Een internationaal team onder leiding van het London Centre for Nanotechnology (UCL) en Imperial College London heeft voor het eerst laten zien hoe het antibioticum polymyxine B het pantser van gevaarlijke bacteriën doorboort.
Door foto’s te maken met een zeer hoge resolutie zagen de onderzoekers binnen enkele minuten na toepassing van het antibioticum bultjes en blaasjes ontstaan op het oppervlak van Escherichia coli (E. coli), gevolgd door het ontstaan van gaten in de buitenste ‘pantserlaag’. De studie, gepubliceerd in Nature Microbiology, werpt een nieuw licht op een medicijn dat belangrijk is in de strijd tegen infecties die steeds resistenter worden.
Harnas
Polymyxinen worden ingezet tegen zogenoemde Gram-negatieve bacteriën. Die hebben een extra buitenmembraan dat als een soort harnas werkt en veel antibiotica buiten houdt. Bekend was dat polymyxinen effectief waren tegen dit soort bacteriën, maar het was vooralsnog onduidelijk waarom dat precies zo was. Het nieuwe werk toont een verrassend mechanisme: het antibioticum prikkelt de bacterie om razendsnel nieuw ‘pantser’ aan te maken en hierbij het oude pantser af te stoten. Echter ontstaan door dit proces gaten in de buitenste laag, waardoor het antibioticum de cel kan binnendringen en doden.
Dat gebeurt echter alleen als de bacterie ‘wakker’ is. Sommige bacteriën, waaronder E. coli, kunnen zichzelf tijdelijk op ‘inactief’ zetten als de omstandigheden niet optimaal zijn – bijvoorbeeld als er niet genoeg voedsel aanwezig is. Een ‘slapende’ bacterie zet daardoor een aantal verschillende processen uit. Zo stopt de bacterie met delen en kan ook de ‘pantserfabriek’ tijdelijk worden gesloten. Het team heeft nu ontdekt dat dit er ook voor zorgt dat de bacterie ongevoelig wordt voor het antibioticum.
Volgens onderzoeker Andrew Edwards is dit een flinke verrassing. Hij zegt: “Decennialang gingen we ervan uit dat antibiotica die het bacteriële pantser aanvallen microben in elke toestand kunnen doden, actief of slapend. Dat blijkt niet zo te zijn. Met dit onderzoek laten we zien dat deze klasse antibiotica alleen werkt met hulp van de bacterie; als de cellen in een soort winterslaap gaan, werkt het middel niet meer – en dat is verrassend.”
Naald
Voor het onderzoek keek het team letterlijk naar het bacteriële oppervlak. Bij UCL gebruikten ze atoomkrachtmicroscopie: een techniek waarbij een minuscuul naaldje – slechts enkele nanometers breed – het oppervlak ‘aftast’ en zo een beeld maakt op veel hogere resolutie dan met licht mogelijk is. Binnen enkele minuten na toediening van polymyxine B verschenen op E. coli-cellen kleine uitstulpingen, gevolgd door het afwerpen van stukjes buitenmembraan.
“Het was ongelooflijk om het effect van het antibioticum in real-time te zien,” zegt teamlid en promovendus Carolina Borrelli. “Onze beelden laten direct zien hoe sterk polymyxinen het bacteriële pantser kunnen aantasten. Alsof de cel gedwongen wordt om bakstenen voor zijn buitenmuur in zo’n tempo te produceren dat de muur erdoor verstoord raakt en het antibioticum kan binnendringen.”
Die visuele observaties sloten aan bij verdere biochemische metingen: in omstandigheden waarin polymyxine B effectief was, vonden de onderzoekers meer ‘pantser’ terug in het medium – bewijs dat de cellen dit materiaal afstootten. In omstandigheden waarin het middel niet werkte bond het wel aan de buitenkant maar bleef de schade beperkt. De sleutel bleek dus de toestand van de bacterie. In het lab vergeleek het team actieve en slapende E. coli.-cellen. Actieve cellen werden efficiënt gedood, terwijl slapende cellen gespaard bleven.
Zodra de onderzoekers suiker toevoegden – een reden voor slapende cellen om wakker te worden – stierven die later alsnog, maar pas na zo’n vijftien minuten: de tijd die de bacteriën nodig hadden om de suiker te verbruiken en de productie van hun buitenmembraan te hervatten. “We zagen dat verstoring van het buitenste pantser alleen optrad wanneer de bacteriën suiker verbruikten,” aldus bioloog Ed Douglas. “Toen we dat eenmaal wisten konden we snel achterhalen wat er gebeurde.”
De bevindingen helpen verklaren waarom behandelingen soms falen, zelfs met krachtige middelen. “Polymyxinen vormen een belangrijke verdedigingslinie tegen Gram-negatieve bacteriën,” zegt teamlid Bart Hoogenboom. “Onze volgende uitdaging is om deze antibiotica effectiever te maken. Een strategie zou kunnen zijn om polymyxinen te combineren met behandelingen die slapende bacteriën wekken, zodat ook die cellen uitgeschakeld kunnen worden. Het onderzoek laat ons vooral zien dat we rekening moeten houden met de toestand van bacteriën wanneer we de effectiviteit van antibiotica beoordelen.”
