Real-time near-infrared imaging distinguishes nasopharyngeal colonization from aspiration of Streptococcus pneumoniae and identifies aspiration as a trigger of severe disease

Lungenentzündung ist eine bekannte Bedrohung, insbesondere für ältere Erwachsene, doch die Bakterien, die sie verursachen, leben oft unauffällig im menschlichen Körper, ohne Schaden anzurichten. Ein häufiger Bakterientyp, bekannt als Streptococcus pneumoniae, siedelt sich oft im oberen Teil des Rachens und der Nase an, der Nasopharynx genannt wird. An diesem Ort können die Bakterien jahrelang harmlos bleiben und einfach mit dem Wirt koexistieren. Dasselbe Organismus kann jedoch tödlich werden, wenn es tiefer in den Körper vordringt, die Lungen infiltriert und eine schwere Infektion auslöst. Lange Zeit verstanden Wissenschaftler, dass dieser Übergang von einem harmlosen Bewohner zu einem tödlichen Eindringling gefährlich ist, aber der genaue Moment und der Mechanismus, die diesen Wechsel auslösen, blieben unklar. Die zentrale Frage war, ob der ursprüngliche Ort, an dem die Bakterien landen, über den Ausgang der Infektion entscheidet. Müssen die Bakterien sofort in die Lungen verschluckt werden, um Probleme zu verursachen, oder können sie im Nasenraum beginnen und erst später nach unten wandern? Das Verständnis dieser Unterscheidung ist entscheidend, da es die Art und Weise, wie wir über die Prävention schwerer Krankheiten nachdenken, verändern könnte – weg vom bloßen Zählen von Bakterien hin zum Verständnis dessen, wohin sie gelangen.

Um dies zu beantworten, entwickelten Forscher eine neue Methode, um die Bewegung von Bakterien in Echtzeit zu beobachten, wobei ein Verfahren genutzt wurde, das keine Veränderung des genetischen Codes der Bakterien erfordert. Sie markierten die Bakterien mit einem speziellen Farbstoff namens Indocyaningrün, der unter Nahinfrarotlicht leuchtet, einer Art von Licht, das für das menschliche Auge unsichtbar, aber durch empfindliche Kameras detektierbar ist. Dieser Farbstoff wurde einfach durch das Mischen mit den Bakterien hinzugefügt, ein Prozess, der die Bakterien bei Körpertemperatur gesund und normal wachsen ließ. Das Team führte diese leuchtenden Bakterien in Mäuse ein und nutzte eine Hochgeschwindigkeitskamera, um die ersten zehn Minuten der Infektion aufzuzeichnen. Dieses kontinuierliche Video enthüllte zwei sehr unterschiedliche Pfade, die die Bakterien nehmen konnten. In einigen Fällen blieben die Bakterien auf den oberen Rachen beschränkt, ein Zustand, den die Forscher als Kolonisation identifizierten. In anderen Fällen wurden die Bakterien unmittelbar in die unteren Atemwege gezogen, ein Prozess, der als Aspiration bekannt ist. Die Technologie ermöglichte es den Wissenschaftlern, diese Ereignisse während des Geschehens zu beobachten und zwischen einem Bakterium, das an seinem Platz blieb, und einem, das innerhalb von Sekunden in die Lungen eingeatmet wurde, zu unterscheiden.

Die Folgen dieser zwei unterschiedlichen Pfade waren drastisch und unmittelbar. Die Forscher verfolgten die Mäuse über mehrere Tage und fanden heraus, dass jene, deren Bakterien in die Lungen aspiriert wurden, ein viel höheres Sterberisiko hatten als jene, bei denen die Bakterien in der Nase verblieben. Dieser Unterschied war so ausgeprägt, dass das Sterberisiko für die Mäuse, die eine Aspiration erlebten, fast achtmal höher war, ein Ergebnis, das sowohl für junge als auch für ältere Mäuse zutraf. Die Tatsache, dass den älteren Mäusen zehnmal weniger Bakterien als den jungen gegeben wurden und dennoch die gleiche hohe Sterblichkeitsrate bei auftretender Aspiration erlitten, deutt darauf hin, dass der Ort der Bakterien ein kritischerer Faktor ist als die reine Anzahl der Bakterien. Die Todesfälle in diesen Gruppen begannen am dritten Tag, was einen schnellen Rückgang markierte, sobald die Bakterien in die unteren Atemwege gelangten.

Um zu verstehen, warum die Aspiration zu solch schweren Ergebnissen führte, untersuchte das Team die Körper der Mäuse vierundzwanzig Stunden nach der Infektion. Durch die Analyse des Blutes fanden sie heraus, dass die Mäuse, die die Bakterien aspiriert hatten, eine massive Aktivierung der körpereigenen Abwehrsysteme zeigten. Ihr Blut enthielt hohe Mengen an Signalen, die Entzündungen und die Produktion neuer Immunzellen auslösen. Darüber hinaus zeigte das Blut Anzeichen einer erhöhten Aktivität in den Systemen, die helfen, Blut zu gerinnen und Eindringlinge abzuwehren. Diese Befunde deuten darauf hin, dass der Akt der Aspiration selbst eine Kettenreaktion im Körper auslöst, die mächtige Immunwege aktiviert, die, obwohl sie zum Schutz gedacht sind, offenbar zur Schwere der Krankheit beitragen. Die Studie stellt fest, dass die physische Bewegung von Bakterien von der Nase in die Lunge ein Schlüsseltrigger für schwere Erkrankungen ist, und führt ein neues Bildgebungsverfahren ein, das diesen kritischen Moment beobachtbar macht und die frühe Verhaltensweise der Bakterien direkt mit der systemischen Reaktion des Körpers verknüpft.