Eine neue Arbeit aus den Labors von Ackley und Chandler in der Abteilung für Molekulare Biowissenschaften an der Universität von Kansas widerspricht jedoch dieser Vorstellung und legt stattdessen nahe, dass ein niedrigerer pH-Wert im Verdauungstrakt einige bakterielle Krankheitserreger sogar noch schädlicher machen könnte.
Die in der von Experten begutachteten Fachzeitschrift PLOS Pathogens veröffentlichten Ergebnisse könnten Auswirkungen auf die Bewältigung der Krise der Antibiotikaresistenz bei bakteriellen Infektionen auf der ganzen Welt haben.
Die Untersuchung wurde mit kleinen, bakterienfressenden Organismen namens Caenorhabditis elegans durchgeführt.
„Diese wurmartigen Tiere sind durchsichtig, so dass wir die Dinge, die in ihrem Inneren passieren, ganz einfach beobachten können“, sagte Co-Autor Brian Ackley, außerordentlicher Professor für molekulare Biowissenschaften an der KU. „Mit Hilfe von pH-sensitiven Chemikalien, die an der KU entwickelt wurden, den so genannten Kansas Reds, konnten wir den pH-Wert im Inneren des Verdauungssystems überwachen und beobachten, was passiert, wenn sie schädliche Bakterien fressen, im Vergleich zu unschädlichen Bakterien.“
Nach Angaben der KU-Forscher sind die Verdauungstrakte von C. elegans unter normalen Bedingungen, wenn sie sich von gesunden Bakterien ernähren, im Vergleich zu menschlichen Mägen mäßig sauer. Die Mägen dieser Modellarten weisen aber auch regionale Unterschiede innerhalb des Verdauungstrakts auf. Wenn sie Krankheitserreger aufnehmen, neutralisieren sie die saure Umgebung.
Diese Beobachtung deutet darauf hin, dass die Tiere zwischen guten und schlechten Bakterien unterscheiden können, und dass schädliche Bakterien einen weniger sauren Verdauungstrakt bei C. elegans hervorrufen – ein Ergebnis, das im Gegensatz zu dem steht, was man erwarten würde, wenn die saure Umgebung zum Abtöten von Bakterien erzeugt würde.
Um dies zu testen, verwendeten die Forscher Tiere mit Mutationen in Genen, die bei der Regulierung des pH-Werts in ihrem Verdauungstrakt helfen.
„Wenn die Tiere ein saureres Verdauungssystem hatten, wurden sie eher von pathogenen Bakterien befallen – wiederum im Gegensatz zu dem, was man vermuten würde, wenn die Säure nützlich wäre, um schädliche Bakterien abzutöten, die sich mit der Nahrung in den Körper einschleichen könnten“, sagte Ackley. „Unsere Laborteams konnten zeigen, dass die Wirkung auf die Tiere speziell auf den pH-Wert zurückzuführen war, indem sie eine Base als Puffer für den Verdauungstrakt hinzufügten. Wir verwendeten Bikarbonat, das gleiche Mittel, das unser Körper verwendet, um den Mageninhalt zu neutralisieren, wenn er in den Darm gelangt. Die Neutralisierung des pH-Wertes bei den mutierten Tieren kehrte die beschleunigte Infektion durch die pathogenen Bakterien um.“
Der KU-Forscher sagte, dass verschiedene Spezies unterschiedlich reagieren, wenn ihr Körper pathogene Bakterien wahrnimmt – aber einige biologische Reaktionen sind vielen Tieren gemeinsam.
„Eine allgemeine Reaktion beinhaltet die Bildung von Chemikalien, wie Wasserstoffperoxid oder hypochlorige Säure – auch bekannt als Bleichmittel – in der Nähe der Bakterien, und dann essen spezialisierte Immunzellen die sterbenden Bakterien“, sagte Ackley. „Um unseren Körper zu schützen, setzt das Immunsystem diese Abwehrmechanismen nur ein, wenn es sicher ist, dass es angegriffen wird. Die Arbeit in C. elegans könnte einen Weg aufzeigen, wie der Körper diese Abwehrkräfte auf Abruf bereithalten kann, d. h. die chemische Umgebung in einem mäßig sauren Zustand zu halten, in dem die Herstellung dieser Chemikalien schwierig ist, und dann bei einer Infektion einfach die Umgebung zu neutralisieren, um die Abwehrkräfte einzusetzen.“
Ackleys KU-Kollegen bei dieser Arbeit waren die Hauptautorin Saida Benomar, Patrick Lansdon und Josephine R. Chandler vom Fachbereich Molekulare Biowissenschaften sowie Aaron Bender vom Fachbereich Medizinische Chemie und Blake R. Peterson von der Ohio State University.
Die Forscher glauben, dass es Gründe für die Annahme gibt, dass diese Systeme beim Menschen ähnlich funktionieren könnten.
Die Gene, die sie in C. elegans untersuchten, existieren auch beim Menschen und steuern Teile des Immunsystems. Außerdem haben Untersuchungen in anderen Labors gezeigt, dass Probleme bei der Regulierung des pH-Werts beim Menschen mit einem erhöhten Infektionsrisiko einhergehen. In Zukunft wollen die Forscher den Mechanismus auf einer tieferen Ebene verstehen.
„Unser Ziel ist es, dieses natürliche Abwehrsystem beim Menschen zu stärken, um den Einsatz von Antibiotika entweder zu vermeiden oder zu reduzieren“, sagte Ackley. „Derzeit ist der Einsatz von Antibiotika unhaltbar, und die Bakterien entwickeln in alarmierendem Tempo Resistenzen. Wenn das in C. elegans entdeckte System tatsächlich auch beim Menschen vorhanden ist, würde dies darauf hindeuten, dass sich Bakterien viel langsamer an diese Verteidigungsstrategie anpassen als an Antibiotika.“