AKTUELLE PROJEKTE
In den kommenden vier Jahren liegt der Fokus der Forschung des LFV INFECTIONS auf der Ausbreitung antimikrobiell resistenter Mikroben in einer zunehmend urbanisierten Gesellschaft. Die stark interdisziplinäre und kooperative Forschungsagenda der 18 teilnehmenden Leibniz-Institute und drei externer Partner ermöglicht die Entwicklung langfristiger Synergien, um aktuelles Wissen zu erweitern, zur Entwicklung von Gegenmaßnahmen beizutragen und politische Empfehlungen zu geben.
Die insgesamt sechs Projekte, die Interdisziplinären Projekt Teams (IPT1-6), die in den kommenden vier Jahren durch die gebündelte und multidisziplinäre Expertise der Projektpartner bearbeitet werden, umspannen natürliche, landwirtschaftlich genutzte und urbane Bereiche. Dabei wird u. a. der Einfluss von Wasser, verschiedenen Fliegenarten und Eindämmungsmaßnahmen in Krankenhäusern auf die Erregerverbreitung untersucht.
Im Zentrum dieser Förderperiode steht ein virtueller Transekt - also eine gedachte Linie, an der an verschiedenen Punkten Messungen durchgeführt bzw. Proben genommen werden. Dieser Transekt beinhaltet landwirtschaftliche, natürliche und städtische Lebensräume, entlang dessen die Projekte ausgerichtet sind (siehe Abbildung).
Unser zentrales Ziel ist es, die Ausbreitung von Antibiotika-resistenten Keimen zwischen Nutztieren, der Umwelt und dem Menschen zu verstehen. Dazu dient das IPT1 innerhalb des Leibniz-Forschungsverbunds INFECTIONS als zentraler Knotenpunkt für die bakteriologische, molekularbiologische und spektroskopische Identifizierung resistenter Bakterien sowie für bioinformatische Analysen umfangreicher, genomischer Sequenzierungsdaten. Die metagenomische Sequenzierung von DNA aus Proben, die in den anderen IPTs gesammelt wurden, wird kultivierungsunabhängige Informationen über die Vielfalt und Häufigkeit Antibiotika-resistenter Bakterien liefern. Wir werden Short-read- und Long-read DNA-Sequenzierung, spezifische Bioinformatik-Pipelines und öffentliche Datenbanken kombinieren, um Antibiotikaresistenzgene und -mutationen zu identifizieren. Anschließend werden besonders interessante Resistenzen (z. B. verbreitete Resistenzgene) in einer größeren Anzahl von Proben mit Hilfe der quantitativen PCR nachverfolgt. In selektiven Kultivierungsmedien werden Antibiotika-resistente Krankheitserreger aus Umweltproben isoliert. Die Bakterienisolate werden auf ihre Antibiotikaempfindlichkeit getestet und ihre Zellreaktionen auf Antibiotika werden mit Hilfe der Raman-Spektroskopie charakterisiert. Außerdem werden die Genome ausgewählter Bakterienisolate sequenziert, um die Quellen von Antibiotikaresistenz in der Umwelt zu ermitteln, z. B. aus Fliegen (IPT4), Hygienestudien (IPT5) und offenen Gewässern (IPT6).
Teilnehmende Institute: DSMZ, IPHT, IGB, IÖR, IZW
Die Entwicklung antimikrobieller Resistenzen (AMR) wird zu einem immer dringlicheren Problem in unserer Welt. Da immer mehr Mikroorganismen eine Resistenz gegen antimikrobielle Substanzen entwickeln, wird es immer schwieriger, Infektionskrankheiten zu bekämpfen, die bisher gut behandelbar waren. Im Rahmen des Interdisziplinären Projektteams 2 (IPT2) konzentrieren wir uns in erster Linie auf Mikroben, die Infektionen der Lunge verursachen können und von denen bekannt ist, dass sie Resistenzen gegen antimikrobielle Substanzen entwickeln können. Diese Infektionen treten in der Regel nicht bei gesunden Menschen auf, können aber bei Menschen mit abgeschwächtem Immunsystem oder Lungenkrankheiten wie Mukoviszidose vorkommen. Häufig verursachen diese Mikroorganismen nicht allein Infektionen, sondern bilden hochstrukturierte polymikrobielle Gemeinschaften, die als "Biofilme" bekannt sind. Angesichts der hohen Zelldichten und der Artenvielfalt ist es nicht verwunderlich, dass physikalische und soziale Wechselwirkungen innerhalb gemischter Biofilme zu Kooperation oder Wettbewerb zwischen den Zellen führen können, was evolutionäre Veränderungen von Eigenschaften der Mitglieder einer Biofilmgemeinschaft zur Folge haben kann, einschließlich der Entwicklung einer antimikrobiellen Resistenz, um nur eine mögliche Konsequenz aus einer mikrobiellen Evolution zu nennen. Angesichts der rasanten Entwicklung von Antibiotikaresistenzen und der Folgen für die Behandlung von Infektionskrankheiten ist es daher äußerst wichtig zu verstehen, wie sich die Mikroorganismen in gemischten Biofilm-bildenden Konsortien weiterentwickeln und an neue Umgebungen anpassen.
Im Rahmen des aktuellen Vorhabens wollen wir die Wechselwirkungen zwischen pulmonalen Opportunisten und auftretenden antimikrobiellen Resistenzen in gemischten Biofilmen untersuchen, wobei wir einen besonderen Schwerpunkt auf bakterielle und mykotische Erreger legen, die eine bedeutende Rolle bei Mukoviszidose-Patienten spielen, wie z.B. Stenotrophomonas maltophilia und Candida albicans. Um die Bedingungen des menschlichen Atmungssystems nachzuahmen und die Komplexität der in vivo Situation in einem in vitro Modell zu erreichen, werden wir die Biofilmgemeinschaften in physiologisch relevanten Zellkultursystemen an der Luft-/Flüssigkeits-Grenzfläche untersuchen.
Teilnehmende Institute: FZB, HKI, DPZ, DSMZ, LIV, IPHT, ISAS
Der zunehmende Einsatz von Antibiotika im Gesundheitswesen und in der Landwirtschaft treibt die antimikrobielle Resistenz voran. Fehlende Regularien und Kontrollmechanismen auf lokaler, nationaler und internationaler Ebene führen dazu, dass einige Länder bereits alarmierenden Raten antimikrobiell resistenter Krankheitserreger aufweisen. Eine Entwicklung mit schwerwiegenden Folgen für die Weltbevölkerung. Experten schätzen, dass bis 2050 jedes Jahr zehn Millionen Menschen an gewöhnlichen Infektionen sterben werden, die dann nicht mehr behandelbar sind. Das zentrale Ziel dieses Forschungsprojekts ist es, einen weltweit optimalen Einsatz von Antibiotika zu unterstützen. Der Fokus dieses Projekts liegt insbesondere auf zwei Bereichen: Zum einen der Verringerung des Einsatzes von Antibiotika, in Bereichen in denen diese ineffizient sind und zum anderen in der Förderung eines gleichberechtigten Zugangs zu hochwertigen Antibiotika. Fehlende Aufsichts- und Kontrollmechanismen sowie fehlende Tests und Diagnostik führen zu einem erhöhten Einsatz von Antibiotika, weit über das sozial verträgliche Niveau hinaus. Daher wird diese Projekt Maßnahmen zur besserer Diagnostik, und die Rolle von Informationen und Transparenz für die Eindämmung der Antibiotikaresistenz bewerten. Im Rahmen des Projektes werden Interventionen auf Mikro- und Makroebene ausgewertet und deren Kosten und Nutzen gegenübergestellt und politische Handlungsempfehlungen gegeben.
Teilnehmende Institute: BNITM, GIGA, FZB, IfW
In dem Projekt IPT4 geht es um Vektorökologie. Vektoren wie Fliegen sind in der Lage, verschiedene Pathogene wie zum Beispiel Bakterien, Viren, Pilze und Parasiten zu verbreiten. Die Hausfliege (Musca domestica) kann Bakterien über eine Distanz von 5-7 km transportieren. Sie ernährt sich von verrottendem organischem Material und Tierexkrementen und legt dort auch ihre Eier ab. Aufgrund ihrer koprophagischen Lebensweise nimmt sie Bakterien auf und ist in der Lage, diese später durch Regurgitation und Defäkation auf menschliche Lebensmittel zu übertragen. Durch den häufigen und präventiven Gebrauch von Antibiotika in der Tierhaltung kommt es zur Entstehung von antimikrobiell resistenten Bakterien. Diese Bakterien werden von den Fliegen aufgenommen und können von Tierhaltungsanlagen in den urbanen Raum eingetragen werden, wo sie schwere nosokomiale Infektionen auslösen können. Um zu verstehen, wie Fliegen die Bakterien zwischen verschiedenen Landschaftsstrukturen hin und her tragen, wird ein „Mark-Release-Recapture“ Versuch initiiert. Dafür werden adulte Fliegen (Musca domestica) gefangen, mit Farben markiert und wieder freigelassen. Anschließend wird die Wiederfangrate bestimmt. Diese Versuchsansatz soll helfen, die Flugradien und Habitatbindung der Hausfliege besser zu verstehen. Außerdem sollen Strategien ermittelt werden, die die Ausbreitung von antimikrobiell resistenten Bakterien behindern. Weitergehend soll in einem Laborversuch untersucht werden, ob sich die Bakterien in der Fliege vervielfältigen. Die drei Larvenstadien der Hausfliege entwickeln sich in den Tierexkrementen und nehmen dabei Bakterien auf. Von besonderem Interesse ist es, ob diese Bakterien die Metamorphose des Insekts überleben. Das Augenmerk liegt vor allem darauf, ob die antimikrobiellen Bakterien nach der Histolyse eher in den Puparien zu finden sind oder in den frisch geschlüpften Imagines.
Insgesamt soll dies Forschungsprojekt also dazu beitragen, zu verstehen, wie antimikrobiell resistente Bakterien die verschiedenen Stadien des Lebenszyklus der Hausfliege überstehen und wie diese von der Fliege verbreitet werden.
Teilnehmende Institute: ZALF, DSMZ, ATB, IÖR
Im Rahmen des Interdisziplinären Projekt Teams 5 (IPT5) arbeiten das ATB und seine Partner intensiv zusammen, um die Übertragungsmechanismen von antimikrobiellen Resistenzen (AMR) in der Nutztierhaltung zu ermitteln und mögliche Interventionsmaßnahmen abzuleiten. Wir vergleichen das Auftreten von AMR bei typischen konventionell gehaltenen Schweinen in einer standardmäßigen und einer verbesserten hygienischen Umgebung (durch den Einsatz von Insektiziden, Fliegenfallen, verstärkter Desinfektion und Staubreduktion). Darüber hinaus wird der antibakterielle Effekt verschiedener Futterzusätze im Vergleich zum Standardfuttermittel ohne Zusätze verglichen, basierend auf der mikrobiellen Besiedlung im Darm von Ferkeln während der frühen Mastperiode. In enger Zusammenarbeit mit anderen INFECTIONS-Partnern wird das Überleben und die Vermehrung von AMR-Mikroben im Schweinekot, Staub und Fliegen unter allen Bedingungen analysiert. Die Häufigkeit von AMR wird anhand von bakteriologischen Methoden, PCR und kultivierungsunabhängiger DNA-Sequenzierung ermittelt. Mit Unterstützung anderer IPTs werden die Ergebnisse genutzt, um Maßnahmen und potenzielle Strategien zur Eindämmung der Ausbreitung von AMR in der kommerziellen Tierhaltung zu definieren. Dadurch soll die potenzielle Kontamination der Umwelt (z. B. von Oberflächengewässern bei Verwendung kontaminierter Gülle als organischer Dünger) reduziert werden.
Teilnehmende Institute: ATB, DSMZ, ZALF, HKI, IPHT, IÖR, VRC
Die Weltgesundheitsorganisation (World Health Organization, WHO) hat die antimikrobielle Resistenz (AMR) zu einer der zehn größten Bedrohungen für die öffentliche Gesundheit in der Gegenwart und in naher Zukunft erklärt. Laut WHO wird AMR innerhalb einer Generation katastrophale Auswirkungen haben, wenn nicht endlich ein dringender und wirksamer globaler Plan zur Eindämmung umgesetzt wird. Nach Schätzungen einer aktuellen Studie basierend auf Daten aus 204 Ländern standen 2019 1,27 Millionen Todesfälle im Zusammenhang mit AMR-Bakterien. Eine der Herausforderungen bei der Überwachung von AMR-Organismen und antimikrobiellen Resistenzgenen (ARGs) ist ihre ubiquitäre Verbreitung, d. h. sie kommen in der Regel in Menschen, Tieren, Pflanzen, Mikroben und in der Umwelt wie Wasser, Boden und Luft vor. Insbesondere Wasser spielt eine Schlüsselrolle als Vektor und Reservoir für die Übertragung von AMR in städtischen und ländlichen Gebieten. Unsere vorläufigen Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Häufigkeit von AMR in städtischen Gewässern und Sedimenten im Vergleich zu ländlichen Gewässern wesentlich höher ist. Darüber hinaus wird beobachtet, dass Sedimente in ländlichen Seen und Wasser aus landwirtschaftlichen Flächen aufgrund des häufigen Einsatzes von Antibiotika in der Viehzucht eine wichtige Quelle für AMR in der Umwelt darstellen. IPT5 zielt darauf ab, weitere Erkenntnisse über die Ausbreitung von AMR aus Kläranlagen in die Umwelt zu gewinnen und die Humanisierung des Mikrobioms von städtischem Wasser zu charakterisieren. Insbesondere die Verwendung von Long-Read-Sequenzierung in diesem Projekt wird es ermöglichen, mobile genetische Elemente (MGEs) wie Plasmide und genomische Inseln (GIs) und damit eine höhere Auflösung in der Metagenomanalyse zu erzielen. Außerdem wird eine Risikobewertung durchgeführt, um die Umweltexposition gegenüber ARGs zu beurteilen. Die Ergebnisse aus diesem Projekt werden es ermöglichen, die Häufigkeit und Diversität von AMR und den sie tragenden Bakterien direkt mit anderen Erkenntnissen zu verknüpfen und in Zusammenarbeit mit weiteren Verbundpartnern des Leibniz-Forschungsverbunds INFECTIONS einen breiten Überblick über AMR-Profile in verschiedenen Gewässern und potenziellen Krankheitsüberträgern in der Region Berlin-Brandenburg zu geben.