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Gelangen Erreger über die Luft in die Atemwege, muss der Körper schnell eine erste Verteidigungslinie aufbauen. © Design Cells / iStock / Getty Images Plus

Verteidigungslinie gegen Bakterien: Rolle von Bürstenzellen bei der Immunantwort

Gelangen Bakterien in die Atemwege, können sie schwere Infektionen auslösen. Daher sollte ihre Vermehrung frühzeitig gestoppt werden. In den Atemwegen spielen dabei so genannte Bürstenzellen eine bedeutende Rolle. Wissenschaftlerinnen der Universität des Saarlandes konnten nun zeigen, wie die Bürstenzellen dafür sorgen, dass eine erste Abwehrlinie des Immunsystems entsteht.

Im Körper laufen viele Prozesse ab, die an Krieg erinnern. So auch in den Atemwegen: Gelangen Erreger über die Luft in die Atemwege, muss der Körper schnell eine erste Verteidigungslinie aufbauen, bevor die Eindringlinge sich vermehren und tiefer eindringen können, um Schaden anzurichten. Wie das genau vonstatten geht, ist bislang allerdings nur in Teilen erforscht.

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Universität des Saarlandes sowie zahlreicher weiterer Einrichtungen aus Würzburg, München, Lübeck, Lüttich, Erlangen, Hannover, Berlin und Linz konnten nun die Rolle so genannter Bürstenzellen im Atemwegstrakt genauer bestimmen. „Diese Zellen reagieren auf Signalmoleküle, so genannte Quorum-Sensing-Moleküle, mit denen die Bakterien untereinander kommunizieren und ihr Überleben und ihre Vermehrung steuern“, erläutert Monika Hollenhorst. Sie forscht als Postdoktorandin in der Arbeitsgruppe von Professorin Gabriela Krasteva-Christ an der Universität des Saarlandes. Monika Hollenhorst hat die Studie nun gemeinsam mit Doktorandin Saskia B. Evers (ebenfalls AG Krasteva-Christ) sowie Rajender Nandigama (Universität Würzburg; ehemaliger Postdoktorand in der AG von Prof. Krasteva-Christ) als Hauptautorin veröffentlicht.

Kettenreaktion in den Atemwegen

Im Detail haben die Forscherinnen untersucht, welche Kettenreaktion in den Atemwegen von Mäusen ausgelöst wird, wenn der Keim Pseudomonas aeruginosa, ein weit verbreiteter so genannter Krankenhauskeim, in die Atemwege eindringt. Zuerst sorgt das Eindringen der Bakterien, wie erwähnt, dafür, dass die Bürstenzellen auf die bakteriellen Signalmoleküle reagieren, mit denen die Eindringlinge untereinander kommunizieren. „Die Bürstenzellen schütten daraufhin ihrerseits einen Botenstoff, Acetylcholin (ACh), aus, der wiederum benachbarte Nervenbahnen stimuliert“, erklärt Gabriela Krasteva-Christ. „Diese Nervenbahnen setzen abermals bestimmte Stoffe frei, welche dafür sorgen, dass sich die Blutgefäße in der unmittelbaren Umgebung erweitern und vermehrt Abwehrzellen rekrutiert werden, welche die eindringenden Bakterien angreifen“, erläutert sie den weiteren Ablauf.

Wie genau die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Rolle der Bürstenzellen schlussendlich nachweisen konnten, erklärt Monika Hollenhorst: „Wenn wir die Bürstenzellen deaktiviert haben, konnten wir in den Experimenten keine adäquate Immunantwort feststellen verglichen mit den Fällen, in denen die Bürstenzellen korrekt funktioniert haben“, so die Wissenschaftlerin. Das bedeutet, dass in den Fällen, in denen die Bürstenzellen nicht funktionierten, der Bakterienbefall sehr viel höher war als in den Fällen, in denen sie ordnungsgemäß funktionierten.

Zellmembrankanal der Bürstenzellen

„Zusätzlich haben wir nachgeprüft, ob die Bakterien durch die ausgelöste Immunantwort abgetötet wurden“, führt Saskia Evers weiter aus, die einen großen Anteil an den Experimenten hatte. „Das war aber nicht der Fall. Die Kaskade, welche die Bürstenzellen in Gang gesetzt haben, sorgt aber dafür, dass die Vermehrung der Bakterien unterbrochen wird“, so die Doktorandin weiter. Das sorgt dafür, dass die Zahl der Eindringlinge nicht ins Unermessliche wächst, so dass die alarmierten Immunzellen, die der unspezifischen Abwehr angehören und vielerlei Feinde bekämpfen können, mit ihnen fertig werden.

Die Wissenschaftlerinnen haben dabei auch einen speziellen Zellmembrankanal der Bürstenzellen im Blick, den so genannten Trpm5-Kanal (transient receptor potential cation channel subfamily M member 5), der auch für die Wahrnehmung des bitteren und süßen Geschmacks in den Geschmacksknospen der Zunge mit verantwortlich ist. Da der Botenstoff des Bakteriums Pseudomonas aeruginosa in seiner Molekülstruktur Bitterstoffen sehr ähnlich ist, spielt dieser Kanal eine wichtige Rolle bei der beschriebenen Kettenreaktion. „Wir konnten beobachten, dass sämtliche Immunreaktionen wegfallen, wenn der Kanal defekt ist“, erklärt Monika Hollenhorst. Es werden weder unspezifische Immunzellen rekrutiert noch wird die Vermehrung der eindringenden Keime unterbunden.

Zusammenbruch des Immunsystems

In der Folge ist das Immunsystem mit den eindringenden Keimen völlig überfordert und bricht zusammen. Eine Infektion mit dem Bakterium kann dann schnell tödlich enden. Denn wenn diese erste Verteidigungslinie derart zusammenbricht, können auch im weiteren Verlauf der Immunantwort auf diesen Keim spezialisierten Immunzellen nicht rechtzeitig und in ausreichender Zahl in Marsch gesetzt werden, um im Bild des Krieges zu bleiben. „Das zeigt, von welch fundamentaler Bedeutung diese erste Verteidigungslinie ist, die bei den Bürstenzellen beginnt“, ordnet Gabriela Krasteva-Christ die Beobachtungen ihrer Mitarbeiterinnen ein.

Hintergrund:
Die Studie ist im Rahmen des Sonderforschungsbereiches „TRR 152 – Steuerung der Körper-Homöostase durch TRP-Kanal-Module“ (federführend: LMU München) entstanden. Überdies ist die Veröffentlichung durch die enge Zusammenarbeit zwischen der Universität des Saarlandes und dem Helmholtz-Institut für Pharmazeutische Forschung Saarland (HIPS), das führend in der Erforschung bakterieller Wirkstoffe ist, unterstützt worden. Die Studie ist am 3. Mai vor der noch ausstehenden Publikation als so genannter In-Press Preview erschienen.

Quelle: Universität des Saarlandes


Originalpublikation: Monika I. Hollenhorst et al.; Bitter taste signaling in tracheal epithelial brush cells elicits innate immune responses to bacterial infection; J Clin Invest., 2022 May 3:e150951, DOI: 10.1172/JCI150951

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