Jouw darmbacteriën zijn kleine drug depots.

                              

Microbiologie in hapklare porties


Jouw darmbacteriën zijn kleine drug depots.

Ondertussen ben je waarschijnlijk al op de hoogte dat therapeutische geneesmiddelen ons darmmicrobioom (negatief) kunnen beïnvloeden. Maar weet je dat ons darmmicrobioom ook invloed heeft op zowel de biologische beschikbaarheid als de werkzaamheid van therapeutische geneesmiddelen? Inderdaad, de interactie tussen bacteriën en geneesmiddelen gaat in beide richtingen op. Het belangrijkste mechanisme waarmee bacteriën de beschikbaarheid van geneesmiddelen beïnvloeden, is via biotransformatie, of de chemische transformatie van geneesmiddelen door micro-organismen. In 2019 meldde een studie dat meer dan honderd therapeutische moleculen chemisch werden getransformeerd door onze darmbacteriën. Afhankelijk van de bacterie én het geneesmiddel kent dit proces verschillende resultaten. Zo worden bijvoorbeeld lovastatine en sulfasalazine omgezet in hun actieve vormen, maar het tegenovergestelde geldt voor digoxine. Ondanks het groeiende bewijs dat deze interacties niet alleen een effect hebben op de werkzaamheid – zowel de beschikbaarheid als de activiteit – van geneesmiddelen, maar ook op de microbiële conditie, is men slechts recentelijk begonnen met ze systematisch in kaart brengen. 

Bioaccumulatie door darmbacteriën…

Om wat meer licht op dit onderwerp te schijnen, brachten Klümann et al. de interacties tussen 15 (12 + 3 controles) geneesmiddelen voor humaan gebruik en 25 representatieve stammen van het menselijke darmmicrobioom in kaart (figuur 1)

Figuur 1. Schematische voorstelling van de experimentele opstelling voor profilering van bacterie-geneesmiddel interactie. Afbeelding gemaakt door auteur met BioRender.com op basis van methodebeschrijving in Klünemann, M., Andrejev, S., Blasche, S. et al. Bioaccumulation of therapeutic drugs by human gut bacteria. Nature 597, 533-538 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03891-8

De resulterende 375 bacterie-geneesmiddel combinaties onthulden 70 bacterie-geneesmiddel interacties, waaronder 29 die nog niet eerder waren gerapporteerd (figuur 2). Interessant is dat er in 17 van deze 29 nieuw-geïdentificeerde interacties sprake is van bioaccumulatie, of opslag van het geneesmiddel door bacteriën zónder deze te modificeren, in plaats van biotransformatie. Ook toonde de studie aan dat biotransformatie- en -accumulatie-interacties elkaar niet uitsluiten.

Figuur 2. Bacterie-geneesmiddel interactienetwerk geïdentificeerd in studie. Linker netwerk: biotransformatie of bioaccumulatie van geneesmiddelen door darmbacteriën. Rechter netwerk: het effect van geneesmiddelen op de groei van darmbacteriën. Image credits: Klünemann, M., Andrejev, S., Blasche, S. et al. Bioaccumulation of therapeutic drugs by human gut bacteria. Nature 597, 533-538 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03891-8

Hoe darmbacteriën geneesmiddelen kunnen biotransformeren is best denkbaar (hint: metabole enzymen), maar hoe zit het met bioaccumulatie? Om de moleculaire basis van bioaccumulatie te onderzoeken, bestudeerden Klümann et al. de “doeleiwitten” van duloxetine in verschillende bioaccumulerende darmbacteriestammen. Met behulp van technieken zoals click chemistry pull down en thermal proteome profiling (TPP) vonden zij verschillende enzymatische eiwitten die structureel reageerden op duloxetine. Naast de identificatie van deze doeleiwitten, toonden de onderzoekers ook aan dat de binding van duloxetine aan deze bacteriële enzymen het metabolisme van de bioaccumulerende stammen wijzigde (figuur 3). Bioaccumulatie heeft dus niet alleen invloed op de biologische beschikbaarheid van het geneesmiddel, maar het leidt ook tot een veranderde cellulaire fysiologie van de bacteriën die het geneesmiddel accumuleren!

Figuur 3. Links: schematische voorstelling van metabolische veranderingen door bioaccumulatie. Een klein-molecuul geneesmiddel zoals duloxetine bindt structureel aan een bacterieel “doeleiwit”, waardoor de functie van deze laatste wordt beïnvloed.  Rechts: Biosynthese van nucleotiden (een belangrijke bacteriële metabole pathway) in bioaccumulerende C. saccharolyticum met markering van de duloxetine-bindende (click-chemistry pull down assay, blauw) of -responsieve (TPP assay, oranje) enzymen. Verschillen in geobserveerde metabolietsecretie (d.w.z. maat voor veranderd metabolisme) zijn onderstreept. Afbeelding gemaakt in BioRender.com; nucleotide synthese pathway overgenomen uit Klünemann, M., Andrejev, S., Blasche, S. et al. Bioaccumulation of therapeutic drugs by human gut bacteria. Nature 597, 533-538 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03891-8

…en de gevolgen.

Metabole interacties (zoals bijvoorbeeld cross-feeding) spelen een fundamentele rol bij de vorming van microbiële gemeenschappen in de darmen. Dit roept dus de vraag op of de aan bioaccumulatie-gerelateerde metabole veranderingen ook een impact hebben op de samenstelling van de bacteriële gemeenschap. Om dit te onderzoeken construeerde Klümann et al. stabiele darmbacteriegemeenschappen. Deze bestonden uit vijf darmbacteriesoorten, waaronder een duloxetine bioaccumulator (Streptococcus salivarius) en een soort die direct wordt geinhibeerd door duloxetine (Eubacterium rectale). Wat bleek? De aanwezigheid van duloxetine veranderde de samenstelling van de gemeenschap merkbaar, resulterend in een 100-voudige toename van E. rectale abundantie in de gemeenschap (figuur 4). Hoewel de bioaccumulatie van duloxetine door S. salivarius een beschermend effect kan hebben op E. rectale is dit niet voldoende om deze toename te verklaren. De geobserveerde toename in aanwezigheid van duloxetine vraagt groeibevorderende interacties. Inderdaad, Klümann et al. vonden dat de veranderde duloxetine-gemedieerde metabolietsecretie van S. salivarius de groei van E. rectale stimuleerde (figuur 5). Hieruit kunnen we opmaken dat geneesmiddelen microbiële darmgemeenschappen moduleren op twee manieren: 1) door directe inhibitie van bepaalde leden van de gemeenschap, en 2) door wijziging van de metabole interacties tussen bacteriën in een gemeenschap.

Figuur 4. Bioaccumulatie van duloxetine wijzigt de samenstelling van de gemeenschap. Afbeelding credits: Klünemann, M., Andrejev, S., Blasche, S. et al. Bioaccumulatie van therapeutische geneesmiddelen door menselijke darmbacteriën. Nature 597, 533-538 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03891-8.

Figuur 5. Bioaccumulatie van duloxetine door S. salivarius stimuleert de groei van van E. rectale. Afbeelding gemaakt door auteur met BioRender.com gebaseerd op Klünemann, M., Andrejev, S., Blasche, S. et al. Bioaccumulation of therapeutic drugs by human gut bacteria. Nature 597, 533-538 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03891-8

Dan rest ons nog de vraag hoe bioaccumulatie de recipient-geneesmiddel respons beinvloedt? Om dit te onderzoeken hebben Klümann et al. gekeken naar de reactie van de worm C. elegans wanneer er bioaccumulatie van duloxetine plaatsvond. Aangezien duloxetine gedrag (spierbeweging) reguleert, gebruikten ze beweging als maat voor de recipient-geneesmiddel respons. Uit hun experiment bleek dat de aanwezigheid van duloxetine-bioaccumulerende stammen de recipientrespons beïnvloedde door het therapeutische effect van duloxetine te verzwakken (duloxetine zorgt voor een vertraagde beweegelijkheid; bioaccumulatie van duloxetine door microben in darm → verminderde beschikbaarheid voor de doelwitcellen → minder effect → meer bewegingen waargenomen vergeleken met controlegroep). 

Moraal van het verhaal: Klüman et al. hebben twee manieren ontdekt waarop bioaccumulatie door darmbacteriën het therapeutisch effect van geneesmiddelen beinvloedt. 1) Bioaccumulatie resulteert in een verminderde biologische beschikbaarheid van het geneesmiddel voor diens doelwitcellen. 2) Bioaccumulatie beinvloedt de secretie van metabolieten door bacterien. Dit kan leiden tot veranderingen in de samenstelling van de darmmicrobioom, wat wordt geassocieerd met bijwerkingen. Mogelijk zorgt dit ook vooreen mindere werkzaamheid van sommige geneesmiddelen. Het in kaart brengen van deze wederzijdse interacties tussen geneesmiddelen en bacteriën kan ons dus helpen om veranderingen in de biologische beschikbaarheid van geneesmiddelen en het metabolisme van bacteriën beter te voorspellen, evenals de implicaties voor de microbioomcompositie, de farmacokinetiek, de bijwerkingen én de respons op geneesmiddelen.

 


Link to the original post:

Klünemann, M., Andrejev, S., Blasche, S. et al. Bioaccumulation of therapeutic drugs by human gut bacteria. Nature 597, 533–538 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03891-8

Featured image:

Image created by the author with BioRender.com


Vertaald door: Lieselotte Peeters