Forschungszentrum Borstel
Forschungszentrum Borstel

Programmbereich Infektionen

Molekulare und Experimentelle Mykobakteriologie

Projekte

Fig.1. Ziehl Neelsen Färbung von M. tuberculosis H37Rv (A) und M. canettii (B).
Färbung von M. tuberculosis

Zentrale Fragestellungen der Arbeitsgruppe konzentrieren sich auf die Analyse der Epidemiologie der Tuberkulose mit Methoden der „Molekularen Epidemiologie“, der Analyse von Resistenzmechanismen bei klinischen M. tuberculosis Komplex Isolaten, der Analyse der globalen Populationsstruktur, der genetischen Diversität und der Virulenz von Tuberkulosebakterien sowie der Mikroevolution bei M. tuberculosis-Komplex Isolaten. Diese Forschungsschwerpunkte werden im folgenden kurz vorgestellt.

Molekulare Epidemiologie:

Zur Bearbeitung molekular epidemiologischer Fragestellung stehen die zurzeit aktuellen „Gold Standard“ Methoden zur Verfügung. In den letzten Jahren wurden bereits verschiedene Studien zur Epidemiologie der Tuberkulose durchgeführt, die erstmals präzise Daten zu Übertragungswegen, Risikofaktoren für Erkrankungen durch frische Infektionen und der Verbreitung resistenter Stämme in Deutschland ermöglicht haben. In den nächsten Jahren sollen die molekularbiologischen Studien zur Epidemiologie der Tuberkulose in Niedrig- und Hochinzidenzländern auf hochaktuelle Fragestellungen fokussiert werden. Von besonderer Bedeutung ist hierbei die Analyse spezifischer Eigenschaften bestimmter M. tuberculosis Genotypen (z.B. Beijing Genotyp) wie z.B. erhöhte Virulenz, Assoziation mit Resistenz oder Therapieversagen. Hierzu sollen zum einen etablierte populationsbasierte Studien in Deutschland (z.B. Hamburg, multiresistente Stämme) als longitudinale Modelstudien für eine Region mit niedriger TB-Inzidenz weitergeführt und zum anderen verschiedene Studien in Ländern mit hoher TB-Inzidenz durchgeführt werden (Schwerpunkt Osteuropa). Alle Stämme werden archiviert und stehen als einzigartige Bio-Datenbank für weiterführende Experimente zur Verfügung. 

Fig. 2. Phylogenetischer Baum des M. tuberculosis Komplexes basierend auf der Analyse von 24 MIRU-VNTR loci und "Regions of Differences". Die Analyse der Daten wurde mit Hilfe der MIRU-VNTRPlus Webseite (www.miru-vntrplus.org) durchgeführt.
Phylogenetischer Baum des M. tuberculosis Komplexes

Resistenzmechanismen:

Die Erforschung von Resistenzmechanismen stellte schon in den letzten Jahren einen Forschungsschwerpunkt dar, der in Zukunft weiter verstärkt werden soll. Neben klassischen Analysemethoden, sollen neue Hochdurchsatz- Sequenziertechnologien eingesetzt werden. Diese ermöglichen zum ersten Mal die Ermittlung neuer Resistenzmechanismen durch den Vergleich ganzer Bakteriengenome. Die Signifikanz bestimmter Mutationen für die Ausbildung einer Resistenz kann durch Analyse isogener Mutanten (Methode seit kurzem in Borstel erfolgreich etabliert) in vitro und in vivo im Maus-Tiermodel (Kooperation S. Ehlers) überprüft werden. Der Nachweis von Resistenzmutationen soll in den nächsten Jahren durch Etablierung neuartiger Detektionssysteme, wie z.B. Microarray basiert, verbessert werden.

Populationsstruktur, genetische Diversität und Virulenz.

Die Bedeutung der Populationsstruktur für die Ausprägung der Tuberkulose-Erkrankung ist in den letzten Jahren immer mehr in den Fokus intensiver internationaler Forschung gerückt. Aktuelles und zukünftiges zentrales Forschungsthema ist in diesem Zusammenhang die Analyse der globalen Populationsstruktur von M. tuberculosis Komplex Isolaten. Hierzu wurde in den letzen Jahren eine gut charakterisierte Stammkollektion aufgebaut, die jetzt für weiterführende Analysen zur Verfügung steht. Schwerpunkt ist hierbei die Erfassung der genomischen und pathogenetischen Diversität von Stämmen aus verschiedenen phylogenetischen Linien und deren Bedeutung für die Wirt-Pathogen-Interaktion. Im Rahmen verschiedener Drittmittelprojekte konnten bereits erste langfristig angelegte Studien basierend auf vergleichenden Genom-, Transkriptom- und Proteomanalysen begonnen werden.

Mikroevolution bei M. tuberculosis-Komplex Isolaten:

Klinische Mycobacterium tuberculosis Komplex (MTBC) Isolate zeichnen sich durch eine große Ähnlichkeit auf Genomebene aus. Evolutionäre Änderungen vollziehen sich vor allem durch Mutation und Erwerb von Einzelbasenunterschieden (SNPs). Die Geschwindigkeit mit der solche Änderungen akquiriert werden, ist allerdings für M. tuberculosis Isolate völlig unklar. Entscheidende Daten, wie z.B. zur Geschwindigkeit der Mikroevolution unter verschiedenen Bedingungen wie in Infektketten oder bei der Entwicklung von Resistenzen sind zurzeit nicht verfügbar. Die neuartigen Hochdurchsatz-Sequenziertechnologien bieten nun, durch die schnelle und kostengünstige Untersuchung ganzer Genome, neuartige Analysemöglichkeiten und sollen in den nächsten Jahren zur Analyse der Mikroevolution von klinischen M. tuberculosis Komplex Isolaten eingesetzt werden.