Antibiotika sind starke, schnell wirkende Medikamente, die zur Bekämpfung bakterieller Infektionen entwickelt wurden. In den letzten Jahren hat ihre Zuverlässigkeit jedoch nachgelassen, da sich antibiotikaresistente Bakterien weiterentwickeln und ausbreiten. Staphylococcus aureus ist eine der Hauptursachen für Infektionen und Todesfälle im Zusammenhang mit Antibiotikaresistenzen. Es ist auch die häufigste bakterielle Infektion bei Menschen mit Diabetes mellitus, einer chronischen Erkrankung, die die Blutzuckerkontrolle beeinträchtigt und die Fähigkeit des Körpers, Infektionen zu bekämpfen, verringert.
Die Mikrobiologen Brian Conlon, PhD, und Lance Thurlow, PhD, von der UNC School of Medicine haben gezeigt, dass Menschen mit Diabetes auch eher antibiotikaresistente Staphylococcus aureus-Stämme entwickeln. Ihre Ergebnisse, die in Science Advances veröffentlicht wurden, verdeutlichen, wie die mikrobielle Umgebung von Diabetikern resistente Mutationen hervorbringt, und weisen gleichzeitig auf Möglichkeiten hin, wie Antibiotikaresistenzen bei dieser Patientengruppe bekämpft werden können. „Wir haben festgestellt, dass Antibiotikaresistenzen in Diabetesmodellen viel schneller auftreten als in nicht-diabetischen Krankheitsmodellen“, sagte Conlon, außerordentlicher Professor am Institut für Mikrobiologie und Immunologie. Dieses Zusammenspiel zwischen Bakterien und Diabetes könnte ein wesentlicher Faktor für die rasche Entwicklung und Ausbreitung von Antibiotikaresistenzen sein.
Studie mit Antibiotika in einem diabetischen Mausmodell
Diabetes beeinträchtigt die Fähigkeit des Körpers, eine Zuckerart namens Glukose zu kontrollieren, was häufig dazu führt, dass sich überschüssige Glukose im Blutkreislauf ansammelt. Staphylococcus aureus ernährt sich von diesen hohen Zuckerwerten und kann sich so schneller vermehren. Das Bakterium kann auch ohne Folgen wachsen, da Diabetes auch die Fähigkeit des Immunsystems beeinträchtigt, Zellen zu zerstören und Infektionen zu kontrollieren. Mit der Zunahme der Bakterienzahl bei einer diabetischen Infektion steigt auch die Wahrscheinlichkeit einer Resistenz. Zufällige Mutationen treten auf und einige entwickeln eine Resistenz gegen externe Stressfaktoren wie Antibiotika. Sobald eine resistente Mutante in einer diabetischen Infektion vorhanden ist, übernimmt sie schnell die Population und nutzt die überschüssige Glukose für ihr schnelles Wachstum.
„Staphylococcus aureus ist einzigartig dafür geeignet, sich diese diabetische Umgebung zunutze zu machen“, so Thurlow, Assistenzprofessor für Mikrobiologie und Immunologie mit gemeinsamen Anstellungen an der UNC School of Medicine und der Adams School of Dentistry. “Sobald diese resistente Mutation auftritt, gibt es einen Glukoseüberschuss und das Immunsystem ist nicht in der Lage, die Mutante zu beseitigen, sodass sie innerhalb weniger Tage die gesamte Bakterienpopulation übernimmt.“
Conlon, ein Experte für das Versagen von Antibiotikabehandlungen, und Thurlow, ein Experte für die Staphylokokken-Pathogenese bei Diabetes, sind seit langem daran interessiert, die Wirksamkeit von Antibiotika in einem Modell mit und ohne Diabetes zu vergleichen. Mit Hilfe ihrer Verbindungen innerhalb der Abteilung für Mikrobiologie und Immunologie brachten die Forscher ihre Labore zusammen, um eine Studie mit Antibiotika in einem diabetischen Mausmodell für eine Infektion mit S. aureus durchzuführen.
Bakterien bilden eine Resistenz gegen das Medikament
Zunächst bereitete das Team ein Mausmodell mit einer bakteriellen Infektion der Haut und des Weichgewebes vor. Die Mausmodelle wurden in zwei Gruppen aufgeteilt: Eine Hälfte erhielt eine Verbindung, die selektiv Zellen in der Bauchspeicheldrüse abtötet und sie zuckerkrank macht, während die andere Hälfte die Verbindung nicht erhielt. Anschließend infizierten die Forscher sowohl diabetische als auch nicht-diabetische Modelle mit S. aureus und behandelten sie mit Rifampicin, einem Antibiotikum, gegen das sich sehr schnell Resistenzen entwickeln. Nach fünf Tagen der Infektion war es an der Zeit, die Ergebnisse zu beobachten.
Die Forscher stellten schnell fest, dass das Rifampicin bei den diabetischen Modellen praktisch keine Wirkung zeigte. Also nahmen sie einige Proben zur Untersuchung. Sie waren schockiert, als sie feststellten, dass die Bakterien eine Resistenz gegen Rifampicin entwickelt hatten, und die Infektion über hundert Millionen Rifampicin-resistente Bakterien enthielt. In den nicht-diabetischen Modellen gab es keine Rifampicin-resistenten Bakterien. Und noch überraschender war, dass die Mutation in nur vier Tagen die gesamte Infektion übernommen hatte. Als Nächstes wurden diabetische und nicht-diabetische Modelle wie zuvor mit Staphylococcus aureus beimpft, diesmal jedoch mit einer bekannten Anzahl von rifampicinresistenten Bakterien. Auch hier übernahmen diese Bakterien schnell die diabetische Infektion, blieben aber nach vier Tagen Rifampicinbehandlung in nicht-diabetischen Modellen nur als Subpopulation erhalten.
Untersuchung der Entwicklung von Resistenzen bei Menschen (mit und ohne Diabetes)
Die neuen Erkenntnisse haben viele Fragen aufgeworfen. Die Forscher sind sich jedoch sicher, dass die Entwicklung von Antibiotikaresistenzen bei Menschen mit Diabetes für die Bevölkerung insgesamt problematisch werden könnte. Antibiotikaresistente Bakterienstämme verbreiten sich auf die gleiche Weise von Mensch zu Mensch wie andere Bakterien und Viren – über die Luft, auf Türklinken und über die Nahrung, die wir zu uns nehmen. Daher ist die Prävention dieser Art von Infektionen von höchster Priorität.
Was kann also getan werden, um dies zu verhindern? Die Labore von Conlon und Thurlow haben gezeigt, dass die Senkung des Blutzuckerspiegels bei Diabetesmodellen (durch die Verabreichung von Insulin) den Bakterien ihren Treibstoff entzieht, ihre Anzahl in Schach hält und die Wahrscheinlichkeit des Auftretens antibiotikaresistenter Mutationen verringert. Ihre Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Kontrolle des Blutzuckerspiegels durch Insulingabe der Schlüssel zur Verhinderung von Antibiotikaresistenzen sein könnte. Als die Forscher ihren Mäusen Insulin verabreichten, konnten sie ihren Blutzuckerspiegel wieder normalisieren, und es kam nicht zu dieser schnellen Vermehrung resistenter Bakterien.
Jetzt weiten die Forscher ihre Bemühungen aus, um die Entwicklung von Resistenzen bei Menschen (mit und ohne Diabetes) und anderen antibiotikaresistenten Bakterien von Interesse, darunter Enterococcus faecalis, Pseudomonas aeruginosa und Streptococcus pyogenes, zu untersuchen. Da die Experten erkannt haben, welch große Rolle der Wirt bei der Entwicklung von Antibiotikaresistenzen spielt, planen sie, ähnliche Studien an Patienten durchzuführen, die sich einer Chemotherapie unterziehen, sowie an Empfängern kürzlich erfolgter Transplantationen, um zu sehen, ob diese Populationen ebenfalls anfällig für antibiotikaresistente Infektionen sind.