Duality of the lytic phages Sb-1 and NP-3 : How well does co-predation work against Staphylococcus aureus and Pseudomonas aeruginosa under varying environmental conditions?

Simon, Kevin; Horz, Hans-Peter (Thesis advisor); Panstruga, Ralph (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2022, 2023)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2022

Kurzfassung

In der Ära der Antibiotikakrise fischen wir in trüben Gewässern, wie der steigenden Zahl an multi-resistenten Bakterien (MRB) mit geeigneten Maßnahmen zu begegnen ist. Phagentherapie könnte eine Alternative für die topische Behandlung von chronischen Wundinfektionen sein, wo typischerweise Staphylococcus aureus (SA) und Pseudomonas aeruginosa (PA) zusammen die Infektion vorantreiben. Im Gegensatz zu vielen Monokultur-Studien war es Ziel dieser Studie den simultanen Einsatz des SA-Phagen Sb-1 und des PA-Phagen NP-3 mit oder ohne dem Antibiotika Meropenem (MP) bei einer bakteriellen Ko-Kultur von SA und PA zu untersuchen. Akkurate Spezies-spezifische Zählung beider Bakterien und Phagen gelang weder mit Plasmiden, die für Fluoreszenzproteine kodieren, noch dem fluoreszierenden Pyoverdine, das von PA auf natürlicher Weise produziert wird, noch dem "Fluorescence activated cell sorting" (FACS). Stattdessen war die quantitative PCR (qPCR) mit gleichzeitigem Ausplattieren der Bakterien und dem Spotten von Phagen hinreichend präzise ohne Interferenz zwischen beiden Bakterienspezies, den beiden Phagen und MP. Flüssigkultur-Assays mit Sb-1 und NP-3 in Kombination mit MP zeigten, dass Phagen und β-Lactam-Antibiotika meistens förderlich in der Eliminierung bakterieller Monokulturen zusammenarbeiten. Im Gegensatz dazu behinderten sich beide Phagen gegenseitig, wenn sie zu einer Ko-Kultur ihrer unterschiedlichen Wirte gegeben wurden. Die Runterregulierung der Bakterien- und Phagen-Genexpression bewirkte eine langsamere Vermehrung der Phagen und ein verzögertes Töten der Bakterien. Demgegenüber stellte die Zugabe von MP die antibakterielle Aktivität beider Phagen nicht nur wieder her, sondern verstärkte diese sogar mittels drastischer Hochregulierung ihrer Genexpression. Diese Phagen-Wirt-Antibiotikum Interaktionen waren weitgehend zwischen Kulturmedium, equinem Serum und einem Schweinehautmodell vergleichbar, erstreckten sich jedoch über unterschiedliche Zeiträume. Zusätzlich wurde herausgefunden, dass die Phagen in metabolisch inaktiven Bakterien "überwintern" können. Sie replizieren dabei latent in ihrem Wirt, produzieren aber erst neue Phagen-Nachkommen, wenn der infizierte Wirt zu einem aktiven Metabolismus zurückkehrt. Zusammenfassend betrachtet ist die Verifizierung der Kompatibilität von Phagen in Cocktails essenziell für die Generierung synthetischer Phagengemeinschaften mit einem bedeutsamen Effekt gegen bakterielle Pathogene in gemischten Infektionen. Bemerkenswert ist, dass Antibiotika, die nutzlos gegen MRB geworden sind, immer noch von therapeutischem Wert sind, da sie nicht nur negative Interaktionen zwischen Phagen zu überwinden helfen, sondern die bakterielle Eliminierung durch Phagen verstärken. Das Verständnis der zugrundeliegenden Mechanismen der Räuber-Beute- Beziehungen über bakterielle Monokulturen hinaus bringt uns der Realisierung eines Phagen-basierten Konzepts gegen MRB einen wichtigen Schritt weiter.

Einrichtungen

• Fachgruppe Biologie [160000]
• Lehr- und Forschungsgebiet Molekulare Zellbiologie der Pflanzen [161920]
• [525500-2]