Hvordan tilpasser Pseudomonas aeruginosa sig til miljøet i lungerne hos CF-patienter, og hvorledes kan det få betydning for behandlingen?

Projektbeskrivelse:
Pseudomonas aeruginosa er den hyppigste og mest problematiske bakterie, som cystisk fibrose (CF) patienter inficeres med i deres lunger. Op imod 80 % af alle voksne CF-patienter er kronisk inficeret med P. aeruginosa i deres lunger. Grunden til at P. aeruginosa er så vanskelig at slippe af med – til trods for intensiv antibiotikabehandling – er at den har en unik tilpasningsevne. Det har derfor været centralt i behandlingen af CF-patienter at optimere antibiotikabehandlingen, så det er muligt at kontrollere infektionerne.

Dette forskningsprojekt har til formål at beskrive de molekylærgenetiske mekanismer bag bakteriel fitness (tilpasning). Fitness beskriver de egenskaber, som gør organismer i stand til effektivt at udnytte de tilstedeværende ressourcer og derved klare sig i konkurrencen med andre organismer. I CF-patienternes luftveje antages det, at der sker en gradvis øgning i de inficerende bakteriers fitness over tid. Konsekvensen af den øgede fitness for lungeinfektionen vil være, at isolater dyrket fra sene tidspunkter i lungeinfektionen vil have større fitness end tidlige genetisk identiske isolater fra samme patient.

De genetiske forandringer og de tilhørende ændringer i egenskaber, som finder sted kontinuert i de inficerende bakteriepopulationer medfører, at effekten af antibiotika bliver mindre over tid.

Vi forventer, at fitness-eksperimenterne vil kunne identificere mulige genetiske markører for høj fitness. På den baggrund vil vi udvikle simple standardiserede metoder, som kan indføres rutinemæssigt i det klinisk mikrobiologiske laboratorium til afdækning af i hvor høj grad bakterierne har formeret sig og tilpasset sig miljøet i luftvejene.

Opfølgning/resultater:
Formålet med forskningsprojektet var at undersøge, hvordan Pseudomonas Aeruginosa tilpasser sig til miljøet i luftvejene hos børn og unge med cystisk fibrose (CF). Bakteriestammerne, som vi benyttede, er indsamlet longitudinelt i løbet af en periode på næsten 10 år. Der indgik i alt 585 kliniske P. aeruginosa isolater fra 41 patienter med cystisk fibrose. Genomundersøgelser af de kliniske P. aeruginosa isolater har vist, hvilke gener der hyppigst bliver ændret (muteret) for at øge tilpasningsevnen (evnen til at overleve) til CF-luftvejene. Analysen af ændringer i generne viste, at fem af de hyppigst ændrede gener, og især mexZ, er relateret til den samme familie af antibiotika efflux pumper, som bakterierne benytter til aktivt at pumpe antibiotika ud af cellen (antibiotikatolerance / resistensmekanisme). Dette er en af de vigtigste mekanismer i udviklingen af antibiotikaresistens hos P. aeruginosa.

Vores undersøgelser har vist, at 65% af de kliniske P. aeruginosa isolater som minimum har en ændring i et gen, som er involveret i dannelsen af en antibiotikapumpe, hvilket tyder på, at netop disse gener har stor betydning for bakteriens tilpasningsevne i luftvejene. P. aeruginosa isolater med en ændring i mexZ har samtidig en tendens til også at have ændringer i gener relateret til andre antibiotikapumper. Ved at studere fænotypiske ændringer som fx væksthastighed og overlevelsesevne ved behandling med antibiotika fandt vi, at P. aeruginosa isolater med andre samtidigt ændrede antibiotika-resistensgener så ud til at have den bedste overlevelse og dermed tilpasningsevne til CF-luftvejene.

Vores studier har været af stor betydning for at forstå, hvilke genetiske ændringer i bakterierne der fører til de bedste tilpasningsmuligheder i CF-luftvejene, og hvordan vi kan påvise dem vha. simple molekylærbiologiske metoder i CF-ambulatoriet. Dette er metoder, som ikke benyttes i øjeblikket. Ved indførelse af disse metoder vil vi formentlig kunne hjælpe med til at designe nogle endnu bedre antibiotikabehandlingsstrategier til patienter med cystisk fibrose end dem, som vi allerede benytter os af.