Durchfallerreger im Darm gefilmt
ETH-Wissenschaftler verfolgten die Salmonellen-Infektion im Darm von Mäusen mikroskopisch und in Echtzeit. So konnten sie einen wichtigen Mechanismus entschlüsseln, mit dem der Durchfall-Erreger Zellen seines Wirts befällt.
Salmonellen sind ganz und gar unerwünschte Bakterien. Nehmen wir sie über verunreinigte Lebensmittel auf, gelangen sie über den Magen in unseren Darm. Sie dringen in die Darmwand ein und verursachen dort eine Entzündung und somit Durchfall. Wissenschaftler unter der Leitung von Wolf-Dietrich Hardt, Professor am Institut für Mikrobiologie, nehmen diese Erreger schon seit Jahren genauer unter die Lupe. Mit einem Mikroskop haben sie nun bei Mäusen gefilmt, wie genau diese Erreger in die Darmwand eindringen. Sie konnten so den Mechanismus entschlüsseln, der den Salmonellen bei diesem Vorgang hilft.
Um ins Innere der Darmwand zu gelangen, müssen die Bakterien erst eine Zellschicht durchdringen, die die Darmwand gegen das Darminnere begrenzt. Der Mechanismus, wie sie in diese Grenzschicht-Zellen – die Epithelzellen – gelangen, ist bekannt. Dank der Filmaufnahmen haben Hardt und seine Kollegen nun auch aufgeklärt, welches «Programm» den Salmonellen ermöglicht, die Epithelzellen zu durchwandern, an deren Rückseite aus den Zellen auszutreten und so ins Innere der Darmwand zu gelangen.
Bakterien beeinflussen ihre Wirtszelle
Dieses Programm trägt die Abkürzung TTSS-2 und besteht aus einer Vielzahl von Proteinen. Einige dieser Proteine bilden mikroskopisch kleine Injektionsnadeln an der Oberfläche der Bakterien, mit denen sie andere Proteine – über 20 an der Zahl – ins Innere der Wirtszellen injizieren können. Diese Proteine programmieren die Wirtszelle so um, dass sie die Salmonellen an ihre Rückseite schleust und dort austreten lässt. Dass das Programm TTSS-2 bei diesem Vorgang zentral ist, beobachtete Hardts Team bei Salmonellen, denen dieses Programm fehlt. Die Forscher fütterten die Tiere mit Salmonellen und stellten fest, dass bei ihnen die Bakterien im Innern der Epithelzellen feststecken und nicht ins Innere der Darmwand gelangen.
Ausserdem zeigen Hardts Filmsequenzen, was mit den Salmonellen im Innern der Darmwand geschieht: Für eine kurze Zeit befinden sich die Bakterien frei im Bindegewebe der Darmwand, bevor sie von Fresszellen des Mäuse-Immunsystems aufgenommen werden. Dadurch wird eine Entzündungsreaktion in Gang gesetzt.
Infektion nach dem Winkelried-Prinzip
Die Erforschung dieser Vorgänge ist daher bedeutend, weil das Eindringen der Salmonellen in die Darmwand sowohl für die Biologie der Salmonellen als auch für die Medizin zentral ist. Wenn nämlich einige der Bakterien ins Innere der Darmwand dringen und dort eine Entzündung auslösen, bringt das ihren Artgenossen im Darm Vorteile (vgl. ETH Life vom 20.8.2009). Denn Salmonellen sind besonders gut an die harschen Bedingungen in einem entzündeten Darm angepasst und können darin besser überleben und sich besser vermehren als die Bakterien der normalen Darmflora. Über den durch die Entzündung ausgelösten Durchfall werden sie zudem nach ihrer Vermehrung aus dem Darm ausgeschieden und können so weitere Menschen oder Tiere anstecken.
Um die Vorgänge im Mäusedarm mit einem Mikroskop filmen zu können, war es nötig, bei unter Narkose stehenden, lebenden Mäusen die Bauchhöhle mit einem kleinen Schnitt zu öffnen, den Blinddarm herauszuziehen und auf ein speziell dafür präpariertes Mikroskop zu legen. «Mit dieser Technik können wir die Krankheit online verfolgen», sagt Hardt. Erst seit wenigen Jahren ist es möglich, so lebende Tiere quasi zellbiologisch zu untersuchen.
«In-vivo-Zellbiologie»
Gegenüber der herkömmlichen Zellbiologie, die mit Zellkulturen arbeitet, bringe die «In-vivo-Zellbiologie» interessante Vorteile, sagt Hardt. Denn bei in Zellkulturexperimenten gewonnenen Erkenntnissen wisse man nicht immer, ob die entsprechenden Mechanismen im lebenden Organismus bedeutend seien. Hardt möchte mit der ausgeklügelten Operationstechnik und den High-End-Mikroskopen der ETH auch noch weitere wichtige Fragen zum Leben der Salmonellen klären. Als Nächstes steht an, welches denn die ersten Körperzellen sind, die eine Immunantwort gegen die Salmonellen in Gang setzen.
Literaturhinweis
Müller AJ, Kaiser P, Dittmar KEJ, Weber TC, Haueter S, Endt K, Songhet P, Zellweger C, Kremer M, Fehling JH, Hardt WD: Salmonella Gut Invasion Involves TTSS-2-Dependent Epithelial Traversal, Basolateral Exit, and Uptake by Epithelium-Sampling Lamina Propria Phagocytes. Cell Host & Microbe (2012) doi:10.1016/j.chom.2011.11.013
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