETH Zürich und der Universität Oxford, zusammen mit Professor Médéric Diard von der Universität Basel und einem internationalen Konsortium, hat eine innovative Methode zur Formulierung hochwirksamer Schluckimpfungen gegen Darmerreger aufgezeigt. Der Clou: Der Impfstoff wird mit gutartigen Bakterien verabreicht, die den krankmachenden Mikroben die Nahrungsquelle streitig machen und sie somit aushungern. Diese bahnbrechende Entdeckung wurde in einer Studie mit Mäusen durchgeführt und in der renommierten Fachzeitschrift “Science” veröffentlicht.
Die Forschenden konnten in ihren Experimenten nachweisen, dass dieser kombinierte Ansatz sowohl die Ansiedlung von Salmonellen verhinderte als auch bereits etablierte E. coli-Bakterien wirksam bekämpfte. Einzeln verabreichte Impfstoffe oder gutartige Mikroben zeigten in beiden Fällen eine deutlich geringere Effektivität. Um eine erfolgreiche Konkurrenz zwischen den Stämmen zu gewährleisten, ist es entscheidend, dass sie unter identischen Bedingungen wachsen. Dies beinhaltet das Leben im selben Darmabschnitt, ähnliche Säuregrade und Sauerstoffgehalte sowie die Nutzung gleicher Nährstoffe.
Deshalb wählten die Wissenschaftler sorgfältig geeignete Konkurrenzstämme aus oder stellten diese gentechnisch her. Im Labor gelang es ihnen beispielsweise, einen hochwirksamen Salmonella-Konkurrenzstamm zu entwickeln. Es ist jedoch auch möglich, auf natürliche Stämme zurückzugreifen: Durch geschickte Auswahl und Kombination von drei natürlich vorkommenden E. coli-Stämmen konnten die Forschenden ebenfalls positive Ergebnisse erzielen, und das ganz ohne Gentechnik.
“Wie beim Gärtnern”: Die Bedeutung von Füll-Organismen
Emma Slack vergleicht die Notwendigkeit gutartiger Mikroorganismen mit der Gartenarbeit: «Mit einem Impfstoff können wir krankheitserregenden Bakterien zwar dezimieren, aber um langfristig erfolgreich zu sein, brauchen wir gutartige Mikroorganismen, die die entstandene Nische im Darmökosystem ausfüllen», erklärt sie. «Wenn man an einer Stelle im Garten Unkraut vermeiden will, muss man dort nach dem Jäten andere Pflanzen setzen. Lässt man den Boden hingegen leer, wächst das Unkraut einfach wieder nach.»
Frühere Studien hatten bereits gezeigt, dass einige Menschen von Natur aus über Bakterienstämme in ihrer Darmflora verfügen, die krankheitserregende Bakterien erfolgreich in Schach halten. Bei diesen Personen waren Impfungen gegen Darmerreger bereits zuvor erfolgreich. Durch die Verabreichung der Konkurrenzstämme zusammen mit dem Impfstoff kann nun auch bei Menschen, denen diese schützenden Stämme fehlen, ein wirksamer Schutz aufgebaut werden.
Potenzial zur Reduzierung des Antibiotikaverbrauchs
Ein signifikanter Vorteil dieses neuartigen Ansatzes liegt darin, dass er krankheitserregende Bakterien ohne den Einsatz von Antibiotika verdrängt. Dies ist besonders relevant angesichts der zunehmenden Verbreitung antibiotikaresistenter Keime, die eine ernsthafte Bedrohung für die globale Gesundheit darstellen. Die neue Methode könnte dazu beitragen, krankheitserregende oder gar antibiotikaresistente Bakterien bei Patienten vor chirurgischen Eingriffen zu eliminieren. Dies ist insbesondere vor Transplantationen von Bedeutung, da die Patienten in dieser Phase immununterdrückende Medikamente einnehmen müssen. Die Forschenden betonen, dass dies zu einer Reduzierung des Antibiotikaverbrauchs führen könnte.
Auch für Reisen in Regionen mit unbekannten oder für das Immunsystem ungewohnten Bakterienstämmen bietet der Ansatz potenzielle Vorteile. «Generell gilt: Je besser es uns gelingt, gefährliche und antibiotikaresistente Stämme in der Bevölkerung zu dezimieren, desto besser ist das für die Gesundheit aller Menschen», unterstreicht Slack.
Zukünftig könnten Menschen beispielsweise eine Kapsel einnehmen, die sowohl den Impfstoff als auch die Konkurrenz-Bakterien enthält. Bis zur Anwendung beim Menschen ist jedoch weitere Forschung erforderlich. Die aktuelle Studie hat zwar gezeigt, dass die Verdrängung von Modell-Krankheitserregern aus dem Darm möglich ist, doch nun steht die Übertragung dieser Erkenntnisse auf klinisch relevante Mikrobenstämme und den Menschen bevor.
Diese Forschung wurde grosszügig unterstützt durch finanzielle Beiträge des Basel Research Center for Child Health, des Nationalen Forschungsschwerpunkts «Microbioms» des Schweizerischen Nationalfonds und durch ein Consolidator Grant des Europäischen Forschungsrats ERC an Emma Slack.