Acute lethality and stress-responsive phenotypes differ among three Acinetobacter baumannii strains: phenotypic, genomic and transcriptomic analyses

In der Welt der Infektionskrankheiten sind nicht alle Bakterien derselben Spezies gleich geschaffen. Stellen Sie sich eine Menschenmenge vor, die alle denselben Nachnamen trägt; obwohl sie aus der Ferne ähnlich aussehen mögen, können ihre Persönlichkeiten, Stärken und Schwächen völlig verschieden sein. Dies gilt auch für Acinetobacter baumannii, ein Bakterium, das weltweit zu einer großen Sorge in Krankenhäusern geworden ist. Es handelt sich um einen opportunistischen Erreger, was bedeutet, dass es darauf wartet, eine Chance zum Angriff zu finden, wobei es oft Patienten angreift, die bereits geschwächt sind, wie etwa solche an Beatmungsgeräten oder mit offenen Wunden. Was dieses Bakterium besonders gefährlich macht, ist seine Fähigkeit, gegen viele gängige Antibiotika resistent zu sein, was ihm den Ruf eines „Superbugs“ eingebracht hat. Wissenschaftler wissen schon lange, dass sich verschiedene Stämme dieses Bakteriums im Labor unterschiedlich verhalten, aber die Regeln, die diese Unterschiede bestimmen, blieben unklar. Ist ein Stamm, der für eine Maus tödlich ist, auch der beste im Bilden von Biofilmen? Wächst ein Stamm, der in einer Petrischale schnell wächst, auch am besten in menschlichem Blut über? Das Verständnis dieser Zusammenhänge ist entscheidend, da es Ärzten hilft vorherzusagen, wie sich eine spezifische Infektion verhalten könnte und wie man sie am besten behandelt.

Ein Forschungsteam machte sich daran, dieses Rätsel zu lösen, indem es drei verschiedene Stämme von Acinetobacter baumannii verglich, die sehr unterschiedliche Geschichten hatten. Ein Stamm, bekannt als LS01, wurde von einem Patienten mit einer schweren Lungeninfektion isoliert und ist im Allgemeinen empfindlich gegenüber Antibiotika. Ein anderer, AB5075, ist ein bekannter, hochresistenter Stamm, der von Wissenschaftlern häufig als Standardreferenz zur Untersuchung der Art und Weise verwendet wird, wie die Bakterien Krankheiten verursachen. Der dritte, XH386, wurde bei einem Kind mit Pneumonie gefunden und trägt mehrere multiresistente Gene. Die Forscher wollten sehen, ob sich diese genetischen Unterschiede in klaren Verhaltensmustern widerspiegeln. Sie unterzogen die Bakterien einer Reihe strenger Tests und beobachteten, wie sie wuchsen, wie sie in lebenden Kreaturen überlebten, wie sie an menschlichen Zellen hafteten und wie sie auf Stressoren wie menschliches Blutserum und niedrige Dosen von Antibiotika reagierten.

Die Ergebnisse zeigten einen überraschenden Mangel an einem einzelnen „Superstamm“. Stattdessen glänzte jedes Bakterium in unterschiedlichen Bereichen, was bewies, dass das tödlich zu sein in einem Kontext nicht garantiert, in einem anderen zu dominieren. Als die Forscher die Bakterien in Wachsmottenlarven injizierten, einem gängigen Modell zum Testen von Infektionen, erwies sich der LS01-Stamm als der tödlichste und tötete die Mehrheit der Larven innerhalb von vier Tagen. Dieses Muster hielt auch stand, als das Team zu Mäusen überging. Wenn die Bakterien den Lungen von Mäusen in einer bestimmten Dosis zugeführt wurden, tötete der LS01-Stamm 25 % der Tiere innerhalb von fünf Tagen. Im krassen Gegensatz dazu überlebten die Mäuse, die mit den beiden anderen Stämmen, AB5075 und XH386, diese Herausforderung. Dies war ein bedeutender Befund, da es zeigte, dass der Stamm, der im Labor oft als „hochvirulenter“ Referenzstamm verwendet wird, unter diesen spezifischen Bedingungen nicht unbedingt Mäuse tötete, während ein Stamm aus einem echten Patienten dies tat.

Die Geschichte änderte sich jedoch, als die Forscher untersuchten, wie die Bakterien mit menschlichen Zellen und Oberflächen interagierten. Während LS01 der tödlichste für die lebenden Wirte war, war der XH386-Stamm der Champion der Anheftung. Wenn er in wiederholten Experimenten auf menschlichen Lungenzellen in einer Kulturschale platziert wurde, haftete XH386 effektiver als die anderen beiden Stämme. Er bildete auch die stärksten Biofilme – schleimartige Bakteriengemeinschaften – wenn er menschlichem, hitzebehandeltem Blutserum ausgesetzt war. Dies deutet darauf hin, dass XH3 ich außergewöhnlich gut darin ist, an Oberflächen zu kleben und schützende Gemeinschaften aufzubauen, selbst wenn er nicht so unmittelbar tödlich für den gesamten Organismus ist wie LS01. Unterdessen zeigte der AB5075-Stamm die sichtbarste Schutzschicht, oder Kapsel, um seinen Körper, wenn er unter einem leistungsstarken Elektronenmikroskop betrachtet wurde, doch dies machte ihn weder zum tödlichsten noch zum besten im Anhaften an Zellen.

Die Forscher untersuchten auch, wie die Bakterien auf Stress reagierten, wie etwa die Anwesenheit von menschlichem Blutserum oder niedrigen Mengen des Antibiotikums Colistin. Sie fanden heraus, dass die Reaktionen der Bakterien hochgradig spezifisch für den Stamm und die Umgebung waren. Beispielsweise schaltete der XH386-Stamm, als er dem Eisen entzogen wurde – einem Nährstoff, den er zum Überleben in einem Wirt benötigt –, eine massive Anzahl von Genen ein, um Eisen zu finden und einzufangen. Diese Reaktion war viel stärker als seine Reaktion auf das Antibiotikum oder das Blutserum. Interessanterweise waren die Gene, die die Fähigkeit der Bakterien zur Antibiotikaresistenz steuerten, zwischen den Stämmen deutlich unterschiedlich, was mit den Beobachtungen der Forscher im Labor übereinstimmte. Die resistenten Stämme trugen spezifische genetische Werkzeuge, um gegen Medikamente zu kämpfen, während der empfindliche Stamm dies nicht tat. Dennoch waren die Gene, die für die Verursachung von Krankheiten verantwortlich sind, wie etwa für die Bildung von Biofilmen oder das Einfangen von Eisen, in allen drei Stämamen vorhanden.

Dies führt zum Kernergebnis der Studie: Dass die Bakterien denselben genetischen Werkzeugkasten besitzen, bedeutet nicht, dass sie auch gleich handeln werden. Die drei Stämme teilten die meisten der wichtigen Gene, die zur Verursachung von Krankheiten und zum Überleben unter Stress nötig sind, und dennoch verhielten sie sich sehr unterschiedlich. Die Unterschiede lagen nicht darin, dass ein Stamm ein Gen besaß, das den anderen fehlte, sondern darin, wie jeder Stamm die bereits vorhandenen Gene nutzte. Der LS01-Stamm war ein potenter Killer im lebenden Wirt, der XH386-Stamm war ein Meister der Anheftung und Biofilmbildung, und der AB5075-Stamm besaß eine dicke Schutzschicht, zeigte aber eine intermediäre Letalität. Die Studie zeigt, dass man nicht allein durch den Blick auf die genetische Liste oder die Annahme, dass Resistenz gegen Medikamente eine höhere Tödlichkeit bedeutet, vorhersagen kann, wie gefährlich ein spezifischer Stamm von Acinetobacter baumannii sein wird. Stattdessen ist das Verhalten dieser Bakterien eine komplexe Mischung aus ihrem genetischen Potenzial und der Art und Weise, wie sie es als Reaktion auf ihre Umgebung nutzen.