Wer muss sich um Resistenzen sorgen, wenn KI-geschriebene Bakteriophagen regeln? Klingt surreal, könnte den Antibiotika-Albtraum beenden. Resistente Krankenhauskeime adé?
US-Forschern der Stanford University und des Arc Institute ist es erstmals gelungen, vollständige Genome von Bakteriophagen mithilfe von Künstlicher Intelligenz zu erzeugen. Das berichtet das Fachjournal Science. Bisher beschränkte sich der Einsatz von KI in der Biologie meist auf das Design einzelner Proteine oder Gene.
Grundlage war der bereits gut erforschte Bakteriophage ΦX174. Ähnlich wie moderne Sprachmodelle wurden auch die beiden genomischen KI-Modelle Evo 1 und Evo 2 mit gewaltigen Mengen an Informationen gefüttert – allerdings mit DNA statt Sprache. Das Ergebnis waren tausende KI-generierte Genomsequenzen, die exakt wirtsspezifisch waren. Davon wählte das Forschungsteam unter Brian Hie rund Samuel King und 300 Sequenzen aus, um die Herstellung im Labor zu testen. Am Ende identifizierte das Team 16 funktionsfähige Phagen mit neuen, in der Natur so nicht vorkommenden genetischen Sequenzen und Strukturen. Eingesetzt als Phagencocktail, ein kombiniertes Gemisch, waren die KI-Viren in der Lage E.-coli-Stämme zu töten, die bereits gegen den natürlichen Vorlage-Phagen (ΦX174) resistent waren. Einige KI-Viren wuchsen sogar schneller als ihre natürlichen Vorbilder.
Der eigentliche Durchbruch liegt in der Geschwindigkeit. Die Herstellung wirtsspezifischer Genomsequenzen wurde durch KI drastisch beschleunigt. Eine auf den Erreger zugeschnittene Phagentherapie: könnten resistente Krankenhauskeime damit wirksam bekämpft werden?
Bereits vor dem KI-Durchbruch von Hie und King konzentrierte sich die Phagenforschung auf die gefährlichsten, von der WHO eingestuften Krankenhauskeime:
Auch das Fraunhofer-Institut für Toxikologie und Experimentelle Medizin (ITEM) bezeichnet die Phagentherapie als „neuen Hoffnungsträger“. Besonders die Behandlung von Mukoviszidose würde profitieren: Viele Betroffene leiden an resistenten Pseudomonas-aeruginosa-Infektionen. Der zähflüssige Schleim in ihren Atemwegen bietet dem Erreger ideale Wachstumsbedingungen.
Phagentherapie ist im Trend. Dabei handelt es sich eher um ein Comeback: Bereits in den 1920er und 1930er Jahren gab es weltweit vielversprechende klinische Versuche und kommerzielle Präparate. Erst mit dem Antibiotika-Boom durch die Penicillin-Entdeckung durch Alexander Flemming trat die Phagentherapie in den Hintergrund. Jetzt bietet sie Potenzial, den alten Rivalen aufzuholen. Auf DocCheck-Anfrage beim Deutschen Zentrum für Infektionsforschung e. V. (DZIF) erklärt die Infektiologin Prof. Maria Vehreschild von der Uniklinik Frankfurt: Öffentliche Forschungsgelder steigen, „nachdem es zu diesem Thema bis vor kurzer Zeit kaum Förderungen gab.“ So unterstützte die EU erst vor kurzem ein Forschungsprojekt zur Phagentherapie unter der Leitung der Uniklinik Frankfurt mit 15 Millionen Euro.
Wenn Phagentherapie bereits erforscht wird, wieso gibt es dann nicht längst eine one-fits-all-Lösung? Phagen sind hochspezialisiert. Ein Phage, der einen bestimmten Stamm von Pseudomonas aeruginosa bei Patient A bekämpft, kann bei Patient B wirkungslos sein. Der Grund liegt im Mechanismus. Phagen docken an spezifische Oberflächenstrukturen von Bakterien an. Verändern sich diese durch Mutationen, greift der Phage nicht mehr. Der molekulare „Schlüssel“ passt nicht mehr zum „Schloss“, die Infektion bleibt aus. Erfolgreiche Phagentherapie muss daher häufig individuell auf den jeweiligen Erreger zugeschnitten werden. Genau diesen Prozess könnte KI erheblich beschleunigen.
In Ländern wie Georgien und Russland sind Phagenpräparate bis heute regulär als Medikamente zugelassen und im Einsatz. Und Deutschland? Ein Phagencocktail, sprich ein Fertigarzneimittel mit einer vordefinierten, standardisierten Zusammensetzung von Phagenstämmen, ist im bestehenden EU-Arzneimittelrecht grundsätzlich zulassungsfähig. „Aktuell gibt es allerdings noch kein Produkt in einer fortgeschrittenen klinischen Studienphase“, erklärt Vehreschild. Sprich: Weder in den USA noch hierzulande ist bisher ein Fertigarzneimittel auf Phagenbasis zugelassen – die verlangten Studien sind für die sich potenziell ständig verändernden Phagen so kompliziert und teuer, dass es noch kein Hersteller umgesetzt hat.
Im klinischen Alltag kann Phagentherapie nur als individueller Heilversuch, als Ultima Ratio bei Patienten mit schweren multiresistenten Infektionen angewendet werden – wenn herkömmliche Antibiotika versagen. Spezialisierte Zentren wie beispielsweise die Medizinische Hochschule Hannover (MHH) oder die Universitätsmedizin Frankfurt bieten hierzu Behandlungs- und Registerstrukturen an. Und auch Initiativen wie Phage Germany unterstützen bei der Suche nach passenden Phagen und dem Case-Management.
In ihrer Studie zu KI-generierten Phagen haben King und Kollegen bewusst Daten von humanpathogenen Viren aus den Trainingsdaten des Genom-Sprachmodells ausgeschlossen – um Missbrauchsrisiken zu verringern. Die verwendeten Modelle sind Open Source. Wenn dieselben Techniken mit den Genomen menschlicher oder tierischer Krankheitserreger trainiert würden, könnten theoretisch auch neue oder veränderte Erreger vorgeschlagen werden. Ein Schelm, wer Böses dabei denkt. Eine solche wissenschaftliche Errungenschaft bietet das Potenzial der Zweckentfremdung – sprich der Biowaffenherstellung. Wie besorgniserregend dieser Gedanke ist, zeigt sich besonders in der Veröffentlichung eines Kommentars von den Biosicherheitsforschern Thomas Inglesby und Moritz Hanke von der Johns Hopkins University in Baltimore: Zwar können KI-generierte Bakteriophagen multiresistente Erreger bekämpfen, doch bergen sie laut den Autoren unkontrollierbare Risiken für die Biosicherheit. Sie fordern Sicherheitsmechanismen und einen Regulierungsrahmen zum Schutz vor Missbrauch.
Auch in Deutschland polarisiert das Thema politisch: Anfang Juli hat der Bundestags-Ausschuss für Forschung, Technologie, Raumfahrt und Technikfolgenabschätzung getagt und einen Bericht vorgelegt. Im Fokus standen „Black-Swan“-Risiken, seltene, kaum vorhersehbare Ereignisse mit großer Tragweite wie die Herstellung gefährlicher Erreger. Auch politische Handlungsoptionen wurden diskutiert.
Zusammenfassend lässt sich sagen: Phagen-Präparate besitzen in Deutschland keine allgemeine Marktzulassung als Medikament. Zulassungsfähig wären Sie allerdings laut EU-Arzneimittelrecht schon. Was fehlt, sind ausreichend klinische Daten, zugelassene Präparate und passende regulatorische Strukturen für personalisierte Anwendungen.
Dass Phagen so individuell sind, wird jetzt zum Problem – zumindest für die Behörden. „Ein Produkt, dessen Wirkstoffzusammensetzung sich von Patient zu Patient ändert, passt in keines der bestehenden Zulassungsverfahren“, so Vehreschild. Hoffnung bringt die kürzlich erschienene S2k-AWMF-Leitlinie zur personalisierten Phagentherapie unter der Schirmherrschaft der Deutschen Gesellschaft für Infektiologie (DGI). Vielleicht ein Türöffner.
Die Arbeit von Hie und Kollegen zeigt, wie KI die Entwicklung maßgeschneiderter Phagen drastisch beschleunigen könnte. Ob daraus ein Wendepunkt im Kampf gegen Antibiotikaresistenzen wird, entscheidet sich weniger im Labor als in klinischen Studien und bei den Zulassungsbehörden.
Bildquelle: Arkana Bilal, Unsplash
