Patienten mit Mukoviszidose (auch Cystische Fibrose (CF)) leiden an einer Fehlfunktion der exokrinen Drüsen. Der Ausfall oder die Einschränkung der Funktion eines bestimmten Transporterproteins beeinflusst die Zusammensetzung von Sekreten, die in Magen, Darm, Bauchspeicheldrüse und auch in den Atemwegen produziert werden. Die Sekrete sind übermäßig zähflüssig und verursachen Funktionsstörungen in den betroffenen Organen. In den Atemwegen führt dies unter anderem zu einer Austrocknung der Schleimhäute, die so anfälliger für bakterielle Infektionen werden. Bei 80 % der erwachsenen CF-Patienten sind die Atemwege dauerhaft mit P. aeruginosa besiedelt. Vom Immunsystem der Patienten kann dieses Bakterium nicht vollständig entfernt werden und verursacht chronische Infektionen, durch die das Gewebe in den Atemwegen geschädigt und die Lungenfunktion drastisch vermindert. Bei insgesamt 90 % der CF-Patienten bestimmt die chronische Infektion mit P. aeruginosa so den klinischen Zustand der Patienten und den weiteren Verlauf der Krankheit.

Ziel des Projekts ist es zu analysieren, inwieweit Genomvariationen sowohl auf Seiten des Pathogens als auch auf der Wirtsseite zu den teilweise sehr unterschiedlich schweren Krankheitsverläufen beitragen. Bei P. aeruginosa spielen dabei nicht nur Charakteristika der initial besiedelnden Stämme eine Rolle, sondern auch während der chronischen Kolonisation neu auftretende Genomvariationen. Diese Mikroevolution in den CF-Atemwegen kann bakterielle Phänotypen modifizieren und trägt anscheinend zur Adaptation des bakteriellen Lebensstils an das Habitat CF-Lunge bei sowie zu vermehrter Resistenz gegen Mechanismen der Immunabwehr und auch gegen Behandlungen mit antimikrobiellen Substanzen. Daher sollen langfristig in diesem Projekt sowohl genetische Variationen der Patienten als auch die Mikroevolution der Bakterien während der chronischen Infektion analysiert werden und nach möglichen Assoziationen zwischen beiden gesucht werden. Die Identifikation von CF-spezifischen bakteriellen Mikroevolutionsprozessen und die damit verbundenen Adaptationsstrategien können Ansatzpunkte für neue Behandlungsstrategien von chronisch infizierten CF-Patienten liefern.

Außerdem wurden anhand der genomischen Variationen für jede der zwölf Isolat-Reihen phylogenetische Bäume erstellt und damit der jeweilige Verlauf der Mikroevolution beschrieben. Insgesamt sollen die Ergebnisse auf sowohl auf das Vorkommen CF-spezifischer Merkmale der Mikroevolution als auch auf Unterschiede zwischen milden und schweren Krankheitsverläufen hin untersucht werden.

Kompetitive Fitnessexperimente sollen zudem Aufschluss über die relative Fitness der einzelnen Isolate in nährstoffreichen als auch nährstoffarmen unbelebten Habitaten geben und die unterschiedlich ausgeprägten Folgen der Adaptationsprozesse in einem Wirtshabitat mit einem hoch aktivierten Immunsystem für die Fitness zulassen.

Diese Wachstumsexperimente können außerdem Rückschlüsse darauf zulassen, inwieweit Adaptation und Spezialisierung die Fähigkeit der Bakterien beeinträchtigen, auch neue, veränderte Habitate zu besiedeln und dort zu bestehen. Für diese Fitnessexperimente werden die jeweils sequenzierten sequentiellen Isolate eines Langzeitverlaufs unter nährstoffarmen bzw. nährstoffreichen Bedingungen zusammen über einen längeren Zeitraum kultiviert. In regelmäßigen Abständen werden Proben entnommen, in denen die relativen Anteile der einzelnen Isolate aus Amplikon-Sequenzierungsdaten bestimmt werden, indem Isolat-spezifische genomische Variationen, die durch die vorherigen Genomsequenzierungen detektiert wurden, als Marker verwendet werden.

Isolate mit potentiell vermeintlich funktionell bedeutsamen Mutationen sollen anschließend auf ihre Fitnesscharakteristika, auf veränderte Funktionen der in den betroffenen Gene kodierten Proteine und auf dadurch bedingte phänotypische Änderungen hin getestet werden.

Der Einfluss des genetischen Hintergrundes der Mukoviszidose-Patienten aud den Verlauf der chronischen P. aeruginosa-Infektion soll durch Genomsequenzierungen der 12 Patienten analysiert werden, aus deren Atemwege die im Detail analysierten sequentiellen Bakterienisolate stammten. Potentielle genomische Variationen, die mit milden oder schweren Krankheitsverläufen assoziiert sind, werden als Kandidaten für Modulatoren des Schweregrads des klinischen Verlaufs angesehen, deren Auftreten bei anderen CF-Patienten bestimmt werden sollen. Auf diese möglichen Modulatoren hin sollen große Kohorten von Patienen getestet werden, von denen DNA-Proben in der „European-Canadian unified CF DNA Biobank“ hinterlegt sind, Proben von mehreren Tausend CF-Patienten aus Deutschland, der Schweiz und Kanada. Potentiellen Modulatoren, deren Rollen in dieser großen Patienten-Kohorte bestätigt werden können, könnten dann als neue Biomarker für den Schweregrad der Verlaufs einer chronischen P. aeruginosa-Infektion in CF-Patienten darstellen.