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Phagentherapie: Einsatz von bakterientötenden Viren zur Bekämpfung multiresistenter Bakterien

Phagen greifen Wirtszellen an und infizieren sie

Immer mehr Patienten versterben durch eine Infektion mit multiresistenten Bakterien, da Antibiotika zunehmend an Wirksamkeit einbüßen. Phagen wurden bereits vor der Verbreitung von Antibiotika eingesetzt, in der westlichen Welt gerieten sie jedoch über die letzten 100 Jahre immer mehr in Vergessenheit. Jetzt entwickeln sie sich rasant zu einer der vielversprechendsten Alternativen zu Antibiotika.

Antibiotikaresistenz ist eine ernstzunehmende und wachsende Bedrohung für die Weltgesundheit, da sich immer mehr Infektionen durch auftretende Resistenzen schwerer behandeln lassen. Eine Studie des Europäischen Zentrums für die Prävention und die Kontrolle von Krankheiten (ECDC) aus dem Jahr 2018 schätzt, dass etwa 33.000 Menschen jedes Jahr als direkte Folge einer Infektion mit antibiotikaresistenten Bakterien versterben.1 Die Forscher hatten Daten des Europäischen Überwachungsnetzes für Antibiotikaresistenz (EARS-Net) aus dem Jahr 2015 analysiert. Das US-amerikanische Center for Disease Control and Prevention (CDC) berichtet von ähnlichen Zahlen in den USA: 2,8 Millionen infizierte Patienten und mehr als 35.000 Todesfälle jährlich.2 Der ehemalige stellvertretende Generaldirektor der Weltgesundheitsorganisation (WHO), Keiji Fukuda, sagte: "Wir verlieren die Fähigkeit, Infektionen zu behandeln. Schätzungen zufolge könnten bis 2050 mehr Menschen an Infektionen mit antibiotikaresistenten Keimen sterben als derzeit an Krebs."3

Auf ihrer Suche nach Alternativen haben Wissenschaftler hilfreiche bakterientötende Viren wiederentdeckt: Bakteriophagen, üblicherweise als Phagen bezeichnet (von altgriechisch "fressen oder verzehren"), sind Viren, die ausschließlich Bakterien infizieren.4 Sie injizieren ihre DNA in ein Wirts-Bakterium und vermehren sich in dessen Inneren mithilfe des bakterieneigenen Stoffwechsels. Die neuen Phagen zerstören bei ihrer Freisetzung die Wirtszelle. Bakteriophagen bestehen aus einem ‚Kopf‘, der aus einer Proteinhülle besteht und das genetische Material enthält, sowie einem feinen proteinhaltigen ‚Schwanzteil‘. Mit dem am ‚Schwanz‘ befindlichen Rezeptor können sie an die Zellwand von Bakterien andocken. Die Struktur dieses Rezeptors ist so spezifisch, dass ein Phage nur solche Bakterien angreifen kann, die exakt dazu passende molekulare Strukturen auf der Zelloberfläche haben.5 Daher zielen Phagen nur auf einen bestimmten bakteriellen Wirt, ohne menschliche Zellen oder andere Bakterienarten zu schädigen. Phagen sind überall in unserer Umwelt und ihre Anzahl übersteigt die Populationsgröße jeder anderen Gruppe von Lebewesen auf der Erde.

Charakterisierung von Phagen mit modernen Sequenziertechnologien

Vor etwa einem Jahrhundert begannen Forscher, den Einsatz von Phagen zur Behandlung bestimmter bakterieller Infektionen zu untersuchen. Allerdings wurde die Phagentherapie in Europa und in den Vereinigten Staaten nach der Entdeckung der ersten Antibiotika wieder eingestellt, und ihr therapeutisches Potenzial blieb in den westlichen Ländern unerforscht. Ärzte in Russland und Osteuropa setzten sie jedoch weiterhin erfolgreich zur Behandlung von Wundinfektionen und Krankheiten wie Gastroenteritis und Sepsis ein.

Seit Beginn des 21. Jahrhunderts verwenden Forscher neue Sequenziertechnologien, um das Genom von Phagen besser zu charakterisieren und sogar zu modifizieren. Neue Technologien haben es ermöglicht, Phagen mit einzigartigen Eigenschaften zu erzeugen, die sie zu einem hochspezifischen Werkzeug gegen bakterielle Infektionen machen.6 In den letzten zehn Jahren hat die Phagen-basierte Therapie eine Renaissance erlebt, oft ist sie ein letzter Ausweg für Patienten mit einer multiresistenten Bakterieninfektion in den westlichen Ländern. Ermutigt durch vielversprechende Ergebnisse haben Forscher größere klinische Studien initiiert. Sie wollen erforschen, ob die Phagentherapie eine wirksame Alternative oder Ergänzung zur Antibiotikabehandlung darstellen könnte. Wissenschaftliche Institutionen erweitern stetig ihre Bibliotheken mit charakterisierten Phagen, um schnell geeignete Phagen für spezifische Bakterien anbieten zu können.

Wiedereinführung der Phagentherapie in Deutschland

Das öffentlich geförderte Projekt Phage4Cure7 ist die erste Studie in Deutschland, in der gereinigte Phagen als Inhalationstherapie gegen Pseudomonas aeruginosa, die häufigste Ursache von Lungenentzündungen bei Mukoviszidose-Patienten, eingesetzt werden. Ziel der beteiligten Organisationen ist es, eine völlig neue Therapie zu entwickeln, beginnend mit der Auswahl spezifischer Phagen, über die Herstellung eines Therapeutikums in pharmazeutischer Qualität bis hin zu dessen Erprobung in präklinischen und klinischen Studien. "Unser Ziel ist es, eine Phagen-basierte Therapie als Alternative zur Behandlung bestimmter Infektionskrankheiten zu entwickeln – insbesondere in Fällen, in denen eine Antibiotikabehandlung versagt hat", erklärt Prof. Holger Ziehr, Projektleiter am Fraunhofer ITEM.8

Solche Projekte sind bedeutende erste Schritte, um die Phagentherapie für Patienten mit multiresistenten Bakterieninfektionen verfügbar zu machen. Allerdings müssen die Wissenschaftler noch eine Reihe von Hürden nehmen. Einerseits sind die Kosten für die Herstellung von Phagentherapeutika nach GMP-Standards (Good Manufacturing Practice) hoch. Andererseits haben die Forscher die Phagenbiologie noch nicht vollständig entschlüsselt und es ist noch nicht umfassend geklärt, wie genau Phagen mit pathogenen Bakterien interagieren.9 Dennoch, der Aufwand lohnt sich und die Entwicklung Phagen-basierter Therapien hat ein großes Potenzial, denn diese bakterientötenden Viren könnten wertvolle Verbündete im Kampf gegen Antibiotikaresistenzen werden.

WEITERE INFORMATIONEN

  1. 33000 people die every year due to infections with antibiotic-resistant bacteria, European Centre for Disease Prevention and Control
  2. Antibiotic/ Antimicrobial Resistance, Centers for Disease Control and Prevention
  3. Ahead of major health meeting, senior UN official sheds light on growing threat of antibiotic resistance, United Nations
  4. Understanding and Exploiting Phage–Host Interactions, Edel Stone et al., Viruses — Open Access Journal
  5. What are bacteriophages, Leibniz Institute DSMZ-German Collection of Microorganisms and Cell Cultures
  6. Genetic Engineering of Bacteriophages Against Infectious Diseases, Yibao Chen et al., Frontiers in Microbiology
  7. https://phage4cure.de/de/
  8. Neue Wirkstoffe gegen multiresistente Keime, Britta Widmann, Fraunhofer Gesellschaft
  9. Phage therapy’s latest makeover, Charles Schmidt, Nature Biotechnology
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