Precisie antibiotica

Description

Genetisch geprogrammeerde antibiotica komen eraan. Heel doelgericht gaan ze op zoek naar de ziekteverwekkende bacteriën  en vernietigen deze of maken ze op een andere manier onschadelijk. Deze futuristische ‘huurmoordenaars’ van bacillen zijn intelligent ontworpen. Ze zijn zo gemaakt dat er bijna geen ontsnappen aan is voor de ziekteverwekkers. Ook zijn ze heel selectief, zodat ze alleen de boosdoeners uitschakelen.

Het arsenaal aan antibiotica dat sinds de ontdekking van penicilline is ontwikkeld is groot, maar veel ziekteverwekkers blijken snel resistent te kunnen worden. Dan moet worden overgeschakeld op een ander antibioticum. Er zijn echter ook multiresistente bacteriën gekomen die met bijna geen enkel antibioticum meer zijn aan te pakken. Al jaren wijzen infectiedeskundigen erop dat er dringend nieuwe medicijnen nodig zijn, willen artsen straks niet met lege handen staan bij het behandelen van potentieel dodelijke bacterie-infecties. Maar het ontdekken van nieuwe antibiotica gaat veel minder snel dan het ontstaan van resistentie (zie inzet: Antibioticacrisis).

Genetische technieken die voortkomen uit de synthetische biologie bieden nieuwe hoop. Bacteriën of virussen kunnen daarmee zo geprogrammeerd worden dat zij de ziekteverwekker actief opsporen en doden. Dat biedt niet alleen uitzicht op nieuwe manier om infecties te bestrijden bij de mens, maar zou ook toepassing kunnen vinden in de diergeneeskunde, of in het milieu. De geprogrammeerde antibiotica zouden bijvoorbeeld gebruikt kunnen worden om ziekteverwekkers uit voedsel of waterleiding (legionella) te weren.

De meeste onderzoeksgroepen die werken aan deze levende antibiotica hebben octrooi aangevraagd op hun vindingen, een aanwijzing dat de commerciële verwachtingen hoog zijn. Als groot voordeel zien de ontwikkelaars dat deze technologie, dankzij de gerichte werking, de natuurlijke balans van de ‘goede’ bacterieflora niet zal verstoren. Ook zal het niet de forse bijwerkingen hebben van sommige conventionele antibiotica, die giftig kunnen zijn voor lever of nieren.

 

KILLER-BACTERIËN

Het lijkt wel sciencefiction, maar het werkt al in het laboratorium. Twee onderzoeksteams ontwierpen anderhalf jaar geleden onafhankelijk van elkaar een Escherichia coli-bacterie die heel gericht de ziekteverwekker Pseudomonas aeruginosa uitschakelt. (P. aeruginosa is onder meer verantwoordelijk voor blaasontsteking en ziekenhuisinfecties)„Deze benadering heeft zeker een kans van slagen, het berust op beproefde principes”, zegt microbioloog Oscar Kuipers van de Rijksuniversiteit Groningen enthousiast. Zelf houdt hij zich niet bezig met dit soort onderzoek, maar hij volgt de ontwikkelingen hierin op de voet, omdat hij studententeams begeleidt in een internationale competitie op het gebied van synthetische biologie.

„Technisch is het niet heel moeilijk om dat te engineeren”, zegt Kuipers. „Voor E. coli bestaan inmiddels allerlei zogeheten biobricks, kant en klare componenten met een bepaalde functie. Je hoeft ze alleen aan elkaar te schakelen om het gewenste effect te bereiken. Je kunt die bouwsteentjes heel goed sturen door net als in in een programmeertaal in de computer logic gates in te bouwen, bijvoorbeeld: dit eiwit wordt alleen actief als aan voorwaarde x en y is voldaan. Op die manier zijn er heel veel elementen en combinaties mogelijk.”

Het opsporen van de ziekteverwekker is gebaseerd op quorum sensing. Alle bacteriën, en dus ook de ziekteverwekkers, scheiden signaalmoleculen uit, die heel kenmerkend zijn voor de soort. Ze verraden hun identiteit en positie dus. Grampositieve bacteriën, zoals P. aeruginosa, scheiden bijvoorbeeld homoserine-lactonen uit. Daar zijn veel varianten van, grofweg ieder kenmerkend voor het soort bacterie, maar niet helemaal specifiek.

De groep van Ron Weiss van het Massachusetts Institute of Technology, maakt een colibacterie die het homoserine-lacton van Pseudomonas herkent en in reactie daarop een gifstof produceert. Dat molecuul krijgt nog een staartje waardoor het makkelijker uitgescheiden wordt. Zijn ‘sense and destroy’-bacterie bleek in celkweken inderdaad in staat de pathogeen te dwarsbomen (ACS Synthetic Biology, 13 juni 2013).

Soortgelijk succes boekte de groep van Matthew Chang, verbonden aan de National University of Singapore (ACS Synthetic Biology, 10 september 2013). Chang voorzag zijn geprogrammeerde E. coli nog van twee extra modules. Daardoor ging zijn ‘pathogen-seeking killer’ in reactie op het quorum sensing-signaal van Pseudomonas ook actief in de richting van de bron ervan zwemmen – ongeveer zoals een hittezoekende luchtdoelraket de uitlaat van een straaljager weet te vinden. En behalve een dodelijke gifstof, werd de bacterie ook uitgerust met een extra DNA-knippend enzym. Dat laatste was bedoeld om ook bacteriën die zich verschuilen in een zogeheten biofilm te kunnen aanpakken.

Slim bedacht, vindt Kuipers, „Chemische antibiotica kunnen vaak niet doordringen in een biofilm, waardoor de infectie niet bestreden kan worden. Biofilms bestaan uit cellen ingebed in een matrix van DNA, suikermoleculen en eiwitten; het is een soort lijm die cellen bij elkaar houdt. Een coating van waterafstotende eiwitten maakt het laagje minder doordringbaar voor de bestaande antibiotica, maar de geprogrammeerde bacteriën  met een DNA-knippend enzym zouden daar lokaal gaatjes in kunnen boren, waarna de toxines hun werk kunnen doen.”

De laboratoriumproeven van Weiss en Chang laten zien dat het principe werkt. „Maar”, zegt Kuipers, „het moeilijkste deel van het traject komt nog. De onderzoekers werken nu met E.coli, en die bacterie lijkt mij niet geschikt om in te nemen, laat staan om in de bloedbaan te spuiten. Maar zo’n bacterie zou wel makkelijker kunnen worden toegepast op de huid, bijvoorbeeld in een crème tegen acné.”

Dat onderzoekers nu toch eerst voor E. coli kiezen, begrijpt Kuipers wel: „Omdat daar al heel veel kennis over is, kunnen ze veel sneller werken en bovendien veel sneller publiceren. Dat is belangrijk, want reken maar dat de concurrentie in dit veld heel hevig is.” Overigens is nog van lang niet alle ziekteverwekkende bacillen bekend welke kenmerkende signaalmoleculen zij uitscheiden, dus dat maakt het lastig het systeem aan te passen op iedere willekeurige infectie.

Chang meldt desgevraagd in een e-mail dat hij zijn killerbacteriën binnenkort al wil testen in proefdieren. Als daarin de veiligheid en effectiviteit goed zijn aangetoond, kan de volgende stap richting kliniek gezet worden. Chang twijfelt er niet aan dat zijn methode veilig is. „Omdat wij de bacteriën zo veranderd hebben dat ze hun actie selectief richten op de ziekteverwekkers met een minimale interferentie met andere micro-organismen, denk ik dat dit systeem zondermeer toepasbaar is in een therapie.”

Het gaat natuurlijk wel om genetisch gemodificeerde organismen en die mag je niet zo maar in het milieu brengen, zegt Kuipers. „Maar het aanvragen van een vergunning daarvoor lijkt mij geen onoverkomelijk obstakel. „Persoonlijk ben ik niet zo bang voor op hol geslagen bacteriën. En dat terroristen hiermee en nieuw wapen in handen krijgen, lijkt mij ook uiterst onwaarschijnlijk. In de natuur zelf zwerven veel gevaarlijker pathogenen rond, waarvoor je niets hoeft te engineeren. Die kun je zo isoleren en die leveren een groter gevaar.”

Om het wat veiliger te maken zouden er in de bacteriën ook killswitches kunnen worden ingebouwd, stelt Kuipers voor. „Die garanderen dat de gemodificeerde bacterie op commando afsterft. Je kunt het bijvoorbeeld zo maken dat hij afhankelijk wordt van een aminozuur dat alleen in het weefselvocht van het menselijk lichaam zit. Zo kan die bacterie nooit buiten het lichaam overleven.” 

 

 

KILLER-VIRUSSEN

Het kan nóg geavanceerder. Twee Amerikaanse onderzoeksgroepen lieten zien dat zij bacteriën heel gericht kunnen uitschakelen, op basis van hun unieke genetische code. Zo kunnen bijvoorbeeld alleen bacteriën met een resistentiegen tegen een bepaald antibioticum worden aangepakt, terwijl alle andere ongemoeid worden gelaten.

Om dat te bereiken openden de onderzoekers een moleculaire trukendoos open, waarin het zogeheten CRISPR-Cas-systeem het belangrijkste gereedschap was. CRISPR-Cas werd negen jaar geleden ontdekt als het immuunsysteem van bacteriën. Het werkt op basis van een enzym dat de DNA-streng doormidden knipt op een zeer specifieke plek. Welke plek dat is, wordt bepaald door een klein stukje RNA dat de overeenkomstige code bevat als het stukje dat door het enzym Cas9 geknipt wordt. Met dit systeem kunnen bacteriën zich beschermen tegen virussen, zogeheten bacteriofagen. Zodra het virus een bacterie binnendringt, herkent het CRISPR-Cas het erfelijk materiaal van het virus, en wordt dat onmiddellijk afgebroken.

Biologen hebben dit systeem gehackt, waardoor zij in principe ieder willekeurig gen door CRISPR-Cas kunnen laten knippen. Een stukje DNA dat het Cas9 enzym codeert plus  Om de combinatie Cas9 en het bijbehorende RNA af te leveren in de cel gebruikten beide teams zogeheten bacteriofagen, virussen die bacteriën infecteren en daarbij hun genetische materiaal in de cel afleveren.

Een team onder leiding van Luciano Marraffini van Rockefeller University in New York slaagde erin de beruchte MRSA-bacterie (Methicilline Resistente Staphylococcus aureus) onschadelijke te maken door hem te behandelen met zo’n speciaal geconstrueerde bacteriofaag (Nature Biotechnology, 5 oktober 2014, online). De bacteriën gingen er niet dood, maar werden effectief onschuldig gemaakt. Het CRISPR-Cas-systeem was gericht tegen het methicilline-resistentiegen mecA, dat op een plasmide zit, een klein ringvormig stukje DNA buiten de eigen chromosomen van de bacterie. Door de behandeling verdwenen de plasmiden in 99,99 procent van de MRSA-bacteriën, waardoor ze weer gevoelig werden voor het antibioticum tetracycline. Marraffini toonde ook aan dat een geprogrammeerde CRISPR-Cas-knip in het eigen chromosoom van de bacterie wel dodelijk was. Bij muizen die experimenteel besmet werden met stafylokokken op de huid, bleek het killervirus effectiever dan een antibioticazalf.

Timothy Lu van het Massachusetts Institute of Technology gebruikte een soortgelijke techniek om de antibioticumresistente colibacterie EHEC te bestrijden (Nature Biotechnology, 21 september 2014, online). Hoewel de onderzoekers hun CRISPR-Cas-constructie richtten op de antibiotica-resistentiegenen in een plasmide bleek het de EHEC-bacteriën toch te doden. Nader onderzoek leerde dat dit verklaard kon worden uit de aanwezigheid van een toxine en een antitoxine op hetzelfde plasmide. Omdat het gif stabieler is dan het antigif, en dus langer blijft bestaan, gaat de cel uiteindelijk dood. Een toevallige gunstige bijkomstigheid. Het team van Lu liet zien dat larven van de wasmot (veel gebruikt als modeldieren voor infecties) dubbel zoveel kans hadden te overleven als zij behandeld werden met geprogrammeerde fagen.

„Deze nieuwe strategie om af te rekenen met multiresistente bacteriestammen kan wel eens slagen”, zegt moleculair microbioloog Stan Brouns van Wageningen Universiteit voorzichtig na het bestuderen van beide artikelen. Hij is expert op het gebied van CRISPR-Cas, waar hij fundamenteel onderzoek aan doet. „De belangrijkste achilleshiel voor deze techniek is het efficiënt afleveren van Cas9 en het bijbehorende RNA in de infectieuze bacteriën. De fagen die de onderzoekers hiervoor gebruiken zijn heel specifiek, en het is niet duidelijk of ze wel alle bedoelde ziekteverwekkers kunnen infecteren. Bij elke bacteriesoort moet je weer een bijbehorende faag zoeken. Voor de tuberculosebacterie Mycobacterium tuberculosis en de boosdoener bij chronische darmontsteking Clostridium difficile, blijkt die bijvoorbeeld lastig te vinden. Het werkt dus niet zo universeel als ze graag zouden willen.”

Marraffini en Lu voeren aan dat uiteindelijk in de kliniek verschillende fagen tegelijk kunnen worden gebruikt, zodat hun werking nog beter afgestemd kan worden op wat er nodig is om een infectie te bestrijden. De geprogrammeerde killervirussen kunnen bovendien ingezet worden in combinatie met bestaande antibiotica, waardoor het effect van deze middelen versterkt wordt. Daarnaast kunnen ze worden uitgerust met verschillende ‘payloads’ waardoor niet alleen antibiotica-resistentiegenen aangevallen kunnen worden, maar bijvoorbeeld ook bacteriële toxine-eiwitten die vaak een rol spelen bij de ernst van de ziekte.

Brouns pleit voor verstandig en terughoudend gebruik, net als nu de regel is bij de bestaande antibiotica. Voorzichtigheid is geboden, zegt Brouns: „Als deze middelen ooit gebruikt gaan worden kun je er vergif op innemen dat ook hier weer resistentie tegen zal ontstaan. Bacteriën zullen zich altijd blijven aanpassen om te ontsnappen aan de selectiedruk. De bacteriofaag gebruikt een receptor om de bacterie binnen te komen. Een bacterie die deze receptor verliest, zal niet meer door het virus bereikt worden, en daardoor al snel de overhand krijgen.  Als dat gebeurt, is deze geavanceerde technologie in één keer zinloos geworden.”

Grote risico's kleven er vooralsnog niet aan deze danig verbouwde virussen, denkt Brouns. „Ze vallen immers specifieke gensequenties aan, die alleen in de doelbacteriën zitten. De kans dat dit ergens verkeerd gaat is behoorlijk klein. Toch denk ik dat de toepassing op mensen nog ver weg is, daar gaan zo tien jaar overheen. Hoewel, het kan een stuk sneller gaan als straks nog meer bacteriën resistent worden tegen de bestaande antibiotica. Dan zal ieder alternatief aangegrepen worden.”

 

Antibioticacrisis

De bodem van het medicijnkastje komt in zicht

 

Van de 155 antibacteriële geneesmiddelen die ooit door de Amerikaanse geneesmiddelenautoriteit FDA zijn goedgekeurd, zijn er nog 96 beschikbaar in de kliniek. En het aantal soorten antibiotica slinkt snel verder, schrijft een team van Yale University geleid door moleculair bioloog Michael Kinch (Drug Discovery Today, september).

 

De wereld stevent af op een antibioticacrisis, daarvoor is vaker gewaarschuwd. Het team van Kinch onderbouwt dat nu echter met een onthullende analyse van historische cijfers. Tussen 1999 en 2008 werden er 34 bestaande middelen uit de handel genomen.  Ze werkten niet meer goed omdat bacteriën er resistent tegen werden of hadden te veel bijwerkingen. In diezelfde periode kwamen er slechts 17 nieuwe bij. Ondertussen steken multiresistente bacteriën steeds vaker de kop op.

 

Dat de strijd tegen infectieziekten weer terug bij af dreigt te raken komt volgens Kinch voornamelijk omdat de farmaceutische industrie zijn interesse in het ontwikkelen van nieuwe antibiotica heeft verloren. Er is te weinig mee te verdienen. Grote bedrijven, zoals Pfizer dat in het verleden wel 40 soorten antibiotica ontwikkelde, hebben zich daarom uit dit gebied teruggetrokken. 

 

De schaarste versterkt het probleem nog verder, zegt Kinch. Zodra er een nieuw antibioticum op de markt komt, wordt dat vaak gereserveerd als laatste redmiddel om in te zetten als alle andere antibiotica niet meer helpen.  Maar zo lang het middel alleen maar op de plank ligt, kan de fabrikant zijn investeringen niet meer terugverdienen binnen de beperkte looptijd van het octrooi.

 

Bedrijven die het nog wel proberen, vragen daarom flinke prijzen voor hun  nieuwe antibiotica: tot gemiddeld wel 3.000 dollar per kuur.