Veerkracht is de oplossing
Dit artikel is geschreven door gastauteur Jana Gomez
Antimicrobiële resistentie is een groeiende zorg in de wetenschappelijke gemeenschap. Een recente studie schatte zelfs dat ongeveer 4,95 miljoen sterfgevallen in 2019 in verband werden gebracht met bacteriële antimicrobiële resistentie. Hoewel antimicrobiële resistentie wordt bestudeerd door meerdere groepen over meerdere ziekteverwekkers, lijken bacteriën sneller dan ooit resistentie te krijgen. Dit heeft veel wetenschappers ertoe gebracht uit te zoeken hoe bacteriën hun resistentie winnen en behouden, waaronder de auteurs van dit artikel.
In deze studie voorspelden de auteurs dat mutaties in genen die in antibiotica-resistente bacteriestammen blijven bestaan, inzicht zouden verschaffen in welke moleculaire mechanismen belangrijk zijn voor resistentie. Daartoe analyseerden zij klinische isolaten van Mycobacterium tuberculosis (Mtb), de bacterie die tuberculose (TB) veroorzaakt. Mtb is historisch gezien een hardnekkig organisme, en heeft zelfs resistentie verworven tegen meerdere antimicrobiële stoffen, waardoor het een uitstekende kandidaat is voor het bestuderen van mechanismen van antibioticaresistentie.
Identificatie van een hoofdrolspeler in antimicrobiële resistentie
Om te bestuderen hoe Mtb strategieën voor antibioticaresistentie ontwikkelt, bekeken de auteurs het genoom van meer dan 50.000 klinische isolaten van tuberculose. Met behulp van statistische analyse zagen zij dat in de meeste van hun stammen één gen was gemuteerd, resR. resR is een regulerend gen, wat betekent dat het de activering en deactivering van vele andere genen regelt. Deze bevinding was veelbelovend, want het betekende waarschijnlijk dat resR een sleutelrol speelde in het antibioticaresistentiemechanisme van deze stammen.
Dit was echter niet helemaal het geval.
Antibiotica die gewoonlijk worden gebruikt om TB te behandelen, doden stammen met resR-mutaties even snel als stammen zonder deze mutaties. resR is dus niet verantwoordelijk voor antibioticaresistentie in klassieke zin. De auteurs merkten echter een interessant fenomeen op bij stammen met de resR-mutatie. Wanneer deze stammen hoge concentraties antibiotica kregen toegediend en vervolgens zonder antibiotica werden gekweekt, herstelden resR-mutanten veel sneller (tot 50%!) dan stammen zonder resR-mutatie. De auteurs noemen dit fenomeen antibiotische veerkracht.
Hoe krijgen bacteriën antibiotische veerkracht?
Het concept van antibiotische veerkracht (ook wel post-antibiotisch effect genoemd) is eigenlijk niet zo nieuw. In feite wordt dit fenomeen al tientallen jaren door de wetenschappelijke gemeenschap erkend en is het waargenomen bij een verscheidenheid aan bacteriën. Het mechanisme van antibioticaresistentie wordt echter niet goed begrepen. Daarom gingen de auteurs van dit artikel na welke genen door resR worden gereguleerd, om na te gaan of die genen bijdroegen tot antibioticaresistentie.
Daartoe gebruikten de auteurs een combinatie van genoomsequencing en een DNA-eiwitbindingstest om sequenties van DNA te identificeren waaraan ResR (het eiwit dat wordt gecodeerd door ons belangrijkste gen, resR) kan binden, aangezien directe binding aan DNA er gewoonlijk op wijst dat een eiwit het reguleert. Interessant genoeg vonden zij een regio die niet alleen een plaats was voor ResR-binding, maar ook in verband werd gebracht met antibioticaresistentie van Mtb. Deze plaats was de whiB2-fbiA intergene regio. Aangezien intergene regio’s vaak plaatsen zijn waar genen worden gereguleerd, gebruikten de auteurs RNA-sequencing om te bepalen welke genen een veranderde transcriptie hadden in resR-mutantstammen. Ter ondersteuning van hun eerdere bevinding hadden de resR-mutanten ongeveer twee keer zoveel whiB2-transcripties als stammen zonder resR-mutanten.
Wat doet WhiB2 eigenlijk? Het WhiB2-eiwit is een regulator van de celgroei in mycobacteriën, een groep bacteriën waartoe ook Mtb behoort. De antibioticaresistente stammen met resR-mutanten die eerder werden geïdentificeerd (en stammen met mutanten in de whiB2-fbiA intergene regio zelf) veranderden niet alleen de activeringssnelheid van de whiB2-genexpressie, maar zij beïnvloeden ook de celgrootte! Deze waarnemingen brachten whiB2 duidelijk in verband met antibioticaresistentie. Hoewel whiB2 het sleutelgen leek te zijn dat betrokken is bij antibioticaresistentie, had het een partner die mogelijk een rol speelt in dit mechanisme.
Een andere speler komt in het spel
Het WhiB2 eiwit was de auteurs van dit artikel niet onbekend. In feite is er veel bekend over deze regulator in een andere veel voorkomende ziekteverwekker, Streptomyces (bekend als veroorzaker van keelpijn). In Streptomyces reguleert WhiB2 samen met zijn tegenhanger WhiA wanneer de cel zich begint te delen. Op grond hiervan dachten de auteurs dat whiA sterk gemuteerd zou kunnen zijn in antibiotica-resistente stammen, net als resR. Toen zij hun oorspronkelijke sequencinggegevens bekeken, vonden zij dat ongeveer 7% van hun klinische isolaten mutaties hadden in whiA, resR, en in de whiB-fbiA intergene regio. Zij merkten ook op dat Mtb-stammen met deze mutaties sterk geassocieerd waren met canonieke antibioticaresistentie, zelfs in stammen die in verschillende landen waren geïsoleerd.
De interessantste gegevens hadden echter betrekking op terugkerende tbc. Veel patiënten die monsters voor deze studie leverden, hadden meer dan één episode van TB, wat erop wijst dat de Mtb-stam die hun ziekte veroorzaakte, zich tegen behandeling verzette. Van de 36 patiënten die in hun klinische studie geen behandeling kregen voor terugkerende TB, had 22,2% mutaties in de hoofdrolspelers die betrokken zijn bij antibioticaresistentie (whiA, whiB-fbiA of resR). Nog opvallender is dat bij vijf patiënten het aantal mutaties in de hoofdrolspelers tijdens hun tweede TB-episode toenam ten opzichte van hun eerste TB-episode.
Wat betekent dit allemaal?
Antibioticaresistentie blijft een groot probleem in de microbiologie, en studies die potentiële mechanismen blootleggen van hoe dit gebeurt, zijn de sleutel tot de oplossing van dit probleem. Het gebruik van klinische isolaten in plaats van Mtb-stammen die alleen in het laboratorium worden gekweekt, is een uitstekende manier om inzicht te krijgen in de kenmerken van bacteriën die daadwerkelijk in ziekenhuizen circuleren. Bovendien kunnen we, nu we weten dat Mtb’s resistent kunnen worden tegen antibiotica, op dit verschijnsel letten wanneer we isolaten uit het ziekenhuis kweken. Dit zal artsen inzicht geven in gevallen waarin het antibioticum dat zij voorschrijven niet sterk genoeg is om de resistente bacterie kwijt te raken.
Link to the original post: QINGYUN LIU et al., Tuberculosis treatment failure associated with evolution of antibiotic resilience. Science 378;6624
Featured image: Ernesto del Aguila III, NHGRI.
Vertaald door: Liang Hobma
micro-bites.org 