Impfstoff gegen tödlichen chytrid-Pilz bereitet die Mikrobiome von Fröschen auf zukünftige Exposition vor

11. Juni 2023

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by Pennsylvania State University

Das Mikrobiom eines Menschen oder Tieres - die Sammlung oft nützlicher Mikroorganismen, einschließlich Bakterien und Pilzen, die auf oder in einem Wirtskörper leben können - kann eine wichtige Rolle bei der allgemeinen Immunantwort des Wirts spielen, aber es ist unklar, wie sich Impfstoffe gegen schädliche Krankheitserreger auf das Mikrobiom auswirken. Eine neue Studie von Forschern der Penn State hat festgestellt, dass ein neuer Impfstoff gegen den tödlichen Chytrid-Pilz bei Fröschen die Zusammensetzung des Mikrobioms verändern kann, was Frösche widerstandsfähiger gegenüber zukünftiger Exposition gegenüber dem Pilz macht. 

Die Studie, die am 12. Juni in einer Sonderausgabe des Journals Philosophical Transactions of the Royal Society B veröffentlicht wurde, legt nahe, dass die Reaktion des Mikrobioms ein wichtiger, oft übersehener Teil der Wirksamkeit von Impfstoffen sein könnte.

"Die Mikroorganismen, die das Mikrobiom eines Tieres ausmachen, können oft gegen Pathogene verteidigen, indem sie beispielsweise nützliche Substanzen produzieren oder gegen die Pathogene um Raum oder Nährstoffe konkurrieren", sagte Gui Becker, Professor für Biologie an der Penn State und Leiter des Forschungsteams. "Aber was passiert mit Ihrem Mikrobiom, wenn Sie einen Impfstoff bekommen, wie den COVID-Impfstoff, den Grippeimpfstoff oder einen lebend attenuierten Impfstoff wie den Gelbfieber-Impfstoff? In dieser Studie haben wir Frösche als Modellsystem verwendet, um diese Frage zu untersuchen."

Frösche und andere Amphibien werden vom Chytrid-Pilz bedroht, was zu Ausrottungen einiger Arten und schweren Rückgängen bei Hunderten von Arten auf mehreren Kontinenten geführt hat. Bei anfälligen Arten verursacht der Pilz eine manchmal tödliche Hautkrankheit.

"Chytrid ist einer der schlimmsten Pathogene für die Artenerhaltung in der jüngeren Geschichte, und es besteht ein dringender Bedarf, Werkzeuge zur Kontrolle seiner Ausbreitung zu entwickeln", sagte Becker, der auch Mitglied des One Health Microbiome Center und des Center for Infectious Disease Dynamics an der Penn State ist. "Wir haben festgestellt, dass Impfstoffe in einigen Fällen eine schützende Verschiebung im Mikrobiom hervorrufen können, was darauf hinweist, dass das sorgfältige Manipulieren des Mikrobioms als Teil einer breiteren Strategie genutzt werden könnte, um Amphibien und möglicherweise auch andere Wirbeltiere bei der Bewältigung neuer Pathogene zu unterstützen."

Die Forscher applizierten einen Impfstoff, in diesem Fall eine nicht-tödliche Dosierung eines Stoffwechselprodukts, das vom Chytrid-Pilz produziert wurde, auf Kaulquappen. Nach fünf Wochen beobachteten sie, wie sich die Zusammensetzung des Mikrobioms verändert hatte, indem sie einzelne Bakterienarten und ihre relativen Anteile identifizierten. Die Forscher kultivierten auch jede Bakterienart im Labor und testeten, ob bakterienspezifische Produkte das Wachstum von Chytriden begünstigten, hemmten oder keinen Effekt hatten und verglichen die Resultate mit einer großen Datenbank zu diesem Thema.

"Die Erhöhung der Konzentration und Dauer der Exposition gegenüber dem Chytrid-Produkt hat die Zusammensetzung des Mikrobioms signifikant verändert, so dass ein höherer Anteil an Bakterien entsteht, die anti-chytride Substanzen produzieren", sagte Samantha Siomko, eine Master-Studentin im Becker-Labor an der University of Alabama zu der Zeit, als die Forschung durchgeführt wurde und Erstautorin des Papiers ist. "Diese schützende Veränderung deutet darauf hin, dass das Mikrobiom eines Tieres besser in der Lage wäre, dem Pathogen zu widerstehen, wenn es erneut dem gleichen Pilz ausgesetzt würde."

Bisherige Versuche, eine schützende Veränderung im Mikrobiom hervorzurufen, stützten sich darauf, ein oder mehrere Bakterienspezies hinzuzufügen, die potente antifungale Metaboliten produzieren, d.h. Probiotika. Nach Ansicht der Forscher muss das Bakterium jedoch mit anderen Arten im Mikrobiom konkurrieren und kann nicht immer erfolgreich als dauerhaftes Mitglied des Mikrobioms etabliert werden.

"Diese Frösche haben Hunderte von Bakterienarten auf ihrer Haut, die sie aus ihrer Umgebung aufnehmen, und die Zusammensetzung ändert sich regelmäßig, auch mit den Jahreszeiten", sagte Becker. "Der Versuch, die Gemeinschaft zu manipulieren, indem beispielsweise ein bakterielles Probiotikum hinzugefügt wird, ist eine Herausforderung, weil die Dynamik in der Gemeinschaft so komplex und unvorhersehbar ist. Unsere Ergebnisse sind vielversprechend, weil wir im Grunde die gesamte Bakteriengemeinschaft in eine Richtung manipuliert haben, die effektiver gegen die Bekämpfung des Pilzpathogens ist, ohne etwas Lebendes hinzuzufügen, das um Ressourcen konkurrieren muss, um zu überleben."

Notably, the overall number of species—the diversity—within the microbiome was not impacted, only the composition and relative proportions of species. The researchers believe this is positive, as declines in the diversity of the frog microbiome can often lead to illness or death, and it is generally accepted that maintaining a diverse microbiome allows the community of bacteria and microbe species to respond to threats more dynamically and with higher functional redundancy.

The researchers suggest that this adaptive shift in the microbiome composition, which they call the 'microbiome memory,' could play an important role in vaccine efficacy. In addition to understanding the mechanisms behind the shift, the research team hopes to study the idea of microbiome memory in adult frogs as well as other vertebrate species in the future.

'Our collaborative team implemented a prophylaxis technique that relied on metabolic product derived from the chytrid fungus,' said Becker. 'It's possible that vaccines based on mRNA or live cells—like those often used to protect against bacterial or viral infections—may differently affect the microbiome, and we are excited to explore this possibility.'

In addition to Becker and Siomko, the research team includes Teagan McMahon—who developed the prophylaxis method—at the University of Connecticut; Sasha Greenspan, Wesley Neely, and Stanislava Chtarbanova at the University of Alabama; Douglas Woodhams at the University of Massachusetts; and K. M. Barnett at Emory University.

Journal information: Philosophical Transactions of the Royal Society B

Provided by Pennsylvania State University