Wissenschaftler entdecken versteckte Schwäche des Lyme-Borreliose-Bakteriums

Jahrzehntelang hat die Lyme-Borreliose sowohl Ärzte als auch Patienten frustriert. Verursacht durch das korkenzieherförmige Bakterium Borrelia burgdorferiWenn die Infektion unbehandelt bleibt, kann sie über Monate andauern und zu Fieber, Müdigkeit und schmerzhaften Entzündungen führen.

In einer neuen Studie haben Wissenschaftler der Northwestern University und der Uniformed Services University (USU) eine überraschende – und ironische – Schwachstelle des robusten Bakteriums aufgedeckt. Durch die Ausnutzung dieser Schwachstelle könnten Forscher zur Entwaffnung beitragen B. burgdorferiwas möglicherweise zu neuen Therapiestrategien für die Lyme-Borreliose führt.

Das Northwestern- und USU-Team entdeckte Mangan, das zur Abschirmung beiträgt B. burgdorferi gegen das Immunsystem seines Wirts, ist gleichzeitig aber auch ein Riss in seinem Panzer. Wenn B. burgdorferi Wenn Mangan fehlt oder mit Mangan überladen ist, werden die Bakterien sehr anfällig für das Immunsystem des Wirts oder Behandlungen, denen sie sonst widerstehen würden.

Die Studie wird am Donnerstag (13. November) in der Zeitschrift veröffentlicht mBio.

„Unsere Arbeit zeigt, dass Mangan ein zweischneidiges Schwert bei der Lyme-Borreliose ist“, sagte Brian Hoffman von Northwestern, der die Studie gemeinsam mit Michael Daly von der USU leitete. „Es ist beides BorrelienDie Rüstung und ihre Schwäche. Wenn wir die Art und Weise, wie es mit Mangan umgeht, gezielt einsetzen können, könnten wir Türen für völlig neue Ansätze zur Behandlung der Lyme-Borreliose öffnen.“

Hoffman ist Charles E. und Emma H. ​​Morrison Professor für Chemie und molekulare Biowissenschaften am Weinberg College of Arts and Sciences im Nordwesten. Er ist außerdem Mitglied des Chemistry of Life Processes Institute und des Robert H. Lurie Comprehensive Cancer Center der Northwestern University. Daly ist emeritierter Professor für Pathologie an der USU.

Seit den 1980er Jahren hat das Auftreten der Lyme-Borreliose in Nordamerika und auf der ganzen Welt dramatisch zugenommen. Nach Angaben der Centers for Disease Control and Prevention werden in den Vereinigten Staaten jährlich etwa 476.000 Menschen diagnostiziert. Derzeit gibt es keine zugelassenen Impfstoffe gegen die Krankheit und der langfristige Einsatz von Antibiotika ist problematisch.

„Obwohl Antibiotika schädlich sind B. burgdorferi„Sie töten auch nützliche Darmbakterien“, sagte Daly. „Lyme-Borreliose wird durch Zeckenstiche übertragen und kann – wenn sie nicht umgehend behandelt wird – bleibende Folgen haben, indem sie das Immun-, Kreislauf- und Zentralnervensystem des Patienten angreift.“

In einer Reihe früherer Studien arbeiteten Hoffman und Daly zusammen, um die Rolle von Mangan zu verstehen Deinococcus radioduransein strahlenresistentes Bakterium, das wegen seiner außergewöhnlichen Fähigkeit, raue Bedingungen zu überleben, als „Conan das Bakterium“ bekannt ist. Nun wollten sie herausfinden, ob Mangan dabei eine Rolle spielt B. burgdorferiAbwehrkräfte.

Zur Durchführung der Studie nutzte das Team ein neues Tool namens Elektronenparamagnetische Resonanz (EPR)-Bildgebung, um die atomare Zusammensetzung von Mangan im Inneren der lebenden Bakterien zu charakterisieren. Um noch feinere Details hinzuzufügen, nutzte das Team die Elektronenkerndoppelresonanzspektroskopie (ENDOR), um die Atome rund um Mangan zu untersuchen. Zusammen erstellten die Technologien eine molekulare Karte, die zeigte, welche Formen von Mangan vorhanden waren, wo sie sich befanden und wie sie sich unter Stress veränderten.

Die „Karte“ enthüllte ein zweistufiges, manganbasiertes Abwehrsystem, bestehend aus einem Enzym namens MnSOD und einem Pool von Manganmetaboliten. Um dem Angriff des Immunsystems des Wirts standzuhalten, verwenden die Bakterien zunächst MnSOD, das wie ein Schutzschild wirkt. Wenn Sauerstoffradikale diesen Schutzschild passieren, treffen sie auf den Metabolitenpool, der wie ein Schwamm diese toxischen Moleküle aufsaugt und neutralisiert.

Unsere Studie demonstriert die Leistungsfähigkeit der EPR- und ENDOR-Spektroskopie zur Aufdeckung verborgener biochemischer Mechanismen in Krankheitserregern. Ohne diese Werkzeuge, B. burgdorferi„Das Abwehrsystem und die Schwachstellen wären unsichtbar geblieben.“

Brian Hoffman, Charles E. und Emma H. ​​Morrison Professor für Chemie und Molekulare Biowissenschaften am Weinberg College of Arts and Sciences im Nordwesten

Die Wissenschaftler fanden heraus, dass die Bakterien ständig damit jonglieren, wohin sie das Mangan schicken sollen – zu den MnSOD-Enzymen oder zum Metabolitenpool. Zu wenig Mangan führt dazu, dass die Bakterien ihre Abwehrmechanismen verlieren. Doch mit zunehmendem Alter der Mikroben schrumpfen ihre Metabolitenvorräte drastisch, wodurch sie Schäden und Stress ausgesetzt werden. Zu diesem Zeitpunkt wird zu viel Mangan giftig, da die Bakterien es nicht mehr sicher speichern können.

Diese Entdeckung birgt Potenzial für neue Therapien für die Lyme-Borreliose. Zukünftige Medikamente könnten dem Bakterium Mangan entziehen, seine Fähigkeit, schützende Mangankomplexe zu bilden, stören oder es sogar in eine toxische Überlastung treiben. Jeder dieser Ansätze würde verschwinden B. burgdorferi weit offen für Angriffe des Immunsystems.

„Indem das empfindliche Gleichgewicht von Mangan gestört wird B. burgdorferi„Es könnte möglich sein, den Erreger während einer Infektion abzuschwächen“, sagte Daly. „Mangan ist eine Achillesferse seiner Abwehrkräfte.“

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