Doktorarbeit
Alice Pellegrino: Wie Mini-Lungen die Phagentherapie verbessern
Die Phagentherapie ist eine Behandlungsmethode, die bereits seit über 100 Jahren angewendet wird und heute aufgrund der zunehmenden Antibiotikaresistenz von Bakterien wieder stark an Bedeutung gewinnt. Stellen Sie sich vor: Manche Patienten mit cystischer Fibrose (Mukoviszidose) müssen gegen wiederkehrende Infektionen kämpfen, die von einem Bakterium namens Pseudomonas aeruginosa verursacht werden. Antibiotika wirken kaum oder nicht mehr, und hier kommt die Phagentherapie ins Spiel – als natürliche Waffe gegen diese Superbakterien. Phagen sind winzige Viren, die sich an das Bakterium heften, ihre DNA in dessen Inneres injizieren, es in eine Phagenfabrik verwandeln und schliesslich das Bakterium zum Platzen bringen. Die neuen Phagen infizieren die benachbarten Bakterien, und so wird die Infektion bekämpft.
Dank einer von der Leenaards-Stiftung finanzierten Zusammenarbeit konnten sich drei Experten zusammenschliessen, um Patienten zu helfen. Angela Koutsokera betreut die Patienten in der Abteilung für Pneumologie des CHUV in Lausanne. Grégory Resch leitet das Bakteriophagenlabor am CHUV: Sein Team testet im Labor (in vitro), welche Viren bei den Bakterien jedes einzelnen Patienten am besten wirken. Und Alexandre Persat ist Leiter des Labors für mikrobielle Mechanik an der EPFL. Ich, Alice Pellegrino, bin Doktorandin in diesem Labor, wo wir an Modellen arbeiten, die die menschliche Lunge nachahmen.
Mini-lungen im Labor: so genannte Organoide
Die Idee? Das richtige Virus (den Phagen) direkt an «Mini-Lungen» zu testen, die in Kulturgefässen gezüchtet werden. Man nennt sie Lungenorganoide: Das sind kleine Gewebestücke, die im Labor hergestellt werden und den Atemwegen der Lunge ähneln. Sie werden aus Stammzellen gebildet, die bei Biopsien im Krankenhaus entnommen wurden, oder aus Zellbanken. Diese Stammzellen verwandeln sich in Zellen, die Schleim produzieren (um Staub und Bakterien einzufangen), und in Flimmerzellen (mit winzigen «Härchen», die wie ein Laufband alles wegtransportieren). Damit sie gut wachsen, werden sie auf der einen Seite der Luft ausgesetzt, wie in einer echten Lunge, und auf der anderen Seite mit Nährstoffen versorgt. Die Entwicklung dauert mehrere Wochen, aber am Ende bilden die Zellen eine sehr einfache künstliche Version der Lunge. Genau das macht diese Mini-Lungen so interessant: Sie bilden einen wesentlichen Teil der Lungenumgebung nach und ermöglichen es somit, Infektionen unter Bedingungen zu untersuchen, die jener in einer an Mukoviszidose erkrankten Lunge ähneln und der Realität viel näher kommen als ein Test in einem einfachen Reagenzglas. Bei Menschen mit Mukoviszidose ist der Schleim zu dick und zähflüssig. Das blockiert alles, und Pseudomonas-Bakterien fühlen sich dort besonders wohl: Sie heften sich an, vermehren sich und bilden innerhalb weniger Stunden «Biofilme», zähe Zell-Ansammlungen unter einer Art schützendem Gel. Antibiotika haben es schwer, dort durchzudringen.
Auf dem Bild sind die Lungenzellen violett und die Bakterien grün dargestellt, wie sie unter dem Fluoreszenzmikroskop zu sehen sind.
Dank eines speziellen Zuchtverfahrens gelingt es, bestimmte Eigenschaften von Lungenzellen, wie sie in einer echten Lunge vorkommen, in einer Petrischale nachzubilden. Um all das ganz genau zu beobachten, verwenden wir Fluoreszenzmikroskope: Sie vergrössern das Gewebe, um die winzigen Bakterien zu erkennen (im Bereich von 1/1000 Millimeter). Dazu braucht man extrem leistungsstarke Objektive. Das ist einer der Gründe, warum diese Organoide entwickelt wurden: Um die Infektion aus nächster Nähe zu betrachten, mit einer im Vergleich zu früheren Tiermodellen unglaublichen Auflösung. An totem Gewebe ist eine solche Beobachtung unmöglich. Wir halten die Organoide in ihrer natürlichen Umgebung am Leben, um den Prozess in Echtzeit zu verfolgen und das System sogar zu stören, um es besser zu verstehen.
Phagen eilen zu hilfe
Die noch winzigeren Phagen – etwa zehnmal kleiner als Bakterien – sind unter dem Fluoreszenzmikroskop kaum zu erkennen. Die von den abgetöteten Bakterien freigesetzten neuen Phagen befallen die benachbarten Bakterien, wodurch die Biofilme nach und nach abgebaut werden. Genau das beobachten wir.
Grégory Resch schickt uns einige vielversprechende Phagen, die in einem Reagenzglas getestet wurden. Wir testen sie anschliessend an Organoiden unter Verwendung der vom Patienten entnommenen Bakterien, um zu sehen, ob die Phagen diese abtöten können und ob die Lungenzellen besser überleben. Natürlich läuft nicht immer alles perfekt: Einige mutierte Bakterien können resistent sein, und diese untersuchen wir. Am Ende können wir den Ärzten den wirksamsten Phagen empfehlen, um eine personalisierte Behandlung anzubieten, oft in Kombination mit Antibiotika, da Phagen auch dazu beitragen können, dass diese besser wirken.
grenzen – und eine aufregende zukunft
Unsere Organoide sind keine echten Lungen: Es fehlen ihnen die Immunzellen (wie Makrophagen und Neutrophile). Aber das ist schon viel besser als ein einfaches Reagenzglas ohne Schleim! Vielleicht wollen wir in ein bis zwei Jahren alles kombinieren, um ein Modell zu schaffen, das dem Patienten noch näher kommt. Das Ziel: massgeschneiderte Therapien, damit die Patienten wieder besser atmen können – die Forschung schreitet schnell voran!
Ich habe mich für die Forschung an Phagen entschieden, weil ich davon überzeugt bin, dass Antibiotikaresistenz ein dringendes Problem der öffentlichen Gesundheit darstellt. Ich glaube, die Phagentherapie ist eine wertvolle Lösung, um resistente Bakterien besser zu bekämpfen.
Ausserdem mag ich angewandte Projekte sehr, weil sie es ermöglichen, die konkreten Auswirkungen meiner Arbeit zu sehen, manchmal sogar in Echtzeit. Und da Phagen zunehmend in der klinischen Praxis eingesetzt werden, wenn auch oft noch im Rahmen von Notfall-Behandlungen, halte ich es für sehr wichtig, ihre Wirkung in einer möglichst realistischen Umgebung zu untersuchen, um die Forschung so nah wie möglich an den aktuellen Bedürfnissen voranzutreiben.
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