< Terug naar vorige pagina

Project

Ontleden van bacteriële persistentie via experimentele evolutie: geheugen, persistorfysiologie en de link met genetische resistentie

Steeds meer patiënten bezwijken aan bacteriële infecties waarvoor geen effectieve behandelingen bestaan. De belangrijkste oorzaak van deze dreigende gezondheidscrisis ligt in het toenemend vermogen van bacteriën om antibioticum-behandelingen te overleven. Door hun hoge reproductiesnelheid en enorme populatiegroottes vertonen bacteriën een sterk potentieel voor evolutionaire adaptatie. Dit resulteert momenteel in een razendsnelle verspreiding van antibioticumongevoelige pathogenen, die de pogingen om infectieziekten onder controle te krijgen omzeilen. Hoewel de therapeutische uitdagingen die voortvloeien uit bacteriële evolutie steeds meer erkend worden, is de huidige kennis rond de evolutionaire dynamiek tijdens antibioticumbehandelingen ontoereikend om falende therapieën te voorspellen en voorkomen.

Deze doctoraatsstudie rijkt nieuwe inzichten aan omtrent de evolutionaire dynamiek van antibioticumresistentie en -persistentie, twee belangrijke bacteriële strategieën om antibioticumbehandelingen te overleven. Resistentie wordt veroorzaakt door genetische veranderingen die bacteriën in staat stellen om actief te blijven groeien in aanwezigheid van antibiotica en werd reeds vastgesteld voor quasi alle huidig beschikbare antibiotica. Daarnaast zijn echter heel wat infecterende pathogenen niet resistent, maar toch moeilijk te behandelen door de aanwezigheid van een klein aantal antibioticumtolerante persistorcellen. Deze cellen zijn genetisch gevoelig, maar fenotypisch tolerant tegen antibioticumbehandelingen. Eenmaal een behandeling stopgezet wordt, kunnen persistors de basis vormen voor een nieuwe bacteriële populatie en zo heropflakkerende en chronische infecties veroorzaken.

Zowel resistentie als persistentie zorgen ervoor dat bacteriële populaties een antibioticumkuur kunnen overleven. Toch zijn er belangrijke verschillen tussen beide strategieën die zich manifesteren in andere ontstaans- en verspreidingspatronen binnen populaties. Aan de hand van experimentele evolutie identificeerden we meerdere factoren die deze evolutionaire dynamiek van resistentie en persistentie beïnvloeden, waaronder populatiebottlenecks en antibioticum- en nutriëntconcentraties. We stelden vast dat bottlenecks, die vaak plaatsvinden tijdens transmissie van infecterende pathogenen, evolutionaire adaptatie vertragen, genetische diversiteit reduceren en populatiedivergentie promoten. Verder tonen onze resultaten aan dat resistentie een groter voordeel biedt dan persistentie bij hoge nutriëntbeschikbaarheid tijdens de behandeling, terwijl voornamelijk geselecteerd wordt voor persistentie bij een hoge antibioticumdosis. Hoewel deze bevindingen nog vertaald moeten worden naar klinische situaties, wijzen ze belangrijke evolutionaire determinanten aan die in acht genomen moeten worden tijdens de ontwikkeling van nieuwe therapieën.

Ondanks de erkende gevaren van resistentie en persistentie, waren inzichten in de evolutionaire interacties tussen beide tot nu toe beperkt. Aan de hand van fenotypering van geëvolueerde populaties, gecombineerd met theoretische simulaties, tonen we aan dat resistentie en persistentie sterk verweven zijn. In omgevingen waar beide strategieën een selectief voordeel bieden, kunnen resistentie en persistentie simultaan evolueren. Hoewel resistentie in deze gevallen waarschijnlijk voordeliger is, lijken persistentiemutaties gemakkelijker te ontstaan ten gevolge van een groter mutationeel effect en/of een groter mutationeel doelwit, en zo een opstap te vormen naar hogere resistentieniveaus. Deze hypothese werd verder onderzocht door de opvolging van resistentie-ontwikkeling in stammen met een grote onderlinge verscheidenheid aan persistorlevels. Hieruit blijkt dat hoge persistorlevels resistentie-evolutie versnellen als gevolg van een groter aantal cellen dat levensvatbaar blijft enerzijds en een hogere mutatiesnelheid anderzijds. Een nieuw wiskundig model voorspelt dat deze link tussen persistentie en resistentie klinische implicaties heeft voor de behandeling van bacteriële infecties.

De ontwikkeling van nieuwe therapieën die de evolutie van resistentie en persistentie verhinderen kan bevorderd worden door een beter inzicht in de onderliggende moleculaire mechanismen. Componenten die het ontwaken van persistorcellen stimuleren zijn veelbelovend voor de uitroeiing van deze cellen en zouden bovendien resistentie-ontwikkeling kunnen vertragen. Succesvol onderzoek naar persistorontwaking vereist echter studies op ‘single-cell’ niveau, die bemoeilijkt worden door de zeldzame en voorbijgaande aard van persistors. We stellen een nieuwe, geoptimaliseerde experimentele procedure voor om persistorcellen aan te rijken, waardoor ‘single-cell’ onderzoek naar persistentie op veel grotere schaal kan plaatsvinden dan eerder gerapporteerd.

We besluiten dat de voorgestelde resultaten nieuwe inzichten leveren in bacteriële adaptatie aan antibioticumstress en belangrijke interacties tussen resistentie en persistentie aan het licht brengen. Deze bevindingen benadrukken niet enkel de nood aan antipersistortherapieën, maar kunnen ook bijdragen aan de ontwikkeling van nieuwe therapeutische strategieën om evolutionaire adaptatie aan antibioticumbehandelingen te vertragen.

Datum:9 sep 2016 →  12 jan 2021
Trefwoorden:bacterial, genetic, resistance
Disciplines:Scientific computing, Bio-informatica en computationele biologie, Maatschappelijke gezondheidszorg, Publieke medische diensten, Genetica, Systeembiologie, Moleculaire en celbiologie, Microbiologie, Laboratoriumgeneeskunde, Engineering van biomaterialen, Biologische systeemtechnologie, Biomateriaal engineering, Biomechanische ingenieurswetenschappen, Andere (bio)medische ingenieurswetenschappen, Milieu ingenieurswetenschappen en biotechnologie, Industriële biotechnologie, Andere biotechnologie, bio-en biosysteem ingenieurswetenschappen
Project type:PhD project