Hemmung bakterieller Proteintoxine, insbesondere der Toxine von Clostridioides difficile, durch Faktoren und Spaltprodukte des menschlichen Komplementsystems

• Antragsteller: Professor Dr. Holger Barth; Professor Dr. Markus Huber-Lang
• Fachliche Zuordnung: Public Health, Gesundheitsbezogene Versorgungsforschung, Sozial- und Arbeitsmedizin
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 450938962

Zahlreiche Bakterien produzieren Proteintoxine, die effektiv in das Innere menschlicher Zellen aufgenommen werden und dort als potente Enzyme wirken, die ihre Zielzellen schädigen. Diese Toxin-vermittelte Zellschädigung verursacht schwere Krankheiten wie Tetanus, Diphtherie, Cholera oder Milzbrand. Von besonderer Bedeutung ist die lebensbedrohliche Pseudomembranöse Colitis, die durch die Toxine (Enterotoxine) TcdA, TcdB und CDT von Clostridioides (C.) difficile verursacht wird und an Häufigkeit und Verlaufsstärke stetig zunimmt. Gegen die zugrundeliegenden Toxine gibt es derzeit keine kausale Therapie und die Therapie mit antibakteriellen Substanzen ist im Fall von C. difficile limitiert, weshalb Inhibitoren gegen die Toxine zur Entwicklung neuartiger Therapieoptionen dringend benötigt werden. Unsere Vorarbeiten zeigen, dass humane Peptide (z.B. Defensine) und Komplementproteine hierfür einen attraktiven Ansatz liefern können. Daher werden wir die Wirkung zentraler humaner Komplementfaktoren und ihrer Aktivierungsprodukte auf bakterielle Toxine, insbesondere der Enterotoxine von C. difficile, eingehend charakterisieren. Die Rolle des Komplementsystems als angeborenes immunologisches „Frühwarn- und Verteidigungssystem“ gegen Gefahrenmoleküle ist bezüglich seiner Wirkung auf bakterielle Proteintoxine unbekannt. In Vorarbeiten konnten wir die zellulären Aufnahme- und Wirkmechanismen clostridialer Enterotoxine charakterisieren. Dabei fanden wir, dass zentrale Komplementfaktoren und ihre Aktivierungsprodukte (C3, C3a, C3a(desArg), C5a) die Vergiftung humaner Darmepithelzellen durch TcdA, TcdB, CDT und Clostridium botulinum C2-Toxin deutlich vermindern und die Toxin-induzierten Substratmodifikationen im Zellinneren reduzieren. Das weist darauf hin, dass in Anwesenheit dieser Komplementfaktoren weniger enzymatisch aktive Toxinmoleküle im Zytosol der Zellen vorlagen. Daher haben wir unsere Forschungsexpertisen bzgl. Toxine und Komplement hier vereint und verfolgen gemeinsam das übergeordnete Ziel, die molekularen Mechanismen aufzuklären, über die humane Komplementfaktoren/Spaltprodukte medizinisch wichtige Bakterientoxine, insbesondere die C. difficile Toxine, hemmen. Dabei werden wir zunächst von den Komplementfaktoren/Spaltprodukten ausgehen, die wir bereits als neuartige Inhibitoren clostridialer Enterotoxine identifiziert haben und ihre Toxin-neutralisierenden Wirkungen aufklären. Als Methodenplattform dienen humane Darmepithelzellen, humane intestinale Organoide sowie an der UUlm etablierte humane Peptidbanken. Anschließend werden wir weitere Toxin-hemmende Komplementfaktoren suchen und prüfen, ob weitere Toxine (Diphtherie- Anthraxtoxin) durch Komplementfaktoren gehemmt werden. Wir erwarten die mechanistische Aufklärung des bisher unbekannten Zusammenspiels humaner Komplementfaktoren und medizinisch wichtiger Bakterientoxine und dadurch neuartige pharmakologische Ansätze zur gezielten Toxinhemmung.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen