Molekulare Markierung ermöglicht schnellere Tuberkulosetests
Tuberkulose, die tödlichste Infektionskrankheit der Welt, infiziert schätzungsweise jährlich rund 10 Millionen Menschen und fordert jährlich über eine Million Todesopfer. Einmal in der Lunge angekommen, hilft die dicke Zellwand des Bakteriums dem Bakterium, das Immunsystem des Wirtes zu bekämpfen.
Ein Großteil der Zellwand besteht aus komplexen Zuckermolekülen, den sogenannten Glykanen. Es ist jedoch noch nicht vollständig verstanden, wie diese Glykane zur Abwehr der Bakterien beitragen. Ein Grund dafür ist, dass es bisher keine einfache Möglichkeit gab, sie in den Zellen zu markieren.
Chemiker des MIT haben dieses Hindernis nun überwunden und gezeigt, dass sie ein Glykan namens ManLAM mit einem organischen Molekül markieren können, das mit bestimmten schwefelhaltigen Zuckern reagiert. Diese Zucker kommen nur in drei Bakterienarten vor, von denen Mycobacterium tuberculosis , der Erreger der Tuberkulose, die bekannteste und am weitesten verbreitete ist.
Nach der Markierung des Glykans konnten die Forscher visualisieren, wo es sich innerhalb der bakteriellen Zellwand befindet, und untersuchen, was während der ersten Tage einer Tuberkuloseinfektion mit den Immunzellen des Wirts damit passiert.
Glykane befinden sich auf den Oberflächen der meisten Zellen und erfüllen dort wichtige Funktionen, beispielsweise die Vermittlung der Kommunikation zwischen Zellen. Bakterien helfen Glykane beim Eindringen in Wirtszellen und scheinen auch mit dem Immunsystem des Wirts zu kommunizieren, was in manchen Fällen die Immunantwort blockiert.
„ Mycobacterium tuberculosis hat im Vergleich zu anderen Bakterien eine sehr komplexe Zellhülle, eine komplexe Struktur, die aus vielen verschiedenen Glykanen besteht“, sagt Smelyansky. „Was oft unterschätzt wird, ist die Tatsache, dass diese Glykane auch mit unseren Wirtszellen interagieren können. Wenn unsere Immunzellen diese Glykane erkennen, können sie statt eines Gefahrensignals die gegenteilige Botschaft aussenden: Es besteht keine Gefahr.“
Glykane sind bekanntermaßen schwer mit Sonden zu markieren, da sie im Gegensatz zu Proteinen oder DNA keine spezifischen Sequenzen oder chemischen Reaktivitäten aufweisen, die gezielt angesteuert werden könnten. Und im Gegensatz zu Proteinen sind sie nicht genetisch kodiert. Daher können Zellen nicht gentechnisch so verändert werden, dass sie mit fluoreszierenden Markern wie dem grün fluoreszierenden Protein markierte Zucker produzieren.
Eines der wichtigsten Glykane in M. tuberculosis , bekannt als ManLAM, enthält einen seltenen Zucker namens MTX. Dieser ist ungewöhnlich, da er einen Thioether aufweist – ein Schwefelatom zwischen zwei Kohlenstoffatomen. Diese chemische Gruppe bot die Möglichkeit, einen kleinen Molekülmarker zu verwenden, der zuvor zur Markierung von Methionin entwickelt worden war, einer Aminosäure mit einer ähnlichen Gruppe.
Die Forscher zeigten, dass sie dieses Oxaziridin-Markierungselement verwenden konnten, um ManLAM in M. tuberculosis zu markieren . Sie verknüpften das Oxaziridin mit einer fluoreszierenden Sonde und zeigten, dass dieses Markierungselement bei M. tuberculosis in der äußeren Schicht der Zellwand sichtbar war. Als die Forscher das Markierungselement Mycobacterium smegmatis aussetzten , einem verwandten Bakterium, das keine Krankheiten verursacht und den Zucker MTX nicht besitzt, sahen sie kein Fluoreszenzsignal.
„Dies ist der erste Ansatz, der es uns wirklich selektiv ermöglicht, ein bestimmtes Glykan zu visualisieren“, sagt Smelyansky.
Bessere Diagnostik
Die Forscher zeigten außerdem, dass sie nach der Markierung von ManLAM in M. tuberculosis- Zellen die Infektion der Zellen mit Immunzellen, sogenannten Makrophagen, verfolgen konnten. Einige Tuberkuloseforscher hatten die Hypothese aufgestellt, dass die Bakterienzellen ManLAM im Inneren einer Wirtszelle absondern und die freigesetzten Glykane dann mit dem Immunsystem des Wirts interagieren. Das MIT-Team stellte jedoch fest, dass das Glykan offenbar zumindest während der ersten Tage der Infektion in den bakteriellen Zellwänden verbleibt.
„Die Bakterien haben noch ihre Zellwände. Es kann also sein, dass etwas Glykan freigesetzt wird, der Großteil jedoch auf der Oberfläche der Bakterienzellen verbleibt, was bisher nie gezeigt wurde“, sagt Smelyansky.
