Precisie antibiotica

Biologen proberen virussen en bacteriën zo af te richten dat zij heel gericht ziekteverwekkers uitschakelen. De intelligente antibiotica komen er aan.

beeld science photo library

Wie helpt ons uit de antibioticacrisis? Ziekteverwekkende bacteriën worden steeds vaker resistent tegen de bestaande antibiotica. Artsen staan met lege handen tegen multiresistente tuberculosestammen, ziekenhuisbacteriën en hardnekkige darminfecties. Van nieuwe chemische antibiotica is op korte termijn niet veel te verwachten, er staat te weinig op stapel (zie kader).

Wetenschappers zijn daarom hard op zoek naar alternatieven. Ze proberen het met bacteriofagen – virussen die bacteriën infecteren en kunnen doden. Met probiotica – ‘goede’ bacteriën die de slechte zouden kunnen verdrijven. Of met kleine eiwitten die net als de gangbare antibiotica giftig zijn voor bepaalde soorten bacteriën. De lijst is lang.

Sinds kort werken microbiologen en genetici samen met informaticaspecialisten aan een nieuwe radicale oplossing: geprogrammeerde, levende antibiotica. Het zijn omgebouwde virussen of bacteriën, genetisch zo geprogrammeerd dat ze ziekteverwekkende bacteriën doelgericht vernietigen, of weer gevoelig maken voor de chemische antibiotica. Simpel, door de resistentie uit hun DNA weg te knippen (dat doen de virussen) of met lokaal toegediend gif (de bacteriën). De antibiotica jagen op de ziekteverwekkers, alsof ze zijn uitgerust met een Tom-Tom. Het klinkt als sciencefiction, maar de techniek heeft zich al bewezen in laboratoria in de Verenigde Staten, Frankrijk en Singapore.

De onderzoekers werken met geavanceerde technieken uit de synthetische biologie. Ze kijken met het oog van een ingenieur naar virussen en bacteriën, als levende machientjes die je kunt ‘tweaken’ en precies doen wat is voorgeschreven. Afgericht om infecties op te ruimen.

In Nederland wordt hier voor zover bekend nog geen onderzoek aan gedaan. Wel volgen microbioloog Oscar Kuipers (Groningen) en geneticus Stan Brouns (Wageningen) de ontwikkelingen in dit veld op de voet. Beiden denken dat deze nieuwe benadering kans van slagen heeft. „Het berust op beproefde principes; technisch is het niet heel moeilijk om dit te engineeren”, zegt Kuipers.

„Voor E. coli bestaan inmiddels allerlei biobricks, kant en klare componenten met een bepaalde functie. Je hoeft ze alleen aan elkaar te schakelen om het gewenste effect te bereiken. Je kunt die bouwsteentjes heel goed sturen door net als in een programmeertaal in de computer logic gates in te bouwen, bijvoorbeeld: dit eiwit wordt alleen actief als aan voorwaarde x en y is voldaan. Op die manier zijn er heel veel elementen en combinaties mogelijk.”

De toepassing bij mensen is nog ver weg, denkt Brouns. „Daar gaat zo tien jaar overheen, maar het kan een stuk sneller gaan als straks nog meer bacteriën resistent worden tegen de bestaande antibiotica. Dan zal ieder alternatief sneller aangegrepen worden.” Maar de nieuwe technieken zouden ook eerst buiten het lichaam gebruikt kunnen worden, bijvoorbeeld om de gevaarlijke Legionella-besmetting uit waterleidingen te weren.

De meeste onderzoeksgroepen die werken aan deze levende antibiotica hebben octrooi aangevraagd op hun vindingen, een aanwijzing dat de commerciële verwachtingen hoog zijn. Als groot voordeel zien de ontwikkelaars dat deze technologie, dankzij de gerichte werking, de natuurlijke balans van de ‘goede’ bacterieflora niet zal verstoren. Ook zal het niet de forse bijwerkingen hebben van sommige conventionele antibiotica, die giftig kunnen zijn voor lever of nieren.

Er is een nek-aan-nek-race ontstaan van synthetisch biologen die als eerste geprogrammeerde antibiotica op de markt willen brengen. Wie worden straks op pad gestuurd om pathogene bacteriën uit te roeien: de bacteriën, of de virussen?

Killer-bacteriën

De ziekteverwekker Pseudomonas aeruginosa (onder meer verantwoordelijk voor blaasontsteking en ziekenhuisinfecties) kan gericht worden uitgeschakeld door een speciaal geprogrammeerde Escherichia coli-bacterie. Een Amerikaans en een Singaporees onderzoeksteam boekten daarmee onafhankelijk van elkaar succes in laboratoriumproeven. Intussen zijn ze al begonnen met proeven om te kijken of het net zo efficiënt werkt bij huidinfecties van muizen, maar de resultaten hiervan zijn nog niet gepubliceerd.

‘Sense and destroy’ noemde de groep van Ron Weiss van het Massachusetts Institute of Technology hun aanpak (ACS Synthetic Biology, 13 juni 2013). Alle bacteriën, en dus ook de ziekteverwekkers, scheiden signaalmoleculen uit, die heel kenmerkend zijn voor de soort. Ze verraden hun identiteit en positie dus. Weiss programmeerde zijn colibacterie zo dat deze het homoserine-lacton (een signaalmolecuul) van Pseudomonas herkent en in reactie daarop een gifstof produceert en uitscheidt. De ‘sense and destroy’-bacterie bleek in celkweken inderdaad in staat de groei van het pathogeen te remmen.

Het is een proof-of-principle. Gramnegatieve bacteriën, zoals P. aeruginosa, scheiden heel veel varianten van homoserine-lactonen uit, die grofweg ieder kenmerkend zijn voor het soort bacterie. Zo wordt een gerichte aanval op allerlei ziekteverwekkers mogelijk.

Op dezelfde manier ging de groep van de National University of Singapore te werk, onder leiding van Matthew Chang (ACS Synthetic Biology, 10 september 2013). Chang voorzag zijn geprogrammeerde E. coli nog van twee extra modules. Daardoor ging zijn ‘pathogen-seeking killer’ in reactie op het homoserine-lacton van Pseudomonas ook actief in de richting van de bron ervan zwemmen – ongeveer zoals een hittezoekende luchtdoelraket de warme uitlaat van een straaljager weet te vinden. En behalve met een dodelijke gifstof werd de bacterie ook uitgerust met een extra DNA-knippend enzym. Dat laatste was bedoeld om ook bacteriën die zich verschuilen in een zogeheten biofilm te kunnen aanpakken.

Slim bedacht, vindt Kuipers, „Chemische antibiotica kunnen vaak niet doordringen in een biofilm, waardoor de infectie niet bestreden kan worden. Biofilms bestaan uit cellen ingebed in een plakkerige substantie van DNA, suikermoleculen en eiwitten. Een coating van waterafstotende eiwitten maakt het laagje minder doordringbaar voor de bestaande antibiotica, maar de geprogrammeerde bacteriën met een DNA-knippend enzym zouden daar wel gaatjes in kunnen boren, waarna de toxines hun werk kunnen doen.”

De laboratoriumproeven van Weiss en Chang laten zien dat het principe werkt. „Maar”, zegt Kuipers, „het moeilijkste deel van het traject komt nog. De onderzoekers werken nu met E. coli, en die bacterie lijkt mij niet geschikt om in te nemen, laat staan om in de bloedbaan te spuiten. Maar zo’n bacterie zou wel makkelijker kunnen worden toegepast op de huid, bijvoorbeeld in een crème tegen acné.”

Dat onderzoekers nu toch eerst voor E. coli kiezen, begrijpt Kuipers wel: „Omdat daar al heel veel kennis over is kunnen ze veel sneller werken en bovendien veel sneller publiceren. Dat is belangrijk, want reken maar dat de concurrentie in dit veld heel hevig is.” Overigens is nog van lang niet alle ziekteverwekkende bacillen bekend welke kenmerkende signaalmoleculen zij uitscheiden, dus dat maakt het lastig het systeem aan te passen op iedere willekeurige infectie.

Chang meldt desgevraagd in een e-mail dat hij zijn killerbacteriën binnenkort al wil testen in proefdieren. Als daarin de veiligheid en effectiviteit goed zijn aangetoond, kan de stap richting kliniek gezet worden. Chang twijfelt er niet aan dat zijn methode veilig is. „Omdat wij de bacteriën zo veranderd hebben dat ze hun actie selectief richten op de ziekteverwekkers met een minimale interferentie met andere micro-organismen, denk ik dat dit systeem zondermeer toepasbaar is in een therapie.”

Het gaat natuurlijk wel om genetisch gemodificeerde organismen en die mag je niet zo maar in het milieu brengen, zegt Kuipers. „Maar het aanvragen van een vergunning daarvoor lijkt mij geen onoverkomelijk obstakel. „Persoonlijk ben ik niet zo bang voor op hol geslagen bacteriën. En dat terroristen hiermee en nieuw wapen in handen krijgen, lijkt mij ook uiterst onwaarschijnlijk. In de natuur zelf zwerven veel gevaarlijker pathogenen rond, waarvoor je niets hoeft te engineeren. Die kun je zo isoleren en die leveren een groter gevaar.”

Om het wat veiliger te maken zouden er in de bacteriën kill switches kunnen worden ingebouwd, stelt Kuipers voor. „Die garanderen dat de gemodificeerde bacterie op commando afsterft. Je kunt het bijvoorbeeld zo maken dat hij afhankelijk wordt van een aminozuur dat alleen in het weefselvocht van het menselijk lichaam zit. Zo kan die bacterie nooit buiten het lichaam overleven.”

Killer-virussen

Het kan nóg geavanceerder, en specifieker. Twee Amerikaanse onderzoeksgroepen lieten zien dat zij bacteriën heel gericht kunnen uitschakelen op basis van hun unieke genetische code. Zo kunnen bijvoorbeeld alleen bacteriën met een resistentiegen tegen een bepaald antibioticum worden aangepakt, terwijl alle andere ongemoeid worden gelaten.

Om dat te bereiken openden de onderzoekers een moleculaire trukendoos, waarin het zogeheten CRISPR-Cas-systeem het belangrijkste gereedschap was. CRISPR-Cas werd acht jaar geleden ontdekt als het ‘immuungeheugen’ van bacteriën. Het enzym Cas knipt DNA doormidden op de plek die precies overeenkomt met de code van een klein stukje bijbehorend RNA. Dat maakt het zo specifiek.

Biologen hebben dit systeem gehackt, waardoor zij in principe ieder willekeurig gen door CRISPR-Cas kunnen laten knippen. Een stukje DNA dat voor het Cas9-enzym codeert plus de RNA-code van de sequentie die geknipt moet worden, is daarvoor voldoende. Beide teams gebruikten zogeheten bacteriofagen, virussen die bacteriën infecteren, om dit construct in de cel af te leveren.

Een team onder leiding van Luciano Marraffini van Rockefeller University in New York slaagde erin de beruchte MRSA-bacterie (Methicilline Resistente Staphylococcus aureus) onschadelijk te maken door hem te behandelen met zo’n speciaal geconstrueerde bacteriofaag (Nature Biotechnology, 5 oktober 2014, online). De bacteriën gingen niet dood, maar werden effectief onschuldig gemaakt. Het CRISPR-Cas-systeem was gericht tegen het methicilline-resistentiegen mecA, dat op een plasmide zit, een klein ringvormig stukje DNA buiten het eigen genoom van de bacterie. Door de behandeling verdwenen de DNA-ringetjes met mecA in 99,99 procent van de MRSA-bacteriën, waardoor ze weer gevoelig werden voor het antibioticum tetracycline. Bij muizen die experimenteel besmet werden met stafylokokken op de huid, bleek het killervirus effectiever dan een antibioticazalf.

Timothy Lu van het Massachusetts Institute of Technology gebruikte een soortgelijke techniek om de antibioticumresistente colibacterie EHEC (bekend van de Duitse epidemie door besmette kiemgroenten) te bestrijden (Nature Biotechnology, 21 september 2014, online). De ingreep bleek in dit geval onbedoeld dodelijk voor de bacterie. Door het wegknippen van het ringvormige stukje DNA werd niet alleen de antibioticaresistentie verwijderd, maar ging ook een ander essentieel gen (voor een antigif) verloren, waardoor de bacterie feitelijk aan zijn eigen gif ten onder ging. Een toevallige gunstige bijkomstigheid. Het team van Lu liet vervolgens zien dat met EHEC geïnfecteerde larven van de wasmot (veel gebruikt als modeldieren voor infecties) dubbel zoveel kans hadden te overleven als zij behandeld werden met geprogrammeerde fagen.

„Deze nieuwe strategie om af te rekenen met multiresistente bacteriestammen kan wel eens slagen”, zegt moleculair microbioloog Stan Brouns van Wageningen Universiteit voorzichtig na het bestuderen van beide artikelen. Hij is expert op het gebied van CRISPR-Cas, waar hij fundamenteel onderzoek aan doet.

„De belangrijkste achilleshiel voor deze techniek is het efficiënt afleveren van Cas9 en het bijbehorende RNA in de infectieuze bacteriën. De fagen die de onderzoekers hiervoor gebruiken zijn heel specifiek, en het is niet duidelijk of ze wel alle bedoelde ziekteverwekkers kunnen infecteren. Bij elke bacteriesoort moet je weer een bijbehorende faag zoeken. Voor de tuberculosebacterie Mycobacterium tuberculosis en de boosdoener bij chronische darmontsteking Clostridium difficile, blijkt die bijvoorbeeld lastig te vinden. Het werkt dus nog niet zo universeel als ze graag zouden willen.”

Marraffini en Lu voeren aan dat uiteindelijk in de kliniek verschillende fagen tegelijk kunnen worden gebruikt, zodat hun werking nog beter afgestemd kan worden op wat er nodig is om een infectie te bestrijden.

De geprogrammeerde killervirussen kunnen bovendien ingezet worden in combinatie met bestaande antibiotica, waardoor het effect van deze middelen versterkt wordt. Daarnaast kunnen ze worden uitgerust met verschillende ‘payloads’ waardoor niet alleen antibiotica-resistentiegenen in bacteriën aangevallen kunnen worden, maar bijvoorbeeld ook bacteriële toxine-genen wegknippen die vaak een rol spelen bij de ernst van de ziekte.

Brouns pleit voor verstandig en terughoudend gebruik, net als nu de regel is bij de bestaande antibiotica. Voorzichtigheid is geboden, zegt hij: „Als deze middelen ooit gebruikt gaan worden kun je er vergif op innemen dat ook hier weer resistentie tegen zal ontstaan. Bacteriën zullen zich altijd blijven aanpassen om te ontsnappen aan de selectiedruk. Als dat gebeurt, is deze geavanceerde technologie in één keer zinloos geworden.”