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Pilz in der Lunge: Wie breitet sich die Infektion aus?

Wie breiten sich Pilzhyphen in der Lunge aus und wie reagiert das Immunsystem auf die Pilzinfektion Aspergillose? Um diese Fragen zu beantworten haben Jenaer Forschende ein Chip-basiertes Infektionsmodell entwickelt, mit dem sie die Schädigung des Lungengewebes durch eine Pilzinfektion live unter dem Mikroskop beobachten können.

Befällt der Schimmelpilz Aspergillus fumigatus die Lunge, spricht man von pulmonaler Aspergillose. Besonders bei immungeschwächten Menschen kann die Erkrankung durch den Lungenpilz tödlich verlaufen. Oft dringen die Pilzhyphen, das sind fadenförmige Zellen der Pilze, auch in die Blutgefäße ein – eine invasive Aspergillose entsteht, die bislang nur mit wenigen Wirkstoffen bekämpft werden kann. Umso wichtiger ist es daher, das Wachstum des Pilzes noch besser zu studieren und zu verstehen – hierbei soll das neue Infektionsmodell aus Jena helfen. Sowohl das Wachstum des Pilzes als auch die Reaktion des Immunsystems könne damit besser beobachtet werden, betonen die Forschenden. Ebenso könnten neue Wirkstoffe an dem Chip getestet werden.

Grundlage des Modells bildet ein sogenannter Organchip - ein sich selbst organisierendes dreidimensionales menschliches Zellsystem. Es wird im Labor aus Stammzellen gezüchtet und bildet einzelne Organe oder Zellsysteme nach. Der Lungen-Chip aus Jena besteht aus zwei Zellschichten, die durch eine künstliche Membran getrennt sind. Die eine Schicht ist der Luft ausgesetzt und besteht aus Oberflächenzellen der Lunge. Die andere Schicht besteht aus Blutgefäßzellen, an denen kontinuierlich eine dem Blut nachempfundene Nährstofflösung vorbeiströmt.

Diesem Organmodell fügten die Forschenden den Schimmelpilz bei und wandelten es so zu einem Infektionsmodell um. Wird dieses beispielsweise mit menschlichen Immunzellen oder verschiedenen Wirkstoffen behandelt, lassen sich die Auswirkungen auf die Pilzinfektion der Lungenzellen untersuchen.

Künstliche Intelligenz hilft bei Datenanalyse

Die reine Betrachtung der mikroskopischen Bilder liefert allerdings nur Hinweise auf den Verlauf der Infektion. Wie stark sie ist oder was genau dabei vor sich geht, verraten die Bilder nicht. Für eine genauere Analyse nutzten die Forschenden daher künstliche Intelligenz. Sie entwickelten einen Algorithmus, der die Pilzhyphen und Immunzellen von anderen Gewebezellen unterscheiden kann.

Damit der Computer die verschiedenen Zelltypen erkennt, wurden sie mithilfe von Fluoreszenzfarbstoffen, die unter speziellem Licht farbig leuchten - markiert. Anhand der Stärke der Fluoreszenz können die Forschenden bestimmen, wie viele Pilze eine Immunzelle gefressen hat.

Natürlich sei das neue Infektionsmodell eine starke Vereinfachung und könne nicht eins zu eins mit einem vollständigen Organ verglichen werden, betonen die Forschenden. Es könne aber ein wichtiger Beitrag zur besseren Erforschung von Pilzinfektionen der Lunge und der Suche nach neuen Therapieansätzen sein. Denn mit dem Modell könnten auch Tierversuche teilweise ersetzt werden. Es soll nun noch weiter optimiert werden.

Quellen:

  • Leibniz-Institut für Naturstoff-Forschung und Infektionsbiologie - Hans-Knöll-Institut (Leibniz-HKI): Wie breiten sich Pilzinfektionen in der Lunge aus? Pressemeldung vom 13.04.2022 
  • Hoang, T.N.M. et al.: Invasive aspergillosis-on-chip: A quantitative treatment study of human Aspergillus fumigatus infection. In: Biomaterials, 2022