Phagenspezifische vielfältige Auswirkungen von Bakterienviren auf das Immunsystem

„Mit der zunehmenden Bedrohung durch Antibiotikaresistenzen ist das Interesse an der Phagentherapie (PT) als mögliche Lösung für diese Krise rasant gestiegen. In jüngster Zeit wurden mehrere Berichte veröffentlicht, die eine erfolgreiche Behandlung von Patienten mit lebensbedrohlichen antibiotikaresistenten bakteriellen Infektionen beschreiben, darunter Empfänger von Lungenalltransplantaten und die Behandlung mit gentechnisch veränderten Phagen. Darüber hinaus wurde in den USA das erste PT-Center eröffnet, nachdem in Belgien eine ähnliche Einheit gegründet wurde. Diese Entwicklungen bestätigen unsere Entscheidung, 2005 die erste solche Einheit zu gründen, die in Übereinstimmung mit der UKORE und den nationalen Vorschriften arbeitet, was dazu beigetragen hat, den Weg für zukünftige Fortschritte in der PT als Option zur Bekämpfung der Krise der Antibiotikaresistenz zu ebnen. Ausgiebige Beweise aus Beobachtungsstudien deuten auf die Sicherheit von PT hin. Darüber hinaus wurden mehrere klinische Studien abgeschlossen (darunter eine nach allen erforderlichen Standards der guten medizinischen Praxis und der evidenzbasierten Medizin) und laufen. Diese Studien müssen jedoch noch den endgültigen Nachweis der Wirksamkeit von PT[1-4] erbringen. Während der Kampf um die Registrierung und Markteinführung von Phagen als Arzneimittel weitergeht, haben sich parallele Daten angesammelt, die darauf hindeuten, dass Phagen nicht nur mit Bakterien, sondern auch mit eukaryontischen Zellen (einschließlich Zellen des Immunsystems) interagieren können. Daher kann nicht ausgeschlossen werden, dass sich die Forschung in Zukunft, nach der Phagenentdeckung, in Richtung Phagen-Immunsystem-Interaktionen verlagern wird, während bisher die Arbeit an Phagen-Interaktionen mit ihrem natürlichen Ziel (Bakterien) dominiert hat. Es bleibt zu hoffen, dass gleichzeitige Fortschritte in beiden Forschungsbereichen positive Ergebnisse für die menschliche Gesundheit bringen können, sowohl bei der Bekämpfung antibiotikaresistenter bakterieller Infektionen als auch bei der Entwicklung neuer entzündungshemmender und immunmodulatorischer Wirkstoffe mit minimaler Toxizität und zufriedenstellender Wirksamkeit[4,5].

Wir haben eine Hypothese formuliert, die besagt, dass im Darm vorhandene Phagen in Blut, Lymphe und Organe wandern können, entzündungshemmende Effekte vermitteln und zur immunologischen Toleranz und Immunhomöostase beitragen – sowohl in situ als auch an anderen Stellen des Körpers[6]. Die Studienergebnisse bestätigen dies und darüber hinaus durchlaufen täglich über 30 Milliarden Phagen eine Transcytose des Darmepithels und verteilen sich auf Blut, Lymphe und Organe[7]. Darüber hinaus können auch andere Zelltypen, einschließlich Immunzellen, über den endozytischen Weg Phagen aufnehmen[8].

Das neu entstehende Konzept des Phagen, das nicht nur bakterielle Raubtiere, sondern auch potenzielle entzündungshemmende und immunmodulierende Substanzen umfasst, bedarf einer detaillierten weiteren Untersuchung. Ein kritischer Punkt, der geklärt werden muss, ist die Phagen-Spezifität bei der Vermittlung bestimmter Immunreaktionen. Phagen sind bekannt für ihre seit Jahrzehnten etablierte hohe Spezifität gegenüber Bakterien, die in der Phagentypisierung zur Klassifizierung verschiedener Bakterienstämme eingesetzt wird. Sind immunotrope Aktivitäten auch phagenspezifisch oder induzieren Phagen ähnliche Reaktionen, unabhängig vom Phagentyp?

Es wird angenommen, dass Phagenkapsidproteine in erster Linie für die biologischen Eigenschaften des Phagen verantwortlich sein können, die nicht mit Wechselwirkungen mit Bakterien zusammenhängen. Diese Proteine unterscheiden sich in ihrer Immunogenität und können unterschiedliche Antikörperreaktionen auf Phagen hervorrufen, was auch vom Verabreichungsweg abhängt. Darüber hinaus können verschiedene Stämme eines homologen Phagen, die ein bestimmtes Bakterium erkennen, verschiedene Proteine exprimieren[9,10] und dem Phagen verschiedene Funktionen verleihen (z.B. Persistenz im Kreislauf und antimetastatische Effekte). So ist beispielsweise eine T4-Phagenmutante, HAP1, mit einem nicht-funktionalen Hoc-Protein anfälliger für die Kupffer-Zellen der Leber und wird schneller gereinigt als ihr elterlicher Stamm. Auch gibt es Unterschiede zwischen HAP1 und T4 Phagen in ihren Wechselwirkungen mit T-Zellen und Fibrinogen[11,12].
Erste Studien über die Auswirkungen von Phagen auf andere Immunfunktionen deuten darauf hin, dass die Auswirkungen je nach Phagentyp auch unterschiedlich sein können. So hemmt beispielsweise der gereinigte T4-Coliphagen die über den CD3-TCR-Komplex induzierte menschliche T-Zellproliferation, während der gereinigte Staphylokokkenphagen einen co-stimulatorischen Effekt ausübt[12]. Eine detaillierte Studie über Staphylokokken und Pseudomonas Phagen ergab, dass, obwohl diese Phagen ähnliche Reaktionen in mononukleären Zellen des menschlichen peripheren Blutes induzierten, durch Hochregulation der Genexpression von entzündungshemmenden Zytokinen IL-1-Rezeptorantagonisten und von Suppressoren des Zytokinsignals 3, ihr Einfluss auf andere Immunfunktionen auf den spezifischen Phagen beschränkt war. Ein protolerogenes und entzündungshemmendes Zytokin IL-10 wurde von allen getesteten Pseudomonas-Phagen induziert, aber nicht von einem Staphylokokken-Phagen. Andererseits verursachte der letztgenannte Phagen TNFα, während nur zwei von vier untersuchten Pseudomonas-Phagen ähnliche Effekte hatten. Darüber hinaus wurde das TLR4-Gen ausschließlich von einem Pseudomonas PMN-Phagen herunterreguliert, was auf seine entzündungshemmende Wirkung hindeutet (die TLR4-Aktivierung bewirkt die Sekretion von proinflammatorischen Zytokinen)[13]. Die Vielfalt der Phagenwirkung auf das Immunsystem wurde auch durch neuere Daten bestätigt, die zeigen, dass ein filamentöser Pseudomonas Pf Phagen die TNF-Produktion und Phagozytose hemmt, während Escherichia coli filamentöser Folphagen keine solchen Effekte hat[8]. Darüber hinaus deuten unsere Daten darauf hin, dass sowohl T4-Coliphagen als auch A5/80 Staphylococcus aureus phage die Expression von menschlichen Adenovirus-Genen signifikant reduzieren, aber die Synthese viraler DNA wird nur durch T4-Coliphagen gehemmt[14]. Darüber hinaus gibt es Hinweise darauf, dass gemäßigte und lytische Phagen sich in ihrer Wirkung auf das Immunsystem unterscheiden können[8]. Tatsächlich sind Prophezeiungen der Hauptfaktor für die bakterielle Heterogenität des Immunsystems zwischen den Stämmen, die sich als Variation der adaptiven T- und B-Zell-Immunreaktionen von menschlichen Lymphozyten in vitro auf S. aureus und Streptococcus pyogenes manifestiert[15].

Immunmodulatorische und entzündungshemmende Effekte von Phagen können auch zell- und gewebespezifisch sein. Die intranasale Verabreichung von 536_P1 (aber nicht LM33-P1) Coliphage bei Mäusen mit experimenteller Lungenentzündung führte zu einem Anstieg der antiviralen Lungenzytokine und Chemokine. Keiner der beiden Phagen evozierte Veränderungen im Blutzytokin-/Chemokinspiegel, was auch darauf hindeutet, dass Phageneffekte auf das Immunsystem verschiedene Manifestationen in verschiedenen Kompartimenten des Körpers haben können[16]. Die Fähigkeit des Phagen, gewebespezifische Aktivität zu vermitteln, wird von Pincus et al.[17] bestätigt, wo der Staphylokokkenphagen nicht proinflammatorische Zytokine in mononukleären Zellen des menschlichen peripheren Blutes induziert hat, sondern IFN-γ in menschlichen Keratinozyten induziert haben kann. Darüber hinaus haben wir gezeigt, dass A5/80 Staphylokokkenphagen die Expression von Il-2 in der A549-Zelllinie erhöhen[18]; eine Aktivität, die für die Phagenwirkung auf andere Zelltypen in In-vitro-Studien noch nicht berichtet wurde. Ein Anstieg der Serum-Il-2-Spiegel als Reaktion auf die Verabreichung von Phagen wurde kürzlich auch bei Mäusen berichtet, die mit Acinetobacter baumannii Phagen behandelt wurden, aber ihre zelluläre Quelle ist unbekannt[19].

Wie bereits erwähnt, deuten jüngste Daten darauf hin, dass Phagen von Säugetierzellen und einer großen Anzahl von Transcytosen über Darmepithelzellen verinnerlicht werden können, während Immunzellen auch Phagen internalisieren, insbesondere dendritische Zellen (DCs), Monozyten und B-Zellen[7,8]. Vor kurzem haben wir eine deutliche phagenabhängige Stimulation des Hsp72-Gens beschrieben[18]. Diese Induktion eines bekannten zellulären Chaperons kann ein Mechanismus zum Schutz von Zellen sein, die sich einer Transcytose unterziehen, vor einer möglichen Verletzung durch intrazelluläre Phagen. Darüber hinaus ist bekannt, dass Hsp72 die T-Zellproliferation und die Zytokinsekretion unabhängig von den verwendeten Reizen verringert und die DC-Fähigkeit zur Stimulation allogener T-Zellen hemmt. Dies kann darauf hindeuten, dass Hsp72 als Immunmodulator verwendet werden könnte[20]. Es wurde auch gezeigt, dass es experimentelle Arthritis bei Ratten unterdrückt[21]. Wir haben berichtet, dass Phagen die Entwicklung von kollageninduzierter Arthritis bei Mäusen hemmen kann, einem experimentellen Modell der rheumatoiden Arthritis[22]. Interessanterweise wurde in diesem Modell auch gezeigt, dass Hsp72 Arthritis unterdrückt[23]. Es kann durchaus sein, dass die phagenabhängige Induktion von Hsp72 zumindest teilweise für die Hemmung der durch den Phagen verursachten anormalen Immunreaktionen (einschließlich Autoimmunität und Hyperinflammation) verantwortlich ist[24].
Phageninteraktionen mit Immunzellen können von spezifischen Phagenrezeptoren abhängig sein, die diese Interaktionen ermöglichen. Über die Art solcher Rezeptoren sind derzeit nur wenige Daten verfügbar. Pruzzo et al.[25] schlugen vor, dass die Koliphagen T3 und T7 mit ihren Rezeptoren für Klebsiella pneumoniae an Epithelzellen haften könnten. Unsere Hypothese deutete auf eine Lys-Gly-Asp (KGD)-Sequenz hin, die in einem der Kapsidproteine des T4-Phagen als potenzieller Ligand für Zellintegrin-Rezeptoren vorliegt[24]. Lehti et al. zeigten, dass E. coli Phage Neuroblastomzellen erkennen und binden kann, die Polysialinsäure auf ihrer Oberfläche aufweisen[26]. Wenn Polysialinsäure tatsächlich ein Ligand für Rezeptoren einiger Phagen ist, könnte es diesen Phagen ermöglichen, an Immunzellen zu binden, da das Vorhandensein von Polysialinsäure auch an menschlichen DCs, NK-Zellen und einer Subpopulation von T-Zellen nachgewiesen wurde[27,28]. So ist es wahrscheinlich, dass verschiedene Phagen verschiedene zelluläre Liganden verwenden können, um sich an Zielzellen einschließlich derjenigen des Immunsystems zu binden und zu transzytosieren. Insbesondere kann bereits eine einzige Aminosäuresubstitution in einem Phagenkapsidprotein eine >1000fache Verbesserung des Phagenüberlebens im Mauskreislauf bewirken, was wahrscheinlich modifizierte Wechselwirkungen zwischen Phagen und Phagozyten (und vielleicht anderen Zellen endozytosierenden Phagen) widerspiegelt[29].

Phagen zielen nicht nur auf bestimmte Bakterien, sondern können – zumindest teilweise – auch phage-spezifische Immunantworten verursachen. Diese Ergebnisse eröffnen ein neues spannendes Feld für die weitere Forschung über die Bedeutung solcher Reaktionen für Gesundheit und Krankheit. Darüber hinaus deuten diese Daten darauf hin, dass ein bestimmter Phagen optimal für die Verwendung in PT aus verschiedenen Phagenstämmen ausgewählt werden könnte, die ein bestimmtes Bakterium erkennen, wobei sowohl seine antibakterielle Aktivität als auch die Art der Immunantwort, die es hervorrufen kann, berücksichtigt werden. Dies ist wichtig bei Patienten mit Immundefiziten, Autoimmunität, Allotransplantatempfängern usw., die – je nach Art ihrer Erkrankung – eine Immunstimulation oder Immunsuppression benötigen. Offensichtlich können weitere Forschungen auf diesem Gebiet den Weg für den Einsatz spezifischer Phagen in der Immunmodulation ebnen.“

Übersetzung der Quelle: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6802706/

Phage-specific diverse effects of bacterial viruses on the immune system
Andrzej Górski, Ryszard Międzybrodzki, Ewa Jończyk-Matysiak, Maciej Żaczek, and Jan Borysowski