Metode til forudsigelse af antibiotikas effekt

I nyt studie har vi vist, at effekten af antibiotika in vivo kan prædikteres ved at benytte kromosomreplikation til at måle bakteriers væksthastighed under infektion.

Aktiv vækst er afgørende for, at det skal lykkes bakterier at etablere infektion i en vært. Fra in vitro studier ved vi også, at effekten af mange af de antibiotika vi i dag bruger til at behandle infektioner i mennesker, er afhængig af aktiv bakterievækst – nogle i større grad end andre. Det vi til gengæld kender for lidt til, er den præcise vækstdynamik der foregår in vivo. Der findes ingen enkel og præcis måde at måle den hastighed, hvorpå bakterierne vokser under infektion i en vært. 

Næsten alle bakteriers genom udgøres af ét enkelt cirkulært kromosom. Vækst og multiplikation af bakterier forudsætter nøjagtig duplikation (replikation) af kromosomet inden celledeling. Således kan hver enkelt bakteriecelle give ophav til to identiske datterceller. Kromosomreplikationen er præcist koordineret med væksthastighed, hvilket er direkte reguleret af de aktuelle vækstbetingelser. Såfremt vækstbetingelserne er gode, kan cellerne vokse og dele sig med høj hastighed. Escherichia coli er den bakterie, hvori kromosomreplikationen og dens regulatoriske mekanismer er bedst kendt. Replikationen initieres fra et bestemt sted på kromosomet, oriC, og afsluttes ved det modsat beliggende terC. Når bakterierne ikke vokser, sker der heller ingen replikation af kromosomet, hvilket betyder, at der kun vil være én enkelt kopi af både oriC og terC per celle. Under aktiv bakterievækst, derimod, vil der være 2 kopier af oriC tilstede i hver celle inden celledeling. For at replikationen skal kunne holde trit med celledeling under hurtig vækst, bliver der påbegyndt overlappende runder af kromosomreplikation inden celledeling. Under disse betingelser vil der således kunne være enten 4 eller hele 8 kopier af oriC tilstede i hver celle. Bakteriernes væksthastighed kan således afledes fra antallet af oriC i forhold til terC kopier (ori:ter ratio). Jo højere ratio, jo hurtigere vækst. 

Vi har i en E. coli stamme (ATCC 25922) klonet fluorescensproteiner ind i kromosomet, således at antallet af oriC og terC kopier kan monitoreres på enkeltcelleniveau ved fluorescensmikroskopi. Dette har vi supplereret med at måle ori:ter på populationsniveau ved qPCR.  Denne stamme har vi så brugt til at inficere mus i bughinden. Ved at måle ori:ter i bakterier isoleret fra blod og peritonealskyllevæske fra de inficerede mus har vi kunne følge bakterievæksthastigheden under forløbet af en akut infektion (peritonit/sepsis). Billedet til venstre viser fluorescens mikroskopi-billeder af disse bakterier under forskellige væksthastigheder, fra langsom (top) til hurtig (bund). oriC er markeret ved grøn fluorescens og terC ved rød fluorescens.  

I denne musemodel, finder vi bl.a. at bakterierne vokser langsommere in vivo, end de gør under optimale forhold i laboratoriet, at væksten i en population er heterogen, og at væksthastigheden i blodet afspejler den ved det primære infektionsfokus (bughinden). Derudover har vi sammenlignet effekten af 3 forskellige typer antibiotika (ceftriaxon, ciprofloxacin og gentamicin) administreret ved hhv. langsom og hurtig bakterievækst in vivo. Når det gælder ceftriaxon og gentamicin, er effekten væsentlig bedre under hurtig vækst, end under langsom vækst, mens effekten af ciprofloxacin forbliver nogenlunde uændret. Denne metode til at måle bakterievæksthastighed kan således bruges til at prædiktere effekten af antibiotika in vivo. Når det gælder stoffer der virker ved at hæmme kromosomreplikationen, så kan man desuden, ved at analysere ori:ter, direkte observere om de udøver deres effekt på bakterierne. Dette har vi f.eks. kunne se ved brug af ciprofloxacin i musemodellen, og ved brug af trimetoprim til behandling af urinvejsinfektion hos mennesker. I begge tilfælde stiger ori:ter efter behandling, fordi de pågående replikationsrunder bliver forhindret i at færdiggøres. Metoden danner en platform for at teste effekten af hvilke som helst antimikrobielle stoffer som funktion af bakterievæksthastighed in vivo, hvilket ville kunne have betydning for fremtidige behandlingsstrategier.


Redaktør