Zeldzame bacteriedoders

Bodembacteriën herbergen nog heel veel nieuwe antibiotica. Het zal echter extreem veel moeite kosten die te vinden, omdat ze zo zeldzaam zijn, zegt Chris Walsh. ‘De pijplijn van de industrie is bijna leeg.’ Sander Voormolen

Chris Walsh Foto Dirk-Jan Visser (Foto: Dirk-Jan Visser / Delft: 03-04-2007) Christopher Walsh, professor op de 'Department of Biological Chemistry and Molecular Pharmacology Harvard Medical School'. Een wereldwijd erkend en gerespecteerd wetenschapper op het gebied van antibiotica. Visser, Dirk-Jan

Ziekteverwekkende bacteriën worden in toenemende mate resistent tegen vrijwel alle antibiotica die er voorhanden zijn. En tegelijkertijd zit het onderzoek naar nieuwe antibiotica in een diepe crisis, zegt de Amerikaanse chemicus Chris Walsh van Harvard University. “De industriële pijplijn voor nieuwe antibiotica is verontrustend leeg”, zegt hij. “Sinds de jaren vijftig is er slechts één nieuwe klasse antibiotica op de markt gekomen.”

Walsh, een aimabele, zacht sprekende man, was kortgeleden in Nederland voor een serie lezingen op uitnodiging van de Nederlandse Vereniging voor Biochemie en Moleculaire Biologie. Hij is een expert op het gebied van de chemische en biologische modificatie van moleculen, in het bijzonder antibiotica. In de lobby van zijn hotel in Delft vertelt hij welke grote ramp de wereld boven het hoofd hangt.

“Een grote zorg is het ontstaan van superresistente ziekteverwekkers”, zegt Walsh. In april 2003 beschreef the New England Journal of Medicine een geval van een nierdialysepatiënt die besmet was met vancomycine-resistente enterokokken (VRE) en daarnaast ook een infectie met de ziekenhuisbacterie MRSA (Methycilline-resistente Staphylococcus aureus) had opgelopen. MRSA is resistent tegen veel antibiotica, maar tot dan toe nooit tegen vancomycine. De dubbele besmetting leverde een recombinatie op, waarbij vijf resistentiegenen uit de enterokok in de stafylokok terecht kwamen. Er ontstond VRSA, een vancomycine-resistente stafylokok.

Walsh: “VRE is een zwak pathogeen, maar Staphylococcus aureus is een professionele ziekteverwekker. De combinatie ervan, VRSA, is het nachtmerriescenario waarvan het ontstaan al tien jaar geleden voorspeld werd. Er is een infectie ontstaan die met geen van de bestaande antibiotica is te bestrijden. Deze superresistente bacterie heeft zich gelukkig nog niet kunnen verspreiden, het is vooralsnog bij geïsoleerde gevallen gebleven.”

onvermijdelijk

Laat het een waarschuwing zijn, zegt Walsh, want het probleem van onbehandelbare infecties zal alleen maar groeien, zo voorspelt hij. “Tegen antibiotica, antivirale middelen en antitumormedicijnen ontstaat vroeg of laat altijd resistentie. Bij een infectie heb je te maken met een grote populatie van bacteriën die zich snel deelt. Een gemiddelde infectie bestaat al gauw uit een miljard bacteriën en als de kans op een mutatie een op een miljoen is, heb je binnen de kortste keren tienduizend mutanten. Resistentie is dus onvermijdelijk, de vraag is alleen hoe snel het zal optreden.

“In de praktijk blijkt dat de werkzame levensduur van antibiotica, van het moment van ontdekking tot aan het ontstaan van uitgebreide resistentie, varieert van een tot dertig jaar. Het middel dat het dertig jaar uithield was vancomycine, maar dat heeft dan ook eerst twintig jaar op de plank gestaan voordat het werd toegepast. Zodra een middel wordt gebruikt, begint de zandloper te lopen. Met regelmaat zullen we daarom weer op zoek moeten gaan naar een volgende generatie.”

Maar het onderzoek naar nieuwe antibiotica stokt, zegt Walsh. De belangrijkste oorzaak daarvan is dat heel veel grote farmabedrijven eruit zijn gestapt. Wyeth, Aventis, Eli Lily, GlaxoSmithkline, Bristol Myers-Squibb, Abbott Laboratories en Proctor and Gamble hebben in de laatste vijf jaar allemaal hun onderzoek naar antimicrobiële middelen beëindigd of op een laag pitje gezet. Walsh: “De bedrijven zien er geen brood meer in. De ontwikkeling van een nieuw antibioticum kost naar schatting 25 miljoen dollar. Zo’n investering laat zich moeilijk terugverdienen. Het grootste antibioticum neemt zes procent van de marktwaarde voor zijn rekening. De markt is verder heel erg gefragmenteerd. En patiënten nemen een antibioticum dan ook nog eens gemiddeld slechts veertien dagen per jaar. Met chronische medicatie zoals een cholesterolverlager die je dagelijks moet innemen, valt veel meer te verdienen. Daarom zijn alle grote farmaceutische bedrijven overgestapt op het ontwikkelen van dat soort lifestyle drugs.”

Het vinden van nieuwe antibiotica blijkt veel lastiger dan gedacht. Toen in 1995 het eerste complete genoom van een bacterie in kaart werd gebracht (dat van Haemophilus influenzae), dachten veel farmaceutische bedrijven dat het met deze genetische kennis makkelijker zou worden ze op te sporen. Maar dat bleek een illusie. Walsh toont een artikel uit Nature Reviews Drug Discovery van januari waarin wetenschappers van de GlaxoSmithKline “een interessant kijkje van binnenuit geven” hoe moeizaam het zoeken verloopt. “Het artikel beschrijft hoe de onderzoekers van 1995 tot 2001 meer dan driehonderd bacteriegenen identificeerden die doelwit zouden kunnen zijn voor nieuwe antibiotica. De helft daarvan bleek essentieel voor de overleving van bacteriën. Het bedrijf liet zijn hele chemische bibliotheek erop los en dat gaf zestien hits. Maar uiteindelijk, zeven jaar en miljoenen dollars verder, leverde het geen nieuwe medicijnen op.”

De genomics-benadering werpt dus nog geen vruchten af. Dat komt ook doordat de micro-organismen die zijn gesequenced vooral ziekteverwekkers zijn. Walsh: “Van slechts drie antibioticaproducenten hebben we de genoomvolgorde in handen. Dat is onvoldoende om te snappen aan welke regels antibioticaproductie moet voldoen en hoe het evolueert. Daarvoor hebben we minstens vijftig van dit soort genomen nodig.”

omzeilen

De voornaamste strategie om nieuwe antibiotica te verkrijgen is nog altijd om de bestaande natuurlijke antibiotica moleculair zodanig om te bouwen dat de resistentie weer even omzeild kan worden. Dit zijn de zogeheten halfsynthetische antibiotica. “We zijn inmiddels aangeland bij de vierde generatie penicilline”, zegt Walsh. “Wat we doen is telkens de periferie van het molecuul veranderen, in de hoop dat daarmee de resistentie weer even doorbroken wordt. Je moet dan altijd blijven zorgen dat die veranderingen gepaard gaan met maximale antibacteriële activiteit. Het ontwerpen van nieuwe halfsynthetische antibiotica is altijd een proces van trial and error; het is slecht te voorspellen wat een nieuwe zijstructuur in het molecuul betekent voor de werking ervan.”

Misschien zullen we ook in de toekomst in staat blijken om de wapenwedloop bij te benen met halfsynthetische modificaties aan bestaande antibiotica, maar Walsh zou er liever niet op gokken. Hoewel het zijn eigen vakgebied is, gelooft hij niet dat sleutelen aan bekende moleculen op den duur voldoende respijt zal bieden. Om een echt goede klap aan multiresistente bacteriën te kunnen uitdelen moeten er nieuwe klassen van antibiotica gevonden worden. Dat betekent dat ze de bacterie treffen op een ander punt van zijn stofwisseling.

Het vinden van die nieuwe klassen is – alweer – een groot probleem. In de natuur bestaan waarschijnlijk nog wel heel wat onontdekte antibiotica, maar ze zijn extreem lastig te vinden. Walsh: “Aanvankelijk was het zo dat onderzoekers die in een nieuwe niche gingen kijken iedere keer weer op nieuwe moleculen stuitten. Maar de meest opvallende natuurlijke antibiotica zijn wel gevonden. Er gebeurt nu niet zoveel meer op dit gebied, want men bleef steeds dezelfde antibiotica ontdekken en dan gaat de lol eraf. Een uitzondering zijn misschien nog die van mariene bacteriën die leven in sponzen of manteldieren. Maar het is onduidelijk of dit daadwerkelijk nieuwe medicijnen zal opleveren.”

Volgens Walsh is tot op heden nog maar een klein deel van de diversiteit aan natuurlijke antibiotica ontdekt. Maar de onontdekte meerderheid is uiterst zeldzaam en het zal dus erg veel moeite kosten die te isoleren. Walsh somt een lijstje op van onderzoek waaruit blijkt dat bekende antibiotica het algemeenst zijn. In een willekeurig bodemmonster is de kans tien procent om het natuurlijke antibioticum streptothricine aan te treffen. Streptomycine vind je in een op de honderd monsters, en tetracyline is aanwezig in een op de honderdduizend. Daptomycine, een antibioticum dat een paar jaar geleden op de markt kwam, is nog veel zeldzamer: aanwezig in een op de tien miljoen monsters.

Niet toevallig zijn de meest voorkomende antibiotica ook het eerst ontdekt, zegt Walsh. “Als we nog meer nieuwe antibacteriële verbindingen willen vinden, moeten we het grootschalig aanpakken. Uit bodemmonsters moet je sporen van de actinomyceten verzamelen. Actinomyceten zijn verantwoordelijk voor de productie van zestig tot zeventig procent van alle natuurlijke antibiotica, dus daar heb je het meeste kans. Vervolgens moet je uit de sporen cultures kweken die je stuk voor stuk moet testen. Je hebt een miljard cultures nodig om één nieuw antibioticamolecuul te vinden.”

Ondanks het vele werk en de geringe kans op succes zijn er ondernemingen die het proberen, zoals het Amerikaanse biotechbedrijfje Cubist Pharmaceuticals. Walsh: “Ze pakken het slim aan door een genetisch gemanipuleerde E. coli-stam als verklikker voor nieuwe antibiotica te gebruiken. Deze E. coli is resistent tegen een tiental bekende antibiotica, alleen als er een nieuwe bijzit zal de colistam wegkwijnen.”

metagenomics

Cubist kan geluk hebben, maar zal in deze test het grootste deel van de bacteriën missen, zegt Walsh. “Het probleem is dat slechts een procent van de bacteriën in het milieu zich laat kweken. Als je het zo probeert, mis je 99 procent van de natuurlijke capaciteit. Tegenwoordig doen onderzoekers daarom aan metagenomics, waarbij al het DNA in een schep grond- of zeewater wordt geanalyseerd. Het kweken wordt zo in eerste instantie omzeild.

“Deze methode vereist wel dat je de genetische code van antibioticagenen kunt herkennen. Als dat lukt, dan moet je zo’n stuk DNA eruit zien te isoleren, meestal een stuk van 80.000 tot 100.000 basen. Dat valt niet mee. Het stuk DNA moet dan in een gastheerorganisme geplaatst worden om het tot expressie te brengen. Een standaardbacterie als E. coli heeft vaak niet het vermogen om vreemde structuren te maken die in antibioticamoleculen zitten. Je bent dus aangewezen op actinomyceten of streptomyceten. Het Amerikaanse bedrijfje Diversa en andere kleine bedrijfjes houden zich ermee bezig, maar ook hier is nog geen doorbraak te melden.”

Weer andere bedrijfjes zoeken hun heil in ‘combinatorial engineering’, waarbij ze met behulp van biotechnologie proberen te schuiven aan de bacteriële productie van antibiotica in de hoop dat er nieuwe antibiotica uit voortkomen. “Tot dusver geen resultaat”, zegt Walsh droogjes.

gevaar

Het is voornamelijk aan de kleine biotechbedrijven om nieuwe antibiotica te ontdekken. Maar volgens Walsh schuilt daarin het gevaar dat de geneesmiddelontwikkeling niet verder komt dan de ontdekking van veelbelovende kandidaatmedicijnen. “Biotechbedrijven zijn goed in het ontdekken van nieuwe dingen, maar kunnen het niet zelfstandig op de markt brengen. Ze ontberen de ervaring en het geld om grote klinische studies uit te voeren.” De Amerikaan vindt daarom dat er een semi-overheidsorganisatie in het leven moet worden geroepen die de klinische studies naar potentiële antibiotica op zich gaat nemen. “Misschien een instantie naar het voorbeeld van de Bill and Melinda Gates Foundation of de Wereldgezondheidsorganisatie.”

Volgens Walsh is het overigens redelijk simpel om de levensduur van bestaande antibiotica te verlengen. “Je moet ze verstandig gebruiken. Artsen zouden bijvoorbeeld altijd de combinatie van middelen moeten zoeken, om resistentieontwikkeling zo lang mogelijk uit te stellen. Bij de behandeling van aids schrijven artsen om die reden ook nooit een monotherapie voor.

“Dat artsen nog altijd een kuur op basis van één antibioticum gebruiken komt door ingesleten gewoontes, maar ook doordat een enkelvoudig geneesmiddel makkelijker te ontwikkelen is, bijvoorbeeld omdat het eenvoudiger is de juiste dosering te bepalen. Maar we moeten deze waardevolle middelen niet verspillen aan monotherapie.

“Zoals boeren doen aan gewasrotatie om ziektes te voorkomen, zo kan ook met een wisseltherapie met antibiotica veel ellende worden voorkomen. Eventueel resistent geworden bacteriën van de eerste kuur worden dan door de tweede antibioticakuur opgeruimd.”