E.coli-kweek op antibioticum. De kleine ringen links zijn niet gegroeid, rechts zijn de bacteriën duidelijk resistent. Dr Graham Beards at en.wikipedia/Wikimedia Commons/CC BY-SA 4.0

Resistentie bij bacteriën: hoe ontstaat het en hoe werkt het?

Enkele jaren geleden besloot een zieke microbioloog een experiment uit te voeren. De man had een bacteriële keelontsteking, en ook zijn vrouw had dezelfde ziekte. De bioloog besloot een ander antibioticum te nemen dan zijn vrouw, en nauwgezet op te volgen wat er gebeurde met de bacteriën. De antibiotica deden hun werk en de meeste bacteriën stierven, maar een aantal bacteriën bleken resistent. Binnen de kortste keren had de bioloog echter ook bacteriën in zijn lichaam die resistent waren aan het antibioticum dat zijn vrouw nam, en vice versa. Hoe doen bacteriën dat?  

Bacteriën behoren tot de oudste levensvormen op aarde, en ze zijn al honderden miljoenen jaren in een strijd op leven en dood verwikkeld met onder meer virussen, schimmels, andere bacteriën en de immuunsystemen van de organismen die ze besmetten.

Ze hebben dan ook een heel arsenaal ontwikkeld aan middelen waarmee ze weerstand kunnen bieden aan bijvoorbeeld bacteriofagen - virussen die specifiek bacteriën aanvallen -, en aan antibiotica, middelen waarmee schimmels, andere bacteriën en sinds kort ook mensen bacteriën aanvallen.

Een natuurlijke weerstand tegen bepaalde antibiotica komt vaak voor bij bacteriën, en het is zeker dat die weerstand al dateert van voor de mens antibiotica ging gebruiken. 

Zo werd in 1952, negen jaar nadat penicilline in massaproductie was gegaan, aangetoond dat penicilline-resistente bacteriën al bestonden voor de eerste behandelingen met het middel, en dat er ook al eerder bacteriën waren die resistent waren tegen het antioticum streptomycine. 

In 1962 werd de aanwezigheid van penicillinase of Bèta-lactamase ontdekt in endosporen - een slapende, zeer duurzame vorm die sommige bacteriën aannemen om moeilijke perioden te overbruggen, en waarin ze tientallen, zelfs duizenden jaren kunnen overleven - die gevonden werden in aarde op de wortels van planten die al sinds 1689 in het British Museum werden bewaard. Beta-lactamase biedt bescherming tegen een hele reeks antibiotica, en het is mogelijk ontstaan als verdediging van bacteriën als Staphyloccocus aureus, die in hun leefomgeving samenleefden met penicilline-producerende Trichophyton-schimmels. 

Strikt genomen vallen deze bacteriën die van nature resistent zijn, niet onder de resistente bacteriën. De Wereldgezondheidsorganisatie WHO definieert resistentie tegen antibacteriële middelen immers als de resistentie van een bacterie tegen een antibacterieel middel dat ooit in staat was een infectie door die bacterie te behandelen.  En dat is hier niet het geval. 

Overigens kunnen mensen niet resistent worden aan antibiotica. De resistentie is een eigenschap van de bacterie en niet van de mens of een ander organisme dat besmet is.

(lees voort onder de illustratie)

Hoe resistentie tegen antibiotica zich verspreidt, een poster van de Amerikaanse Centers for Disease Control and Prevention.

Willekeurige mutaties

Een ander mechanisme waarmee bacteriën resistentie kunnen verwerven, is door willekeurige mutaties in hun DNA. Om zich voort te planten delen bacteriën zich, en daarbij wordt hun DNA gecopieerd. Af en toe treedt er daarbij een foutje op, zodat het DNA niet meer hetzelfde is. Die andere samenstelling kan als gevolg hebben dat de DNA-code een andere betekenis krijgt, en dat er een ander eiwit geproduceerd wordt. 

In het - voor de bacterie - gunstigste geval kan zo'n mutatie, of een aantal mutaties, bijvoorbeeld voor een verandering zorgen in de bindingsplaats, de plaats waar een antiobioticum zich bindt aan de bacterie, en maken dat die bindingsplaats normaal kan blijven functioneren in de aanwezigheid van het antibioticum, of zelfs dat het antibioticum zich niet meer kan binden op die plaats. 

Mutaties komen niet vaak voor, maar doordat bacteriën zich zo snel voortplanten, is het effect ervan toch niet te onderschatten. Hun snelle voortplanting zorgt er ook voor dat een gunstige mutatie zich zeer snel kan verspreiden: als de bacteriën onder evolutionaire druk staan, bijvoorbeeld door het gebruik van antibiotica, zullen de bacteriën die dankzij de mutatie kunnen overleven, zich vermenigvuldigen en de resistentie doorgeven aan hun nakomelingen. Het op deze manier doorgeven van de eigenschap aan de volgende generaties noemt men verticale overdracht van genen, en op zeer korte tijd kan zo een populatie ontstaan die volledig resistent is. 

Horizontale overdracht van genen: conjugatie

Alsof dit nog niet erg genoeg is, kunnen bacteriën ook resistentie verwerven door wat men horizontale overdracht van genen noemt. Hierbij worden genen overgedragen van de ene bacterie op de andere, en dat kan zelfs tussen verschillende soorten of geslachten van bacteriën. Het kan dus ook tussen bacteriën die geen ziektes veroorzaken en bacteriën die wel ziekteverwekkers zijn. 

Voor deze horizontale overdracht zijn er verschillende systemen. Een eerste systeem is bacteriële conjugatie.   Dat is de overdracht van genetisch materiaal tussen twee bacteriën door direct contact tussen de twee cellen of door een brugachtige verbinding tussen de twee cellen die een pilus genoemd wordt, meervoud pili.

De donorbacterie zorgt voor een genetisch element dat meestal een plasmide is of een transposon. Een plasmide is een cirkelvormige streng DNA die fysiek los staat van het chromosomaal DNA, en die zich onafhankelijk kan vermenigvuldigen. Een transposon of springend gen is een stukje DNA op een chromosoom, dat van plaats kan verwisselen waardoor er mutaties kunnen ontstaan. Springende genen kunnen van het chromosomaal DNA naar plasmiden springen en omgekeerd.

De genen in een plasmide zijn meestal gunstig voor de ontvangende bacterie: ze kunnen er bijvoorbeeld voor zorgen dat de bacterie nieuwe voedselbronnen kan aanspreken,  gifstoffen kan aanmaken in bepaalde omstandigheden of... resistentie krijgt tegen bepaalde antibiotica. 

Bacteriële conjugatie kan plaatsvinden tussen verschillende soorten en zelfs geslachten van bacteriën, en het kan gaan om eenrichtingsverkeer of om een uitwisseling.  

Een schematische voorstelling van conjugatie: 1) de donorcel produceert een pilus, die zich vasthecht aan de ontvangende cel (2), de plasmide wordt doorgesneden en er wordt een enkele streng DNA gevormd die overgebracht wordt naar de ontvangende cel (3), de beide cellen maken hun plasmide opnieuw cirkelvormig, synthetiseren een tweede streng DNA en maken pili. Beide cellen zijn nu potentiële donoren (4). (Illustratie: Adenosine/Wikimedia Commons CC BY-SA 3.0)

Transformatie en transductie

Een tweede mechanisme voor de horizontale overdracht van genen tussen bacteriën noemt men natuurlijke transformatie. Daarbij wordt het genoom - het geheel aan genetisch materiaal - veranderd door de directe opname en de integratie van vreemd genetisch materiaal.  

Onder bepaalde omstandigheden kunnen bepaalde bacteriën vreemd DNA, dat bijvoorbeeld afkomstig kan zijn van bacteriën die gestorven en gedesintegreerd zijn, door hun celmembraan of membranen naar binnen halen en integreren in hun eigen DNA. Het vreemde DNA verandert het oorspronkelijke DNA van de bacterie, die daardoor nieuwe eigenschappen kan krijgen.  

Het derde en laatste mechanisme waarbij genetisch materiaal van een bacterie naar een andere overgebracht kan worden, wordt transductie genoemd. Bij dit proces worden de genen overgebracht door bacteriofagen, kleine virussen die alleen bacteriën infecteren.

De virussen laten de bacteriën hun eigen genetisch materiaal vermenigvuldigen, maar soms wordt daarbij ook een stukje DNA van de bacterie "vastgeplakt" aan het genetisch materiaal van de bacteriofaag. Als die faag dan een andere bacterie gaat infecteren, wordt ook het DNA van de eerste bacterie opgenomen in het genoom van de later geïnfecteerde bacterie.  

Als het vreemde DNA behouden blijft in de bacterie die het ontvangt, wordt het vervolgens via overerving of verticale overdracht doorgegeven aan de nakomelingen van de bacterie. 

De mechanismen waarmee bacteriën antibiotica te lijf gaan

Als bacteriën eenmaal resistent zijn geworden aan bepaalde antibiotica, zijn er vijf mechanismen waarmee ze de werkzaamheid van antibiotica kunnen verminderen of zelfs geheel teniet kunnen doen.  

1) Beletten dat antibiotica in de bacterie kunnen geraken. Gramnegatieve bacteriën zijn bacteriën die behoren tot een van de twee grote groepen - gramnegatief en grampositief - waarin bacteriën ingedeeld kunnen worden, en die een buitenmembraan hebben - een extra membraan aan de buitenkant van hun celwand. Resistente gramnegatieve bacteriën kunnen dat buitenmembraan minder permeabel maken, minder doordringbaar, waardoor het moeilijker of onmogelijk wordt voor antibiotica om in de bacterie binnen te dringen. 

2) De antibiotica veranderen of buiten werking stellen. Een aantal resistente bacteriën maken enzymen aan die een bepaald antibioticum onwerkzaam kunnen maken voordat het antibioticum de bacterie kan aantasten.

Een voorbeeld daarvan zijn de enzymen penicillinasen, die nu bèta-lactamasen genoemd worden, die bacteriën multi-resistent maken tegen de zogenoemde bèta-lactam antibiotica, zoals penicilline, cefalosporine, cefamycine en in mindere mate carbapenem. De enzymen breken een ring open van vier atomen die bèta-lactam genoemd wordt en die al deze antibiotica gemeen hebben. Daardoor werken de antibiotica niet meer. 

Carbapenems zijn ongevoelig voor sommige bèta-lactamasen en ze worden beschouwd als de laatste klasse van antibiotica waarmee multi-resistente bacteriën nog bestreden kunnen worden. Er duiken echter steeds meer bacteriën op die ook resistent zijn tegen dit middel en die een ernstige bedreiging vormen voor de volksgezondheid. Die bacteriën maken carbapenemase-enzymen aan, en dat is onder meer het geval voor Klebsiella pneumoniae, een bacterie die in de mond, darmen en op de huid voorkomt, en bij mensen met een verminderde weerstand infecties veroorzaakt. Infecties met de multi-resistente variant zijn nagenoeg onbehandelbaar.  Een andere variant zijn de New Delhi metallo-bèta-lactamase carbapenemasen, enzymen van carbapenem-resistente bacteriën die in 2008 voor het eerst in Zweden geïdentificeerd werden, en die zich snel wereldwijd verspreid hebben. 

De beschermende enzymen die door de resistente bacteriën geproduceerd worden, voegen in de meeste gevallen een acetyl- of een fosfaatgroep toe op een bepaalde plaats van het antibioticum, waardoor dat zich minder kan binden aan de ribosomen van de bacteriën. Ribosomen zijn complexen van eiwit-moleculen en zogenoemd ribosomaal RNA, die een centrale rol spelen in de synthese, de vorming, van eiwitten in de cel. Als een antibioticum zich bindt aan de ribosomen, verstoort dat de vorming van eiwitten, wat de werking van de bacterie stillegt. Maar als de enzymen dus een groep toevoegen aan het antibioticum, kan het zich niet meer binden aan de ribosomen. 

Digitaal gekleurde opname met een rasterelektronenmicroscoop van multi-resistente Klebsiella pneumoniae-bacteriën (roze) en een neutrofiele granulocyt of neutrofiel, een menselijke witte bloedcel (blauw). (Illustratie: David Dorward; Ph.D.; National Institute of Allergy and Infectious Diseases)

Bindingsplaatsen en stofwisselingsprocessen veranderen, antibiotica wegpompen

3)Veranderen van het aangrijpingspunt of de bindingsplaats. Sommige resistente bacteriën veranderen iets aan de doelplaats of de bindingsplaats waar het antibioticum zich normaal zou aan binden om de normale werking van de bacterie te verstoren. Daardoor kan het antibioticum zich niet meer binden en kan de bacterie normaal blijven functioneren. 

Een voorbeeld hiervan is het wijzigen van PBP's, penicilline bindende proteïnen. Dat zijn normale bestanddelen van veel bacteriën en ze zijn essentieel voor de vorming van de celwand van de bacterie. De ziekenhuisbacterie MRSA - meticilline resistente Staphylococcus aureus - en andere aan penicilline resistente bacteriën, wijzigen de PBP's, zodat penicilline zich er niet meer aan kan binden. 

Een apart geval dat voorkomt bij een aantal resistente bacteriën zijn proteïnen die de ribosomen beschermen. Hierbij produceert de bacterie proteïnen die zich binden aan de ribosomen, en die zo verhinderen dat het antibioticum zich er nog aan kan binden. Dat laat de ribosomen toe proteïnen te blijven synthetiseren die essentieel zijn voor de werking van de bacterie. 

4) Het veranderen van een stofwisselingsproces. Sommige antibiotica werken door de vorming van een stof te verhinderen die belangrijk is voor de stofwisseling. Dat is bijvoorbeeld het geval voor sulfanilamide, een antibioticum dat de vorming van 4-aminobenzoë- of para-aminobenzoëzuur verhindert. Dat is een belangrijk grondstof voor de aanmaak van foliumzuur - een vitamine B - en nucleïnezuren - kleine biomoleculen die essentieel zijn voor alle vormen van leven. Bacteriën die resistent zijn aan sulfanilamide hebben geen 4-aminobenzoëzuur meer nodig maar gebruiken, zoals de cellen van zoogdieren, voorgevormd foliumzuur. 

5) Het wegpompen van antibiotica. Een aantal resistente bacteriën heeft door mutaties een grotere efflux, een hogere snelheid waarmee een gifstof of een antibioticum actief de cel wordt uitgepompt, of pompt een grotere hoeveelheid weg. De bacteriën hebben daarvoor effluxpompen of bacteriële pompen die het antibioticum door de celwand pompen, voor het schade kan aanrichten. De pompen worden vaak geactiveerd door de aanwezigheid van een specifiek substraat dat geassocieerd is met een antibioticum, bijvoorbeeld bij resistentie tegen fluoroquinolonen, een groep van antibiotica waartoe ciprofloxacine behoort, een van de meest gebruikte antibiotica ter wereld.  

Het buitenste membraan van een uit drie delen bestaande effluxpomp van de bacterie Escherichia coli (Illustratie: Koronakis, V., Sharff, A.J., Koronakis, E., Luisi, B., Hughes, C./Astrojan/Wikimedia Commons/CC BY-SA 4.0)

Elk gebruik van antibiotica houdt een risico op resistentie in

Elk gebruik van antibiotica verhoogt het risico op het ontstaan van resistentie. Geschat wordt dat een enkele, correct uitgevoerde antibioticakuur leidt tot een verhoogde kans op bacteriën die resistent zijn tegen dat antibioticum in de patiënt, gedurende een maand tot zelfs een jaar. 

En veel antibiotica worden momenteel niet correct voorgeschreven en ingenomen. Aangenomen wordt dat tot de helft van de antibiotica die door mensen worden genomen, niet nodig en niet gepast zijn. Zo worden 70 tot 80 procent van alle gevallen van diarree veroorzaakt door virussen, waartegen antibiotica niet helpen, maar toch tracht men 40 procent van die gevallen te behandelen met antibiotica. Ook gelooft nog steeds een derde van de mensen dat antibiotica werken tegen een gewone verkoudheid, en verkoudheden zijn dan ook de belangrijkste reden waarom antibiotica voorgeschreven worden, ook al werken die niet tegen de virussen die verkoudheden veroorzaken. 

In veel ontwikkelingslanden is de toestand nog erger: daar zijn antibiotica meer en meer verkrijgbaar, maar vaak niet eens op voorschrift. Dat leidt ertoe dat mensen zichzelf de middelen gaan toedienen, en te lang of te kort of met onderbrekingen antibiotica gaan nemen, allemaal factoren die bijdragen tot een snel stijgende resistentie. 

Ook het toedienen van antibiotica in lage dosissen aan vee om de groei te bevorderen of om ziekten te verhinderen, leidt tot hogere resistentie, en die resistente bacteriën kunnen ook overgaan op de mens. In de EU is het toedienen van antibiotica om de groei te bevorderen sinds 2006 verboden, maar in veel landen komt het nog steeds veel voor. De Wereldgezondheidsorganisatie WHO vraagt dan ook dat veehouders geen antibiotica meer zouden gebruiken bij gezonde dieren en ze alleen nog zouden toedienen aan zieke dieren. 

Een andere factor is het lozen van grote hoeveelheden antibiotica in het milieu door de farmaceutische sector. In China, dat goed is voor de productie van bijna 90 procent van alle actieve stoffen in geneesmiddelen, en dat weinig doet aan het zuiveren van industrieel afvalwater, is de hoeveelheid resistente bacteriën de laatste 6 jaar met 22 procent gestegen tegenover een stijging met 6 procent in de Verenigde Staten. 

En zelfs de lage concentraties aan antibiotica in het afvalwater van steden, waar een groot deel van de antibiotica die we innemen in terechtkomt via de urine,  veroorzaken een flinke stijging van verschillende vormen van resistentie bij bacteriën in het oppervlaktewater en in de grond, zo is gebleken uit een recente Finse studie.

Een poster over hoe het gebruik van antibiotica in de veeteelt resistentie veroorzaakt en verspreidt van de Amerikaanse Centers for Disease Control and Prevention.

Meer doden dan door kanker?

Resistentie bij bacteriën is nu al een groot probleem en voorlopig is er geen verbetering in zicht. De ontwikkeling van nieuwe antibiotica lijkt wel stilgevallen en compleet nieuwe klassen van antibiotica zijn de eerste jaren niet te verwachten. Volgens voorzichtige schattingen sterven er wereldwijd 700.000 mensen per jaar aan infecties door resistente bacteriën, andere schattingen lopen tot verschillende miljoenen.

In de VS raken elk jaar minstens 2 miljoen mensen besmet met resistente bacteriën en minstens 23.000 mensen sterven aan die besmetting. In Europa gaat het jaarlijks om 33.000 doden, van wie driekwart de infectie opgelopen heeft in een ziekenhuis of een andere gezondheidsinstelling, en van wie bijna 40 procent besmet is met een bacterie waartegen zelfs de allerzwaarste antibiotica niets meer vermogen. 

Gevreesd wordt dat als er niet gebeurt, het aantal doden wereldwijd ten gevolge van resistente bacteriën zal oplopen tot 10 miljoen in 2050, meer dan er mensen zullen overlijden aan de gevolgen van kanker. 

De WHO schildert dan ook een somber beeld als we niets ondernemen, en waarschuwt voor een toekomst waarin veel voorkomende infecties en zelfs de kleinste wonde opnieuw dodelijk kunnen zijn, en waarin medische ingrepen die we nu als routine beschouwen, bijzonder gevaarlijk zullen worden. Om te voorkomen dat het zo ver komt heeft de organisatie een heel aantal aanbevelingen, voor particulieren, gezondheidswerkers, beleidsmensen, de farmaceutische industrie en de landbouwsector.  

Een vergelijking tussen het aantal doden door resistentie (AMR, antimicrobial resistance) vergeleken met een aantal andere belangrijke doodsoorzaken (Illustratie: Jim O'Neill, Chairman of the Review on Antimicrobial Resistance).