CRISPR verspricht, antimikrobielle Resistenzen zu bekämpfen, aber Bakterien können sich wehren

In seinem Vortrag „Wie man CRISPR-Cas zur Bekämpfung von AMR einsetzt“ auf dem ESCMID-Weltkongress wird Assistenzprofessor Ibrahim Bitar, Abteilung für Mikrobiologie, Medizinische Fakultät und Universitätsklinikum in Pilsen, Karls-Universität Prag, Pilsen, Tschechische Republik, einen Vortrag halten ein Überblick über die Molekularbiologie der CRISPR-Technologie, der erklärt, wie sie zur Bekämpfung antimikrobieller Resistenzen eingesetzt werden kann.

Clustered Regular Interspaced Short Palindromic Repeats (CRISPRs) und CRISPR-assoziierte Gene (cas) sind im Genom vieler Bakterien weit verbreitet und bieten einen Abwehrmechanismus gegen fremde Eindringlinge wie Plasmide und Viren. CRISPR-Arrays bestehen aus einem wiederholten Satz kurzer Sequenzen, von denen jede aus einer in den Wirt eingedrungenen Nukleinsäuresequenz stammt und genau mit dieser übereinstimmt.

CRISPR-Sequenzen werden von 4–10 CRISPR-assoziierten (cas) Genen begleitet, die hoch konserviert sind und Cas-Proteine ​​kodieren. Cas-Proteine ​​steuern die adaptive Immunität in Prokaryoten (Bakterien) auf der Grundlage immunologischer Erinnerungen, die in der CRISPR-Matrix gespeichert sind.

Das CRISPR/Cas-System integriert ein kleines Stück fremder DNA von Eindringlingen wie Plasmiden und Viren in ihre direkten Wiederholungssequenzen und wird bei zukünftigen Invasionen dieselben externen DNA-Elemente erkennen und abbauen.

Da CRISPR/Cas-Systeme die DNA eindringender Krankheitserreger in eine chronische Reihenfolge integrieren, kann die Genotypisierung verwendet werden, um die Klonalität und Herkunft von Isolaten zu verfolgen und sie als eine Population von Stämmen zu definieren, die denselben Umweltbedingungen ausgesetzt sind, einschließlich der geografischen Lage (Region). . ) und in Gemeinschafts-/Krankenhausumgebungen und wurde schließlich auf die Überwachung pathogener Bakterien in der menschlichen Gesellschaft ausgeweitet.

CRISPR/Cas-Systeme können auch zur Entwicklung antimikrobieller Wirkstoffe eingesetzt werden: Durch die Einführung selbstzielender crRNAs werden Zielbakterienpopulationen effizient und selektiv abgetötet. Aufgrund des Mangels an wirksamen antimikrobiellen Wirkstoffen zur Behandlung multiresistenter (MDR) Infektionen haben Forscher begonnen, nach alternativen Methoden zur Bekämpfung von MDR-Infektionen zu suchen, anstatt neue antimikrobielle Wirkstoffe zu entwickeln, die jahrzehntelang wirken können.

Infolgedessen wurde das Konzept selektiver antimikrobieller Mittel auf CRISPR/Cas-Basis entwickelt und erstmals im Jahr 2014 demonstriert. Vektoren, die Cas9 kodieren, und Leit-RNAs, die auf die genomischen Loci einer bestimmten Bakterienart abzielen, können über Bakteriophagen oder konjugierte Bakterien an den Zielstamm abgegeben werden. Stämme.

Theoretisch werden durch die Implementierung von CRISPR/Cas-Systemen gezielt Zielstämme aus der Bakterienpopulation eliminiert, aber so einfach ist das nicht.

Obwohl diese Systeme wie ein Ziel für Manipulationen/Eingriffe erscheinen mögen, werden alle Bakterien auf mehreren Wegen reguliert, um sicherzustellen, dass sie die Kontrolle über den Prozess behalten. Daher bestehen weiterhin einige große Herausforderungen im Zusammenhang mit der Verwendung dieses Systems als antimikrobielles Mittel.

Die meisten Methoden erfordern die Verabreichung des resensibilisierten Systems durch Konjugation; Der Vektor wird von einem nicht virulenten Laborbakterienstamm getragen, von dem angenommen wird, dass er den Vektor/das Plasmid durch Konjugation teilt. Der Konjugationsprozess ist ein natürlicher Prozess, der von Bakterien durchgeführt wird und dazu führt, dass Plasmide untereinander (auch mit anderen Arten) ausgetauscht werden.

Der Prozentsatz der konjugierten (erfolgreich verabreichten) Bakterien an der gesamten Bakterienpopulation ist entscheidend für die Wirksamkeit der Resensibilisierung. Dieser Prozess wird durch mehrere komplizierte Wege gesteuert.

Bakterien verfügen außerdem über eingebaute Anti-CRISPR-Systeme, die in der Lage sind, alle durch CRISPR-Cas-Systeme verursachten Schäden zu reparieren.

Die Abwehrsysteme, die Bakterien nutzen, um sich vor fremder DNA zu schützen, sind häufig innerhalb von Abwehrinseln (Genomsegmente, die Gene mit einer ähnlichen Funktion zum Schutz des Wirts vor Eindringlingen enthalten) im Bakteriengenom lokalisiert; Zum Beispiel: acr (ein Gen, das zusammen mit anderen ähnlichen Varianten als Repressor von Plasmid-Konjugationssystemen fungiert) kommt häufig mit Antagonisten anderer Wirtsabwehrfunktionen (z. B. Anti-Restriktions-Modifikationssystemen) in Clustern zusammen, und Experten nehmen an, dass MGEs (mobile genetische Elemente) organisieren ihre Gegenverteidigungsstrategien in „Anti-Verteidigungs“-Inseln.

Assistenzprofessor Bitar kommt zu dem Schluss: „Zusammenfassend erscheint diese Methode als alternatives Mittel zur Bekämpfung antimikrobieller Resistenzen sehr vielversprechend.“ Die Methode basiert auf dem Konzept, Bakterien zu resensibilisieren, um bereits verfügbare Antibiotika zu nutzen, d. h. ihre Resistenz zu beseitigen und sie wieder anfällig für Antibiotika der ersten Wahl zu machen.

„Dennoch sind die Stoffwechselwege von Bakterien immer noch kompliziert und solche Systeme werden immer noch stark über mehrere Wege reguliert. Diese regulierten Wege müssen eingehend untersucht werden, um einen selektiven Druck zu vermeiden, der die Aktivierung von Anti-CRISPR-Systemen begünstigt und daher eine Prävalenz von Resistenzen in a aggressivere Art.