Rolle von Pseudomonas Aeruginosa-Biofilmen bei Exazerbationen bei Patienten mit Bronchiektasen mit und ohne chronisch obstruktiver Lungenerkrankung

In diesem Projekt wird der Zusammenhang zwischen einer chronischen PA-Infektion in den Atemwegen und der Bildung von Biofilmen bei den folgenden Patientenpopulationen untersucht: 1-Bronchiektasen ohne Mukoviszidose (BQ) und 2-Bronchiektasen mit chronisch obstruktiver Lungenerkrankung (BQ-EPOC). Das Hauptziel besteht darin, den Zusammenhang zwischen chronischer Infektion durch PA, Vorhandensein von PA-Biofilmen und der schlimmsten Krankheitsentwicklung zu bestimmen, die hauptsächlich anhand der Anzahl der Exazerbationen pro Jahr (primäres Ergebnis) Tage bis zur nächsten Exazerbation, Lebensqualität und Forcierung gemessen wird Exspirationsvolumen (FEV1) und entzündliche Biomarker (sekundäre Ergebnisse). Dazu werden diese Parameter bei Patienten mit chronischer Infektion durch PA und mit Vorhandensein von Biofilmen von PA im Sputum (identifiziert durch FISH-CLSM) mit Patienten mit PA ohne chronische Infektion und ohne Biofilme (Kontrolle negativ) in jeder Studie verglichen Population (BE und BE-COPD). Die Ermittler analysieren nach der Rekrutierung und nacheinander (3 Bestimmungen) verschiedene Aspekte der Biofilme, die in der Methodik detailliert beschrieben sind. Darüber hinaus werden die Forscher durch den Vergleich des Mikrobioms vor, während und nach jeder Exazerbation versuchen, die mikrobiellen Muster zu identifizieren, die ein höheres Exazerbationsrisiko mit sich bringen, solche mit einer schützenden Rolle gegen chronische PA-Infektionen und deren Beziehung zu Biofilmen.

Die Diagnose von Biofilmen ist noch nicht routinemäßig in der klinischen Praxis für Infektionen mit chronisch obstruktiver Lungenerkrankung (COPD) und NonCF-Bronchiektasie (BE) implementiert. Die ersten Leitlinien für die Diagnose und Behandlung von Biofilminfektionen wurden 2015 veröffentlicht und umfassten viele Biofilm-assoziierte Infektionen, aber nicht COPD oder BE. Tatsächlich gibt es nur sehr wenige Studien zum Vorhandensein von PA-Biofilmen in diesen Populationen und zu ihrer potenziellen Rolle bei Exazerbationen. Es gibt jedoch solide wissenschaftliche Beweise dafür, dass PA-Biofilme mit chronischen Atemwegsinfektionen bei Patienten mit zystischer Fibrose (CF) in Verbindung gebracht werden und die Hauptursache für deren erhöhte Morbidität und Mortalität sind. Es wurde berichtet, dass sich PA während einer chronischen PA-Lungeninfektion bei CF an verschiedene Nischen in der Lunge anpasst. Im Sputum sind sowohl schleimige (Biofilme) als auch nicht-schleimige (planktonische) Bakterien vorhanden. Zellen mit höherer Mutationsrate entwickeln eine Multiresistenz gegen viele Antibiotika und ihre Wachstumsrate in situ ist geringer, da Bakterien ihren Stoffwechsel bedingt durch einen hohen polymorphkernigen Sauerstoffverbrauch verlangsamen. Bisher wurde jedoch nichts davon bei Patienten mit BE beschrieben; Tatsächlich gibt es nur sehr wenige Studien zum Vorhandensein von PA-Biofilmen in diesen Populationen, und ihre Rolle bei den Exazerbationen wurde nicht nachgewiesen. Darüber hinaus gibt es kaum Hinweise auf einen Zusammenhang der Mikrobiom-Dysbiose mit chronischer Besiedelung durch PA und während Exazerbationen.

Chronische Besiedelung durch PA liegt bei 12-27 % der Patienten mit BE und BE-COPD vor und führt zu einer schlechteren Prognose (3-fach erhöhtes Sterblichkeitsrisiko) und bis zu 7-fach erhöhtem Risiko einer Krankenhauseinweisung, mit durchschnittlich einer zusätzlichen Exazerbation pro Patient und Jahr. Bei diesen Patienten ist die Eradikation der PA schwierig, obwohl eine adäquate antimikrobielle Behandlung die Bakterienlast und die Anzahl der Exazerbationen reduziert und die Lungenfunktion und Lebensqualität verbessert. Eine der größten Herausforderungen bei Patienten mit BE ist die Eradikation von PA, insbesondere während der frühen Stadien der Kolonisierung durch diesen Erreger. In dieser Situation wird eine aggressive Antibiotikabehandlung empfohlen. Diese Ausrottung scheitert jedoch in einem nennenswerten Prozentsatz der Fälle. Neben der Zunahme der Multiresistenz bei PA, auch gegenüber Chinolonen, ist seine Fähigkeit, Biofilme zu bilden und darin zu überleben, einer der Gründe für die gescheiterte Eradikation. Obwohl das Vorhandensein von PA im Sputum ein Faktor für eine schlechte Prognose bei BE ist, wurden Biofilme im Sputum dieser Populationen noch nicht identifiziert und charakterisiert (d. h. ihr Vorhandensein, ihre Größe, ihre Menge an Alginat und ihr Stoffwechselstatus). Kürzlich wurde das Vorhandensein von Biofilmen in Proben der bronchoalveolären Lavage (BAL) durch konfokale Laser-Scanning-Mikroskopie (CLSM) bei pädiatrischen Patienten mit BE beschrieben, sogar in den Proben, in denen die Kultur negativ war. Dieser Befund lenkt die Aufmerksamkeit auf das Fehlen von Studien zum Biofilm bei BE und die Bedeutung der Verbesserung diagnostischer Instrumente zum Nachweis in Atemwegsproben, insbesondere bei Patienten mit wiederkehrenden Exazerbationen trotz Antibiotikabehandlung.

Zwischen 30 und 50 % der Patienten mit mittelschwerer oder schwerer COPD haben BE. Seine Prävalenz steigt mit dem Schweregrad der COPD, während 5-10 % der Patienten mit BE COPD haben. Patienten mit COPD und BE bilden eine klinische Gruppe mit eigenen Merkmalen (erhöhte Sputumproduktion und -eiterung, stärkere Dyspnoe und Anzahl von Exazerbationen), schlechterer Prognose, möglichen therapeutischen Implikationen und höherer Sterblichkeit. Obwohl die Ursachen von Exazerbationen noch nicht gut verstanden sind, wird angenommen, dass bakterielle Infektionen in etwa der Hälfte der Fälle beteiligt sind. PA ist einer der häufigsten Erreger, der aus diesen Exazerbationen isoliert wird, und ist mit einer höheren Sterblichkeit verbunden. PA aus dem Sputum chronisch infizierter COPD-Patienten ist tendenziell weniger zytotoxisch und beweglich und produziert mehr Biofilm als PA aus Blutproben. Daher schlagen einige Autoren vor, dass COPD, BE und CF ähnliche Infektions- und Entwicklungsmuster aufweisen. Ausgehend von dieser Argumentation lautet unsere Hypothese, dass PA-Biofilme einer der pathogenen Mechanismen sein könnten, die sowohl mit der Persistenz von Infektionen als auch mit der Häufigkeit und Schwere von Exazerbationen bei Patienten mit BE (mit oder ohne COPD) verbunden sind. Um diese Hypothese zu bestätigen, sind jedoch weitere Untersuchungen unter Verwendung der Empfehlungen der aktuellen Leitlinien erforderlich.

Einige Autoren, die die mikrobielle Dysbiose bei COPD-Exazerbationen untersucht haben, haben gesehen, dass sie zusammen mit der eosinophilen Entzündung mit schwereren Exazerbationen und einem stärkeren Abfall der Lungenfunktion einhergeht. Längsschnittstudien des Mikrobioms im Sputum von Patienten mit BE deuten darauf hin, dass das Management chronischer Bronchialinfektionen mit einer mikrobiomspezifischen Therapie verbessert werden kann, wobei die Belastung durch den Erreger, die Stabilität der Gemeinschaft und akut berücksichtigt werden und chronische Gemeinschaftsreaktionen auf Antibiotika. Die Schwankungen im Mikrobiom und seine prädiktive Rolle bei der Exazerbation von Bronchiektasen wurden jedoch noch nicht eingehend untersucht. Die Untersuchung von Variationen im Mikrobiom vor und während der Exazerbation könnte neue therapeutische Ziele aufzeigen, die sich auf die Behandlung von Patienten auswirken können. Die Ergebnisse könnten dazu beitragen, die Notwendigkeit einer antimikrobiellen Behandlung bei Patienten mit negativen mikrobiologischen Kulturen während der Exazerbation zu bestimmen. Es gibt Hinweise darauf, dass eine ausgewogene Mundflora eine Schutzfunktion gegen die Besiedelung des Speichels durch PA haben könnte; Ein Mikrobiommuster mit schützender Wirkung auf die oberen Atemwege gegen PA bei BE-Patienten und seine Beziehung zu PA-Biofilmen wurde jedoch noch nicht beschrieben.

Gleichzeitig bestimmen systemische Biomarker und entzündliche Zytokine die potenzielle Bedeutung einer chronischen PA-Infektion und der Produktion von Biofilmen. Es wurde gezeigt, dass systemisches CRP mit höheren BE-Scores wie FACED und BSI korreliert. Es gibt jedoch keine Längsschnittstudien, die die Intensität und Dauer einer systemischen Entzündung durch eine chronische PA-Infektion bewerten.

Die Ausbreitung von Antibiotikaresistenzen und die zunehmende Prävalenz von Biofilm-assoziierten Infektionen treibt die Nachfrage nach neuen Mitteln zur Behandlung solch schwer auszurottender bakterieller Infektionen voran. Kürzlich hat die WHO eine Bakterienliste veröffentlicht, für die die Erforschung neuer Antibiotika dringend benötigt wird. Die Entdeckung und Entwicklung von Arzneimitteln ist ein mühsames, langwieriges und kostspieliges Unterfangen, das Hunderte von Millionen EUR und 10-15 Jahre von der Laborentdeckung bis zum Krankenbett in Anspruch nehmen kann. Chronische PA-Infektionen im Zusammenhang mit BE werden typischerweise mit Kombinationen von bis zu drei antimikrobiellen Mitteln behandelt. Trotz regelmäßiger Multidrug-Therapien liegt die wirksame Heilung dieser Krankheiten unter dem optimalen Niveau. Es ist daher klar, dass neue therapeutische Optionen erforderlich sind, um die positiven Ergebnisse bei diesen Patienten zu verbessern. Unser Ansatz konzentriert sich auf das Konzept der Synergie, d. h. die Identifizierung synergistischer Kombinationen von Antibiotika, die zusammen wirksamer sind als bei alleiniger Anwendung. Ziel der Forscher ist es, die synergistischen Wechselwirkungen derzeit verwendeter Antibiotika systematisch zu bewerten und die Einführung anderer klinisch zugelassener Antibiotika zu untersuchen. Da ihre Pharmakologie und Toxizität bereits gut dokumentiert ist, könnte jede mögliche synergistische Antibiotika-Kombination zu einem Bruchteil der üblichen Entwicklungskosten und in viel kürzerer Zeit in klinische Studien überführt werden. Darüber hinaus wurde die Nanoträger-vermittelte Abgabestrategie als vielversprechender Ansatz zur Behandlung von arzneimittelresistenten Infektionen vorgeschlagen. Die Nanotechnologie könnte eine innovative Plattform zur Bewältigung der Herausforderung chronischer PA-Infektionen im Zusammenhang mit Bronchiektasen bieten, mit dem Potenzial, schwer zu behandelnde Infektionen mit multiresistenten (MDR) Bakterien zu bewältigen. Insbesondere Polysaccharid (PS)-basierte Nanocarrier sind ideale Vehikel für die Einkapselung von antimikrobiellen Wirkstoffen, und Alginat ist aufgrund seiner mucoadhäsiven Eigenschaften ein idealer Träger für die pulmonale Verabreichung.