met de ontdekking en de massaproductie van antibiotica leek de strijd tegen infecties gestreden. in de media krijgen we echter geregeld onheilspellende berichten te horen over de toename van antibioticumresistenties in ziekteverwekkende kiemen. is de situatie inderdaad zo dramatisch? is het hoofdprobleem van antibioticumresistentie niet het best samen te vatten onder de noemer ‘pollutie’?
Iedereen wil leven: antibiotica en antibioticumresistenties
Bijna met de regelmaat van een klok verkondigen de media het onheilspellende bericht dat de bestrijding van infectieziekten weldra onmogelijk zal zijn door de toename van antibioticumresistenties in ziekteverwekkende kiemen. Is de situatie inderdaad zo dramatisch? En wat moet of kan er gebeuren om het tij te keren? Rising Plague. The Global Threat from Deadly Bacteria and Our Dwindling Arsenal to Fight Them van Brad Spellberg schetst de situatie en zoekt een antwoord op die vragen. Spellberg, een Amerikaanse medicus en clinicus die gespecialiseerd is in infectieziekten, bespreekt de materie vooral vanuit een medisch gezichtspunt. We mogen echter niet vergeten dat antibiotica en analoge producten ook lange tijd voor andere toepassingen werden gebruikt (soms zelfs nog altijd, al dan niet illegaal). Sommige antibiotica bleken immers goede groeibevorderaars te zijn bij kippen en varkens, met ook een positief effect op de vleeskwaliteit. Ze werden dan ook grootschalig ingezet in de vetmesterij in de veeteelt. Uiteindelijk kwam er een verbod op hun gebruik in deze sector, maar daarmee zijn ze niet meteen volledig uit ons ecosysteem verdwenen. Medisch gezien zijn antibiotica een tweedelijnsdefensie, want ons eigen immuunsysteem staat vooraan bij de bestrijding van een infectie.
Dat penicilline en nieuwe antibiotica slechts in de jaren 1940 de sulfa drugs overvleugelden, had te maken met het feit dat Fleming er niet zelf in geslaagd was zijn ontdekking als bruikbaar geneesmiddel te valoriseren. Tussen de ontdekking in 1928 (met publicatie in 1929) en de eerste toepassing lag meer dan een decennium. In feite was de ontdekking van Fleming eerder een observatie dan een onderzoeksresultaat. Hij bestudeerde de bacterie Staphylococcus (S. aureus). Bij het begin van een vakantie had hij al zijn petrischalen met voedingsbodem waarop de bacteriën uitgestreken waren, opeengestapeld in de hoek van zijn werktafel. Bij zijn terugkeer merkte hij dat in één van de schalen een schimmel groeide en dat de bacteriekolonies in de zone errond gedood waren. Hij concludeerde dat de schimmel iets moest afscheiden dat die bacteriën doodde. Hij experimenteerde verder met de schimmelcultuur en noemde het product penicilline. Diverse bacteriën bleken er gevoelig voor te zijn, maar de kweek van de schimmel was moeilijk en de zuivering van het product nog problematischer. Uiteindelijk gaf Fleming zijn pogingen op om penicilline op grote schaal aan te maken.
Bijna ging zijn ontdekking verloren. In 1939-1940 echter rakelden Howard Florey en Ernst Chain in Oxford het penicillinewerk weer op en slaagden nu wel in het zuiveringswerk (met Britse en Amerikaanse financiële steun). De resultaten waren spectaculair, evenals de vraag naar dit wondermiddel, dat overigens veel minder bijwerkingen had dan sulfa drugs. Die vraag had natuurlijk ook te maken met de oorlogssituatie: er stierven meer soldaten achter de frontlinies als gevolg van infecties in hun verwondingen, dan op het eigenlijke slagveld. Penicilline wordt echter niet goed opgenomen door het lichaam en snel (tot 90 %) uitgescheiden in de urine. Daarom begon de zoektocht naar varianten die minder snel uitgescheiden worden en stabieler zijn, eerst door toevoegingen aan het groeimedium waarmee andere zijketens aan de basisstructuur gehecht worden, later door chemische modificatie van gezuiverde penicilline. Dit werden de zogenaamde semisynthetische penicillines, waarmee de grens tussen ‘microbiëel product’ en ‘chemisch product’ opnieuw vervaagde. In 1945 ontdekte Waksman het antibioticum streptomycine in Streptomyces griseus, dat effectief bleek tegen tuberculose. In 1948 volgde tetracycline. Op dit moment zijn er meer dan 150 antibiotica van diverse verschillende klassen, die de artsen een enorm potentieel bieden (of boden) tegenover tal van (dodelijke) infectieziekten. Het aantal nieuw ontdekte antibiotica neemt echter gradueel af: in de periode 1983-87 werden er zestien ontdekt, slechts tien in de periode 1993-1997 en nog maar zes in de periode 2003-2007.
Een antibioticum interfereert met één van de levensnoodzakelijke biochemische mechanismen in de cel
Hoe werkt een antibioticum? Er zijn zoveel klassen antibiotica en resistentiemechanismen dat het onmogelijk is een algemene beschrijving te geven van hun werking. Een antibioticum interfereert met één van de levensnoodzakelijke biochemische mechanismen in de cel: door het toxische effect overleeft de bacterie (of schimmel) niet of wordt de groei stilgelegd. Deze biochemische mechanismen zijn onder meer eiwitsynthese, RNA- of DNA- of celwandsynthese of doorlaatbaarheid van celwand en membraan. In elk geval moet er een doelwit voor het antibioticum zijn, en moet het antibioticum in de cel en tot bij dat doelwit geraken. Subtiele verschillen in de onderscheiden biochemische mechanismen binnen de grote diversiteit aan micro-organismen maken dat voor sommige micro-organismen het antibioticum toxisch is, maar niet voor andere. Aldus kunnen we een ‘spectrum’ definiëren voor elk antibioticum. Resistentiemechanismen maken dat de werking van het antibioticum verhinderd wordt: dit kan onder meer door afbraak of modificatie van het antibioticum, wijzigingen aan het doelwit, of uitpompen van het antibioticum uit de cel. Meestal is bij deze mechanismen een enzym of eiwit betrokken.
Als voorbeeld kiezen we hier één bacterieel species, de ziekteverwekkende S. aureus die door Fleming bestudeerd werd, en belichten we de werking van één klasse antibiotica, de penicillines, en van penicillineresistentie. Voor penicilline situeert zich het doelwit in de synthese van de bacteriële celwand: penicilline remt enkele enzymen die nodig zijn voor de aanmaak van het peptidoglycaan waaruit de celwand bestaat. Door die remming verzwakt de celwand en kan de bacterie uiteindelijk openbarsten. Elke penicilline heeft een β-lactamring. Een lactam is een cyclische organische verbinding die voorgesteld kan worden als een ringvorming tussen een carbonzuur en een aminogroep in eenzelfde molecule. β wijst erop dat de aminogroep op het tweede koolstofatoom staat vanaf het carbonzuur en er dus bij de cyclisatiereactie een vierring ontstaat (die bestaat uit het koolstofatoom van het carbonzuur plus twee koolstofatomen plus het stikstofatoom van de aminogroep). Deze vierring heeft een ruimtelijke 3D-structuur die sterk lijkt op het substraat nodig voor biosynthese van peptidoglycaan. Hierdoor zijn β-lactam-bevattende moleculen meestal goede inhibitoren van deze reactie en is dit een plausibele verklaring voor de activiteit van penicillines.
Daarnaast is op de β-lactamring (naast andere chemische structuurelementen) ook een zijketen aanwezig, die verschillend is naargelang van de aan- of afwezigheid van specifieke verbindingen in het groeimedium van de bacteriecultuur. Bij de eerder vermelde semisynthetische penicillines wordt de basisstructuur zonder zijketen microbiologisch geproduceerd en wordt nadien via een chemisch proces een zijketen aangehecht. Dit laat toe een grote variatie aan nieuwe penicillines te maken. De aard van die zijketens bepaalt heel wat eigenschappen van deze antibiotica, zowel wat de gevoeligheid van een micro-organisme betreft, als de fysische en chemische stabiliteit (bijvoorbeeld in de zure omgeving van de maag) en hun gevoeligheid voor het enzym β-lactamase. Dit enzym hydrolyseert de β-lactamring, met andere woorden lineariseert de vierring waardoor de specifieke driedimensionale structuur teloorgaat, met verlies van de antibiotische werking tot gevolg. Er bestaat een grote diversiteit aan β-lactamasen, telkens met eigen biochemische karakteristieken die bepalen hoe efficiënt ze de β-lactamring van een penicilline kunnen naderen, binden en splitsen. De gevoeligheid van een bacterie voor een penicilline wordt bepaald door de efficiëntie waarmee die in de bacterie kan binnendringen, van de interactie van de penicilline met de enzymen die verantwoordelijk zijn voor celwandsynthese en van de mate van gevoeligheid voor een eventueel aanwezig β-lactamase. Een β-lactamase is een enzym, een proteïne, dat gecodeerd wordt op DNA van een bacterie. Een gen dat codeert voor een β-lactamase noemen we dan ook het resistentiegen, dat een cruciale rol speelt bij de verspreiding van resistentie.
Micro-organismen zijn microscopisch klein, maar vormen toch zestig procent van de levende massa op aarde
Om de resistentieproblematiek in een juist perspectief te kunnen plaatsen is het nodig eerst enkele aspecten van de biologie en evolutie van bacteriën te bekijken. Micro-organismen zijn microscopisch klein, maar vormen toch zestig procent van de levende massa op aarde. Men schat het aantal micro-organismen op 5 x 10^31, dit is een massa van 5 x 10^16 ton. Overigens leven er massa’s micro-organismen op en in een menselijk lichaam, zelfs vijf tot tien keer meer dan eigenlijke mensencellen. Micro-organismen vermenigvuldigen zich grosso modo eens per halfuur. Dit is ongeveer een half miljoen keer sneller dan de mens (20-40 jaar). Door die snelle aangroei is hun aanpassingsvermogen onvergelijkbaar, zelfs binnenin de mens. Micro-organismen kunnen overleven bij zeer hoge of zeer lage temperaturen, zeer hoge of zeer lage druk, of allerhande toxische omgevingen. De oudste bekende microbiële fossielen zijn 3,5 miljard jaar oud, terwijl de oudste mens op slechts 4 miljoen jaar geschat wordt, bijna duizendmaal jonger. Dit betekent dat microben een 1000 x 500.000 = 500 miljoen keer langere gelegenheid hadden tot evolutie en adaptatie in de loop der tijden dan de mens.
Maar er is meer, althans in de microbiële wereld. Bovenop de spontane mutaties is er nog een ongelooflijke diversiteit aan bijkomende uitwisselingsmechanismen van genetische informatie doorheen de populatie. Bij hogere organismen beperkt zich die extra uitwisseling van DNA (en genen) tot seksuele voortplanting binnen de soort. Micro-organismen daarentegen kunnen DNA uitwisselen met of zonder reproductie (dus ook binnen een generatiecyclus), en niet alleen binnen de soort maar doorheen hun ganse phylum (genus, familie, orde, klasse). Daarnaast zijn ook uitwisselingen mogelijk met behulp van extrachromosomale elementen en virussen. Eenmaal in de cel kunnen die extra DNA-sequenties nieuwe rangschikkingen ondergaan, wat leidt tot een zeer grote plasticiteit en dynamiek. De eerder vermelde β-lactamasen bijvoorbeeld zijn enzymen, elk gecodeerd door een gen, die vaak te vinden zijn op extrachromosomaal DNA. De verspreiding ervan doorheen de microbiële wereld gebeurt bijgevolg zeer efficiënt, zoals de geschiedenis van penicillineresistentie ons duidelijk maakt.
Het is logisch te veronderstellen dat het ontstaan en de initiële evolutie van een antibioticum-producerend mechanisme in een bacterie of schimmel gepaard gingen met de vorming van een bijbehorend resistentiemechanisme. De genetische elementen die bij resistentie betrokken zijn, kunnen echter ook worden overgedragen los van de elementen die betrokken zijn bij de productie van het antibioticum. Micro-organismen hebben millennialang evenwichten opgebouwd, waarbij sommige een antibioticum aanmaken dat actief is over slechts een heel korte afstand. Dit is voldoende om zich te beschermen tegen hun onmiddellijke naburen of competitoren. Zo ontstond een flexibel maar toch solide evenwicht waarin plaats was voor grote diversiteit met een zeer miniem aantal antibioticumresistente organismen (inclusief de organismen die het antibioticum zelf produceren). Het doorbreken van dit evenwicht startte ongeveer zeventig jaar geleden.
Ongeveer één jaar na het eerste klinische gebruik van penicilline werd een S. aureus-stam gevonden die resistent was tegen de penicilline
Wat is nu antibioticumresistentie? Met de ontdekking en productie van antibiotica leek de strijd tegen infecties gestreden, maar spoedig bleek dat ook micro-organismen willen (over)leven en werd men met ‘antibioticumresistentie’ geconfronteerd. Ongeveer één jaar na het eerste klinische gebruik van penicilline werd een S. aureus-stam gevonden die resistent was tegen de penicilline. Op tien jaar tijd was de resistentie verspreid over de hele wereld. Eerst trof men resistenties aan in hospitaalomgevingen (‘hospital-acquired’), maar binnen de twintig jaar begonnen ook ‘community-acquired’ resistenties zich over de wereld te manifesteren. In 1980, amper veertig jaar na het eerste gebruik van penicilline, waren meer dan 90 % van de S. aureus-infecties resistent tegen dit antibioticum.
Voor de oorzaak van die resistenties werd nogal eens simplistisch naar ‘dokters’ verwezen. Onoordeelkundig gebruik, zoals bijvoorbeeld het gebruik van subletale (of te lage) dosissen van het antibioticum, zou het ‘ontstaan’ van resistente bacteriën veroorzaken. Dat is onzin. Het gebruik van een antibioticum creëert geen resistentie, maar selecteert de (zeer weinige) reeds in de natuur aanwezige resistente bacteriën. Dit is een zuiver darwinistisch fenomeen. In de beginjaren van het gebruik van antibiotica duurde het ongeveer een jaar voor resistentie werd geobserveerd. De periode werd geleidelijk korter en kan vandaag zelfs binnen 24 uur worden vastgesteld. Door het (lokaal) doden van de gevoelige bacteriën neemt de fractie van resistente bacteriën langzaam toe. Ze geven bovendien hun resistentiegen(en) gemakkelijk door aan andere bacteriën die voorheen gevoelig waren, ook buiten de eigen soort. Door gebruik van diverse klassen antibiotica, tegelijk of na elkaar, neemt de kans toe dat resistentiegenen tegen die klassen in eenzelfde bacterie samenkomen, wat voor multiresistente bacteriën selecteert. Met de ontdekking dat het semisynthetische methicilline ongevoelig is voor β-lactamase dacht men een oplossing te hebben voor het resistentieprobleem, maar ook dit bleek een illusie. Via een ander mechanisme kwamen er ook spoedig methicilline-resistente vormen, MRSA genoemd (Methicillin-resistant Staphylococcus aureus).
Doordat resistenties wereldwijd verspreid zijn, is ook een wereldwijde aanpak vereist in de zoektocht naar oplossingen voor de resistentieproblematiek. Er is dringend nood aan nieuwe antibiotica. Maar zoals al vermeld daalt het aantal nieuw ontdekte antibiotica gestaag. Bij nieuwe zoektochten wordt de kans kleiner nieuwe antibiotische producten te vinden, die echt nieuwe mogelijkheden bieden. Anderzijds wordt vaak met een beschuldigende vinger naar de farmaceutische sector gewezen en gesteld dat die geen of te weinig inspanningen doet om nieuwe antibiotica te vinden. Een farmaceutisch bedrijf is echter geen liefdadigheidsinstelling. Buitenstaanders zien vaak wel de inkomsten die de bedrijven genereren, maar vergeten het enorme kostenplaatje dat aan de ontwikkeling van een succesvol product voorafgaat. In ieder geval is ‘return on investment’ het basisprincipes bij de keuzes die die bedrijven maken. In het boek van Spellberg wordt zowat de helft van de analyse besteed aan dit probleem, vanuit medisch-farmaceutisch, financiëel-technisch en patent-juridisch oogpunt. Als oorzaak vermeldt hij onder andere een algemene rem op de aanmaak van nieuwe geneesmiddelen, niet alleen antibiotica, en de relatief kleine kans op succes bij het zoeken naar antibiotica in vergelijking met middelen tegen andere ziektes.
Daarnaast is ook de afzetmarkt voor antibiotica beperkt. Antibiotica zijn immers ‘echte’ geneesmiddelen, die de ziekteverwekker doden. Bovendien moet, omwille van het risico op resistentie, het gebruik zo beperkt mogelijk worden gehouden, wat de markt nog kleiner maakt. In tegenstelling hiermee zijn vele andere ‘genees’middelen, vooral tegen chronische ziekten, niet echt genezend maar eerder symptoomonderdrukkend. De patiënt moet ze permanent, soms zelfs levenslang, blijven gebruiken (zoals bloeddruk- en cholesterolverlagende middelen), wat een interessantere, want grotere en blijvende afzetmarkt biedt. Nog een algemener probleem is de gigantische ontwikkelingskost van een geneesmiddel. Het wetenschappelijk onderzoek dat eraan voorafgaat is nog best haalbaar, ook al moeten soms duizenden producten worden getest. Als men dan echter met de beste kandidaten in de zogenaamde phase II en vooral phase III trials komt, loopt de kost in de honderden miljoenen. Als aan het einde van de rit een patent toegekend wordt, loopt dit na een beperkt aantal jaren af en kan iedereen een generisch middel op de markt brengen en aan een veel lagere prijs verkopen dan de oorspronkelijke firma.
Spellberg formuleert enkele denkpistes voor oplossingen in de Verenigde Staten, vooral rond ontwikkelingskosten en patenten. Zo bestaat er bijvoorbeeld een ‘orphan drug program’ waarmee de ontwikkeling van geneesmiddelen gestimuleerd wordt waarvoor de markt klein is. Dit zou kunnen worden uitgebreid tot antibiotica. Een andere suggestie is een verlenging van de geldigheidstermijn van een patent voor nieuwe antibiotica, maar hiertegen rees snel verzet, vooral vanwege bedrijven die generische middelen op de markt willen brengen. Een laatste mogelijkheid is de zogenaamde ‘wild-card patent extension’, een techniek waarmee een bedrijf dat een nieuw antibioticum ontwikkelt een patentverlenging krijgt voor één of meer van zijn andere producten, maar ook dit heeft niet overal aanhangers.
Het hoofdprobleem van antibioticumresistentie is mijns inziens samen te vatten onder de noemer ‘pollutie’. Op iets meer dan een halve eeuw tijd is het evenwicht tussen de micro-organismen op de aardbol verstoord door het continue storten van eindeloze hoeveelheden antibiotica. Daarmee zijn selectiemechanismen gecreëerd waarvoor geen tegenselectie bestaat en die bijgevolg slechts langzaam via natuurlijke mechanismen zullen terugdraaien (zoals die 4 miljard jaar lang werkten) indien de antibiotica uit het milieu weggehouden worden. Tenzij iemand een procedure voor tegenselectie uitvindt – dit is misschien een te overwegen onderzoeksdomein.
Samenleven met de microbiële diversiteit is perfect mogelijk en absoluut noodzakelijk. Bacteriën zijn met veel te veel, en we kunnen ze ook niet missen. We mogen gerust gebruikmaken van hun antibiotische producten, zolang we vermijden ze in de natuur te dumpen na gebruik. Het gebruik van antibiotica buiten de medische sector, onder andere als voederadditief en groeipromotor, is gelukkig al teruggeschroefd, maar dat alleen volstaat niet. Het is normaal en aan te bevelen dat nadruk wordt gelegd op hygiënische praktijken en dat geïnfecteerde patiënten worden geïsoleerd om verspreiding van resistente bacteriën en schimmels te verhinderen. Maar het verbaast me dat totaal voorbijgegaan wordt aan het elimineren van de toegediende antibiotica na hun gebruik in de kliniek. Bacteriën mogen niet ontsnappen uit hospitalen, maar antibiotica zouden dit evenmin mogen. En voor zover mij bekend valt dit (vooralsnog?) buiten alle aandacht. Nochtans komen langs die weg jaarlijks tonnen antibiotica in het milieu terecht en blijft op die manier de resistentiedruk verhoogd aanwezig.
Brad Spellberg, Rising Plague. The Global Threat from Deadly Bacteria and Our Dwindling Arsenal toFight Them. (Prometheus Books, 2009).
Guido Volckaert is als gentechnoloog verbonden aan de KU Leuven.
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Unported License