Mit Pflanzen gegen Superkeime

Multiresistente Bakterien, auch Superkeime genannt, sind eine ernste Bedrohung, da die meisten bekannten Antibiotika nicht mehr gegen sie wirken. Viele Krankenhausinfektionen gehen auf multiresistente Keime zurück, weswegen sie auch als Krankenhauskeime bezeichnet werden. Hierzulande erkranken schätzungsweise 400 000 bis 600 000 Personen pro Jahr an einer nosokomialen Infektion und 10 000 bis 20 000 Patienten sterben daran (Zacher et al., 2019). Zu den Übeltätern zählen auch einige Staphylokokken-Stämme: Methicillin-resistente Staphylococcus aureus, kurz MRSA. Einer Analyse aus den Vereinigten Staaten zufolge verursachte im Jahr 2017 MRSA allein dort über 320 000 Krankenhausaufenthalte und 10 600 Todesfälle (CDC, 2019).

Abhilfe aus dem Pflanzenreich

Bereits 2015 entdeckte ein Forschungsteam, dass in der Esskastanie (Castanea sativa), auch Edelkastanie genannt, ein Wirkstoff gegen MRSA enthalten ist (Quave et al., 2015). Bei Laborversuchen zeigte ein Extrakt aus den Blättern Wirkung gegen die Krankheitserreger (wir berichteten: „Pflanzen für die Medizin“).

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Nun gelang es dem Team, das verantwortliche Molekül zu identifizieren: Castaneroxy A. Es handelt sich um ein neu entdecktes Molekül, das chemisch zu den Triterpenen gehört. „Wir konnten dieses für die Wissenschaft neue Molekül isolieren, das nur in sehr geringen Mengen in den Kastanienblättern vorkommt“, sagt Studienleiterin Cassandra Quave. Sie erforscht als Ethnobotanikerin traditionelle Pflanzenheilmittel, um Ansätze für neue Medikamente zu finden, und hat sich auf Antibiotikaresistenzen spezialisiert.

Von der traditionellen zur Schulmedizin

Die Geschichte hinter der aktuellen Studie begann schon vor mehr als einem Jahrzehnt, als Quave und ihre Kollegen schriftliche Berichte studierten und Hunderte von Feldinterviews im ländlichen Süditalien führten. So kamen sie der Esskastanie erst auf die Spur. „In der traditionellen italienischen Medizin wird eine Kompresse aus gekochten Blättern auf die Haut aufgetragen, um Verbrennungen, Hautausschläge und infizierte Wunden zu behandeln“, erklärt Quave.

Später im Labor zeigte sich, dass die Blätter gegen MRSA wirken, gleichzeitig aber nützliche Bakterien auf der Haut nicht beeinträchtigen. Der erste Durchbruch kam, als sie den Wirkmechanismus aufklärten. Sie konnten zeigen, dass der Esskastanienextrakt den Bakterien die Fähigkeit nimmt, miteinander zu kommunizieren. Ein Phänomenon, das „Quorum sensing“ genannt wird. MRSA verwenden dieses Signalsystem, um Giftstoffe herzustellen und so die eigene Virulenz zu steigern. Die Bakterien werden bei diesem Wirkstoff also nicht abgetötet, sondern „entwaffnet“. Ein vielversprechender neuer Therapieansatz im Kampf gegen multiresistente Bakterien.

Isolation mit Hindernissen

Das Team wollte dann den verantwortlichen Wirkstoff ausfindig machen. Aber die Isolation gestaltete sich mühselig, da Pflanzenextrakte Hunderte verschiedener Chemikalien enthalten. Jede Chemikalie muss isoliert und dann auf ihre individuelle Wirksamkeit getestet werden. Große Fraktionssammler in Verbindung mit Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC) können den Prozess automatisieren. Aber sie sind sehr teuer und hatten nicht alle Funktionen, die das Quave-Labor benötigte.

Abhilfe schaffte ein selbstgebautes System: Der Mitarbeiter Marco Caputo baute für gerade einmal 500 US-Dollar ein auf die Bedürfnisse des Labors zugeschnittenes automatisches Gerät aus Kinderspielzeugen und einigen Komponenten aus dem Baumarkt. Die Labormitglieder nannten die Erfindung den „LEGO MINDSTORMS Fraktionssammler“. Sie veröffentlichten auch die Anleitung zum Aufbau, damit andere Forscher:innen die einfache, aber effektive Technologie ebenfalls nutzen können (Caputo et al., 2020).

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So wurde letztlich Castaneroxy A aus einer Gruppe von bioaktiven Cycloartan-Triterpenen identifiziert. Die Struktur von Castaneroxy A wurde durch Kernspinresonanz, Massenspektrometrie und Röntgenbeugungsanalysen bestimmt. Am Ende gewann das Team reine Kristalle des Moleküls. Erstaunlich, denn nur 0,0019 Prozent der Trockenmasse von Kastanienblätter bestehen aus dem Stoff.

Wirksamkeit bestätigt

Anschließend wurden Tests mit dem isolierten Wirkstoff durchgeführt, sowohl in vitro mit Zellen als auch in vivo in Mausexperimenten. Es bestätigte sich die „entwaffnende“ Wirkung auf MRSA-Keime. Die Bildung der gefährlichen Giftstoffe konnte bis zu 100 Prozent gestoppt und in Experimenten mit Mäusen die Wundheilung von infizierter Haut beschleunigt werden.

Neue Wirkstoffe nötig

Antibiotikaresistenzen sind schon seit vielen Jahren auf dem Vormarsch. Da die Entwicklung neuer Antibiotika ein langwieriger und teurer Prozess ist und Superkeime uns zu schnellem Handeln zwingen, sucht man händeringend nach alternativen Strategien. „Wir versuchen, die Pipeline für die Entdeckung antimikrobieller Wirkstoffe mit Verbindungen zu füllen, die anders wirken als herkömmliche Antibiotika“, erklärt Quave.

Ihr Labor hat auch vielversprechende Verbindungen des brasilianischen Pfefferbaums identifiziert, die die schädlichen Auswirkungen von MRSA-Infektionen neutralisieren – ohne das Risiko, neue resistente Keime zu selektieren. Pflanzen halten möglicherweise noch weitere antimikrobielle Wirkstoffe parat. Nur finden muss man diese Schätze noch.

Quellen:

• Salam, A.M. et al. (2021): Castaneroxy A From the Leaves of Castanea sativa Inhibits Virulence in Staphylococcus aureus. In: Front. Pharmacol. 12:640179, (28. Juni 2021), doi: 10.3389/fphar.2021.640179.
• Quave, C.L. et al. (2015): Castanea sativa (European Chestnut) Leaf Extracts Rich in Ursene and Oleanene Derivatives Block Staphylococcus aureus Virulence and Pathogenesis without Detectable Resistance. In: PLoS One, 10(8):e0136486, (21. August 2015), doi: 10.1371/journal.pone.0136486.

Zum Weiterlesen:

• Pflanzen für die Medizin - Algenextrakt gegen Krebs und Esskastanien gegen Keime (MRSA)
• Blutdrucksenker aus dem Kräutergarten - Aloperin aus Sophora flavescens aktiviert selektiv den Kaliumkanal KCNQ5
• Pflanzenvielfalt wirkt! - Heilpflanzen und ihre Bedeutung

Titelbild: Im Herbst beliebte Snacks: Kastanien sind die Früchte der Esskastanie, auch Edelkastanie genannt. Doch auch in den Blättern sind wertvolle Inhaltsstoffe, wie eine Studie untermauert. (Bildquelle: © Lena Helfinger / Pixabay)