Antibiotikaresistens og mutationer

 

Nutidens store forbrug af antibiotika har bevirket, at antallet af antibiotikaresistente bakterier er steget kraftigt de seneste år (det store antibiotikaforbrug illustreres på figur 32). Problemer med multiresistente bakterier vokser, og dette kan i høj grad begrænse mulighederne for i fremtiden at bekæmpe bakterielle infektioner. I dag forskes der derfor i måder, hvorpå man kan bekæmpe bakterier, der enten allerede er blevet resistente overfor antibiotika på markedet, eller kan risikere at blive resistente. Vi er på jagt efter nye antibiotika, der kan bekæmpe bakterieinfektioner effektivt uden en hurtig udvikling af antibiotikaresistens. Indenfor de seneste årtier har forskere opdaget, at antimikrobielle peptider (AMP’er) har dette potentiale. AMP’er produceres af flercellede organismer som en forsvarsmekanisme overfor sygdomsfremkaldende mikroorganismer. Idet AMP’er er en del af vores immunforsvar, er bakterier gennem mange millioner af år blevet udsat for disse. Der er dog ikke blevet observeret udbredt resistens overfor AMP’er, hvilket gør dem interessante indenfor forskningsverdenen, idet de potentielt kan benyttes som fremtidens antibiotika.

Før vi ser nærmere på AMP’er, lad os starte med at undersøge, hvorfor resistens egentlig er så stort et globalt problem, og hvilke mekanismer der ligger bag udviklingen af resistens.

Figur 32. På figuren ses, at der er en sammenhæng mellem procentdelen af resistente bakteriestammer og mængden af antibiotika der forbruges.

 

Antibiotikaresistens er et globalt problem. Infektioner forårsaget af resistente bakterier kan oftest ikke behandles med almindelige behandlingsmetoder, hvilket resulterer i vedvarende infektion og større risiko for død. Er bakterien kun resistent mod én type antibiotika, kan et andet bruges, men bliver bakterien resistent mod mange typer, kan det være svært eller helt umuligt at slå infektionen ned. Idet infektioner med resistente bakterier varer længere tid, vil der potentielt kunne spredes resistente mikroorganismer til flere mennesker. Grundet stigningen i antallet af antibiotikaresistente bakterier de seneste årtier (figur 33) er der fare for, at mange infektionssygdomme ikke længere kan kontrolleres. Derudover må dyrere behandlingsformer ofte tages i brug, når bakterielle infektioner bliver resistente over for first-line medikamenter, hvilket er en belastning på samfundsøkonomien.

Flere mekanismer kan være årsag til udviklingen af antibiotikaresistens. Der kan forekomme en ændring i en bakteries gener, hvilket kan medføre, at bakterien har nemmere ved at bekæmpe antibiotika. Denne ændring kaldes en mutation. Mutationer kan gøre bakterien bedre i stand til at modstå antibiotika, hvorved denne bakterie har mulighed for at formere sig og producere flere resistente bakterier.

Figur 33Denne graf viser antallet af rapporterede tilfælde af methicillin (et antibiotikum) resistente Staphylococcus aureus (MRSA) i Danmark i årene fra 1994 til 2011. Fra DANMAP rapporten fra 2011. 

 

Hvis antibiotikummet har til opgave at binde til et enzym og forhindre det i at udøve sin funktion, kunne en mutation ændre enzymet, så det ikke længere kan genkende det antibakterielle stof. Herved vil enzymet ikke længere blive forhindret i at udøve sin effekt, og antibiotikaet vil ikke have nogen effekt. Mutationer kan også resultere i en sænket permeabilitet (gennemtrængelighed) af cellemembranen overfor antibiotika, eller en produktion af nye enzymer der kan nedbryde det tilførte lægemiddel. Proteiner på den ydre cellemembran af nogle Gram-negative bakterier kan pumpe antibiotika ud af cellen, hvilket sænker dets effektivitet. Ydermere kan der forekomme mutationer i receptorer på bakteriecellens overflade, som antibiotika skal binde sig til for at opnå en effekt. Mutationen kan forhindre binding af antibiotikummet til receptoren, hvilket vil medføre at antibiotikummet ikke har nogen virkning. Antibiotikaresistens kan overføres fra én bakterie til en anden. Dette kan ske på to forskellige måder. DNA fra én bakterie kan overføres til en anden vha. en bakteriel virus. Derudover kan bakterier overføre genetisk materiale direkte til hinanden ved at bygge en bro mellem dem. Den sidstnævnte måde, hvorpå resistens kan overføres, benyttes hovedsageligt af Gram-negative bakterier. Modtagercellen vil på begge måder arve resistensen og være klar til at modstå behandlinger med antibiotika.

Når der indtages antibiotika vil det dræbe de tilstedeværende bakterier, men hvis nogle af bakterierne er resistente, vil disse overleve og formere sig. Man kunne tro, at det er tilstedeværelsen af antibiotika, der gør, at bakterierne ændrer sig og muterer en del af deres struktur, hvorved de kan modstå antibiotikummet. Sandheden er dog, at mutationer forekommer uafhængigt af antibiotikummet. Hvis en bakteriecelle har muteret sig og overlever, når der er antibiotika til stede, vil denne celle dele sig, og alle bakteriecellens efterkommere vil arve denne mutation. Mutationer forekommer altså helt af sig selv i naturen. For bakterien E. coli antages det, at der forekommer én mutation for hver 1.000.000 bakterier. Denne mutation kan eventuelt medføre, at bakterien bliver resistent over for et bestemt antimikrobielt stof. Heraf ses det, at kun en meget lille procentdel af alle bakterierne bliver naturligt resistente, men da bakterier vokser og formerer sig meget hurtigt, vil den muterede, resistente bakterie formere sig. Således vil der komme flere bakterier, der udviser resistens over for det antimikrobielle stof.

Man har længe kendt til forekomsten af naturlige mutationer, hvilket er grunden til, at patienter, der tager antibiotika for at bekæmpe en bakteriel infektion, altid skal fuldende behandlingen, selvom symptomerne er væk. På denne måde sikrer man, at alle bakterier dør eller forhindres i at formere sig, hvorefter kroppens eget immunsystem kan tage sig af de få tilbageværende celler, resistente som ikke-resistente. Hvis behandlingen derimod afbrydes for tidligt, vil kroppens forsvarsmekanismer have problemer med at bekæmpe de resterende bakterier. Hvis nogle af disse er resistente, vil de have mulighed for at formere sig, hvilket resulterer i en ny infektion, der denne gang ikke kan behandles af det oprindeligt benyttede antibiotikum.

Moderne antibiotika har et begrænset antal makromolekylære ’targets’, som oftest er essentielle bakterielle proteiner. Det vil sige, at de antibiotika der er på markedet i dag, kun har få virkningsmekanismer og virker derved kun på få dele af bakterien. AMP’er har derimod mange flere virkningsmekanismer og kan angribe bakterien på flere forskellige måder. Bakterien har derved sværere ved at udvikle resistens over for AMP’er end moderne antibiotika, da der er flere virkningsmekanismer, der skal bekæmpes. Derudover er AMP’ers primære virkningsmekanisme at lave huller i cellemembranen, hvorved livsvigtige molekyler og ioner kan slippe ud af cellen. Da AMP’er er specifikke overfor en så fundamental del af cellen som dennes membran, er sandsynligheden for at der udvikles resistens minimal. Det ville kræve meget af bakterien, hvis den skulle til at ændre sin cellemembran og udvikle en resistensmekanisme til at bekæmpe AMP’ers membranødelæggende effekt.

AMP’er har altid været en vigtig del af vores immunforsvar og har udviklet sig sideløbende med bakterier, uden at bakterier er blevet udbredt resistente. De seneste år har vi derved fået øjnene op for AMP’er som potentielle lægemidler, idet udvikling af resistens over for disse tænkes at være usandsynlig. Det er vigtigt, at dette bliver ved med at være tilfældet, da det kan have alvorlige konsekvenser for immunsystemet og dets aktivitet, hvis bakterier udvikler resistensmekanismer overfor AMP’er. Hvis bakterier udviklede resistensmekanismer overfor immunsystemets AMP’er, ville vores immunforsvar pludselig have meget sværere ved at beskytte os mod bakterielle infektioner.

Selvom udvikling af resistens overfor AMP’er er begrænset, har det vist sig, at både Gram-positive og Gram-negative bakterier kan benytte sig af flere forskellige mekanismer til at modstå AMP’er (figur 34). Bakterier kan ændre deres celleoverflade ved enten at ændre ladningen og gøre overfladen mere positiv, hvilket vil frastøde de kationiske AMP’er, eller mindske permeabiliteten (gennemtrængeligheden) af cellemembranen overfor AMP’erne. Derudover kan bakterierne fjerne AMP’er ved brug af diverse efflux transportører, ved at udtrykke proteaser der nedbryder AMP’erne, eller de kan sænke værtens produktion af AMP’er.

Vi må holde for øje, at det ikke er umuligt for bakterier at udvikle resistens over for AMP’er, og denne overvejelse skal med, når AMP’er skal designes og bruges som lægemidler.

Figur 34Figuren viser de forskellige resistensmekanismer, som bakterier bruger til at modstå AMP’er.