Oxygenbehandling forstærker antibiotikas drab af bakterielle biofilm

Peter Østrup Jensen, | Feb 2019 | Almen praksis |

Peter Østrup Jensen,
biolog, lektor, Costerton Biofilm Center,
Afdeling for Immunologi og Mikrobiologi,
Sundhedsvidenskabeligt fakultet, Københavns Universitet,
Klinisk Mikrobiologisk Afdeling, Rigshospitalet

Mette Kolpen,
biolog, ph.d.,
Klinisk Mikrobiologisk Afdeling,
Rigshospitalet

Daniel Faurholt-Jepsen
læge, ph.d.,
Infektionsmedicinsk Afdeling,
Rigshospitalet

Bakterier udvikler i stigende grad resistens overfor antibiotika, der tidligere har kunnet bekæmpe dem. Det er derfor nødvendigt med udvikling af nye antibiotika eller bedre anvendelse af allerede eksisterende antibiotika. 

I 2015 indledte WHO en ”global action plan” til bekæmpelse af mikrobiel resistens, som er en af de største sundhedsudfordringer aktuelt.1 Vi forsker i forbedret antibiotisk behandling af kroniske bakterielle infektioner ved at kontrollere bakteriernes egen fysiologi for at ramme bakterierne, før der opstår resistensudvikling.

Kronisk lungeinfektion hos patienter med cystisk fibrose
Kronisk bakteriel pneumoni er den alvorligste komplikation hos patienter med cystisk fibrose. Trods hyppig og intens antibiotisk behandling persisterer de bakterier, der forårsager infektionen og medvirker til beskadigelse af lungevævet. Kroniske infektioner med bakterien Pseudomonas aeruginosa medfører oftest infektion og tab af lungefunktion. Normalt vil en akut bakteriel pneumoni blive kureret, når den behandles med et antibiotikum, som det pågældende patogen er følsomt overfor. På trods af, at de kroniske infektioner ved cystisk fibrose er med bakterier, der ofte fortsat er følsomme overfor antibiotika, ved vi ikke, hvorfor de ikke eradikeres ved aggressiv antibiotisk behandling. Det kan hverken forklares som en udvikling af konventionel resistens associeret med ændringer i bakteriernes gener eller som følge af utilstrækkelig penetrans af antibiotika til lungerne.2 

Bakterierne er organiseret i en biofilm
Den kroniske pneumoni ved cystisk fibrose er domineret af bakterier som P. aeruginosa, der overlever i patienternes endobronkiale mucus, hvor P. aeruginosa er indkapslet i en selvproducerende slim (biofilm) omgivet af talrige neutrofile granulocytter.3 Selvom neutrofile granulocytters baktericide aktivitet er intens, beskytter organiseringen i biofilmen P. aeruginosa mod både de neutrofile granulocytter og antibiotika.4

Mikromiljøet i lunger hos patienter med cystisk fibrose
Vi har vist, at det bakterielle mikro-miljø ved kronisk pneumoni ved cystisk fibrose favoriserer resistente bakterielle fænotyper. Dette beror på følgende: Selv i protektive biofilm er P. aeruginosa under kraftig påvirkning af de aktiverede neutrofile granulocytter, der skaber et massivt iltsvind ved at omdanne molekylært oxygen (O2) til reaktive oxygen arter (ROS) som eksempelvis hydrogenperoxid.5,6 Dette iltsvind tvinger P. aeruginosa til anaerob metabolisme, hvilket er dokumenteret ved observeret vækst og metabolisme (udskillelse af lattergas, N2O) i iltfrie zoner i ekspektoreret cystisk fibrose mucus.7 

Udskillelse af N2O er en meget karakteristisk signatur for den type af bakteriel anaerob respiration, der kaldes denitrifikation. Ved denitrifikation bliver nitrogenoxider, såsom nitrat og nitrit, anvendt som alternative elektronacceptorer til dannelse af ATP, der er essentiel for cellers metabolisme. Men ATP-udbyttet ved denitrifikation er så ringe, og mængden af nitrat og nitrit er så lav i cystisk fibrose-lunger, at P. aeruginosa kun kan gro meget langsomt. I denne sammenhæng er det interessant, at P. aeruginosa har meget lav vækstrate i cystisk fibrose-lunger,8 og denne langsomme vækst kan reproduceres i iltfrie P. aeruginosa-kulturer tilsat fysiologiske mængder af nitrat.9 

Lokal pulmonal terapi med inhaleret antibiotika
Det er velkendt, at systemisk administration af antibiotika har nedsat gennemtrængelighed gennem lungeparenkymet, hvorimod inhaleret antibiotika har potentiale til at opnå en meget højere lokal koncentration. Det har dog vist sig, at netop den langsomme bakterielle vækst uden iltforbrug i mucus er associeret med øget modstandsdygtighed overfor antibiotika.10 Dels forårsager det lave energiudbytte ved anaerob metabolisme langsom vækst, som er associeret til tolerance overfor antibiotika.11,12 Men også bakteriers optag af antibiotika og deres ekspression af antibiotikatargets er nedreguleret ved langsom vækst.10 Desuden hæmmer iltsvind antibiotikas effekt, da forskellige grupper af baktericide antibiotika stimulerer bakteriernes egen produktion af dødelige mængder af ROS i den aerobe bakterielle respirationskæde.13,14

Ændring af bakteriers følsomhed i biofilm, når der tilsættes ilt
Vi har vist, at langsomt voksende P. aeruginosa biofilm (normalt karakteriseret som resistente) i iltfrie zoner kan gøres følsomme overfor antibiotika ved reoxygenering.15,16 Reoxygeneringen blev etableret med hyperbar oxygenbehandling (HBOT), hvor biofilm blev eksponeret til en atmosfære med 100% O2 ved 2,8 bar i 90 minutter. I kombination med behandling med ciprofloxacin så vi, at drab af P. aeru-
ginosa
blev øget mere end 100 gange. Desuden har vi været med til at vise, at HBOT øger effekten af tobramycin i en eksperimentel endokarditmodel med Staphylococcus aureus,17 og en tilsvarende effekt af tobramycin på kliniske isolater fra cystisk fibrose mucus er aktuelt ved at blive undersøgt.

Potentiel klinisk betydning af disse data ved pneumoni
Potentialet for at anvende HBOT til behandling af patienter med kronisk bakteriel lungeinfektion er begrænset af risikoen for barotraumer ved overtryksbehandling af beskadigede lunger. For at omgå dette har vi målt O2-forbruget i cystisk fibrose-patienters endobronkiale mucus for at udvikle matematiske modeller, der kan forudsige betydningen af mængden af tilført O2 (under udarbejdelse). Disse modeller viser, at en atmosfære med 100% O2 ved 1 bar (atmosfærisk tryk) øger oxygeneringsdybden i mucus med ≥2 mm på under en halv time. 

Dette indikerer, at indånding af 100% O2 uden overtryk har potentiale til at øge oxygeneringen i mucus i lungerne og dermed potentielt følsomheden for antibiotika. Da luften i bronkierne er meget lig med den indåndede luft,18 er det relevant at kende effekten af ekstra O2 uden overtryk på oxygeneringsdybden i det endobronkiale mucus. O2-behandling af friske ekspektorater er derfor meget velegnede, da ilt-
svind målt direkte i mucus i lunger kan reproduceres i ekspektoreret sputum. In vivo bekræftelse af denne effekt af normobar 100% O2 er under forberedelse, hvor vi vil undersøge, om indånding af ekstra O2 ved atmosfærisk tryk kan øge effekten af antibiotisk behandling af kronisk bakteriel pneumoni hos patienter med cystisk fibrose uden risiko for barotraumer og uden behov for kostbare HBOT-faciliteter.

Senest har vi påvist, at der er store iltfrie zoner i friske ekspektorater fra patienter med akut pneumoni (Kolpen, under udarbejdelse). Disse fund tyder på, at der er mange ligheder i den basale fysiologi i mucus, uanset om det drejer sig om akutte eller kroniske tilstande. 

Konklusion

Hos patienter med cystisk fibrose og kroniske infektioner er antibiotisk behandling utilstrækkelig til eradikation af bakterier uanset resistensforhold. Supplerende iltbehandling har vist øget baktericid effekt af antibiotika, og cyklisk behandling med høj oxygenering timet til inhalation eller intravenøs indgift af antibiotika kan være et nyt target for behandling af lungeinfektion. Hvis vores model viser sig klinisk anvendelig, vil vores fund fra cystisk fibrose kunne appliceres på langt større sygdomsgrupper som svær samfundserhvervet pneumoni og kroniske infektioner hos KOL-patienter. Det vil potentielt føre til bedre udnyttelse af antibiotika og derved reducere den totale mængde administreret antibiotika. 

Interessekonflikter: Ingen interessekonflikter

Referencer

1. www.who.int/antimicrobial-resistance/global-action-plan/en. 2. Høiby N, Ciofu O, Johansen HK, Song ZJ, Moser C, Jensen PØ, Molin S, Givskov M, Tolker-Nielsen T, Bjarnsholt T. The clinical impact of bacterial biofilms. Int J Oral Sci 2011;3:55-65.  3. Bjarnsholt T, Jensen PØ, Fiandaca MJ, Pedersen J, Hansen CR, Andersen CB, Pressler T, Givskov M, Høiby N. Pseudomonas aeruginosa biofilms in the respiratory tract of cystic fibrosis Patients. Pediatric Pulmonology 2009;44:547-558. 4. Sønderholm M, Bjarnsholt T, Alhede M, Kolpen M, Jensen PØ, Kühl M, Kragh KN. The Consequences of Being in an Infectious Biofilm: Microenvironmental Conditions Governing Antibiotic Tolerance. Int J Mol Sci 2017;18:2688. 5. Kolpen M, Hansen CR, Bjarnsholt T, Moser C, Christensen LD, van Gennip M, Ciofu O, Mandsberg L, Kharazmi A, Döring G, Givskov M, Høiby N, Jensen PØ. Polymorphonuclear leucocytes consume oxygen in sputum from chronic Pseudomonas aeruginosa pneumonia in cystic fibrosis. Thorax 2010;65:57-62. 6. Kolpen M, Bjarnsholt T, Moser C, Hansen C, Rickelt L, Kühl M, Hempel C, Pressler T, Høiby N, Jensen PØ. Nitric Oxide Production by Polymorphonuclear Leukocytes in Infected Cystic Fibrosis Sputum. Clin Exp Immunol 2014;177:310-319. 7. Kolpen M, Kühl M, Bjarnsholt T, Moser C, Hansen CR, Liengaard L, Kharazmi A, Pressler T, Høiby N, Jensen PØ. Nitrous Oxide Production in Sputum from Cystic Fibrosis Patients with Chronic Pseudomonas aeruginosa Lung Infection. PLoS One 2014;9:84353. 8. Kragh KN, Alhede M, Jensen PØ, Moser C, Jacobsen CS, Poulsen SS, Eickhardt S, Trøstrup H, Christoffersen L, Hougen HP, Rickelt L, Kühl M, Høiby N, Bjarnsholt T. Polymorphonuclear Leukocytes Restrict the Growth of Pseudomonas aeruginosa in Lungs of Cystic Fibrosis Patients. Infect Immun 2014;82:4477-4486. 9. Line L, Alhede M, Kolpen M, Kühl M, Ciofu O, Bjarnsholt T, Moser C, Toyofuku M, Nomura N, Høiby N, Jensen PØ. Physiological levels of nitrate support anoxic growth by denitrification of Pseudomonas aeruginosa at growth rates reported in cystic fibrosis lungs and sputum. Front. Microbiol 2014;5:554. 10. Van Acker H, Coenye T. The Role of Reactive Oxygen Species in Antibiotic-Mediated Killing of Bacteria. Trends Microbiol 2017;25:456-466. 11. Tuomanen E, Cozens R, Tosch W, Zak O, Tomasz A. The rate of killing of Escherichia coli by beta-lactam antibiotics is strictly proportional to the rate of bacterial growth. J Gen Microbiol 1986;132:1297-1304. 12. Evans DJ, Allison DG, Brown MR, Gilbert P. Susceptibility of Pseudomonas aeruginosa and Escherichia coli biofilms towards ciprofloxacin: effect of specific growth rate. J Antimicrob Chemother 1991;27:177-184. 13. Brochmann PR, Toft A, Ciofu O. Hempel C, Briales A, Kolpen M, Bjarnsholt T, Høiby N, Jensen PØ. The bactericidal effect of colistin on planktonic Pseudomonas aeruginosa is independent of hydroxyl radical formation. Int J Antimicrob Agents 2014;43:140-147. 14. Jensen PØ, Briales A, Brochmann R, Wang H, Kragh K, Kolpen M, Hempel C, Bjarnsholt T, Høiby N, Ciofu O. Formation of hydroxyl radicals contributes to the bactericidal activity of ciprofloxacin on Pseudomonas aeruginosa biofilm. Pathog Dis 2014;70:440-443.  15. Kolpen M, Mousavi N, Sams T, Bjarnsholt T, Ciofu O, Moser C, Kühl M, Høiby N, Jensen PØ. Reinforcement of the bactericidal effect of ciprofloxacin on Pseudomonas aeruginosa biofilm by hyperbaric oxygen treatment. Int J Antimicrob Agents 2016;47:163-167.  16. Kolpen M, Lerche CJ, Kragh KN, Sams T,  Koren K, Jensen AS, Line L, Bjarnsholt T, Ciofu O, Moser C, Kühl M, Høiby N, Jensen PO. Hyperbaric oxygen sensitizes anoxic Pseudomonas aeruginosa biofilm to ciprofloxacin. Antimicrob Agents Chemother 2017;61:1024-1017. 17. Lerche CJ, Christophersen L, Kolpen M, Nielsen PR, Trøstrup H, Thomsen K, Hyldegaard O, Bundgaard H, Jensen PO, Høiby N, Moser C. Hyperbaric Oxygen Treatment Augments Tobramycin Efficacy in Experimental Staphylococcus aureus Endocarditis. Int J Antimicrob Agents 2017;50:406-412. 18. Sjöberg F, Singer M. The medical use of oxygen: a time for critical reappraisal. J Int Medicine 2013;274:505-528.