Pseudomonas aeruginosa lungeinfektion kan forklares ved bakteriel persistens

Baggrund
Lungeinfektioner med Pseudomonas aeruginosa (PA) hos yngre patienter med cystisk fibrose (CF) er et infektionsparadoks. I laboratorieundersøgelser ser bakterierne oftest ud til at være antibiotikafølsomme, men til trods for dette kan vi alligevel ikke udrydde bakterierne fra patienternes lunger med antibiotika. Vi har i de senere år undersøgt, hvorfor antibiotikabehandling fejler hos mange patienter med CF, der er inficeret med PA.

Den manglende udryddelse af PA kan måske forklares som bakteriel persistens, også kendt som “persister subpopulationer”. Persister-bakterier er antibiotikafølsomme bakterier, som overlever antibiotikabehandling og kan genoptage væksten, når antibiotika ikke længere er til stede. Dette fænomen kalder man også “antibiotika-tolerance”.

Vi mener, at behandlingssvigt kan forværres, når der er PA med mutationer, som fører til høj persistens (HiP), til stede i infektionen.

Metoden
Med en screeningsmetode, som benytter meget høje doser af ciprofloxacin (et antibiotikum som ofte benyttes hos CF-patienter), har vi undersøgt 495 PA-isolater fra 40 patienter med CF for deres evne til at persistere. Ved screeningen har vi fundet to niveauer af persistens blandt de kliniske isolater: højt (HiP) og normalt.

Vi undersøgte også HiP-bakteriernes tilpasning til CF-lunger og sammenlignede dem med vildtype-bakterier i et biofilm-system, der simulerer antibiotikadoseringerne, der bliver anvendt til behandling af patienter med CF-lungeinfektioner. Desuden søgte vi i vores genomsekvenseringsdata (WGS) efter specifikke mutationer, der kunne associeres til høj persistens.

Resultater
Ca. 25 % af de kliniske isolater var HiP, og de blev fundet hos 26 ud af 40 patienter. Hyppigheden af HiP-bakterier steg med længden af lungeinfektionen, og jo længere tid patienterne havde haft lungeinfektioner, desto større en %-del af deres PA var HiP.

HiP-bakterierne havde markant øget fitness sammenlignet med wild-type bakterierne i biofilmundersøgelserne, og mutationsanalyser viste, at mutationer i mindst 13 gener kunne have indflydelse på bakteriel persistens.

Konklusion
Vores undersøgelser viser, at persistens hos PA er klinisk relevant og kan være en del af forklaringen på, hvorfor antibiotika ikke udrydder bakterierne fra CF-patienternes lunger. Den høje andel af HiP-bakterier bidrager til vedligeholdelsen af PA-infektionen bl.a. på grund af deres øgede tilpasning.

Dette blev undersøgt i et biofilm-assay, hvor der blev tilsat ciprofloxacin, ligesom man gør, når man behandler CF-lungeinfektioner i klinikken. Her var der markant flere HiP-bakterier, som ikke blev udryddet, når der blev tilsat antibiotika end wild-type bakterier. Vores analyse af HiP-mutanter viste, at der er flere HiP-gener involveret i persistens, og at det lige nu ikke er muligt på baggrund af genom-data at forudsige, om et bakterie-isolat har en HiP fænotype.