Streptococcus pneumoniae, allgemein Pneumokokken genannt , ist ein pathogenes Bakterium, das im menschlichen Nasopharynx (insbesondere bei Mädchen und Jungen) vorkommt und leichte Erkrankungen wie Otitis oder Sinusitis bis hin zu schwereren Erkrankungen wie Lungenentzündung und Meningitis verursachen kann. Obwohl es Impfstoffe zur Vorbeugung von durch diesen Erreger verursachten Infektionen sowie verschiedene Antibiotika zu deren Behandlung gibt, wird geschätzt, dass diese Art von Krankheiten weltweit jedes Jahr mehr als eine Million Todesfälle verursachen. Diese Situation macht Pneumokokken zu dem Erreger, der die meisten Todesfälle unter den durch Impfungen vermeidbaren Infektionskrankheiten verursacht. Die Wirksamkeit der verschiedenen verfügbaren Antibiotika zur Behandlung von Pneumokokken wird derzeit durch das Auftreten verschiedener Stämme, die Toleranz, Persistenz oder Resistenz gegenüber bestimmten pharmakologischen Behandlungen entwickeln, stark beeinträchtigt. In diesem Sinne ist die Existenz von Toleranzmechanismen gegenüber Vancomycin sowie einer Resistenz gegenüber Penicillin und der Gruppe der Antibiotika, die als Fluorchinolone bekannt sind, bereits nachgewiesen.
Kürzlich präsentierten Wissenschaftler von CONICET Forschungsergebnisse, in denen sie anhand von Tests in Zellmodellen zeigen, dass die Exposition gegenüber intrazellulärem oxidativem Stress dazu führen kann, dass kleine Populationen von Pneumokokken Mechanismen entwickeln, die eine Behandlung mit Fluorchinolonen überdauern. Persistenz ist eine Art Toleranz gegenüber hohen Antibiotikakonzentrationen, die eine bakterielle Subpopulation durch Umweltfaktoren erwirbt und die nicht an die Nachkommen vererbt wird (d. h. sie beinhaltet keine Veränderungen im Genom). Andererseits ist die Persistenz von Pneumokokken gegenüber Fluorchinolonen vor allem deshalb klinisch relevant, weil eine Antibiotikatherapie aufgrund des Auftretens von Stämmen mit Resistenzen gegen diese Art von Antibiotika versagen könnte. In diesem Zusammenhang wird davon ausgegangen, dass Persistenz ein Schritt vor dem Auftreten von Fällen von Antibiotikaresistenz sein kann .
Die von José Echenique , CONICET-Forscher am Center for Research in Clinical Biochemistry and Immunology (CIBICI, CONICET-UNC), geleitete Studie wurde in der Zeitschrift Microbiology Spectrum der American Society of Microbiology veröffentlicht. Die erste Autorin der Studie war Mirelys Hernández-Morfa , eine Doktorandin des Rates am CIBICI.
Das intrazelluläre Leben von Pneumokokken
Obwohl Pneumokokken hauptsächlich in der extrazellulären Umgebung leben, können sie vorübergehend mehrere Stunden lang in Zellen des Immunsystems oder Pneumozyten (spezialisierten Zellen, die die Lungenbläschen bilden) verbleiben. „Wenn ein Bakterium in eine Zelle des Immunsystems eindringt, beispielsweise in Makrophagen oder Neutrophile, wird ein Ausbruch von oxidativem Stress ausgelöst, der darauf abzielt, den Krankheitserreger abzutöten. Das heißt, die Zellen beginnen neben anderen reaktiven Sauerstoffspezies Wasserstoffperoxid zu produzieren, um die Infektion loszuwerden“, erklärt Echenique.
Obwohl die meisten Pneumokokken-Bakterien durch den Wasserstoffperoxid-Angriff sterben, wurde festgestellt, dass es eine Unterpopulation gibt, die überlebt. „Pneumokokken sind Bakterien, die über starke Resistenzmechanismen gegen oxidativen Stress verfügen, da sie das Wasserstoffperoxid selbst, das sie normalerweise produzieren, überleben müssen, um mit anderen Bakterien konkurrieren zu können, die im Nasopharynx leben, der von etwa siebenhundert verschiedenen Mikroorganismen ausgekleidet ist.“ Wenn Pneumokokken keine Enzyme hätten, die Wasserstoffperoxid auf intrazellulärer Ebene abbauen können, gäbe es keine Subpopulation mit der Möglichkeit, den oxidativen Ausbruch zu überleben, der auftritt, wenn sie in eine menschliche Zelle eindringen. „Dieses Ausmaß an oxidativem Stress überleben zu können, ist für einen normalerweise extrazellulären Organismus bereits ein ziemlich ausgefeilter Mechanismus“, sagt der Forscher.
Entwicklung einer Persistenz gegenüber Fluorchinolonen
Fluorchinolone sind eine Gruppe von Antibiotika zur Behandlung von durch Pneumokokken verursachten Infektionen, deren Wirkungsmechanismus auch mit erhöhtem oxidativem Stress zusammenhängt. Da die Autoren wussten, dass eine vorherige Exposition gegenüber Wasserstoffperoxid den Abwehrmechanismus des Pneumokokkens gegen diese Art von Verbindungen induziert, schlugen sie vor, dass dieses Szenario der Wirkung von Fluorchinolonen entgegenwirken könnte. Dies veranlasste das Forschungsteam unter der Leitung von Echenique zu analysieren, ob die Exposition gegenüber Wasserstoffperoxid dazu führte, dass Pneumokokken Persistenzmechanismen gegenüber Fluorchinolonen entwickelten, und sie bestätigten dies durch Tests in Kulturmedien und mit verschiedenen Zellmodellen.
„Um festzustellen, ob die Exposition gegenüber oxidativem Stress zu einer Resistenz gegenüber Antibiotika führte, setzten wir die Pneumokokken zunächst einem Kulturmedium aus, das ähnliche Mengen an Wasserstoffperoxid enthielt wie diejenigen, die in einer Zelle des Immunsystems exponiert werden könnten. . Durch die Zugabe von Fluorchinolonen konnten wir feststellen, dass sich die Überlebensrate dieser Bakterien gegen dieses Antibiotikum im Vergleich zu Pneumokokken, die keinem oxidativen Stress ausgesetzt waren, tatsächlich erhöhte. Es ist uns auch gelungen, einige Gene zu identifizieren, die an der Entwicklung dieses Mechanismus beteiligt sind“, sagt Echenique.
Der nächste Schritt bestand darin, zu testen, ob dieses Verhalten in Zellmodellen wie Makrophagen, Pneumozyten und Neutrophilen reproduziert werden kann.
„Wie wir bereits wussten, führt das Eindringen von Pneumokokken in Zellmodellen zu einem Anstieg des Wasserstoffperoxidspiegels in den Zellen, was dazu führt, dass ein hoher Prozentsatz der Bakterien stirbt, obwohl eine Subpopulation überleben kann.“ Nach mehreren Stunden fügten wir Fluorchinolone hinzu, um zu sehen, ob die Exposition gegenüber intrazellulärem oxidativem Stress auch zur Entwicklung eines Persistenzmechanismus für dieses Antibiotikum führte, wie es bei den Tests in Kulturmedien der Fall war. So konnten wir feststellen, dass die Induktion des Fluorchinolon-Persistenzmechanismus auch dann erfolgt, wenn der Pneumokokken beim Eindringen in Zellen intrazellulärem oxidativem Stress ausgesetzt ist“, führt der Forscher aus.
Echenique betont, dass diese Art der Toleranz nicht gleichbedeutend mit einer Antibiotikaresistenz ist, da hierfür Mutationen in bestimmten Genen oder der Einbau neuer Gene erforderlich sind. „Wenn man ihnen das Wasserstoffperoxid entzieht und sie erneut mit Fluorchinolonen behandelt, werden die hartnäckigen Bakterien wieder empfindlich gegenüber den Antibiotika und sterben ab.“
Darüber hinaus stellt Echenique klar: „Dieser Mechanismus der Persistenz gegenüber Antibiotika ist aus klinischer Sicht relevant, da er einerseits die Effizienz der antimikrobiellen Behandlung bei Patienten mit Pneumokokken-Infektionen verringern würde und andererseits eine stärkere Exposition gegenüber Fluorchinolonen die Wirksamkeit der antimikrobiellen Behandlung verringern würde Generation resistenter Stämme.“
