Ein neuartiges Ex-vivo-Modell für Schafhaut mit hohem Durchsatz zum Testen neuer Antibiotika

Hautinfektionen sind ein wichtiges globales Problem mit hohen wirtschaftlichen Kosten für Gesundheitsdienstleister auf der ganzen Welt. Die Entwicklung von Multidrug-Resistenzen und Biofilmbildung durch Krankheitserreger spielt eine Schlüsselrolle bei der Prävalenz nicht heilender Wunden 1,2,3,4. Infolgedessen sind Haut- und Weichteilinfektionen einer der häufigsten Gründe für einen längeren Krankenhausaufenthalt und eine anschließende Wiederaufnahme⁵. Verzögerungen bei der Wundheilung sind sowohl für den Patienten als auch für die Gesundheitsdienstleister kostspielig, wobei einige Schätzungen darauf hindeuten, dass in den USA jährlich rund 6,5 Millionen Patienten betroffen sind. In Großbritannien führen Hautinfektionen und damit verbundene Komplikationen jährlich zu etwa 75.000 Todesfällen ^2,4,6.

Staphylococcus aureus (S. aureus) ist ein gewaltiger Wunderreger, der häufig aus Patientenwunden isoliert^{wird 2,7}. Die Rate der Entstehung von Multidrug-Resistenzen stieg in den 2000er Jahren drastisch an. Während dieser Zeit waren etwa 60% der akuten bakteriellen Haut- und Hautstrukturinfektionen kulturpositiv für Methicillin-resistente S. aureus¹. Die zunehmende Anzahl multiresistenter Stämme unter Staphylokokken und anderen Krankheitserregern in den letzten 2 Jahrzehnten weist auf einen dringenden Bedarf an der schnellen Entwicklung von Antibiotika mit neuen Wirkmechanismen hin, die Resistenzen überwinden können.

Seit Anfang der 2000er Jahre werden Antibiotika-Forschungsprogramme jedoch von längeren Entwicklungszeiten und niedrigen Erfolgsraten dominiert, wobei nur 17% der neuartigen Antibiotika in klinischen Studien in den USA die^{Marktzulassung erhalten} 8. Dies deutet auf eine Diskrepanz zwischen den Ergebnissen von In-vitro-Tests neuer Antibiotika und ihren klinischen Ergebnissen hin. Es kann argumentiert werden, dass diese Diskrepanz weitgehend auf Unterschiede in der bakteriellen Physiologie während Infektionen in vivo und während konventioneller mikrobiologischer Methoden bei der Prüfung der Wirksamkeit von Antibiotika in den präklinischen In-vitro-Stadien zurückzuführen ist. Daher sind neuartige Labormethoden erforderlich, die repräsentativer für die bakterielle Physiologie während der Infektion sind, um die Erfolgsraten in Antibiotika-Forschungsprogrammen zu verbessern.

Aktuelle Methoden zur Untersuchung von Hautinfektionen umfassen Studien an lebenden Tieren (z. B. Mäuse), Ex-vivo-Hautmodelle (z. B. Schweine) und 3D-Tissue-Engineering-Hautmodelle (z. B. Mensch)9,10,11,12. Studien an lebenden Tieren sind streng reguliert und haben einen relativ geringen Durchsatz. In Tiermodellen verursachen Verletzungen und Infektionen erhebliche Belastungen für die Tiere und werfen ethische Bedenken auf. Menschliche Hautmodelle, ex vivo oder Tissue-Engineering, erfordern eine ethische Genehmigung, die Einhaltung lokaler und globaler Gesetze (das Human Tissue Act, die Deklaration von Helsinki), und es gibt Schwierigkeiten beim Erwerb von Geweben, wobei einige Anfragen Jahre dauern, um^13,14 zu erfüllen. Beide Modelltypen sind arbeitsintensiv und erfordern erhebliches Fachwissen, um den experimentellen Erfolg zu gewährleisten. Einige aktuelle Ex-vivo-Hautinfektionsmodelle erfordern vorgeimpfte Bandscheiben und Zusatzstoffe für das Wundbett, um eine Infektion zu ermöglichen. Obwohl diese Modelle unglaublich nützlich sind, gibt es Einschränkungen im Infektionsprozess, da Zusatzstoffe die Nutzung des Wundbettes als Nährstoffquelle einschränken^10,15,16,17. Das in dieser Studie beschriebene Modell verwendet keine Zusatzstoffe für das Wundbett, was sicherstellt, dass die Pathologie der Infektion und die Anzahl der lebensfähigen Zellen das Ergebnis der direkten Nutzung des Wundbetts als einzige Nährstoffquelle sind.

Angesichts des Bedarfs an neuen Labormethoden wurde ein neuartiges Ex-vivo-Modell von Hautinfektionen mit hohem Durchsatz entwickelt, das zur Bewertung der Wirksamkeit neuer Antibiotika verwendet werden soll. Hautinfektionsstudien stehen vor vielen Herausforderungen – hohe Kosten, ethische Bedenken und Modelle, die kein vollständiges Bild zeigen^20,21. Ex-vivo-Modelle und 3D-Explantatmodelle ermöglichen eine bessere Visualisierung des Krankheitsprozesses und der Auswirkungen, die Behandlungen von einem klinisch relevanteren Modell haben können. Hier wird der Aufbau eines neuartigen Schafhautmodells beschrieben, das einfach, reproduzierbar und klinisch relevant ist und einen hohen Durchsatz aufweist. Schafhaut wurde ausgewählt, da Schafe eines der großen Säugetiere sind, die üblicherweise verwendet werden, um Reaktionen auf Infektionen in vivo zu modellieren. Darüber hinaus sind sie in Schlachthöfen leicht erhältlich, um eine stetige Versorgung mit Haut für die Forschung zu gewährleisten, und ihre Kadaver werden nicht verbrüht, was eine gute Gewebequalität gewährleistet. Diese Studie verwendete S. aureus als exemplarischen Erreger; Das Modell funktioniert jedoch gut mit anderen Mikroorganismen.