Bereich: Grundlagenforschung Infektiologie

Dr. Jean Pieters Basel		John Gatfield Basel

Unter den bakteriellen Infektionskrankheiten ist Tuberkulose die führende Todesursache und fordert jährlich über 2 Millionen Todesopfer. Etwa ein Drittel der Erdbevölkerung ist mit dem bakteriellen Erreger der Tuberkulose M. tuberculosis infiziert. Der Erfolg des Tuberkuloseerregers beruht auf seiner Fähigkeit, sich im menschlichen Körper zu verstecken und dort zu überleben.

Normalerweise werden Bakterien, sobald sie in unseren Körper eingetreten sind, von professionellen Fresszellen (Makrophagen) in ein membranumschlossenes Fresskörperchen (Phagosom) aufgenommen und in der Fresszelle durch antibakterielle chemische Reaktionen zerstört. Mykobakterien sind deshalb so erfolgreiche Pathogene, weil sie ihre Zerstörung innerhalb der Fresszelle verhindern. Sie tun dies dadurch, dass sie ein Makrophagen-Protein namens TACO durch unbekannte Signale an das entstehende Phagosom rekrutieren. Dieses Protein umgibt das mykobakterielle Phagosom wie ein Schutzmantel, der verhindert, dass die Bakterien verschiedenen antibakteriellen Reaktionen ausgesetzt werden. Dadurch bleiben die Mykobakterien unversehrt, können sich sogar geschützt vermehren und sind vor dem Immunsystem verborgen. TACO spielt also eine entscheidende Rolle beim Schutz der Mykobakterien vor der Zerstörung in der Fresszelle und für deren Verstecken vor dem Immunsystem.

Für die biochemische Untersuchung von mykobakteriellen Fresskörperchen müssen diese im grösseren Massstab isoliert werden. Dazu werden die Makrophagen in der Kulturschale mit Mykobakterien infiziert. Nach 1 Stunde werden die überflüssigen Bakterien abgewaschen. Innerhalb einer zweistündigen Zeitspanne erfolgt die Bildung des TACO-ummantelten Phagosoms. Anschliessend werden die Zellen von der Platte geschabt und mit Hilfe einer feinen Nadel einer Injektionsspritze zerrissen. Die Zellkerne werden abzentrifugiert. Das verbleibende Gemisch aus Zellmembranen und Zellsaft wird durch Ultrazentrifugation aufgetrennt. Aus dem pelletierten Membranmaterial werden dann die mykobateriellen Phagosomen bei geringer Geschwindigkeit herauszentrifugiert. Experimente an diesen Phagosomen mit verschiedenen Seifen, konzentrierter Kochsalzlösung und pH-Wert-Änderungen ergaben, dass das Makrophagen-Membranlipid Cholesterin für die Bindung von TACO an die Phagosomenmembran entscheidend ist. Tatsächlich konnten wir durch Fluoreszenzmikroskopie zeigen, dass Cholesterin (dargestellt in blau als Filipin-Färbung) sich während der Formation des Phagosoms an der Kontaktstelle zwischen Bakterium (grüne Fluoreszenz) und Makrophagen anreichert.

Da Cholesterin die Bindung von TACO an die Membran vermittelt, wurde die Idee verfolgt, ob die künstliche Reduktion von Cholesterin in der Zelle die TACO-Rekrutierung an das mykobakterielle Phagosom verhindern und damit den Schutz der Bakterien aufheben würde. Die pharmakologische Behandlung der Makrophagen mit Lovastatin, einem Wirkstoff, der zur Senkung des Cholesterinspiegels bei Patienten mit Hypercholesterinämie verwendet wird, und Methyl-beta-Cyclodextrin ergab eine völlige Beseitigung des Cholesterins an der Zelloberfläche. Überraschenderweise führte die Behandlung zu einem 85-95 prozentigen Block in der Aufnahme der Bakterien durch die Makrophagen. Diese Blockierung war spezifisch für Mykobakterien und nicht für andere Bakterienarten gegeben wie z.B. Salmonella, Lactobacillus oder E.coli. Eine Analyse des Aufnahmeprozesses von Mykobakterien mit Hilfe von Videomikroskopie zeigte, dass die Cholesterin-reduzierten Zellen die ankommenden Bakterien normal registrieren und mit der Formation von Membranausstülpungen reagieren. Sie sind aber nicht in der Lage , fest an die Bakterien zu binden und die Mikroben aufzunehmen.

Welche Rolle Cholesterin genau beim Eintritt von Mykobakterien in Fresszellen spielt, muss noch untersucht werden. Denkbar ist eine direkte Bindung der Bakterien an das Oberflächencholesterin der Makrophagen. Oder das Membranlipid spielt eine entscheidende Rolle bei den Signalprozessen der Makrophagen, die dann zur Aufnahme der Mykobakterien durch die Fresszelle führen.

Bedeutung der Arbeit
Die Bedeutung der prämierten Arbeit liegt in der Verbesserung des Verständnisses der Interaktion des Tuberkulosebakteriums mit Fresszellen. Es konnte gezeigt werden, dass das Membranlipid Cholesterin für die Aufnahme dieser Bakterien eine essenzielle Rolle spielt. Ausgehend von diesem Wissen ist es möglich, die Signalprozesse, die zur Bakterieninternalisation führen, weiter aufzuklären. Eine pharmakologische Intervention in die cholesterinabhängigen Signalprozesse, die zur Aufnahme der Bakterien und zur Rekrutierung von TACO an das Phagosom führen, könnte eines Tages eine neue, spezifischere Therapie der Tuberkulose ermöglichen. Dies wäre besonders angesichts der drastischen Zunahme von antibiotikaresistenten Bakterienstämmen von grosser Bedeutung.

Pieters J, Gatfield J
Essential Role for Cholesterol in Entry of Mycobacteria into Macrophages
SCIENCE VOL 288, 2 June 2000
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Die Forschungsarbeit
Essenzielle Rolle von Cholesterin für den Eintritt von Tuberkulosebakterien in Fresszellen	9 Kb