Οι επιστήμονες βρήκαν έναν μυστικό «διακόπτη» που επιτρέπει στα βακτήρια να αντιστέκονται στα αντιβιοτικά - και αποφεύγει τις εργαστηριακές εξετάσεις εδώ και δεκαετίες

 

Οι επιστήμονες βρήκαν στοιχεία για έναν νέο τύπο αντίστασης στα αντιβιοτικά, γνωστό ως ετεροανθεκτικότητα, που δεν ανιχνεύεται σε τυπικές κλινικές δοκιμές. Σε αυτό, ένα μικρό ποσοστό βακτηρίων σε έναν πληθυσμό μπορεί να αποφύγει τα αντιβιοτικά, αλλά δεν θα κυριαρχήσει μέχρι να εκτεθεί στα αντιβιοτικά. (Πίστωση εικόνας: Εικονογράφηση © Amanda Konishi 2024)

Το 2021, ένας άνδρας στα 50 του μεταφέρθηκε στη μονάδα εντατικής θεραπείας στο Πανεπιστημιακό Νοσοκομείο Emory στην Ατλάντα. Υπέστη σηπτικό σοκ λόγω βακτηριακής λοίμωξης που είχε εξαπλωθεί στο αίμα του. Ο ένοχος; Klebsiella pneumoniae, η οποία ήταν ανθεκτική στα περισσότερα αντιβιοτικά.

Τελικά, προέκυψε η ελπίδα: Ένας κύκλος δύο εβδομάδων ενός αντιβιοτικού που ονομάζεται cefiderocol φαινόταν να καθαρίζει τη μόλυνση. Αλλά μόλις 10 ημέρες αργότερα, ο άνδρας μεταφέρθηκε εσπευσμένα στη ΜΕΘ, όπου οι γιατροί ανακάλυψαν μια μάζα γεμάτη πύον που κάλυπτε το συκώτι του. Τα ίδια βακτήρια είχαν επιστρέψει με εκδίκηση.

Οι γιατροί έστειλαν το δείγμα αίματος του ασθενούς στον David Weiss, μικροβιολόγο στο Emory Antibiotic Resistance Center. Ο Weiss ανακάλυψε ότι τα βακτήρια ήταν πλέον πολύ ανθεκτικά στην κεφιδερόκολη.

Γρήγορα ειδοποίησε τους γιατρούς. Αλλά ακόμη και μετά την αλλαγή αντιβιοτικών, ο άνδρας πέθανε.

Η περίπτωση του άνδρα υπογραμμίζει μια άπιαστη στρατηγική που χρησιμοποιούν τα βακτήρια στον αγώνα εξοπλισμών τους ενάντια στα αντιβιοτικά - έναν κρυφό τύπο αντίστασης που μπορεί να ενεργοποιηθεί σχεδόν αμέσως, αλλά δεν αφήνει γενετικό ίχνος. Και μπορεί να είναι σχεδόν αδύνατο να εντοπιστεί χρησιμοποιώντας τυπικές εργαστηριακές δοκιμές. Οι ερευνητές αναγνωρίζουν όλο και περισσότερο ότι αυτή η βακτηριακή στρατηγική, που ονομάζεται «ετεροανθεκτικότητα», μπορεί να παίζει σημαντικό ρόλο στις αποτυχίες των αντιβιοτικών. Η αναγνώριση αυτής της βακτηριακής στρατηγικής, λένε οι ειδικοί, είναι το πρώτο βήμα για την καταπολέμησή της.

«Αν και αυτό είναι ένα ανησυχητικό φαινόμενο που μελετάμε τώρα, στη μεγάλη εικόνα και στο μέλλον, νομίζω ότι θα μπορέσουμε να χρησιμοποιήσουμε αυτή τη γνώση για να βοηθήσουμε πολύ τους ασθενείς», δήλωσε ο Weiss.

Ένα νέο είδος αντίστασης

Για δεκαετίες, μικροβιολόγοι όπως ο Weiss θεωρούσαν την αντίσταση στα αντιβιοτικά ως κάτι που ένα βακτηριακό είδος είτε είχε είτε δεν είχε. Αλλά «τώρα, συνειδητοποιούμε ότι αυτό δεν συμβαίνει πάντα», είπε.

Κανονικά, τα γονίδια καθορίζουν πώς τα βακτήρια αντιστέκονται σε ορισμένα αντιβιοτικά. Για παράδειγμα, τα βακτήρια θα μπορούσαν να αποκτήσουν μια γονιδιακή μετάλλαξη που τους επιτρέπει να απενεργοποιούν χημικά τα αντιβιοτικά. Σε άλλες περιπτώσεις, τα γονίδια μπορεί να κωδικοποιούν πρωτεΐνες που εμποδίζουν τα φάρμακα να διασχίσουν τα βακτηριακά κυτταρικά τοιχώματα. Αλλά αυτό δεν ισχύει για τα ετεροανθεκτικά βακτήρια. νικούν τα φάρμακα που έχουν σχεδιαστεί για να τους σκοτώνουν χωρίς γονίδια καλής πίστης αντίστασης. Όταν δεν εκτίθενται σε αντιβιοτικό, αυτά τα βακτήρια μοιάζουν με όλα τα άλλα βακτήρια.

Όταν τα τυπικά ανθεκτικά στα αντιβιοτικά βακτήρια πολλαπλασιάζονται, περνούν γονίδια ανθεκτικότητας στην επόμενη γενιά, δημιουργώντας μια λεγεώνα πληθυσμών ανθεκτικών στα αντιβιοτικά που συλλογικά αντιτίθενται στη θεραπεία. Αντίθετα, τα βακτήρια σε έναν ετεροανθεκτικό πληθυσμό είναι ευαίσθητα στα αντιβιοτικά. Όμως, σε ορισμένες δόσεις ενός αντιβιοτικού, ένα μικρό ποσοστό αυτού του πληθυσμού - μόλις 1 στο εκατομμύριο - μπορεί να γίνει ανθεκτικό και να επιβιώσει από τα φάρμακα ενώ ο υπόλοιπος πληθυσμός σταματά να αυξάνεται και πεθαίνει.

Επειδή αυτά τα ανθεκτικά κύτταρα είναι διάσπαρτα με κύτταρα ευαίσθητα στα αντιβιοτικά, είναι δύσκολο για τους μικροβιολόγους να ανιχνεύσουν τα ανθεκτικά.

Οι επιστήμονες σε όλο τον κόσμο έχουν αφιερώσει χρόνια ερευνώντας γιατί και πώς αναπτύσσεται η ετεροαντίσταση, ώστε να μπορέσουν να βελτιωθούν στην ανίχνευση αυτών των βακτηρίων. Τώρα, νέες ενδείξεις αρχίζουν επιτέλους να εμφανίζονται.

Τρία επικαλυπτόμενα τρυβλία Petri με βακτηριακή ανάπτυξη

Εργαστηριακά πιάτα που δείχνουν διαφορετικά επίπεδα βακτηριακής ανάπτυξης. Για να ανιχνεύσουν την ετεροανθεκτικότητα, οι ερευνητές πρέπει να δοκιμάσουν βακτήρια σε πλάκες με ποικίλη βακτηριακή πυκνότητα και συγκέντρωση αντιβιοτικών, που σημαίνει ότι θα μπορούσαν να χρειαστούν εκατοντάδες πλάκες για να βρουν ετεροανθεκτικά βακτήρια. (

Πίστωση εικόνας: Ca-ssis μέσω Getty Images)

Πρόσωπο με πρόσωπο με αδίστακτα βακτήρια

Η πρώτη συνάντηση της Karin Hjort με την ετεροαντίσταση έγινε τυχαία. Πριν από περίπου 10 χρόνια, η Hjort, μικροβιολόγος στο Πανεπιστήμιο της Ουψάλα στη Σουηδία, ανέπτυξε βακτήρια. Στέλεχος προς στέλεχος, χορήγησε θανατηφόρες δόσεις αντιβιοτικών, χαρακτηρίζοντας τυχόν επιζώντες ως «ανθεκτικούς» και παγώνοντάς τους. Όταν ξεπάγωσε τους επιζώντες, έψαξε για γενετικές αλλαγές ή μεταλλάξεις, που συνήθως αποτελούν τη βάση της ικανότητάς τους να εξαπατούν τον θάνατο.

Αλλά αυτή τη φορά, όταν έβγαλε τα φαινομενικά ανθεκτικά στελέχη, "τα έβαλε σε σειρά" και «δεν βρήκε καμία μετάλλαξη",.

Η Hjort δεν μπορούσε να καταλάβει τι συνέβαινε. Φαινόταν σαν αυτά τα βακτήρια να είχαν χάσει την αντοχή τους κατά την κατάψυξη. Στη συνέχεια, όμως, ανακάλυψε μια ερευνητική εργασία δεκαετιών που περιγράφει ένα φαινόμενο που οι επιστήμονες στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Ντέιβις ονόμασαν «ετεροανθεκτικότητα», στο οποίο ένας πληθυσμός ανθεκτικών στα αντιβιοτικά βακτηρίων μπορούσε να αναδυθεί με ασυνήθιστα γρήγορο ρυθμό από έναν φαινομενικά ευαίσθητο πληθυσμό.

Στην πραγματικότητα, η «ετεροαντίσταση» αναφέρθηκε για πρώτη φορά στη δεκαετία του 1940. Αλλά το φαινόμενο είναι πολύ δύσκολο να μελετηθεί, και χωρίς σαφή ορισμό, οι επιστήμονες αγωνίζονται να συγκρίνουν τις παρατηρήσεις τους.

«Όλοι φώναζαν «ετερόανθεκτοι» με διαφορετικούς τρόπους – δεν υπήρχε κανένα πρότυπο για να το δούμε», είπε στο Live Science ο Omar El-Halfawy, μικροβιολόγος στο Πανεπιστήμιο της Regina στον Καναδά. Μερικοί άνθρωποι χρησιμοποιούν τον όρο για να περιγράψουν μια κατάσταση στην οποία πολλαπλοί τύποι βακτηρίων με διαφορετικά επίπεδα ανοχής στα αντιβιοτικά ταυτίζονται με ένα άτομο. Άλλοι το χρησιμοποιούν για να περιγράψουν ένα σενάριο όπου δύο διαφορετικά τεστ ευαισθησίας στα αντιβιοτικά δίνουν διαφορετικά αποτελέσματα.

Αποφασισμένος να διευθετήσει το ζήτημα, το 2015 ο El-Halfawy εξέτασε κάθε μελέτη που μπορούσε να βρει και που περιέγραφε την ετεροανθεκτικότητα. Τελικά, αποφάσισε, η ετεροανθεκτικότητα εμφανίζεται όταν ένα μέρος ενός πληθυσμού βακτηριακής καλλιέργειας μπορεί να αντέξει πολύ υψηλότερη συγκέντρωση αντιβιοτικών από τον υπόλοιπο πληθυσμό. Οι επιστήμονες υιοθέτησαν αυτόν τον ορισμό το 2015 και ο αριθμός των δημοσιεύσεων με κριτές για την ετεροαντοχή διπλασιάστηκε έκτοτε.

Χαζεύοντας το τεστ

Το κλάσμα των ανθεκτικών βακτηρίων σε έναν ετεροανθεκτικό πληθυσμό μπορεί να είναι οπουδήποτε από 1 στο 1 εκατομμύριο έως 1 στα 10.000. Είναι τόσο σπάνιο που οι τυπικές κλινικές μικροβιολογικές εξετάσεις το χάνουν εύκολα.

«Ουσιαστικά, αυτό που προσπαθείτε να κάνετε είναι να ανιχνεύσετε μια ανθεκτική βελόνα σε μια ευαίσθητη στοίβα από άχυρα», είπε ο Weiss.

Ενώ τα βακτήρια συχνά μεταπίπτουν από το να είναι ευαίσθητα στα αντιβιοτικά σε ανθεκτικά στα αντιβιοτικά, αυτή η μετάβαση συνήθως συμβαίνει σε μικρές αυξήσεις και σε τουλάχιστον αρκετές ημέρες. Με την ετεροαντίσταση, η μετάβαση είναι σχεδόν άμεση.

Η εναλλαγή μεταξύ ευπαθών σε ανθεκτικό και μετά ξανά μπερδεύει τις αναλύσεις δοκιμών.

"Κάθε φορά που αναπτύσσετε ένα στέλεχος, θα αυξάνεται λίγο διαφορετικά", είπε ο Weiss. "Τη μια μέρα, μπορεί να εμφανιστεί ως ανθεκτικό, την επόμενη μέρα, μπορεί να είναι ευαίσθητο. Στην πραγματικότητα, "η ύπαρξη ασυνεπών, ασύμφωνων αποτελεσμάτων δοκιμών ήταν σαν χαρακτηριστικό γνώρισμα του στελέχους ότι είναι ετεροανθεκτικό."

Το τυπικό τεστ ευαισθησίας στα αντιβιοτικά έχει ως εξής: Ένας πληθυσμός βακτηρίων, με σταθερή πυκνότητα περίπου 10.000 έως 100.000 κυττάρων σε ένα χιλιοστόλιτρο ζωμού, δοσολογείται με διαφορετικές συγκεντρώσεις ενός αντιβιοτικού μέχρι να σταματήσουν να πολλαπλασιάζονται ή να πεθάνουν.

Όμως, σύμφωνα με την Hjort, αυτή η διαδικασία δεν έχει σχεδιαστεί για να εντοπίσει την ετεροαντίσταση. Επειδή αυτές οι τυπικές δοκιμές ανιχνεύουν μόνο συμπεριφορές σε ολόκληρο τον πληθυσμό, εξαιρετικά σπάνια φαινόμενα όπως η ετεροανθεκτικότητα θα χαθούν. «Το σφάλμα είναι τεράστιο, ακόμα κι αν χρησιμοποιούμε περισσότερα βακτήρια», είπε.

Μέχρι στιγμής, η μόνη μέθοδος για τον εντοπισμό της ετεροανθεκτικότητας ονομάζεται πληθυσμιακή ανάλυση προφίλ (PAP). Για να πραγματοποιήσουν αυτό το τεστ, οι μικροβιολόγοι αναπτύσσουν βακτήρια κατά τη διάρκεια της νύχτας, τοποθετούν μερικά σε μια σειρά από τρυβλία Petri που περιέχουν διαφορετικές συγκεντρώσεις αντιβιοτικών και παρακολουθούν την ανάπτυξη των βακτηρίων. Επειδή το PAP καλύπτει μια σειρά από βακτηριακές πυκνότητες, το τεστ μπορεί να εντοπίσει μοτίβα που δεν ανιχνεύονται κανονικά από τυπικές δοκιμές.

Αλλά η μέθοδος είναι επίπονη, είπε η Hjort. Όταν επιπλέον μεταβλητές - όπως ο τύπος του αντιβιοτικού ή η κυτταρική πυκνότητα - προστίθενται στην εξίσωση, ο αριθμός των πιάτων τριπλασιάζεται ή τετραπλασιάζεται, είπε η Sofia Jonsson, μεταπτυχιακή φοιτήτρια στο Πανεπιστήμιο της Ουψάλα που συνεργάζεται με την Hjort.

"Αν κάνετε ένα μεγάλο πείραμα, μπορεί να είναι 200 πλάκες για να μετρήσετε", και κάθε πλάκα μπορεί να έχει εκατοντάδες βακτηριακές αποικίες για μέτρηση, είπε ο Jonsson. Επειδή είναι τόσο κουραστικό, το PAP δεν γίνεται συνήθως σε κλινικό περιβάλλον.

Ο Weiss υπέθεσε ότι για την ανίχνευση ετεροανθεκτικότητας, μελλοντικές δοκιμές θα χρειαζόταν να παρακολουθούν τα βακτήρια σε επίπεδο μονοκυττάρου και να έχουν ανάλυση κυττάρων 1 στο 1 εκατομμύριο. Κάποιες έρευνες κάνουν ήδη βήματα προς αυτή την κατεύθυνση, είπε, αλλά καμία από αυτές τις εξελίξεις δεν έχει φτάσει ακόμη στην κλινική.

Αυτό είναι ζωτικής σημασίας, διότι με ένα γρήγορο τεστ, οι ασθενείς με ετεροανθεκτικές βακτηριακές λοιμώξεις θα μπορούσαν να λάβουν τα σωστά φάρμακα από την αρχή, αντί να επιδεινωθεί η ασθένειά τους για μέρες ή εβδομάδες προτού οι γιατροί δοκιμάσουν φάρμακα που λειτουργούν.

 

Μια σειρά από συσκευασίες blister γεμάτες με χάπια

Τα αντιβιοτικά επιλέγονται συνήθως για ασθενείς με βάση τυπικές κλινικές δοκιμές, οι οποίες δεν ανιχνεύουν ετεροανθεκτικότητα. Εάν οι επιστήμονες μπορέσουν να βρουν έναν εύκολο τρόπο να το ελέγξουν, οι ασθενείς θα μπορούσαν να λάβουν την κατάλληλη φαρμακευτική αγωγή από την αρχή. (Πίστωση εικόνας: Tanja Ivanova μέσω Getty Images)

Το «ράγισμα» της υπόθεσης

Επειδή η ετεροανθεκτικότητα εμφανίζεται χωρίς μόνιμες γενετικές μεταλλάξεις, η ομάδα της Hjort ήθελε να μάθει εάν υπήρχαν προσωρινές αλλαγές στο βακτηριακό γονιδίωμα που θα μπορούσαν να εξηγήσουν το φαινόμενο.

Από την παρατήρηση της Hjort, δύο ομάδες βακτηρίων θα μπορούσαν να έχουν τουλάχιστον οκταπλάσια διαφορά στην ανοχή στα αντιβιοτικά σε έναν ετεροανθεκτικό πληθυσμό. Για να καταλάβει γιατί, δοκίμασε μια χούφτα πολυανθεκτικά στελέχη βακτηρίων όπως τα Escherichia coli, Salmonella enterica, K. pneumoniae και Acinetobacter baumannii έναντι 28 αντιβιοτικών. Αυτά τα «Gram-αρνητικά» βακτήρια έχουν μια εξωτερική μεμβράνη που τα προστατεύει από τοξικές ουσίες. Δεν έχει εγκριθεί ούτε μία νέα κατηγορία αντιβιοτικών που να στοχεύει αρνητικά κατά Gram βακτήρια τα τελευταία 50 χρόνια.

Χρησιμοποιώντας μια τεχνική αλληλουχίας ολόκληρου του γονιδιώματος, η Hjort και οι συνεργάτες του διαπίστωσαν ότι ορισμένα βακτήρια έγιναν ετεροανθεκτικά επειδή έφτιαξαν προσωρινά αντίγραφα υπαρχόντων γονιδίων που τους βοήθησαν να αποφύγουν τα αντιβιοτικά.

Νωρίτερα φέτος, επέκτεινε τη μελέτη για να συμπεριλάβει το gram-θετικό βακτήριο Staphylococcus aureus που προκαλεί κοινές λοιμώξεις του δέρματος. Αυτά τα βακτήρια δεν έχουν εξωτερικές μεμβράνες και οι μηχανισμοί αντίστασής τους είναι γενικά διαφορετικοί από εκείνους των gram-αρνητικών στελεχών.

Η Hjort και η ομάδα της εξέτασαν για αντοχή στα αντιβιοτικά σε 40 δείγματα ασθενών που περιείχαν S. aureus που απομονώθηκαν από ασθενείς νοσοκομείων στη Δανία, τη Νορβηγία, την Ισπανία και τη Σουηδία. Τα τυπικά τεστ πρότειναν ότι όλα τα βακτήρια θα μπορούσαν να αντιμετωπιστούν και με τα έξι αντιβιοτικά.

Ωστόσο, το αποτέλεσμα PAP αποκάλυψε ετεροανθεκτικότητα σε περισσότερα από τα μισά από αυτά τα αντιβιοτικά. Αυτά τα βακτήρια δεν είχαν τυπικά γονίδια αντίστασης στα αντιβιοτικά και δεν είχαν κάνει αυθόρμητα αντίγραφα γονιδίων που να ήταν προστατευτικά όπως τα gram-αρνητικά βακτήρια.

Αντίθετα, η ετεροανθεκτικότητα συσχετίστηκε με χρωμοσωμικές σημειακές μεταλλάξεις - αλλαγές σε μεμονωμένα ζεύγη βάσεων σε διάφορα γονίδια - που θα μπορούσαν να αντιστραφούν εάν συνέβαινε άλλη μετάλλαξη. Δεν είναι ακόμα σαφές τι κάνουν αυτές οι μεταλλάξεις και γιατί η ετεροαντίσταση φαινόταν να εμφανίζεται μόνο έναντι ορισμένων φαρμάκων.

Αλλά η μεταβλητότητα στον τρόπο με τον οποίο εμφανίζεται η ετεροανθεκτικότητα, ανάλογα με το φάρμακο και το είδος που εμπλέκεται, υποδηλώνει ότι οι θεραπευτικές προσεγγίσεις θα πρέπει να είναι διαφορετικές, είπε η Hjort.

Η αναζήτηση συνεχίζεται

 Οι επιστήμονες έχουν πλέον αναφέρει βακτηριακή ετεροανθεκτικότητα σε σχεδόν κάθε κατηγορία αντιβιοτικών. Ο Hjort πιστεύει ότι χρειάζεται ένα πολύ μεγαλύτερο κλινικό σύνολο δεδομένων για την πλήρη κατανόηση της σχέσης μεταξύ της ετεροανθεκτικότητας και των αποτελεσμάτων των ασθενών.

Ένας καλός τρόπος για να ξεκινήσετε, είπε, είναι με την κατάλληλη κατανόηση του τρόπου με τον οποίο αυτά τα βακτήρια αναπτύσσουν την ετεροαντίστασή τους εξαρχής.

Ο Βάις συμφώνησε.

Γνωρίζοντας τον μηχανισμό δράσης, "ίσως είμαστε σε θέση να αναπτύξουμε νέα φάρμακα που μπορούν να αντιστρέψουν την ετεροανθεκτικότητα και να κάνουν τα βακτήρια ευαίσθητα στο αρχικό φάρμακο", είπε. "Είναι πάντα καλύτερο να γνωρίζεις τον εχθρό σου."

Από το Live Science