Untersuchung zellulärer Effekte von zellwandsynthesehemmenden Antibiotika

Abstract

Die Antibiotikakrise erschwert seit Jahren den effektiven Einsatz antimikrobieller Wirkstoffe. Inzwischen werden Breitbandantibiotika eingesetzt, die ursprünglich als Reserve gegen multiresistente Erreger vorgesehen waren. Um dieser Entwicklung zu begegnen, ist ein tiefgreifendes Verständnis sowohl der Wirkmechanismen der Antibiotika als auch der grundlegenden Funktionsweise und Proliferation von Bakterien von entscheidender Bedeutung. <br/> Für die Beobachtung zellulärer Effekte wurden zwei Typen zeitaufgelöster, fluoreszenzmikroskopischer Experimente entwickelt, um Effekte von zellwandsynthesehemmenden Antibiotika auf <em>Staphylococcus aureus</em> zu beobachten. Diese Experimente gestatten Einblicke in kurzfristig auftretende Effekte der Antibiotika und eine längerfristige Beobachtung der Bakterien. Beide Experimenttypen ermöglichen die Beobachtung des Verhaltens einzelner Bakterien sowie die Visualisierung und Auswertung ihrer Veränderungen. Eine wesentliche Besonderheit der Experimente war die Immobilisierung der Bakterien über Antikörper, die von Zellwandproteinen gebunden werden. <br/> Im ersten Experimenttyp wurden <em>S. aureus</em>-Zellen über einen Zeitraum von unter zwei Stunden beobachtet, wobei Antibiotika während der laufenden Aufnahme appliziert wurden. Die Beobachtung der fluoreszenzmarkierten Proteine FtsZ und PBP2 in <em>S. aureus</em> ermöglichte die Feststellung, dass die Glykopeptid-Antibiotika Vancomycin und Telavancin den Schließprozess des Septums von <em>S. aureus</em> mit höchster Effizienz inhibieren. Zudem konnte der Nachweis erbracht werden, dass die Zellwandsynthese bei <em>S. aureus</em> zu jedem Zeitpunkt essenziell für den Schließprozess ist. Darüber hinaus konnte unter dem Einfluss des Beta-Laktams Oxacillin festgestellt werden, dass die richtige Lokalisierung von PBP2 in <em>S. aureus</em> bei der Schließung des Septums von entscheidender Bedeutung ist. Schließlich konnte gezeigt werden, dass Oxacillin das PBP2 nicht aktiv delokalisiert, sondern den Rekrutierungsprozess des Proteins zum Septum hin hemmt. <br/> Die längerfristige Beobachtung von <em>S. aureus</em> im zweiten Experimenttypus ermöglichte die Untersuchung persistenter Bakterien nach Behandlung mit dem Beta-Laktam Oxacillin. Die Realisierung des Experiments erfolgte durch einen kontinuierlichen Austausch des Probenvolumens mit frischem Medium. Persistente Bakterien zeigen eine Toleranz gegenüber tödlichen Konzentrationen einiger Antibiotika. Sie bilden eine Subpopulation der behandelten Population, die allerdings keine genetische Variante darstellt. Die längerfristige Beobachtung ermöglichte eine Einordnung des Verhaltens einzelner persistenter Bakterien und die Untersuchung von Unterschieden zur gesamten Population. Eine Vermessung der Z-Ringe ergab, dass die Bakterien sich in einer ähnlichen Teilungsphase befinden. Es konnte zudem festgestellt werden, dass sich nahezu alle persistenten Bakterien erst nach der Zugabe des Antibiotikums geteilt haben. Die vorliegende Beobachtung stützt die Hypothese, dass persistente Bakterien sich bei der Zugabe des Antibiotikums in einer bestimmten Teilungsphase befinden müssen. Es erscheint nötig, dass die Bakterien in der Lage sein müssen eine bestimmte Phase nach der Teilung zu erreichen, nachdem sie mit Oxacillin in Kontakt kommen.