Die Wissenschaft des Schleims

Katharina Ribbeck hat jeden Phlegma-, Booger- und Loogie-Witz im Buch gehört. Aber ihre Forschungen über Schleim zeigen, dass es sich um ein Wunderwerk der Technik handelt – und um eine entscheidende Verteidigungslinie im Immunsystem. Durch

• Anne Tranton Archivseite

19. Dezember 2018

Rotz. Popel. Schleim. Der Schleim, der bei einer Erkältung aus der Nase tropft. Egal wie man es nennt, Schleim hat einen schlechten Ruf als unangenehmes Abfallprodukt, ein Zeichen von Krankheit.

Doch trotz seines hohen Ick-Faktors erfüllt die schleimige Substanz eine bemerkenswerte Bandbreite an lebenswichtigen Funktionen. Immerhin kleidet es mehr als 200 Quadratmeter unseres Körpers aus – vom Mund bis zum Verdauungssystem, den Harnwegen, der Lunge, den Augen und dem Gebärmutterhals. Es schmiert und hydratisiert, lässt uns schlucken, bestimmt, was wir schmecken und riechen, und filtert selektiv Nährstoffe, Toxine und lebende Zellen wie Bakterien, Samenzellen und Pilze. Es ist eine wirklich erstaunliche Barriere, sagt Katharina Ribbeck, außerordentliche Professorin für Bioingenieurwesen. Es erlaubt uns, Nährstoffe zu integrieren; es schützt uns vor Krankheitserregern. Es ist auch ein großes Hindernis für die Arzneimittelabgabe. Aber wir haben keine Ahnung, wie es funktioniert.

Das wollen Ribbeck und ihre Schüler ändern. Durch die Untersuchung dieses klebrigen Hydrogels hofft sie, neue Wege zur Diagnose und Behandlung menschlicher Krankheiten zu finden. Es gibt viele Informationen über unsere Gesundheit im Schleim, sagt sie. Unser Ziel für die nächsten Jahre ist es, diese wenig genutzte Quelle von Bioinformationen anzuzapfen und zu nutzen.

Ein Champion für Schleim
Ribbeck hatte ursprünglich nicht vor, ihre Forschung auf Schleim zu konzentrieren. An der Universität Heidelberg in Deutschland studierte sie Biologie und Biochemie und ging für ihr Abschlussjahr an die University of California in San Diego, um an ihrer Diplomarbeit in Neurobiologie zu arbeiten. Als sie für die Graduiertenschule nach Heidelberg zurückkehrte, begann sie, die Biologie der Kernpore zu studieren – ein Kanal, der die Kommunikation zwischen dem Zellkern und dem Rest der Zelle reguliert.

Schleim, sagt sie, war in der Graduiertenschule nie auf meinem Radar. Aber wie Schleim wirken auch Kernporen als selektive Barrieren: Sie lassen einige Partikel passieren, während sie andere blockieren.

Nach Abschluss ihrer Promotion plante Ribbeck, eine Forschungsgruppe in Deutschland zu gründen, um ihre Studien zur Kernpore fortzusetzen. Doch dann schlug ihr eine Freundin von der Harvard Medical School vor, ein Jahr in seinem Labor zu arbeiten. Es sind die Dinge, die man nicht tut, die man bereut, sagt sie. Also beschloss ich, dorthin zu gehen, in Erwartung eines interessanten, aber nicht wirklich lebensverändernden Jahres.

Während er dort 2007 als Gastwissenschaftler verbrachte, hörte Ribbeck von einem Harvard-Stipendium, das ihm ein Labor, eine Startfinanzierung und den Status eines unabhängigen Forschers bieten würde. Der Fang? Die Bewerber mussten vorschlagen, eine neue Studienrichtung zu beginnen.

Schleim wurde damals nicht gut untersucht, aber es war bekannt, dass er eine Schlüsselrolle bei der Erhaltung der Gesundheit spielt. Ribbeck plädierte für die Gründung eines Schleimlabors – und bekam das Stipendium.

Schon früh während ihrer Zeit in Harvard erkannte sie, dass das Studium des Schleims von der Expertise und den Werkzeugen profitieren würde, die im Department of Biological Engineering des MIT entwickelt werden – in den Bereichen Gewebewissenschaft und -technik, Mikrofluidik und mehr. Sie kam 2010 an die Fakultät und erhielt 2017 eine Amtszeit.

„Ich war sofort beeindruckt von dem sprühenden Funken an Kreativität, den Katharina zum Ausdruck brachte“, sagt Abteilungsleiter Douglas Lauffenburger. Das Thema ihrer Forschungsinteressen schien zunächst ziemlich eigenartig, aber ihre Artikulation seiner breiten Bedeutung in der Mikrobiologie und Medizin und ihres Ziels, es auf eine Weise grundlegend zu verstehen, die zum Design wertvoller Technologien führen könnte, war zutiefst überzeugend.

Infektion abwehren
Zu den von Ribbeck untersuchten Phänomenen gehört, dass Schleim normalerweise krankheitserregende Mikroben sehr erfolgreich zähmt. Bis vor kurzem dachten Wissenschaftler, dass dies einfach daran liegt, dass es als mechanische Barriere fungiert und Bakterien und andere Krankheitserreger einfängt. Ribbecks Arbeit hat jedoch gezeigt, dass Schleim eine viel differenziertere Rolle spielt.

Die Hauptbausteine ​​des Schleims sind Mucine – lange, flaschenbürstenartige Proteine, an denen viele Zuckermoleküle, sogenannte Glykane, befestigt sind. Und Mucine, entdeckte Ribbeck, stören tatsächlich viele Schlüsselfunktionen infektiöser Bakterien. In Gegenwart von Muzinen werden die Eigenschaften, die diese Krankheitserreger virulent machen, deutlich herunterreguliert, sagt sie. Dazu gehören die Ausscheidung von Toxinen, die Fähigkeit, miteinander zu plaudern, und die Fähigkeit, sich an Zelloberflächen anzuheften.

Wenn diese Energie abgeschaltet ist, können sich Bakterien nicht mehr auf einer Oberfläche ansiedeln und dauerhafte schleimige Schichten namens Biofilme bilden, die tendenziell schädlicher sind als die Zellen einzeln: Sie können eine Vielzahl von Gesundheitsproblemen verursachen, einschließlich Zahnkaries und -geschwüre. und kann sich für Menschen mit Mukoviszidose als tödlich erweisen.

Ribbecks Labor fand dies heraus, indem es Schleim aus einem Schweinemagen reinigte, um ein Mucin namens MUC5AC zu isolieren, das mit einem verwandt ist, das in den menschlichen Atemwegen und im Magen vorkommt. Die Forscher erstellten dann dreidimensionale Matrizen mit und ohne Mucin und eingefügten infektiösen Bakterien P. aeruginosa sowohl. Die Bakterien in der Matrix ohne MUC5AC hafteten an der Oberfläche der Matrix und bildeten dichte Biofilme. In der MUC5AC-Matrix bildeten sich keine Biofilme. Aber als die Forscher ein Gen in den Bakterien löschten, das es ihnen ermöglichte, sich fortzubewegen, fanden sie etwas Interessantes: Die infektiösen Bakterien in der MUC5AC-Matrix klumpten zusammen und ahmten das Material nach, das sich aufbaut, um bei Mukoviszidose ungewöhnlich dicken Schleim zu produzieren. Was das bedeutete, stellte Ribbeck fest, war, dass Muzin zwar Dinge wie Staub und andere eingeatmete Partikel einfängt, im Fall der Bakterien jedoch das Gegenteil bewirkt und sie in Bewegung hält, damit sie keine Biofilme bilden können. Ihre Gruppe stellte fest, dass dies auch bei anderen Arten von Mikroben der Fall war, einschließlich Candida .

Ribbecks Forschung zeigte auch, dass Glykane – die komplexen Zuckermoleküle in Muzin – der Schlüssel zu seiner Fähigkeit sind, Krankheitserreger zu vereiteln. Es wurde angenommen, dass ihre Hauptaufgabe darin bestand, Muzinpolymere steif zu machen, und ihr Labor und andere hatten Glykane isoliert, um zu zählen, wie viele verschiedene Arten es gab. Wie sich herausstellt, enthalten Muzine Hunderte verschiedener Glykane. Aber abgesehen davon, sie zu zählen, verglich Ribbeck auch die Glykane in Mucin in verschiedenen Teilen des Körpers – und begann zu untersuchen, was sie tatsächlich bewirken. Durch den Vergleich natürlicher Muzine mit Muzinen, denen die Glykane entfernt wurden, entdeckte sie, dass diese Zucker für die Fähigkeit von Muzinen, Bakterien abzuwehren und zu verhindern, dass sie sich an Oberflächen anlagern, unerlässlich sind. Zunächst überrascht von diesem Befund, stellte sie fest, dass Glykane in der Muttermilch eine ähnliche Funktion erfüllen und Babys dabei helfen, gesund zu bleiben, indem sie als lösliche Rezeptoren dienen, die aufgenommene Krankheitserreger im Wesentlichen ablenken und sie daran hindern, sich dort festzusetzen, wo sie eine Infektion verursachen könnten. In gewisser Weise, sagt sie, ist Schleim wie Muttermilch für Erwachsene.

Ribbeck untersucht nun die spezifischen Funktionen von Hunderten von Glykanen, die sich entwickelt haben, um auf vielfältige Weise mit verschiedenen Krankheitserregern zu interagieren und diese zu deaktivieren. Sie stellt sich Muzine als eine riesige Bibliothek verschiedener Moleküle vor, die bereit sind, überprüft zu werden, um alle Mikroben zu bekämpfen, die vorbeikommen, ob es sich um Viren, Bakterien, Pilze oder Parasiten handelt. Stellen Sie sich vor, wie schön das ist, sagt sie.

Ingenieure sind seit langem daran interessiert, Materialien zu entwickeln, die Schleim nachahmen, hauptsächlich wegen seiner Gleitfähigkeit. Die faszinierenden antimikrobiellen Eigenschaften, die Ribbecks Labor entdeckt hat, haben jedoch viele Forscher dazu veranlasst, an synthetischen Versionen von Mucinen zu arbeiten, die möglicherweise zur Behandlung oder Vorbeugung von Infektionskrankheiten eingesetzt werden können. Einige vorläufige Studien aus Ribbecks Labor deuten darauf hin, dass Mucine Wunden, die mit Bakterien infiziert sind, die gegen herkömmliche Antibiotika resistent sind, wirksam behandeln können.

Ein Diagnosetool
Ribbecks Labor analysiert auch die Klebrigkeit und andere biophysikalische Eigenschaften Die Eigenschaften des Schleims ändern sich während einer Krankheit , das Forschern helfen könnte, Biomarker zu entdecken, die zur Diagnose vieler verschiedener Krankheiten verwendet werden könnten. Sie hat in den letzten Jahren Studien veröffentlicht, die zeigen, dass Veränderungen im Zervixschleim von Schwangeren ihr Risiko für einen vorzeitigen Wehenbeginn offenlegen können.

Mehr als 10 % der weltweit geborenen Babys kommen vor der Vollzeit, definiert als 37. Schwangerschaftswoche, zur Welt, aber es gab keine verlässliche Methode, vorzeitige Wehen vorherzusagen. In der Hoffnung, einen nützlichen Prädiktor zu finden, analysierte Ribbeck die chemischen und mechanischen Eigenschaften des Zervixschleims. Sie hat herausgefunden, dass der Schleim von Frauen mit hohem Risiko für frühe Wehen mechanisch schwächer, elastischer, durchlässiger und weniger haftend ist. Frühgeburten können auftreten, weil der Zervixschleim anfälliger für das Eindringen von Mikroben ist, die Infektionen verursachen können.

Andere Bedingungen, die den Schleim verändern, sind Verdauungskrankheiten wie Morbus Crohn und Colitis ulcerosa sowie Atemwegserkrankungen. Der heilige Gral der Diagnostik, sagt Ribbeck, besteht darin, Veränderungen in der Speichelzusammensetzung mit Krankheiten in Verbindung zu bringen, die Schleimhautoberflächen im ganzen Körper betreffen.

Wenn Sie eine anomale Schleimproduktion im Mund haben, besteht die Möglichkeit, dass dies auch für andere Körperteile gilt, sagt sie. So können wir vielleicht Krankheitszustände von entfernten Schleimhautoberflächen aus dem Speichel aufnehmen. Das wird sehr spannend, denn das ist natürlich nicht-invasiv und dennoch informativ.

Grossologie 101
Ribbeck sagt, dass ihre Forschung ein natürliches Thema für Kinder ist, das sie nutzt, um sie für Naturwissenschaften zu begeistern. Bei den im Bostoner Museum of Science angebotenen Grossology Summer Sessions bringen sie und ihre Schüler Grund- und Mittelschülern bei, wie man Polymernetzwerke herstellt, wobei sie Schleim als Material ihrer Wahl verwenden. Die Kinder erfahren auch etwas über die einzigartigen Barriereeigenschaften von Schleim und warum er sich so schleimig anfühlt.

Die Absicht hier ist, den kommenden Generationen wirklich ein Feld vorzustellen, damit sie mit dem Verständnis aufwachsen, dass Schleim kein Abfallprodukt ist. Es ist ein integraler Bestandteil unserer Physiologie und ein wirklich wichtiger Teil unserer Gesundheit, sagt sie.

Sie arbeitet auch an einem Kinderbuch mit einer sich verändernden Figur aus Schleim, die die vielen Rollen hervorhebt, die Schleim in unserem Körper spielt.

Kinder sind wirklich fasziniert von Schleim, und ich denke, ein Teil dieser Faszination geht Erwachsenen vielleicht nicht verloren, sagt Ribbeck. Die andere Sache, die es für so viele Menschen, mich eingeschlossen, faszinierend macht, ist ein Element der Überraschung, wenn man solch exquisite und elegante technische Stücke in etwas so Alltäglichem wie Schleim findet.

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