Onderzoekers ontwikkelen 'giftige pijl' die resistente bacteriën aankan en zelf geen resistentie veroorzaakt

Bacteriën zijn verdeeld in twee groepen, grampositieve en gramnegatieve. Het belangrijkste verschil tussen beide is dat gramnegatieve bacteriën gewapend zijn met een extra 'schild', een buitenmembraam dat de cel beschermt tegen de meeste antibiotica. De laatste 30 jaar is er dan ook geen enkele nieuwe klasse van antibiotica tegen gramnegatieve bacteriën op de markt gekomen. 

"Dit is het eerste antibioticum dat grampositieve en gramnegatieve bacteriën kan aanvallen zonder resistentie op te wekken", zei Zemer Gitai, professor biologie aan Princeton en de senior auteur van de studie over het middel. "Vanuit een 'waarom is het nuttig' perspectief is dat de essentie. Maar wij als wetenschappers zijn het meest opgewonden over iets dat we ontdekt hebben over de manier waarop dit antibioticum werkt: het valt aan via twee verschillende mechanismen die in één molecule zitten. We hopen dat dit algemeen kan toegepast worden en kan leiden tot betere antibiotica - en nieuwe types van antibiotica - in de toekomst."

De achilleshiel van antiobiotica is dat bacteriën snel evolueren om er resistent tegen te worden. Het team van Princeton ontdekte echter dat het er zelfs met enorme inspanningen niet in slaagde enige resistentie tegen deze verbinding op te wekken. 

"Dat is echt veelbelovend, en het is de reden waarom we de stoffen die afgeleid zijn van de verbinding "Irresistine" noemen", zei Gitai. Irresistine is afgeleid van irresistible, onweerstaanbaar of hier, geen weerstand of resistentie opwekkend.

Een antibioticum dat werkzaam is tegen ziektes, immuun is voor resistentie en veilig is voor gebruik bij mensen, is zowat de heilige graal van het antibiotisch onderzoek. Voor een onderzoeker in het vakgebied is het zoiets als het ontdekken van de formule om lood in goud om te zetten - iets dat iedereen wil, maar waarvan niemand gelooft dat het echt bestaat, zei eerste auteur James Martin, een doctor die het grootste deel van zijn doctoraatsstudie aan de nieuwe verbinding gewerkt heeft en die de leiding had over het team. "Mijn eerste uitdaging was het labo ervan overtuigen dat het waar was", zo zei hij.  

Geen resistentie opwekken is echter een tweesnijdend zwaard. Normaal gezien verloopt onderzoek naar antibiotica als volgt: men vindt een molecule die bacteriën kan doden, vervolgens kweekt men meerdere generaties bacteriën tot die resistentie tegen de molecule ontwikkelen, men gaat dan kijken hoe die resistentie precies werkt en uiteindelijk gebruikt men dat om door reverse-engineering - terugwerkend onderzoek of terugwerkende ontwikkeling - uit te vissen hoe de molecule werkt. 

Maar aangezien SCH-79797 letterlijk onweerstaanbaar is en geen resistentie opwekt, hadden de onderzoekers niets waarop ze reverse engineering konden toepassen. "Dit was echt een technisch hoogstandje", zei Gitai. "Praktisch bekeken is geen resistentie een voordeel, maar wetenschappelijk gezien is het een uitdaging."

Het team stond voor twee enorme technische uitdagingen: proberen een negatief feit te bewijzen - dat niets resistentie ontwikkelt tegen SCH-79797 - en te weten komen hoe de verbinding werkt.

Om de 'resistentie van het middel tegen resistentie' te bewijzen, probeerde Martin een eindeloze reeks van verschillende methodes en analyses uit, en geen enkele ervan bracht ook maar een greintje resistentie tegen de SCH-verbinding aan het licht.

Uiteindelijk probeerde hij 'bruut geweld': hij deed gedurende 25 dagen aan 'serially passaging', wat wil zeggen dat hij bacteriën bijna een maand lang opnieuw en opnieuw en opnieuw blootstelde aan het middel. Aangezien bij bacteriën er zowat om de 20 minuten een nieuwe generatie komt, hadden de bacteriën miljoenen kansen om resistentie te ontwikkelen - maar dat deden ze niet. Om hun methodes te controleren, deed het team hetzelfde met andere antibiotica - novobiocine, trimethoprim, nisine en gentamicine - en zag dat daartegen wel al snel resistentie optrad. 

Een negatief feit bewijzen is technisch gezien onmogelijk, en dus gebruiken de onderzoekers uitdrukkingen als 'niet opspoorbaar lage frequenties van resistentie' en 'geen opspoorbare resistentie' om het feit te beschrijven dat bacteriën niet resistent worden, maar de conclusie is dat SCH-79797 echt 'irresistible' is, geen resistentie opwekt. 

Het team probeerde het nieuwe middel uit tegen een aantal bacterie-soorten die berucht zijn voor hun antibiotische resistentie, onder meer op Neisseria gonorrhoeae, de bacterie die gonorroe veroorzaakt en die in de top 5 staat van de lijst met de grootste en dringendste bedreigingen van het Amerikaanse Center for Disease Control and Prevention (CDC). 

"Gonorroe vormt een enorm probleem wat resistentie tegen een groot aantal middelen betreft", zei Gitai. "We hebben geen middelen meer tegen gonorroe. Bij de meeste infecties werken de ouderwetse generische middelen nog steeds. Toen ik twee jaar geleden een keelontsteking met streptokokken had, kreeg ik penicilline-G - de penicilline die ontdekt werd in 1928! Maar bij N. gonorrhoeae zijn de doorsnee stammen die de ronde doen op de universiteitscampussen superresistent. Wat de laatste verdedigingslinie was, het 'breek-het-glas-in-geval-van-nood-middel' voor Neisseria, is nu het eerstelijnsmiddel geworden, en er is echt geen breek-het-glas-back-up meer. Daarom was het bijzonder belangrijk en opwindend dat we dit konden genezen."

De onderzoekers verkregen zelfs een staal van de meest resistente stam van N. gonorrhoeae uit de kluizen van de Wereldgezondheidsorganisatie - een stam die resistent is tegen alle antibiotica die we kennen - en "Joe toonde aan dat ons mannetje zelfs deze stam kon doden", zei Gitai, verwijzend naar Joseph Sheenan, de manager van het Gitai-laboratorium en mede-eerste auteur van de nieuwe studie. "Daar zijn we behoorlijk opgewonden over."

Zonder resistentie om reverse engineering op toe te passen, probeerde het team jarenlang te achterhalen hoe de molecule bacteriën doodt en het paste daarbij een hele reeks methodes toe, van klassieke technieken die al meegaan sinds de ontdekking van penicilline tot de allermodernste technologie. 

Martin noemde het de 'alles-behalve-de gootsteen-benadering' en uiteindelijk bracht die aan het licht dat SCH-79797 twee verschillende mechanismen in één molecule gebruikt, zoals een pijl die in gif is gedrenkt. 

"De pijl moet scherp zijn om het gif binnen te krijgen, maar het gif moet op zich ook doden", zei Benjamin Bratton, een onderzoeker en lesgever in moleculaire biologie aan Princeton en de tweede mede-eerste auteur van de nieuwe studie. 

De pijl heeft als doelwit het buitenmembraan van de bacterie - en geraakt zelfs door het dikke schild van gramnegatieve bacteriën - terwijl het gif folaat in stukken scheurt, de natuurlijke vorm van foliumzuur en een essentiële bouwsteen van RNA en DNA. De onderzoekers waren verbaasd te ontdekken dat de twee mechanismen synergetisch werken, wat wil zeggen dat ze elkaar versterken en samen meer zijn de som van de delen. 

"Als je enkel die twee helften neemt - er zijn middelen in de handel die bacteriën kunnen aanvallen op een van deze twee manieren - en je gooit ze gewoon samen in dezelfde pot, dan doodt dat de bacteriën niet even effectief als onze molecule, die de twee verenigt in hetzelfde lichaam", zei Bratton. 

Er was wel een probleem: de oorspronkelijke SCH-79797-molecule doodde menselijke cellen zowat op hetzelfde niveau als bacteriële cellen, wat betekende dat het als geneesmiddel het risico inhield dat het de patiënt zou doden voor het de infectie doodde. 

De afgeleide verbinding Irresistin-16 maakte daar een eind aan. Ze is bijna 1.000 keer effectiever tegen bacteriën dan tegen menselijke cellen, wat er een veelbelovend antibioticum van maakt. Als laatste bevestiging toonden de onderzoekers aan dat ze Irresistin-16 konden gebruiken om muizen te genezen die besmet waren met N. gonorrhoeae.

Het model van de giftige pijl zou de ontwikkeling van antibiotica revolutionair kunnen veranderen, zei KC Huang, een professor bio-engineering, microbiologie en immunologie aan de Stanford University die niet betrokken was bij het onderzoek.

"Het kan niet genoeg benadrukt worden dat het onderzoek naar antibiotica al vele tientallen jaren vastzit", zei Huang. "Het komt niet vaak voor dat je een wetenschappelijk gebied vindt dat zo goed bestudeerd is en toch zo erg nood heeft aan een stoot nieuwe energie."

De giftige pijl, de synergie tussen twee mechanismen om bacteriën aan te vallen, "kan net dat bieden", zei Huang. "Deze verbinding is op zich al erg nuttig, maar mensen kunnen ook nieuwe verbindingen beginnen ontwerpen die hierop geïnspireerd zijn. Dat maakt dit werk zo opwindend", zei hij. 

Bijzonder is dat de beide mechanismen - de pijl en het gif - processen viseren die aanwezig zijn zowel in bacteriën als in de cellen van zoogdieren. 

Folaat is van levensbelang voor zoogdieren - het is daarom dat zwangere vrouwen de raad krijgen foliumzuur in te nemen - en uiteraard hebben zowel bacteriën als de cellen van zoogdieren membranen. "Dat geeft ons veel hoop omdat er een hele klasse van doelwitten is die mensen grotendeels verwaarloosd hebben omdat ze dachten, 'Oh, dat kan ik niet als doelwit nemen, omdat ik dan gewoon ook de mens zou doden", zei Gitai. 

"Een studie als deze zegt dat we terug kunnen gaan en tot een herziening kunnen komen van datgene waarvan  we dachten dat het de beperkingen waren aan onze ontwikkeling van nieuwe antibiotica", zei Huang. "Vanuit maatschappelijk oogpunt gezien is het fantastisch nieuwe hoop voor de toekomst te hebben."

De studie A dual-mechanism antibiotic kills Gram-negative bacteria and avoids drug resistance van het team van Stanford en collega's van het European Molecular Biology Laboratory in Heidelberg wordt gepubliceerd in het 25 juni-nummer van het tijdschrift Cell en is nu al online beschikbaar. Dit artikel is gebaseerd op een persbericht van de Princeton University.