Forskere fra Danmarks Tekniske Universitet har påvist en ny mekanisme bag resistensudvikling blandt bakterier i lungerne og dermed et grundlag for kronisk infektion hos patienter med cystisk fibrose. Opdagelsen kan udvikles til at blive et nyt diagnostisk værktøj, der kan guide behandling.
Patienter med cystisk fibrose må indse én universel sandhed, nemlig at bakterier i deres lunger over tid bliver vanskeligere og vanskeligere at behandle med antibiotika.
En del af bakteriernes tilpasningsmekanisme til antibiotika er blandt andet at vokse langsomt. Det øger deres tolerance over for de lægemidler, der holder patienterne i live – også selvom bakterierne ikke er resistente overfor de antibiotika, de behandles med.
Når bakterierne vokser langsomt, ændres deres optag af antibiotika, men indtil videre har forskere ikke haft en særlig god forståelse af, hvorfor og hvordan bakterierne går fra at vokse hurtigt til langsomt og fra at være antibiotikafølsomme til at være antibiotikatolerante.
Det afslører forskere fra Danmarks Tekniske Universitet nu i et nyt studie, hvor de har vendt evolutionen på hovedet.
”Problemet har indtil nu været, at det er meget svært at karakterisere årsagen til forskellige karaktertræk ved bakterierne, når de er i ligevægt, som de er i lungerne hos patienter med mangeårig cystisk fibrose. Derfor har vi været nødt til at ændre den ligevægt for at afsløre bakteriernes hemmelighed,” fortæller en af forskerne bag studiet, seniorforsker Ruggero La Rosa fra Novo Nordisk Foundation Center for Biosustainability ved Danmarks Tekniske Universitet.
Forskningen er offentliggjort i Nature Communications.
Sporede hvordan bakterier udviklede sig over 1.000 generationer
Baggrunden for det nye forskningsresultat er den mangeårige forskning, som professor Søren Molin i samarbejde med professor Helle Krogh Johansen på Rigshospitalet har lavet.
På Rigshospitalet har læger og forskere været rigtig gode til at indsamle prøver fra patienter med cystisk fibrose, og det vil sige, at forskerne har adgang til bakterier, som har levet i mere end 50 år i lungerne hos patienter med sygdommen.
Disse bakterier er så godt tilpasset til netop dette specifikke miljø, som de overhovedet kan blive. De vokser meget langsomt, er i balance med værtens immunforsvar og er meget lidt modtagelige overfor antibiotika.
I det nye forskningsarbejde har forskerne revet bakterierne ud af deres ligevægtstilstand ved at placere dem i et miljø med masser af næringsstoffer, intet immunforsvar og ingen antibiotika. De har derefter kortlagt de genetiske modifikationer, som bakterierne har foretaget over de næste 1.000 generationer, mens de vænnede sig til deres nye miljø.
”På den måde skal bakterierne finde et nyt ligevægtspunkt. De har pladsen og ernæringsstofferne til at vokse, og de tager gradvis tilbage til det udgangspunkt, som de startede fra, før de voksede i lungerne hos en patient med cystisk fibrose. Ved at kortlægge de genetiske ændringer fra langsom til hurtig vækst og fra antibiotikatolerant til antibiotikafølsom kan vi også forstå den omvendte proces, som er kernen i infektioner i lungerne hos patienter med cystisk fibrose,” forklarer Ruggero La Rosa.
Bakterierne vender tilbage til deres genetiske udgangspunkt
Ved hjælp af forskellige molekylærbiologiske og genetiske teknikker kunne forskerne afsløre, hvordan det genetiske udtryk ændrede sig i bakterierne.
For eksempel fandt forskerne, at bakterierne i lungerne hos en cystisk fibrose-patient havde kappet et stykke af et gen, som er vigtigt for omsætningen af nitrogen.
Det vil sige, at bakterierne er dårlige til at udnytte nitrogen til at vokse, og de dermed vokser langsommere og samtidig bliver mere antibiotikatolerante.
I takt med at bakterierne gennemgik de 1.000 generationer i forskernes forsøg, reparerede de dog på funktionaliteten af dette gen, så det blev tændt igen, og bakterierne igen kunne vokse hurtigere. Det gjorde dem samtidig mere modtagelige over for antibiotika.
Et andet eksempel er de komponenter, som bakterierne producerer til den biofilm, som de vokser i i lungerne. Biofilmen er en stor del af bakteriernes beskyttelse mod blandt andet antibiotika, men også andre bakterier.
I lungerne hos en patient med cystisk fibrose overudtrykker bakterierne gener for produktionen af biofilm, men de gener blev der slukket for, i takt med at bakterierne udviklede sig over tid i laboratoriet efter de 1.000 generationers tilpasning.
”Når vi bringer bakterierne tilbage til en meget hurtig vækst, kan vi ved at følge de genetiske tilpasninger forstå, hvordan bakterierne omvendt har tilpasset sig til livet i lungerne hos patienter med cystisk fibrose. Det er tilpasset laboratorie-evolution, som giver os helt nye indsigter,” siger Ruggero La Rosa.
Langsom vækst kan være en overraskende evolutionær fordel
Søren Molin fortæller, at der er meget store perspektiver i det nye studie.
For det første giver forskningen ny indsigt i, hvordan bakterier kan tilpasse sig nye omgivelser.
Inden for evolutionsmikrobiologien har det altid været et mantra, at hurtig vækst er nøglen til succes. I tilfældet med bakterier i lungerne er situationen dog en anden, for her kan det tilsyneladende bedre betale sig for bakterierne at vokse langsomt.
”Det kom som en overraskelse, at når det gælder lungerne, går konkurrencen mellem bakterierne ikke ud på at vokse hurtigt, men langsomt. Vores nye data har overbevist os om, at den øgede tolerance overfor antibiotika er en væsentlig årsag til dette, og i det hele taget er det meget sandsynligt, at stressfyldte omgivelser generelt selekterer for reduceret væksthastighed hos bakterier. Det er en interessant konklusion,” siger Søren Molin.
Søren Molin peger også på, at forskere i flere år har undret sig over, at bakterier i lungerne hos patienter med cystisk fibrose sjældent udvikler traditionel antibiotikaresistens. Derfor har forskerne også undret sig over, hvordan de kan overleve kontinuerlig antibiotikabehandling.
”Vi ved nu, at der er flere årsager til dette, men baseret på dette studie tror vi, at en væsentlig årsag er den langsomme vækst, som gør følsomme bakterier tolerante. Det er med til at understrege, at traditionel antibiotikaresistens ikke er det eneste store problem. Øget tolerance kan være et tilsvarende stort problem,” siger han.
Kan lede til mere præcis diagnostik
Det andet interessante perspektiv i forskningsresultatet er klinisk.
Søren Molin fortæller, at resultaterne peger på, at langsom vækst bliver en relevant faktor for bakterierne efter to til tre år i lungerne hos en patient med cystisk fibrose.
Derfor kan bakteriernes vækst udnyttes som en indikator for graden af antibiotikaresistens og dermed en forøget risiko for kronisk infektion.
Hvis læger regelmæssigt udtager prøver fra lungerne hos patienter med cystisk fibrose, kan de hele tiden holde øje med, hvornår bakterierne sætter deres væksthastighed ned. Når det sker, er det et tegn på, at de nu er ved at blive mere tolerante, og der muligvis skal ændres i behandlingen af patienterne.
”Vi har forskningsprojekter i gang, hvor vi undersøger, om vi kan bruge bakterievækst som indikator for antibiotikatolerance og dermed kronisk infektion. Viser det sig at holde stik, kan det få stor klinisk betydning. Det er på nuværende tidspunkt svært at sætte fingeren på det tidspunkt, hvor bakterierne begynder at udvikle sig som en kronisk infektion, men kan vi pege på det tidspunkt, kan vi også mere målrettet behandle mere aggressivt, når det sker. Det vil betyde, at vi kan holde den kroniske infektion tilbage i længere tid, end vi kan i dag,” siger Søren Molin.
Forskerne slår også fast, at selvom opdagelsen er lavet på bakterier fra lungerne hos patienter med cystisk fibrose, kan princippet være det samme ved andre kroniske infektioner, hvor indsigten også kan få klinisk betydning.
Det drejer sig blandt andet om infektioner i lungerne hos patienter med KOL, ved kroniske sår hos patienter med diabetes, ved genstridige urinvejsinfektioner eller kroniske tarminfektioner.
