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Neue Einblicke in die Welt der Trypanosomen

16.08.2017

Derart detaillierte Aufnahmen vom Erreger der Schlafkrankheit in seinem Wirt sind bislang einzigartig: Sie zeigen, in welch vielfältiger Weise sich die Parasiten in einer Tsetsefliege bewegen. Vorgelegt hat sie ein Forschungsteam vom Biozentrum der Universität Würzburg.

Die wurmförmigen Erreger der Schlafkrankheit schwimmen einzeln im Darm der Tsetsefliege zwischen Blutzellen umher, welche die Fliege von einem infizierten Säugetier aufgenommen hat. Hier beginnen sie ihre wochenlange Reise durch verschiedene Organe der Fliege. An anderen Stellen haben sie sich zu wabernden Massen vereint – so dicht, dass von den Strukturen der Fliege nichts mehr zu sehen ist.


3D-Modell des Proventrikulus, eines speziellen Organs der Tsetsefliege: Die Verteilung der Trypanosomen ist anhand der fluoreszierenden Zellkerne in Gelb visualisiert.

(Bild: Lehrstuhl Zoologie I/eLife)


Dreidimensionale Modelle der schwimmenden Entwicklungsstadien der Trypanosomen. Auch die Struktur der Flagellen wurde analysiert.

(Bild: Lehrstuhl Zoologie I/eLife)

Trypanosomen: So heißen die Erreger der Schlafkrankheit. In der Speicheldrüse der Fliege heften sie sich in großer Zahl an der Drüsenwand fest, bewegen sich aber trotzdem heftig schlängelnd. Dort warten sie darauf, dass die Tsetsefliege einen Menschen oder ein Tier sticht und sie mitsamt dem Speichel ins Blut des Opfers entlässt.

Lebensräume in der Fliege wurden dreidimensional kartiert

Solche und andere Vorgänge hat ein Forschungsteam vom Biozentrum der Universität Würzburg in hoch aufgelösten Bildern und Videos festgehalten. Mehr noch: Mittels Lichtblattmikroskopie wurden sämtliche Lebensräume der Parasiten in der Fliege dreidimensional kartiert.

„Aufnahmen dieser Art hat es bisher noch nicht gegeben“, sagt Tim Krüger. Erst mit ihrer Hilfe könne nun die erstaunlich komplexe Mikroumgebung der Trypanosomen bei der weiteren Erforschung der Infektion angemessen berücksichtigt werden. Krüger untersucht die Erreger am Lehrstuhl für Zell- und Entwicklungsbiologie im Team von Professor Markus Engstler.

Peitschenartiger Zellfortsatz dient als Antrieb

Trypanosomen sind einzellige Lebewesen, die sich mit einem peitschenartigen Fortsatz, der sogenannten Flagelle, fortbewegen. „Sie sind sehr dynamisch und hören nie damit auf, mit der Flagelle zu schlagen“, erklärt Krüger. „So können sie in den unterschiedlichsten Umgebungen effektiv schwimmen und navigieren.“ Das schaffen die Erreger nicht nur in der Fliege, sondern auch im Blutstrom, in der Haut, im Fett, im Gehirn und anderen Organen von Mensch und Tier.

In einer neuen Publikation im Journal eLife zeigt das Würzburger Team detailliert und dreidimensional den Körperbau aller schwimmenden Entwicklungsstadien der Trypanosomen in der Tsetsefliege. Es analysiert das Schwimmverhalten in den verschiedenen Geweben und stellt unter anderem bildgebende Methoden vor, mit denen sich ganze Schwärme der Erreger in der Fliege verfolgen und quantitativ analysieren lassen.

Schwimmverhalten der Erreger in der Tsetsefliege ist unklar

Diese neue Palette an Analysemöglichkeiten soll bei der weiteren Erforschung der Trypanosomen helfen. Denn immer noch ist weitgehend unklar, wie und auf welchen Wegen die gefährlichen Erreger den Körper der Fliege durchschwimmen, bevor sie einen Menschen infizieren.

Eine Strategie gegen die Schlafkrankheit besteht darin, die Entwicklung der Erreger schon in der Tsetsefliege zu stören oder zu verhindern. „Das kann aber nur gelingen, wenn man genau weiß, wie sich die Trypanosomen in der Fliege verhalten“, sagt Tim Krüger.

Effekte rund ums „Microswimming“ erforschen

Für die hochaufgelösten Bilder aus dem Biozentrum interessieren sich auch Physiker. „Unsere Kooperationspartner sind sehr daran interessiert, weil sie sich mit sogenannten ‚Microswimmers‘ befassen“, wie Krüger erklärt. Genauer gesagt, geht es ihnen um die hydrodynamischen Effekte bei Schwimmbewegungen in kleinen Dimensionen, auf der Ebene einzelner Zellen und bei Phänomenen des kollektiven Schwimmverhaltens. Ein komplexes Thema, denn die Effekte seien hier ganz anders als bei größeren Schwimmobjekten in Wasser.

Das Team von Professor Engstler wiederum verspricht sich aus der Physik wertvolle Impulse: „Wenn wir die Wechselwirkungen zwischen Parasiten und Wirten auch auf physikalischer Ebene besser verstehen, können wir neue Erklärungsansätze für die Anpassung der Parasiten und ihres Infektionsprozesses an die Wirte finden.“

Fakten über die Schlafkrankheit

Trypanosomen sind in Afrika südlich der Sahara verbreitet. Die Tsetsefliege überträgt die einzelligen Parasiten mit ihrem Stich auf den Menschen. Pro Jahr kommt es zu rund 30.000 Neuinfektionen. Die Betroffenen haben zuerst Kopf- und Gliederschmerzen, dann stellen sich Verwirrung, Krämpfe und andere Symptome ein. Schließlich fallen die Erkrankten in einen Dämmerzustand und sterben.

Impfstoffe gegen die Erreger gibt es nicht; die verfügbaren Medikamente haben teils extreme Nebenwirkungen. Bessere Mittel gegen die Krankheit sind also dringend nötig. Trypanosomen befallen nicht nur Menschen. Sie raffen auch Rinder, Ziegen und andere Nutztiere dahin und richten auf diese Weise enormen Schaden an: In manchen Gegenden Afrikas ist wegen der Trypanosomen kaum Viehhaltung möglich.

Link zur Online-Veröffentlichung

eLife ist ein multidisziplinäres Open-Access-Journal über Themen der Lebenswissenschaften. Die Würzburger Videos und Animationen vom Verhalten der Trypanosomen in Tsetsefliegen sind in den Artikel im Journal eingebunden: https://elifesciences.org/articles/27656

Schuster, S., Krüger, T., Subota, I., Thusek, S., Rotureau, B., Beilhack, A., Engstler, M. (2017): Developmental adaptations of trypanosome motility to the tsetse fly host environments unravel a multifaceted in vivo microswimmer system. eLife, 15. August 2017, DOI: 10.7554/eLife.27656.001

Kontakt

Dr. Timothy Krüger, Lehrstuhl für Zoologie I (Zell- und Entwicklungsbiologie), Biozentrum der Universität Würzburg, T +49 931 31-84277, tkrueger@biozentrum.uni-wuerzburg.de
Website des Lehrstuhls http://www.zeb.biozentrum.uni-wuerzburg.de

Robert Emmerich | Julius-Maximilians-Universität Würzburg

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