HC10: Antibiotics and antibiotic resistance

Antimicrobials

= one of the most successful drugs ever discovered

• lage toxiciteit

• lage kosten

• groot voordeel voor de patiënt

Gouden eeuw voor ontdekking antibiotica (Paul Ehrlich)

• Paul Ehrlich

  = bekende Duitse natuurkundige, seroloog, immunoloog

  • Ontwikkeling van kleuringstechnieken voor weefsel en microorganismen

  • De oprichter van chemotherapie

    → de ‘Magic Bullet’ theorie

Door middel van: een systemische evaluatie van honderden synthetische stoffen in infectie modellen (geïnfecteerde muizen)

Ontdekking van Prontosil (1932)

→ ontdekt door Gerhard Domagk

• eerste antibiotica gebruikt voor het behandelen van infecties
  = een sulfonamide / sulfadrug

  → worden nog steeds gebruikt voor het behandelen van infecties

Alexander Fleming

• Ontdekking van eerste natuurlijke antibiotica
  = Penicillin

  → per ongeluk ontdekt als behandeling tegen Staphylococcus aureus

Selnam Waksman

• systematische screening van bodem organismes voor de productie van antimicrobiële middelen

  → de eerste mens die de term “antibiotica” gebruikte

Streptomyces

= een geslacht van Gram+ bacteriën

• leven voornamelijk in bodem en water

• allergrootste bacteriegeslacht die we kennen

• hun groei lijkt bizar veel op die van filamenteuze schimmels (draadschimmels)

  • Vegetative mycelium: Ze groeien als vertakte draden (branching hyphae) ín de bodem of voedingsbodem om voedingsstoffen op te nemen, precies zoals het mycelium (de zwamvlok) van een schimmel.

  • Aerial hyphae: Wanneer ze zich willen voortplanten, groeien er draden de lucht in (aerial hyphae). Op de toppen van deze luchtdraden vormen zich ketens van sporen (fruiting bodies) waarmee de bacterie zich verspreidt.

Streptomyces: waarom lijkt een bacterie zo extreem veel op een schimmel?

• Convergente evolutie: Waarom lijkt een bacterie zo extreem veel op een schimmel? De slide legt uit dat dit het gevolg is van aanpassingen aan dezelfde ecologische niche. Omdat ze in exact dezelfde bodemomgeving leven als schimmels, hebben ze onafhankelijk van elkaar dezelfde succesvolle overlevings- en groeistrategie ontwikkeld.

• Waarom maken ze antibiotica? Streptomycessoorten staan erom bekend dat ze een gigantisch arsenaal aan antibiotica produceren via hun secundaire metabolisme (omcirkeld in het rood). De ecologische reden hiervoor is puur chemische oorlogsvoering: ze doen dit om te concurreren met andere microorganismen voor de beperkte voedingsstoffen in de bodem. Als jij een antibioticum uitscheidt, dood je de concurrerende bacteriën om je heen en blijft er meer eten voor jou over.

• De link met resistentie: De dia sluit af met een hele belangrijke evolutionaire wetmatigheid: omdat bacteriën in de natuur al miljoenen jaren continu worden blootgesteld aan deze natuurlijke antibiotica, ontstaan en ontwikkelen resistentiemechanismen zich van nature ook gewoon in de vrije natuur (ver voor de mens überhaupt antibiotica ontdekte).

Classification of antibioticum:

→ based on mode of action

• Bacteriostatic
  = inhibits growth

• Bactericidal
  = kills bacteria

Classification of antibioticum:

→ narrow vs. broad-spectrum

• narrow spectrum = usually only kills Gram+ bacteria

• broad spectrum = usually kills Gram+ and Gram- bacteria

Magic bullet → selective toxicity

• effect against microorganisms (prokaryotic)

• no/minor effect on eukaryotic cells

• no/barely any disturbance of normal (intestinal) microflora

Advantage of broad-spectrum antibiotic

= start of therapy possible before exact identity of pathogen is known

Superinfection (2 betekenissen)

= een nieuwe, tweede infectie die bovenop een al bestaande infectie ontstaat. Dit gebeurt bijna altijd op het moment dat een patiënt al verzwakt is door de eerste infectie of wanneer de natuurlijke balans van het lichaam is verstoord.

2 betekenissen:

1. De bacteriële superinfectie (Na een virus)

Dit is klinisch het meest bekende scenario. Een patiënt krijgt eerst een virusinfectie (zoals de griep of COVID-19) in de luchtwegen. Het virus beschadigt het epitheel en de trilharen in de longen, waardoor de lokale afweer tijdelijk lamligt.

• De superinfectie: Bacteriën (zoals Streptococcus pneumoniae) maken misbruik van deze schade. Ze nestelen zich in de beschadigde longen en veroorzaken een bacteriële longontsteking bovenop de griep.

2. Superinfectie door antibioticagebruik

Dit gebeurt wanneer een patiënt breed-spectrum antibiotica krijgt voor een bepaalde infectie.

• Het probleem: De antibiotica doden niet alleen de boosdoener, maar roeien ook de gezonde, beschermende bacteriën (de microbiota) in de darmen of op de huid uit.

• De superinfectie: Doordat de gezonde concurrentie weg is, krijgen micro-organismen die resistent zijn tegen het antibioticum plotseling alle ruimte om massaal te gaan groeien. Een bekend voorbeeld is een darminfectie met Clostridioides difficile of een schimmelinfectie (Candida) na een antibioticakuur.

→ example = C. difficile

• able to grow in disturbed gut microflora

• symptoms ranging from diarrhea to life-threatening inflammation of colon

• infections are difficult to treat because of multidrug resistance

5 hoofdmechanismen (modes of action) waarmee verschillende klassen antibiotica bacteriën uitschakelen:

1. inhibition of cell wall synthesis

= (de remming van de bacteriële celwandsynthese). Antibiotica die hierop aangrijpen, zoals bètalactamantibiotica (waaronder penicilline en cephalosporine) en glycopeptiden (zoals vancomycine), zorgen ervoor dat een bacterie geen stevige buitenwand meer kan bouwen.

Inhibition of cell wall synthesis:

→ werking van Penicilline

1. Het doelwit: De peptidoglycaanlaag Bacteriën hebben een celwand die beschermt tegen de enorme interne osmotische druk van de cel. Deze wand dankt zijn stevigheid aan een netwerk van suikers en aminozuren: de peptidoglycaanlaag. Om dit netwerk stevig te maken, moeten de losse ketens aan elkaar geknoopt worden (cross-linking).

2. Het enzym: Transpeptidase (PBP) Het 'aan elkaar knopen' van die celwandketens wordt gedaan door een specifiek bacterieel enzym: transpeptidase (ook wel bekend als een Penicillin-Binding Protein of PBP).

3. De blokkade door Penicilline Penicilline bezit een specifieke chemische structuur, de bètalactamring. Deze ring lijkt qua vorm sprekend op de bouwstenen van de celwand waar het enzym (PBP) normaal op bindt.
   → Penicilline reageert met het actieve centrum van het transpeptidase-enzym en bindt er onomkeerbaar (covalent) aan vast. Het enzym is hierdoor permanent bezet en lamgelegd.

4. Het klinische gevolg: Cel-lyse (Bactericide effect) Omdat het enzym geblokkeerd is, kan de bacterie tijdens het groeien en delen geen nieuwe dwarsverbindingen meer leggen. De celwand wordt zwak, poreus en incompleet. Doordat de druk binnenin de bacterie veel hoger is dan daarbuiten, stroomt water de cel in. De bacterie zwelt op en barst letterlijk open (lyse), vergelijkbaar met de cytolyse die we eerder bij het complementsysteem zagen. Penicilline is hierdoor een bactericide (bacteriedodend) antibioticum.

Normale functie D-Ala-D-Ala → werking van Peniciline

1. Wat is D-Ala-D-Ala en de normale situatie (Bovenste helft)

Het peptidoglycaan bestaat uit suikerketens (NAG-NAM) waar korte aminozuurstaifjes aan hangen.

• De bouwstenen: Zoals je linksboven ziet, eindigt zo'n staartje oorspronkelijk op twee opeenvolgende D-alanine aminozuren: D-Ala-D-Ala.

• De transpeptidatie (Rechtsboven): Het oranje enzym PBP (transpeptidase) grijpt dit D-Ala-D-Ala uiteinde vast. Het enzym knipt de allerlaatste D-Ala eraf (D-Ala vliegt weg). De energie die hierbij vrijkomt, gebruikt het enzym om het resterende D-Ala direct vast te lassen aan het aminozuur Dap (of lysine) van een andere, tegenoverliggende NAG-NAM-keten.

• Het resultaat: De celwand krijgt zijn ijzersterke dwarsverbindingen.

2. Het geheim van Penicilline: Structurele analogie (Onderste helft)

Kijk nu goed naar de twee chemische structuren onderaan de dia. Dit verklaart de hele werking:

• De gelijkenis: Penicilline (links) en het natuurlijke substraat D-Ala-D-Ala (rechts) lijken qua ruimtelijke 3D-structuur bizar veel op elkaar. Let vooral op het rode vierkantje in de penicilline-structuur: dit is de bètalactamring.

• De moleculaire truc: Omdat de bètalactamring qua vorm en chemische bindingen sprekend lijkt op de peptidebinding tussen de twee D-Ala's, trapt het oranje PBP-enzym hier met open ogen in. Dit fenomeen noemen we structurele analogie (substraat-mimicry).

3. Hoe penicilline de boel saboteert

• Wanneer je penicilline toevoegt, denkt het PBP-enzym dat hij een normale D-Ala-D-Ala-keten grijpt.

• In plaats daarvan bindt het enzym aan de reactieve bètalactamring van de penicilline. De ring springt open en vormt een onomkeerbare, covalente binding met het actieve centrum van het enzym.

• Het enzym raakt permanent 'verstopt' en is definitief uitgeschakeld. Het kan de stap rechtsboven (koppelen aan Dap) nooit meer uitvoeren, waardoor de celwand poreus blijft en de bacterie openbarst.

Glycopeptiden: Vanomycin

= to treat severe infections caused by antibiotic-resistant Gram+ bacteria

• not effective against Gram- bacteria

• little resistance

→ net als penicilline, een antibioticum dat de bacteriële celwandsynthese remt, maar het doet dit op een fundamenteel andere manier. Waar penicilline zich richt op het oranje enzym (PBP), richt vancomycine zich rechtstreeks op de bouwstenen van de celwand: het D-Ala-D-Ala-uiteinde.

Vanomycin: werking op D-Ala-D-Ala

1. Fysieke blokkade (De "kap" over de bouwsteen) In plaats van te binden aan het enzym PBP, reist vancomycine naar de buitenkant van de bacteriële membraan en bindt zich daar met waterstofbruggen rechtstreeks en heel specifiek vast aan het D-Ala-D-Ala-uiteinde van de peptidoglycaanketen. Je kunt het voor je zien als een grote plastic beschermkap die je over het uiteinde van een stekker heen schuift.

2. Sterische hindering Omdat vancomycine zo’t enorm groot molecuul is, zit het fysiek vreselijk in de weg (dit noemen we sterische hindering). Wanneer het transpeptidase-enzym (PBP) nu aan komt lopen om de normale dwarsverbinding te leggen (zoals getoond op de eerdere afbeelding, kan het enzym simpelweg niet meer bij het D-Ala-D-Ala-complex komen.

3. Het klinische gevolg Het enzym kan de laatste D-Ala er niet meer afknippen en de ketens niet meer aan elkaar lassen. Het eindresultaat is hetzelfde als bij penicilline: de bacterie kan geen stevige dwarsverbindingen maken, de celwand verzwakt en de bacterie barst door osmotische druk open (cel-lyse).

→ Waarom is dit klinisch belangrijk? (Resistentie)

Omdat vancomycine zo specifiek bindt aan de exacte structuur van D-Ala-D-Ala, hebben sommige bacteriën (zoals de beruchte ziekenhuisbacterie VRE: Vancomycin-Resistant Enterococci) een slimme resistentietruc ontwikkeld. Zij veranderen via mutaties de allerlaatste D-Alanine in een D-Lactaat of D-Serine molecuul. Het uiteinde verandert dus van D-Ala-D-Ala naar D-Ala-D-Lac.

Voor het enzym PBP maakt die kleine verandering niet uit (dat kan nog steeds een dwarsverbinding leggen), maar vancomycine verliest hierdoor direct zijn grip en kan er niet meer aan binden. De bacterie is dan immuun geworden voor het antibioticum.

Acquisition of resistance

Mechanisms of antibiotic resistance (5)

1. mutation in the target

2. enzymatic degradation

3. export by efflux pumps

4. pemeability reduction of cell envelope (gram-)

5. use of alternative pathway

Uitleg:

1. Mutation in the target (Verandering van het doelwit)

• Het mechanisme: Antibiotica werken doordat ze heel specifiek binden aan een bacterieel doelwit (zoals het transpeptidase-enzym of het ribosoom). Door een genetische mutatie verandert de bacterie de vorm van dit doelwit net een klein beetje.

• Het effect: Het antibioticum herkent het doelwit niet meer en kan er niet meer aan binden, terwijl het doelwit zijn normale biologische functie voor de bacterie wel blijft uitvoeren. (Denk ook aan de D-Ala-D-Lac verandering bij vancomycine!).

2. Enzymatic degradation (Enzymatische afbraak)

• Het mechanisme: De bacterie gaat in de tegenaanval en produceert specifieke 'schaar'-enzymen die het antibioticum actief opzoeken en kapotknippen nog voordat het de cel bereikt.

• Het effect: Het bekendste voorbeeld zijn bacteriën die bètalactamasen produceren. Deze enzymen knippen de bètalactamring van penicilline open, waardoor het antibioticum direct onschadelijk wordt.

3. Export by efflux pumps (Actieve uitpomp)

• Het mechanisme: Veel bacteriën bezitten transporteiwitten in hun membraan die werken als een ingebouwde lenspomp: de effluxpompen.

• Het effect: Zodra het antibioticum de bacteriecel binnenkomt, herkent de pomp de vreemde stof en pompt deze met behulp van energie direct weer naar buiten (export). De concentratie van het medicijn binnenin de cel blijft hierdoor zo laag dat de bacterie er geen hinder van ondervindt.

4. Permeability reduction of cell envelope [Gram-] (Minder doorlaatbare celwand)

• Het mechanisme: Gram-negatieve bacteriën hebben een extra buitenmembraan die medicijnen tegenhoudt. Antibiotica moeten normaal gesproken via speciale eiwitkanaaltjes (porines) naar binnen glippen.

• Het effect: De bacterie vermindert het aantal porines of vernauwt de kanaaltjes (permeability reduction). Hierdoor kan het antibioticum simpelweg niet meer effectief naar binnen diffunderen.

5. Use of alternative pathway (Een omweg gebruiken)

• Het mechanisme: Sommige antibiotica (zoals sulfonamiden, nummer 5 op je eerdere overzichtsplaat) werken door een essentiële chemische route van de bacterie te blokkeren, bijvoorbeeld de aanmaak van foliumzuur.

• Het effect: De resistente bacterie ontwikkelt een evolutionaire omweg (alternative pathway). Hij omzeilt de blokkade door de benodigde voedingsstoffen simpelweg kant-en-klaar rechtstreeks uit de omgeving op te nemen, of door een compleet nieuw type enzym te gebruiken dat immuun is voor de remming.

(kennisclip op canvas)

Mechanisms of antibiotic resistance:

2. enzymatic degradation

= beta-lactamase cleaves peniciline so it cannot bind to PBP’s

Narrow-spectrum vs. broad-spectrum beta-lactamases

• narrow spectrum
  = cleaves only a few beta-lactam classes

• broad spectrum
  = cleaves many/all beta-lactam classes

Vanomycin resistance

= by replacing terminal D-Alanine by D-lactate → Vancomycin cannot bind anymore

• long considered immune to resistance

→ vancomycin resistance can only be obtained via plasmids, because many genes are required to change peptide group of peptidoglycan

Why is antibiotic resistance so widespread?

→ causes of current antibiotic resistance crisis

1. over-prescription of antibiotics in community and hospitals
   → sometimes antibiotics are being prescriped to prevent infection

2. over-use in livestock and fish farming
   → to prevent infection

3. patients not finishing their treatment

4. poor infection control, lack of hygiene and poor sanitation

5. spread of resistant strains due to travel

6. lack of new antibiotics being developed

Hotbeds for antibiotic resistance

• hospitals

• farms

Betalactam-antibiotica

Als je goed naar de drie chemische structuren kijkt, zie je dat ze allemaal exact hetzelfde centrale vierkantje delen: de bètalactamring (met het dubbelgebonden zuurstofatoom =O en het stikstofatoom -N-)

→ hebben allemaal hetzelfde werkingsmechanisme dat we eerder bespraken: ze imiteren D-Ala-D-Ala en blokkeren het celwandenzym transpeptidase (PBP).

Betalactam-antibiotica: carbapenems

→ cautious use of last-resort antibiotics (vanwege 2 unieke klinische eigenschappen)

1. "Effective against many Gram-positive and Gram-negative bacteria"

• Breed spectrum: Carbapenems hebben een extreem breed werkingsspectrum. Dit betekent dat ze moeiteloos door de porines van lastige Gram-negatieve bacteriën glippen én tegelijkertijd effectief zijn tegen Gram-positieve bacteriën.

• Klinische inzet: Omdat ze zo ontzettend veel verschillende bacteriën tegelijk kunnen doden, worden ze in het ziekenhuis bewaard voor levensbedreigende infecties (zoals sepsis of gecompliceerde intra-abdominale infecties) waarvan de exacte veroorzaker nog niet bekend is, of wanneer andere antibiotica al hebben gefaald.

2. "Little resistance (yet)"

• Resistent tegen de 'schaar': We zagen net dat veel bacteriën resistent worden door enzymatic degradation (bètalactamasen die de ring doorknippen). De chemische structuur van carbapenems is echter zó robuust en compact dat de meeste standaard bètalactamasen (zoals ESBL) er simpelweg op stuklopen; ze krijgen de ring niet opengeknipt.

• De waarschuwing (yet): Er staat heel bewust tussen haakjes (yet). Er duiken helaas steeds vaker bacteriën op die nóg zwaardere enzymen hebben ontwikkeld: de carbapenemases (zoals CPE/NDM-1). Als een bacterie dáár over beschikt, is hij resistent tegen nagenoeg álle bètalactamantibiotica die op deze dia staan. Omdat er dan bijna geen behandelopties meer over zijn, proberen artsen het gebruik van carbapenems zo streng mogelijk te beperken.

Multidrug-resistant bacteria (MDR)

= dat de bacterie ongevoelig is voor meerdere typen antibiotica tegelijk, waardoor infecties heel moeilijk te behandelen zijn.

MDR Gram- (ESBL)

• = Extended Spectrum Beta-Lactamases (ESBL)-producting Gram-

  • E.g. Escherichia coli and Klebsiella

  • Are found in normal intestinal flora

  • Cause serious infections outside the gut (bloodstream, wounds, urinary tract, lungs); occur mainly in hospitals

  • Often also resistant to other antibiotic classes (resistance genes are together on a plasmid)

  • Are often found on meat (present on 90% of chicken meat, 50% on beef)

  → Last antibiotic available for treatment: Carbapenem

Treatment: use of older antibiotics which have been rarely used duo to efficiacy and/or toxicity concerns

Why is it difficult to treat tuberculosis

• is intrinsically resistant to most antibiotics

• highly impermeable outer membrane

• can only be treated with specific antibiotics

Persisters (long treatment)

= subpopulation of non/slow growing bacteria that are tolerant to antibiotics

→ long treatment because of persisters

Persisters en antibiotica: waarom antibiotica delende cellen nodig hebben

Waarom antibiotica delende cellen nodig hebben:

→ Veel van de antibiotica die we net hebben besproken (zoals penicilline) grijpen aan op processen die alleen plaatsvinden als een bacterie actief groeit en deelt.

• Het principe: Tijdens de celdeling moet een bacterie massaal nieuwe celwanden metselen, nieuwe eiwitten maken (many new proteins are made) en zijn DNA kopiëren.

• De blokkade: Als een bacterie slaapt of stilstaat (not dividing), hoeft hij geen nieuwe celwand te maken en heeft hij geen nieuw DNA nodig. Het antibioticum heeft dan simpelweg geen doelwit of proces om te blokkeren: "Many of these antibiotics are only effective on dividing bacteria!!!"

Persisters en antibiotica: wat gebeurt er tijdens een antibioticakuur?

De grafiek laat zien wat er gebeurt als je een bacteriepopulatie blootstelt aan een antibioticum (de zwarte totale lijn die naar beneden loopt):

Fase 1: De gevoelige populatie sterft (Uur 0 tot 1)

• In de grafiek: De groene lijn (Sensitive population) stort in een rechte lijn naar beneden.

• Wat er gebeurt: Dit zijn de actieve, delende bacteriën (de groene staafjes in het bovenste vakje). Omdat ze druk aan het delen zijn, slaat het antibioticum genadeloos toe. Binnen 1 uur is 99.9% van deze actieve bacteriën dood.

• Klinische link: Dit is het moment dat een patiënt na twee dagen antibiotica te hebben geslikt denkt: "Hey, ik voel me weer helemaal beter, de infectie is weg!"

Fase 2: De "slapende" persisters blijven over (Uur 1 tot 5)

• In de grafiek: Na 1 uur vlakt de zwarte lijn plotseling af. De daling gaat nu heel langzaam en volgt de rode lijn (Persistent population).

• Wat er gebeurt: In het middelste en onderste vakje zie je dat de groene bacteriën verdwenen (dood) zijn. Wat overblijft zijn een paar bruine bacteriën. Dit zijn de persisters.

• Belangrijk detail: Persisters zijn niet genetisch resistent (ze hebben geen ESBL-schaar of effluxpomp). Het zijn gewone bacteriën die door stress of toeval in een soort "winterslaap" (dormancy) zijn gegaan. Omdat ze niet delen, overleven ze de antibioticumstorm moeiteloos.

3. Het gevaar van te vroeg stoppen: De 'rebound'

Kijk nu goed naar de grote zwarte pijl die vanuit de overlevende persisters (onderste vakje) helemaal terugwijst naar het begin (bovenste vakje):

• Wat er gebeurt: Zodra de patiënt te vroeg stopt met de antibioticakuur (omdat de symptomen weg zijn), verdwijnt het antibioticum uit het lichaam.

• De ontwaking: De overgebleven bruine persisters merken dat het gevaar geweken is. Ze "ontwaken" uit hun winterslaap, beginnen weer actief te delen (ze worden weer groen) en binnen de kortste keren is de patiënt wéér doodziek met exact dezelfde bacteriële populatie.

Klinische conclusie op de sheet: "Therefore, completing antibiotic treatment is important to reduce resistance development." Door de kuur braaf af te maken, zorg je ervoor dat de antibioticaconcentratie zo lang hoog blijft dat ook de langzaam ontwakende persisters uiteindelijk alsnog worden opgeruimd.

Persisters: Tuberculose

• Bij veel normale bacteriën duurt de persistentie een paar dagen.

• Bij Mycobacterium tuberculosis (de tbc-bacterie) kunnen persisters meerdere maanden volledig inactief in het lichaam overleven. Dit is de exacte reden waarom een antibioticakuur tegen tuberculose niet een week duurt, maar minimaal 6 tot 9 maanden strikt moet worden volgehouden!

Meticilline-Resistente Staphylococcus aureus (MRSA)

→ legt uit waarom deze bacterie zo gevaarlijk is in zorginstellingen en hoe hij op moleculair niveau resistent is geworden tegen bijna alle standaardwapens.

1. De kwetsbare doelgroep en locaties

• De risicogroepen: MRSA vormt met name een groot probleem voor patiënten met open wonden en een verzwakt immuunsysteem (open wounds and weakened immune systems).

• De locaties: De bacterie verspreidt zich razendsnel op plekken waar veel mensen dicht op elkaar leven en waar veel medische handelingen plaatsvinden, zoals ziekenhuizen, gevangenissen en verpleeghuizen (hospitals, prisons and nursing homes). Bij gezonde mensen zit S. aureus vaak vreedzaam op de huid of in de neus, maar bij kwetsbare patiënten kan hij via een open wond of infuuslijn diepe, levensbedreigende infecties veroorzaken.

2. De evolutie naar MRSA: Het falen van Meticilline

• De voorgeschiedenis: S. aureus was al heel vroeg in de geschiedenis resistent geworden tegen gewone penicilline door de aanmaak van bètalactamasen (de chemische scharen die we eerder bespraken).

• De oplossing destijds: Om dit op te lossen, ontwikkelden wetenschappers meticilline. Dit is een speciaal type bètalactam-antibioticum dat zo is gebouwd dat de scharen van de bacterie er niet bij kunnen. Meticilline werd daardoor het primaire wapen voor de behandeling (mainly used for treatments).

3. Het resistentiemechanisme: Het mecA-gen

De bacterie sloeg echter terug. S. aureus werd resistent tegen meticilline (en veranderde dus in MRSA) door een heel specifiek mechanisme dat je tekst beschrijft: het acquireren (verkrijgen) van het mecA-gen.

Dit gen werkt via het principe van Mutation/Alteration of the target:

• Normaal: Meticilline bindt aan de normale PBPs (transpeptidase-enzymen) van de bacterie om de celwandsynthese te blokkeren (zoals we zagen bij de D-Ala-D-Ala-dia).

• De MRSA-truc: Het mecA-gen codeert voor een compleet nieuw, alternatief type transpeptidase, genaamd PBP2a.

• Het effect: Dit nieuwe PBP2a-enzym heeft een actieve site waar meticilline en vrijwel alle andere bètalactam-antibiotica (zoals penicillinen en cephalosporinen) fysiek niet aan kunnen binden (insensitive to methicillin). Terwijl het antibioticum machteloos toekijkt, bouwt PBP2a de celwand van de bacterie gewoon rustig verder op.

4. Verspreiding via HGT (Horizontale Gentransfer)

• Transmissible by HGT: Dit mecA-gen zit verpakt op een stukje mobiel DNA (een bacterieel chromosoom-element). Bacteriën hoeven dit niet alleen aan hun 'kinderen' door te geven bij celdeling, ze kunnen dit gen via Horizontale Gentransfer (zoals conjugatie of transformatie) ook direct uitwisselen met andere, nog gevoelige staphylococcus-bacteriën in de omgeving. Hierdoor kan resistentie zich binnen een ziekenhuisafdeling als een lopend vuurtje verspreiden.

5. De achterwacht: Vancomycine

• Last antibiotic available for treatment: Vancomycin!!! Because MRSA met zijn PBP2a-enzym immuun is voor nagenoeg de hele bètalactam-familie, moeten artsen overstappen op een compleet andere klasse antibiotica.

• Zoals we net hebben geleerd, kijkt vancomycine niet naar het enzym, maar kapselt het de bouwsteen (D-Ala-D-Ala) zelf in. Omdat PBP2a daar niks tegen kan doen, is vancomycine het cruciale, laatste redmiddel om een zware MRSA-infectie in het ziekenhuis te bestrijden.

Why is it so difficult to find new antibiotics?

• many compounds which were found in libraries were unable to penetrate the bacterial cell because of impermeable cell envelope

• characteristics of antibiotics are different

  • need to penetrate bacterial cell envelope (less soluble)

  • structures are more complex (larger)

Difficulty in finding new antibiotics

→ therefore people went back to finding antibiotics in nature

→ but easy-to-find antibiotics from nature have already been identified

Reasons why it is difficult to get new antibiotics into the clinic

1. Scientifically

   • see easy to find antibiotics “

   • compound library screens for new antibiotics do not yield many new antibiotics

2. Economically

   • antibiotics represent a poor return on investment relative to other classes of drugs
     → Especially because new promising drugs will only be used for problematic cases
     (last-resort drugs)

3. Regulatory

   • The pathways to antibiotic approval have become more difficult and very expensive
     (extensive clinical testing)

What to do → antimicrobial crisis

• increasing the supply of antimicrobials to keep up with rising resistance

• lowering demand for antimicrobials and reducing unnecessary use