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Antibiotikaresistenz – vom Mechanismus zum Organismus

Im Wettlauf

von Prof. Dr. Peter Heisig, Dr. Anke Heisig

Multiresistenz nimmt weltweit zu. Gegen Infektionskrankheiten, die auch im 21. Jahrhundert immer noch zu den ­häufigsten Todesursachen ­weltweit ­gehören, stellen neben Impfstoffen zur Prophylaxe Antibiotika die wichtigste ­therapeutische Waffe dar. ­Doch durch zunehmende ­Resistenzentwicklung der Erreger verlieren diese Waffen oft schon nach wenigen Jahren klinischer Anwendung ihre Wirksamkeit.

Im Laufe der vergangenen Jahre ist darüberhinaus bei Bakterien eine Trendwende von Erregern mit spezifischen Resistenz­mecha­nismen gegen einzelne Antibiotika hin zu Stämmen mit hoher Resistenz gegen viele Antibiotika (Multiresistenz) zu beobachten. So stieg nach Daten der Paul-Ehrlich-­Gesellschaft für Chemotherapie e.V. [1] der Prozentsatz methicillinresistenter Staphylococcus aureus (MRSA) Stämme in deutschen Krankenhäusern seit 1995 von zunächst 13 % auf inzwischen fast 21 % (2007), ebenso erhöhte sich der Anteil fluorchinolonresistenter Escherichia coli Erreger zwischen 1985 und 2007 von weniger als 1 % auf ca. 26 %. Darüberhinaus finden sich immer wieder einzelne Isolate, gegen die selbst neueste Antibiotika nicht mehr wirksam sind (Panresistenz) [2].

Die Entwicklung neuer Antibiotika hinkt der Resistenzentwicklung hinterher

Das Resistenzproblem ist wesentlich älter als die Antibiotika-Ära. So waren bereits bei Einführung von Benzylpenicillin in die ­Therapie Mitte der 40er-Jahre des vergangenen Jahrhunderts ca. 5 % der ­Isolate von Staphylococcus aureus resistent gegen Penicillin. Innerhalb von nur wenigen Jahren stieg der Anteil auf 50 %. Als erfolgreiche Maßnahme dagegen wurde zunächst der zu Grunde liegende Resistenzmechanismus, die Bildung einer β-Lactamase, identifiziert, und basierend auf dieser Kenntnis mit Oxacillin ein wirksameres neues Antibiotikum entwickelt, das gegen die β-Lactamase stabil ist [3]. Einige Jahre später wurde eine erweiterte Strategie für die synthetisch gewonnenen Fluor­chino­lone angewendet – das duale oder multiple „Targeting“: War mit dem bakteriellen Enzym DNA Gyrase (bakterielle Topoisomerase II) zunächst nur ein molekularer Angriffspunkt der Fluorchinolone bekannt, konnten frühe molekulargenetische Ana­lysen u. a. unserer Arbeitsgruppe zeigen, dass die Entstehung von klinisch hochresistenten Isolaten mehrere Mutationen erfordert. Bei diesen Isolaten war mit der Topoisomerase IV ein zweites der Gyrase homologes Angriffsziel betroffen [4]. Diese Strategie, Antibiotika mit mehr als einem Angriffspunkt zu entwickeln, hat sich inzwischen mehrfach bewährt. Dies zeigen die Beispiele des von Makroliden abgeleiteten Ketolid-Antibiotikums Telithromycin und des von den Tetracyclinen abgeleiteten Glycylcyclins Tigecyclin. So ergab das Studium der molekularen Wechselwirkung von Telithromycin mit dem bakteriellen Ribosom, dass zwei verschiedene Bindungsorte existieren, sodass für die Resistenz­entwicklung beide Ziele durch jeweils mindestens eine Mutation verändert sein müssen. Die Entwicklung von Tigecyclin beruht auf der detaillierten Kenntnis der klinisch relevanten Resistenzmechanismen gegen Tetracyline als Vorläufer von Tigecyclin. Besonders erfolgreich erwies sich die Aufklärung des Mechanismus, der zur ­In­duktion von Tetracyclinresistenz durch tetracyclinspezifische Effluxpumpen führt. In beiden Fällen war die Kenntnis des molekularen Resistenzmechanismus eine wesentliche Grundlage der Neuentwicklung. Doch die Resistenzentwicklungen der letzten Jahre zeigen einen Trend, wonach unter den mittlerweile häufiger auftretenden hoch- bzw. multiresistenten Erregern sich sehr gut angepasste Clone entwickelt haben, für deren Bekämpfung alternative Ansätze erforderlich sind.

Ursachen für Hoch- und Multiresistenz am Beispiel der Fluorchinolone

Um detailliertere Informationen über die Entstehung von hochresistenten bzw. multiresistenten Bakterien zu erhalten, beschäftigt sich unsere Arbeitsgruppe damit, die zu Grunde liegenden molekularen Resistenz­ursachen durch Simulation der Resistenzentwicklung im Labor zu identifizieren. Von den gewonnenen Erkenntnissen werden Hinweise auf neuartige Zielstrukturen für die Entwicklung wirksamerer Antibiotika erwartet. Als Modellorganismus wurde ein natürliches Darmisolat von Escherichia coli ohne Resistenz gegen Antibiotika gewählt, um daran die Entwicklung hoher Fluorchinolonresistenz zu studieren. Neben der bereits erwähnten Erkenntnis, dass mehrere Mutationen in zwei Angriffspunkten mit hoher Resistenz verbunden sind, was sich auch an klinischen Isolaten zeigt, haben sich weitere neuartige Erkenntnisse ergeben: So spielt die verstärkte Produktion einer „­multi drug resistance“ (MDR)- Effluxpumpe, die für einen Austransport von chemisch diversen Substanzen mit für die Bakterien­zelle toxischer Wirkung sorgt, eine wichtige Rolle bei der Resistenzentwicklung. Eine neuartige Erkenntnis aus unseren Untersuchungen ist jedoch, dass mit dieser Kombination mehrerer Resistenzmechanismen auch ein Verlust an Lebensfähigkeit („Fitness“) einhergeht. Der Vergleich eines solchen Laborisolates mit Patientenisolaten gleichhoher Resistenz und gleichen Resistenzmutationen zeigt aber, dass Patienten­isolate keinen Fitnessverlust aufweisen [5]. Kultiviert man das hochresistente, aber in der Fitness geschwächte Laborisolat längere Zeit ohne Antibiotika, so verliert es kaum an Resistenz, verbessert aber die ­Fitness. Als Ursache dafür konnten wir mit molekulargenetischen Analysen zeigen, dass für diese Anpassung ein Regulationsfaktor zur Produktion der Effluxpumpe verantwortlich ist [6].

Resistenzentwicklung ist ­komplexer als reine Kombination von Resistenzmechanismen

Der Verlust von Fitness bei fluorchinolonresistenten Erregern lässt sich damit plau­sibel erklären, dass es sich bei den von mehreren Mutationen betroffenen Topoios­merasen II und IV um für die ­Replikation der DNA essenzielle Enzyme handelt, die in ihren Aktivitäten für den Stoffwechsel beeinträchtigt sind. Auch bei multiresistenten Erregern, die durch den Erwerb von Plasmiden, das sind extrachromosomale genetische Informationsträger für mehrere Resistenzmechanismen, zusätzliche Energie für deren Verdopplung erfordern, ist eine Beeinträchtigung der „Fitness“ nachvollziehbar. Konsequenz aus diesen Befunden ist die Annahme, dass die komplexen Wege der Resistenzentwicklung, an der neben Mutationen zur Resistenz auch noch weitere Mutationen in bislang unbekannten Genen beteiligt sind, wodurch sich multiresistente Erreger besser an ihre Umgebung anpassen, für die Identifizierung neuer Angriffspunkte genutzt werden können. Die Wahrscheinlichkeit für einen solchen aufwändigen Anpassungsweg ist sehr ­gering. Dies stimmt mit den Ergebnissen weltweiter epidemiologischer Untersuchungen überein, wonach sich zunehmend resistente Erreger als clonal verwandte Populationen ausbreiten. Ein Beispiel sind die seit einiger Zeit identifizierten oxacillinresistenten Staphylococcus aureus Isolate des Sequenztyps ST398, die vom Menschen auf Tiere, die zur Lebensmittelgewinnung eingesetzt werden, übertragen wurden [7]. Ebenfalls weltweit verbreitet sind multi­resistente Escherichia coli Isolate des Sequenztyps ST131, die demselben ­pathogenetischen Subtyp B2 angehören und eine Reihe von Resistenzeigenschaften aufweisen. Dazu gehört häufig die ­β-Lactamase CTX-M15, eine Reihe von Virulenzeigenschaften, aber auch eine Kombination von Resistenzmutationen zur Fluorchinolonresistenz [8].

Neue Ansätze für die Antibiotikaentwicklung

Eine derartige Strategie zur Stabilisierung hoher bzw. multipler Antibiotikaresistenz bei clonal verbreiteten Erregern erfordert angemessene neuartige Methoden sowohl für die Analyse der zu Grunde liegenden Resistenzmechanismen als auch für die sich daraus ergebenden Ansätze zur Identifizierung neuer Angriffspunkte für zu entwickelnde Antibiotika: So zeigt der Befund, dass zur Kompensation der Fitness eines hochresistenten Erregers eine Mutation erforderlich ist, die eigentlich mit Reduktion von Resistenz verbunden ist und dass die Entwicklung hoher Resistenz ein sehr komplexer Vorgang ist, an dem bislang nicht bekannte Mutationen beteiligt sind. Eine Hemmung der von diesen Mutationen betroffenen Genprodukte stellt einen interessanten, alternativen Ansatz zur Unterbindung der Resistenzentwicklung dar. Um diese als mögliche neuartige Angriffspunkte für die Entwicklung wirksamerer Antibiotika zu nutzen, ist es notwendig, die genetische Information resistenter Mikroorganismen als Gesamtheit zu betrachten. Ein neuartiger Ansatz zur Identifizierung solcher möglichen neuen Angriffspunkte, deren Produkte nicht mit der Resis­tenz assoziiert sind, aber dazu beitragen, den Fitnessverlust zu kompensieren, bietet die seit einiger Zeit auch von unserer Arbeitsgruppe eingesetzte DNA-Sequenzanalyse vollständiger bakterieller Genome. Derzeit werden erste vergleichende derartige Untersuchungen an verschiedenen Labormutanten, die sich in mindestens einem Genort voneinander unterscheiden müssen, durchgeführt, um solche Anpassungswege besser zu verstehen und die von kompensa­torischen Mutationen betroffenen Genprodukte zu identifizieren.

Literatur
[1] (www.p-e-g.org)
[2] Van Looveren, M, Goossens, H. 2004. Antimicrobial resistance of Acinetobacter spp. in Europe. Clin Microbiol Infect 10: 684–704.
[3] Lowy, FD. 2003. Antimicrobial resistance: the example of Staphylococcus aureus. J Clin Invest 111: 1265–1273.
[4] Heisig, P. 1996. Genetic evidence for a role of parC mutations in development of high-level fluoroquinolone resistance in Escherichia coli. Antimicrob Agents Chemother 40: 879-885.
[5] Bagel, S, Hüllen, V, Wiedemann, B, Heisig, P. 1999. Impact of gyrA and parC mutations on quinolone resistance, doubling time, and supercoiling degree of Escherichia coli. Antimicrob. Agents Chemother. 43: 868-875. [6] Arntjen, B, Heisig, A, Heisig, P. 2010. The role of mar mutations for the fitness cost and its compensation in fluoroquinolone resistant Escherichia coli. European Congress of Clinical Microbiology and Infectious Diseases. Vienna, Austria. 20th ECCMID (Poster no P750)
[7] Baquero, F. 2012.On the shifting balance: the case of Staphylococcus aureus CC398. mBio 3(2): e00078-12.
[8] Platell, JL, Cobbold, RN, Johnson, JR, Heisig, A, Heisig, P, Clabots, C, Kuskowski, MA, Trott, DJ. 2011. Commonality between fluoroquinolone-resistant sequence type ST131 extraintestinal Escherichia coli isolates from humans and companion animals in Australia. Antimicrob. Agents Chemother. 55:3782-3787.

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