Antibiotika sind lebensrettende Mittel. Doch durch ihren chronischen Missbrauch entwickeln sich Mikroben weiter und entwickeln eine Immunität gegen sie. Infolgedessen können einst wirksame Medikamente Infektionen nicht mehr abwehren, was die Behandlung erschwert und die Sterblichkeit erhöht.
Eine Studie der University at Albany veröffentlicht im Journal Naturkommunikation einen neuen genetischen Mechanismus entdeckt, der die Ausbreitung antimikrobieller Resistenzen unter tödlichen Bakterien ermöglicht.
Das Bakterium Klebsiella pneumoniae ist weltweit die dritthäufigste Ursache für Blutinfektionen. Die Bakterien sind häufig auf menschlichen Schleimhäuten wie den Atemwegen und dem Magen-Darm-Trakt zu finden. Wenn sie die Möglichkeit haben, einzudringen, können sie Lungenentzündungen und schwere Blut- und Harnwegsinfektionen verursachen. Diese Infektionen können eine starke Immunreaktion auslösen, die zu Organversagen und Tod führen kann.
„Wir wissen, dass viele medizinisch wichtige Bakterien nicht mehr auf Antibiotika reagieren und einige gegen mehrere Medikamente resistent sind“, sagte Co-Autorin Cheryl Andam, außerordentliche Professorin im Fachbereich Biowissenschaften und am RNA-Institut.
„In dieser Studie haben wir gemeinsam mit Ärzten des Dartmouth-Hitchcock Medical Center versucht, die genetischen Faktoren zu verstehen, die es Klebsiella pneumoniae ermöglichen, eine antimikrobielle Resistenz zu entwickeln. Dazu haben wir die Genomsequenzen der Bakterien von Patienten analysiert, bei denen Blutstrominfektionen diagnostiziert wurden. Diese Arbeit gibt einen Einblick in die Art und Weise, wie diese Bakterien Resistenzgene entwickeln und sie in einer Population verbreiten.“
Die Studie repräsentiert ein aufstrebendes Forschungsgebiet namens Genom-Epidemiologie, in dem Wissenschaftler krankheitserregende Bakterien über Zeit und Raum hinweg verfolgen, indem sie die Sequenzierung des gesamten Genoms durchführen, um zu verstehen, wie sich der Erreger entwickelt und ausbreitet. Dazu müssen alle Gene und genetischen Varianten identifiziert werden, die einzelne Bakterienstämme innerhalb einer Population in sich tragen.
Die Forscher analysierten die genetischen Sequenzen von 136 K. pneumoniae-Isolaten, die über einen Zeitraum von fünf Jahren (2017–2022) von erwachsenen und pädiatrischen Patienten mit Blutinfektionen im Dartmouth-Hitchcock Medical Center gesammelt wurden. Sie identifizierten 94 verschiedene genetische Sequenzen, was auf eine hohe genetische Vielfalt innerhalb der untersuchten K. pneumoniae-Population hinweist.
Sie testeten die Genomsequenzen auch mit 20 verschiedenen Antibiotika, um festzustellen, ob die Population Stämme enthielt, von denen bekannt ist, dass sie resistent sind. Das war der Fall. Die Probe enthielt 64 einzigartige Gene, die eine Resistenz gegen zehn antimikrobielle Medikamentenklassen kodieren. Darunter befanden sich Stämme, von denen bekannt ist, dass sie hypervirulent und multiresistent sind.
Entscheidend war, dass das Team entdeckte, wie K. pneumoniae Resistenzgene verbreitet: über Plasmide. Plasmide sind mobile genetische Strukturen, die mehrere Resistenzgene tragen und auf andere Bakterien übertragen können. Dieser Mechanismus erleichtert die Entwicklung einer stärkeren und widerstandsfähigeren Bakterienpopulation.
„Wir haben festgestellt, dass Plasmide eine wichtige Rolle bei der Übertragung von Genen spielen, die Enzyme kodieren, die viele Antibiotika unwirksam machen“, sagte Andam. „Besonders bemerkenswert ist, dass wir bei K. pneumoniae, das von zwei Jahren zwischen den beiden Patienten gewonnen wurde, nahezu genetisch identische Plasmide fanden, die Gene tragen, die eine Resistenz gegen mehrere Antibiotika kodieren.“
„Das bedeutet, dass diese Plasmide über lange Zeit bestehen bleiben und weiterhin wirksam sind bei der Verbreitung und Entstehung multiresistenter Stämme, die sehr schwer zu behandeln sind.“
Dieses neue Verständnis wird zur Entwicklung von Strategien für Maßnahmen im Bereich der öffentlichen Gesundheit beitragen, die auf die Eindämmung der Verbreitung hochriskanter Bakterienklone abzielen.
„Die fortgesetzte Überwachung und weitere genomische epidemiologische Studien in Gesundheitseinrichtungen werden unser Verständnis der durch Plasmide vermittelten antimikrobiellen Resistenz vertiefen und zeigen, wie dieser Mechanismus die Gesundheitsrisiken für gefährdete Patienten und die breitere Bevölkerung beeinflusst“, sagte Andam.
„Antimikrobielle Resistenz ist eine globale Bedrohung, da mikrobielle Erkrankungen, die durch Bakterien, Viren, Parasiten und Pilze verursacht werden, auf medikamentöse Behandlungen nicht mehr ansprechen und lebensbedrohliche Infektionen verursachen können“, sagte die angesehene Professorin Marlene Belfort, leitende Beraterin des RNA Institute an der UAlbany.
„Das ist ein enormes Problem, denn Medikamente, die diese infektiösen Organismen normalerweise abtöten, werden immer wirkungsloser. Man geht davon aus, dass die antimikrobielle Resistenz eine ebenso große Bedrohung für die Menschheit darstellt wie der Klimawandel und der Welthunger.
„Was das Andam-Labor gezeigt hat, ist, dass genetische Elemente, sogenannte Plasmide, dafür sorgen, dass sich Klebsiella-Bakterien in Stämme verwandeln, die gegen mehrere Antibiotika resistent sind. Diese Plasmide können von einem pathogenen Mikroorganismus auf einen anderen übergehen und dabei Gene mit sich tragen, die eine Antibiotikaresistenz verursachen.
„Das Verständnis der Mechanismen, durch die sich die Antibiotikaresistenz bei K. pneumoniae ausbreitet, ist ein entscheidender Schritt zum Verständnis des umfassenderen Problems der antimikrobiellen Resistenz und zur Entwicklung von Behandlungen gegen gefährliche resistente Stämme.“
Weitere Informationen:
Odion O. Ikhimiukor et al., Klonaler Hintergrund und Wege der Plasmidübertragung liegen den antimikrobiellen Resistenzmerkmalen von Klebsiella pneumoniae im Blutkreislauf zugrunde, Naturkommunikation (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-51374-x