Streptomyces

Streptomyces is een geslacht van Gram-positieve bacteriën dat in verschillende milieus groeit, met een filamenteuze vorm die lijkt op die van schimmels. De morfologische differentiatie van Streptomyces omvat de vorming van een laag van hyphen die zich kunnen differentiëren in een keten van sporen. Dit proces is uniek onder de Gram-positieven en vereist een gespecialiseerd en gecoördineerd metabolisme. De meest interessante eigenschap van Streptomyces is het vermogen om bioactieve secundaire metabolieten te produceren zoals antischimmelmiddelen, antivirale middelen, antitumorale middelen, bloeddrukverlagende middelen en hoofdzakelijk antibiotica en immunosuppressiva.1-3 Een ander kenmerk van het geslacht is de complexe meercellige ontwikkeling, waarbij hun kiemende sporen hyphen vormen, met multinucleair aëroïde mycelium, dat op regelmatige afstanden septa vormt, waardoor een keten van niet-geïnucleerde sporen ontstaat.4

Wanneer een spore gunstige omstandigheden van temperatuur, voedingsstoffen en vocht vindt, wordt de kiembuis gevormd en ontwikkelt zich de hyphae. De bovengrondse hyphen volgen, en een etappeset zet de organisatie van verschillende processen in gang, zoals groei en celcyclus. Esporogene cellen kunnen 50 of meer exemplaren van het chromosoom bevatten; de volgorde, positie en segregatie van chromosomen tijdens sporulatie is lineair, waarbij ten minste twee systemen betrokken zijn (ParAB en FtsK), die leiden tot differentiatie en septatie van apicale cellen in ketens van sporen. Verscheidene andere genen die essentieel zijn voor de sporulatie van luchthyphae zijn gerapporteerd in S. coelicolor, bijvoorbeeld de genen whiG, whiH, whiI, whiA, whiB, en whiD. De verklaring voor de aanwezigheid van sporen in Streptomyces is waarschijnlijk dat deze fragmenten myceliaal verschenen onder selectieve druk, waarbij het zou kunnen gaan om de noodzaak te overleven buiten planten en ongewervelden, of in extreme omgevingen.

Het vermogen van de sporen om in deze vijandige omgevingen te overleven moet zijn vergroot door het pigment en het aroma dat bij sommige soorten in de sporen aanwezig is,5 hetgeen de celontwikkeling en de productie van secundaire metabolieten stimuleert.6 Een ander belangrijk punt is de top van de hyfa, die wordt beschouwd als het belangrijkste gebied waar membraanproteïnen en lipiden kunnen worden afgescheiden, vooral in het apicale gebied van de groei.7 Bij sommige Streptomyces kunnen secundair metabolisme en differentiatie met elkaar in verband worden gebracht.8,9 Fylogenetisch gezien maken Streptomyces deel uit van de Actinobacteria, een groep Gram-positieven waarvan het genetisch materiaal (DNA) GC-rijk is (70%) in vergelijking met andere bacteriën, zoals Escherichia coli (50%). Het grote belang dat aan de Streptomyces wordt gehecht, is deels te danken aan het feit dat zij tot de talrijkste en meest veelzijdige bodemmicro-organismen behoren, gezien hun hoge productiesnelheid van metabolieten en hun biotransformatieprocessen, hun vermogen om lignocellulose en chitine af te breken, en hun fundamentele rol in biologische cycli van organisch materiaal.10 Twee soorten Streptomyces zijn bijzonder goed bestudeerd: S. griseus, de eerste Streptomyces die voor de industriële productie van een antibioticum – streptomycine – werd gebruikt, en S. coelicolor, de soort die het meest bij genetisch onderzoek wordt gebruikt. Van verschillende stammen is de sequentie bepaald en hun genomen zijn in kaart gebracht (tabel 1).

Het genoom van S. coelicolor codeert bijvoorbeeld voor een groot aantal gesecreteerde eiwitten (819), waaronder 60 proteasen, 13 chitinasen/chitosanasen, acht cellulasen/endoglucanasen, drie amylasen en twee pactatoelyasen. Streptomyces zijn ook belangrijk bij de initiële afbraak van organisch materiaal, meestal saprofytische soorten.11

De productie van de meeste antibiotica is soortspecifiek, en deze secundaire metabolieten zijn belangrijk zodat de Streptomyces spp. kunnen concurreren met andere micro-organismen die in contact kunnen komen, of zelfs binnen hetzelfde genus. Een ander belangrijk proces waarbij antibiotica worden geproduceerd, is de symbiose tussen Streptomyces en planten, aangezien het antibioticum de plant beschermt tegen pathogenen en het plantenexsudaat de ontwikkeling van Streptomyces mogelijk maakt.12 Gegevens in de literatuur suggereren dat sommige antibiotica hun oorsprong vinden als signaalmoleculen, die in staat zijn veranderingen in de expressie van bepaalde genen te induceren die geen verband houden met een stressrespons.11

Antibiotica

Ondanks het succes van de ontdekking van antibiotica en de vooruitgang in het produktieproces ervan, blijven infectieziekten wereldwijd de tweede doodsoorzaak en veroorzaken bacteriële infecties jaarlijks ongeveer 17 miljoen sterfgevallen, vooral bij kinderen en bejaarden. De geschiedenis van de van Streptomyces afgeleide antibiotica begon met de ontdekking van streptothricine in 1942, en met de ontdekking van streptomycine twee jaar later, intensiveerden wetenschappers de zoektocht naar antibiotica binnen het genus. Tegenwoordig is 80% van de antibiotica afkomstig van het geslacht Streptomyces, waarvan actinomyceten de belangrijkste zijn.16 Dit is te zien in Fig. 1.

Werkingsmechanisme van antibiotica

De moleculaire basis van deze werking is goed begrepen en de belangrijkste doelwitten zijn bekend. Zij worden ingedeeld naar de interactie van antibiotica die zich richten op essentiële cellulaire functies, het fundamentele principe om de groei van bacteriën te remmen.17 Dit is een complex proces dat begint met de fysische interactie van het molecuul en zijn specifieke doelwitten en dat biochemische, moleculaire en structurele veranderingen met zich meebrengt, waarbij wordt ingewerkt op meerdere cellulaire doelwitten, zoals: 1) DNA-replicatie, 2) RNA-synthese, 3) celwandsynthese, en 4) eiwitsynthese (fig. 2).

DNA-replicatie

DNA-gyrase (topoisomerase) controleert de topologie van het DNA door het splijtingspatroon en de DNA-binding te katalyseren. Deze reactie is belangrijk voor de DNA-synthese en de mRNA-transcriptie, en het complex-quinolontopoisomerase-DNA-splitsing verhindert de replicatie, wat leidt tot de dood van de bacterie.18-20

Synthese van RNA

Het DNA-afhankelijke RNA-polymerase medieert het transcriptieproces en is de belangrijkste regulator van de genexpressie bij prokaryoten. Het enzymatische proces is essentieel voor de celgroei, waardoor het een aantrekkelijk doelwit voor antibiotica is. Een voorbeeld is rifamycine, dat de synthese van RNA remt door gebruik te maken van een stabiele verbinding met hoge affiniteit met de β-subeenheid in het RNA/DNA-kanaal, waarbij de actieve site wordt gescheiden door de initiatie van de transcriptie te remmen en het pad van de ribonucleotideketengroei te blokkeren.18-20

Celwandsynthese

De bacteriële celwand bestaat uit peptidoglycaan, dat helpt de osmotische druk in stand te houden en het vermogen verleent om in diverse omgevingen te overleven. De biosynthese van peptidoglycaan verloopt in drie fasen: de eerste fase vindt plaats in het cytoplasma, waar precursoren met een laag moleculair gewicht worden gesynthetiseerd. In de tweede fase wordt de celwandsynthese gekatalyseerd door membraangebonden enzymen; en in de derde fase werkt het antibioticum door het verhinderen van de β-lactams en polymerisatie van de glycansynthese van de celwandenzymen, waarbij het op transpetidades inwerkt.18-20

Eiwitsynthese

Het vertaalproces van mRNA verloopt in drie fasen: initiatie, elongatie en terminatie waarbij cytoplasmatische ribosomen en andere componenten betrokken zijn. Het ribosoom bestaat uit twee subeenheden (50S en 30S), die het doelwit zijn van het voornaamste antibioticum dat de eiwitsynthese remt. Macroliden blokkeren de 50S subeenheid, waardoor de vorming van de peptideketen wordt verhinderd: tetracycline blokkeert in de 30S subeenheid de toegang van het aminoacyl tRNA-ribosoom; spectinomycine verstoort de stabiliteit van de peptidyl-tRNA binding aan het ribosoom; en streptomycine, kanamycine en gentamicine werken in het 16S rRNA dat deel uitmaakt van de 30S subeenheid van het ribosoom.18-20

Cytoplasmamembraan

Het cytoplasmamembraan fungeert als een diffusiebarrière voor water, ionen, en voedingsstoffen. De transportsystemen bestaan hoofdzakelijk uit lipiden, eiwitten en lipoproteïnen. Daptomycine dringt op een calcium-afhankelijke manier binnen in het cytoplasmatische membraan van bacteriën, waar het ionenkanalen vormt en intracellulair kalium vrijmaakt. Verscheidene antibiotica kunnen een verstoring van het membraan veroorzaken. Deze middelen kunnen worden onderverdeeld in kationogene, anionogene en neutrale middelen. De bekendste verbindingen zijn polymyxine B en colistemethaat (polymyxine E). De polymyxines worden niet veel gebruikt omdat ze toxisch zijn voor de nieren en het zenuwstelsel.18-20 Het laatste antibioticum dat in 2006 door Merck werd gelanceerd (platensimycine) heeft een ander werkingsmechanisme dan de vorige, aangezien het werkt door de beta-ketoacyl synthases I / II (FabF / B) te remmen, wat belangrijke enzymen zijn bij de productie van vetzuren, die nodig zijn voor het bacteriële celmembraan.13

Resistentie

Volgens Nikaido20 wordt jaarlijks 100.000 ton antibiotica geproduceerd, die worden gebruikt in landbouw, voeding en gezondheid. Het gebruik ervan heeft gevolgen gehad voor bacteriepopulaties, waardoor resistentie tegen antibiotica is ontstaan. Deze resistentie kan het gevolg zijn van genetische veranderingen zoals mutatie of verwerving van resistentiegenen door horizontale overdracht, die meestal optreedt bij organismen van verschillende taxonomie.21,22 Mutaties kunnen veranderingen veroorzaken op de plaats waar het geneesmiddel werkt, waardoor de werking van het antibioticum wordt belemmerd.23 De meeste resistentiegenen bevinden zich in dezelfde cluster als het gen voor de biosynthese van het antibioticum.24 In de natuur is de belangrijkste functie van antibiotica het remmen van concurrenten, die worden geïnduceerd om deze verbindingen te inactiveren door chemische modificatie (hydrolyse), en veranderingen in de plaats van werking en membraanpermeabiliteit.25 Een studie met Streptomyces uit stadsgrond toonde aan dat de meeste stammen resistent zijn tegen meerdere antibiotica, wat suggereert dat deze genen in dit milieu veelvuldig voorkomen.20 Veel resistentiegenen bevinden zich op plasmiden (plasmide A), die door conjugatie aan een vatbare stam kunnen worden overgedragen; deze plasmiden zijn stabiel en kunnen het resistentiegen tot expressie brengen.26 De gevoeligheid voor een bepaald antibioticum kan worden beïnvloed door de fysiologische toestand van de bacterie en de concentratie van het antibioticum; dit kan in biofilms worden waargenomen door een mechanisme dat bekend staat als persistervorming – kleine subpopulaties bacteriën overleven de dodelijke concentratie antibioticum zonder specifieke resistentiemechanismen, hoewel dit mechanisme geen resistentie op hoog niveau veroorzaakt.27

Micro-organismen die in een biofilm groeien, worden in verband gebracht met chronische en terugkerende infecties bij de mens en zijn resistent tegen antimicrobiële middelen.28 De verspreiding van resistente stammen houdt niet alleen verband met het gebruik van antibiotica, maar ook met de migratie van mensen, die resistente stammen verspreiden onder mensen in afgelegen gemeenschappen waar het gebruik van antibiotica zeer beperkt is.24 Omdat het zo moeilijk is om aan nieuwe antibiotica te komen, heeft de geneesmiddelenindustrie wijzigingen aangebracht in bestaande antibiotica; deze semi-synthetische middelen zijn efficiënter en minder gevoelig voor inactivering door enzymen die resistentie veroorzaken. Deze praktijk is de strategie geworden voor de huidige gebruikte antibiotica en staat bekend als de tweede, derde en vierde generatie antibiotica.29,30

Genoom en nieuwe antibiotica

Met de beschikbaarheid van genomen van een groot aantal ziekteverwekkers, zijn honderden genen geëvalueerd als doelwitten voor nieuwe antibiotica. Een gen wordt als essentieel beschouwd wanneer de bacterie niet kan overleven als het gen inactief is, en kan een doelwit worden wanneer een kleine molecule de activiteit ervan kan veranderen.31 Genetische analyse heeft aangetoond dat een gen kan coderen voor een functie die bij de ene bacterie belangrijk is, maar bij de andere niet.32 Van 167 genen is vastgesteld dat ze essentieel zijn voor de groei van bacteriën en potentiële doelwitten zijn voor nieuwe antibiotica.33,34 GlaxoSmithKline heeft studies uitgevoerd met het antibioticum GKS299423 dat inwerkt op topoisomerase II, om te voorkomen dat de bacteriën resistentie ontwikkelen.35

Gebruik

De vraag in de wereld naar antibacteriële stoffen (antibiotica) neemt gestaag toe. Sinds hun ontdekking in de 20e eeuw hebben antibiotica de dreiging van besmettelijke ziekten aanzienlijk verminderd. Het gebruik van deze “wondermiddelen”, gecombineerd met verbeteringen op het gebied van sanitaire voorzieningen, huisvesting, voedsel en de komst van massale immunisatieprogramma’s, heeft geleid tot een dramatische daling van het aantal sterfgevallen als gevolg van ziekten die vroeger wijdverbreid en vaak dodelijk waren. In de loop der jaren hebben antibiotica levens gered en het lijden van miljoenen verlicht. Door vele ernstige infectieziekten onder controle te houden, hebben deze geneesmiddelen ook bijgedragen tot de stijging van de levensverwachting tijdens het laatste deel van de 20e eeuw.

De toenemende resistentie van pathogene organismen, die leidt tot ernstige vormen van infectie die moeilijk te behandelen zijn, heeft de situatie verder gecompliceerd, zoals in het geval van carbapenem-resistente Klebsiella pneumoniae,36,37 en andere micro-organismen.38 Infecties veroorzaakt door resistente bacteriën reageren niet op behandeling, wat resulteert in langdurige ziekte en een grotere kans op overlijden. Het falen van de behandeling leidt ook tot lange perioden van besmettelijkheid met hoge resistentiepercentages, waardoor het aantal besmette mensen dat in de gemeenschap circuleert toeneemt en de bevolking dus wordt blootgesteld aan het risico van het oplopen van een meervoudig resistente stam.39

Als bacteriën resistent worden tegen antibiotica van de eerste generatie, moet de behandeling worden omgeschakeld op geneesmiddelen van de tweede of derde generatie, die vaak veel duurder en soms toxisch zijn. Het geneesmiddel dat nodig is voor de behandeling van meervoudig resistente Streptococcus pneumoniae, Staphylococcus aureus, Klebsiella pneumoniae en Mycobacterium tuberculosis, kan bijvoorbeeld 100 maal meer kosten dan de geneesmiddelen van de eerste generatie die worden gebruikt voor de behandeling van niet-resistente vormen. Het meest zorgwekkend is dat de resistentie tegen vrijwel alle antibiotica is toegenomen.

Ondanks het feit dat de farmaceutische industrie haar inspanningen heeft geïntensiveerd om nieuwe geneesmiddelen te ontwikkelen ter vervanging van de in gebruik zijnde geneesmiddelen, wijzen de huidige trends erop dat voor sommige infecties binnen de komende tien jaar geen effectieve therapieën zullen bestaan. Het gebruik van antibiotica is de kritische factor bij de selectie van resistentie.40,41 Paradoxaal genoeg kan ondergebruik door gebrek aan toegang en inadequate behandeling een even belangrijke rol spelen als overgebruik. Om deze redenen is een juist gebruik een prioriteit om het ontstaan en de verspreiding van bacteriële resistentie te voorkomen. Patiëntgerelateerde factoren zijn de voornaamste oorzaken van ongepast gebruik van antibiotica. Veel patiënten geloven bijvoorbeeld dat nieuwe en dure geneesmiddelen effectiever zijn dan oudere geneesmiddelen.

Naast het veroorzaken van onnodige uitgaven, bevordert deze perceptie de selectie van resistentie tegen deze nieuwe geneesmiddelen, evenals tegen de oudere geneesmiddelen in hun klasse.42 Zelfmedicatie met antibiotica is een andere belangrijke factor die bijdraagt tot resistentie, omdat patiënten soms niet de juiste hoeveelheden van het geneesmiddel innemen. In veel ontwikkelingslanden worden antibiotica in eenmalige doses gekocht en alleen ingenomen totdat de patiënt zich beter voelt, wat kan gebeuren voordat de bacterie is uitgeschakeld.43

Praktici kunnen onder druk worden gezet om antibiotica voor te schrijven om aan de verwachtingen van de patiënt te voldoen, zelfs als er geen geschikte indicaties zijn, of door invloed van de fabrikanten. Sommige artsen hebben de neiging antibiotica voor te schrijven om virale infecties te genezen, waardoor ze ondoeltreffend zijn tegen andere infecties. In sommige culturele contexten worden antibiotica die via injectie worden toegediend als doeltreffender beschouwd dan orale formuleringen. Ziekenhuizen zijn een kritieke component van het probleem van antimicrobiële resistentie wereldwijd.14,44 De combinatie van zeer vatbare patiënten, patiënten met ernstige infecties, en intensief en langdurig gebruik van antibiotica heeft geleid tot zeer resistente ziekenhuisinfecties, die moeilijk te bestrijden zijn, waardoor uitroeiing van de ziekteverwekker duur is.

In september 2001 lanceerde de Wereldgezondheidsorganisatie (WHO) de eerste wereldwijde strategie ter bestrijding van de ernstige problemen die worden veroorzaakt door het ontstaan en de verspreiding van antimicrobiële resistentie. Deze strategie, die bekend staat als de Wereldstrategie van de WHO voor de beheersing van antimicrobiële resistentie45 , erkent dat antimicrobiële resistentie een wereldwijd probleem is dat in alle landen moet worden aangepakt. Geen enkele natie, hoe effectief ook, kan haar grens sluiten voor resistente bacteriën, dus is overal een goede bestrijding nodig. Een groot deel van de verantwoordelijkheid ligt bij de nationale regeringen, met een strategie en bijzondere aandacht voor interventies die de invoering inhouden van wetgeving en beleid inzake de ontwikkeling, vergunningverlening, distributie en verkoop van antibiotica.46

Het vinden van nieuwe antibiotica die doeltreffend zijn tegen bacteriële resistentie is niet onmogelijk, maar het is een ingewikkeld en uitdagend onderzoeksterrein. Het is ook een gebied dat de laatste jaren niet de primaire focus van de farmaceutische industrie is geweest, omdat antibiotica over het algemeen een relatief laag investeringsrendement vertegenwoordigen, en de hoge normen voor de ontwikkeling van geneesmiddelen zijn ook factoren die dit gebrek aan belangstelling beïnvloeden.

Ondanks de verwachte groeitrends voor de wereldmarkt van antibiotica, wordt hun succes op lange termijn hoofdzakelijk beïnvloed door twee belangrijke factoren – resistentie en generieke concurrentie. Antibioticaresistentie dwingt tot vermindering van het gebruik. De toename van antibioticaresistentie bemoeilijkt de genezing van infecties. Een groot nadeel is de moeilijkheid voor de industrie om nieuwe antibiotica te vinden – de antibiotica die in gebruik zijn, worden meestal voortdurend aangepast om nieuwe vormen te produceren. Ondanks de voordelen die grote bedrijven hebben bij de ontwikkeling van nieuwe antibiotica: a) welomschreven doelwitten, b) doeltreffend vastgestelde onderzoekmethode, c) biomarkers voor monitoring, d) gesofisticeerde instrumenten om de dosering te bestuderen, en e) snellere goedkeuring door de regelgevende instanties, hebben zij voorrang gegeven aan andere ziekten, omdat het rendement op investeringen voor antibiotica laag is, ondanks het feit dat zij een markt van 45 miljard dollar vertegenwoordigen, de op één na grootste markt, na die voor geneesmiddelen voor hart- en vaatziekten en voor geneesmiddelen voor het centrale zenuwstelsel.47 Een ander probleem is de concurrentie van generieke geneesmiddelen tegen veel lagere prijzen.48 In sommige gevallen hebben de grote bedrijven de verantwoordelijkheid voor de ontwikkeling van nieuwe antibiotica overgedragen aan kleine bedrijven, zoals daptomycine, dat door Cubist is ontwikkeld en aan Lilly in licentie is gegeven.49

Perspectieven

Ondanks dit scenario hebben sommige bedrijven een maatschappelijke positie en verantwoordelijkheid verworven om de ontwikkeling van nieuwe antibiotica in stand te houden. Een voorbeeld is het potentieel van dergelijke partnerschappen in de strijd tegen tuberculose (TB). Momenteel treft multiresistente TB jaarlijks een half miljoen mensen, duurt het twee jaar om te behandelen, wordt slechts in de helft van de gevallen genezen, en komt vooral voor in gebieden waar de menselijke ontwikkelingsindex laag is.

Om de ontwikkeling van nieuwe behandelingen te versnellen, onderzoekt een belangrijk samenwerkingsverband, de TB Alliance, creatieve financieringsmechanismen en steun voor de eindfase van klinische proeven. Een andere belangrijke actie is het verzamelen van micro-organismen in verschillende milieus, zoals het mariene milieu, voor de isolatie van nieuwe stoffen; deze studies hebben belangrijke resultaten opgeleverd bij de evaluatie van deze actinomyceten in het milieu.30,50 Een ander initiatief is het Amazon Biotechnology Center-CBA, dat micro-organismen in het Amazonegebied heeft bestudeerd, aangezien dit gebied, met zijn grote diversiteit aan micro-organismen, de capaciteit heeft om nieuwe antibiotica te produceren; er zijn uitstekende resultaten bereikt, vooral met betrekking tot Mycobacterium tuberculosis.

Er is nog steeds behoefte aan regelgeving voor het gebruik van antibiotica om farmaceutische bedrijven aan te moedigen te investeren in de ontwikkeling van nieuwe antibiotica. De grootste uitdaging blijft op het niveau van de regelgeving, ten einde een oplossing te vinden die de commerciële levensvatbaarheid van de ontwikkeling van antibiotica waarborgt. De fusie van deze bedrijven heeft een onmiddellijk effect, doordat het aantal concurrerende onderzoek- en ontwikkelingsgroepen wordt verminderd; dergelijke veranderingen leiden vaak tot een strategische herziening van de therapeutische onderzoek- en ontwikkelingsgebieden, waar de ontwikkeling van nieuwe antibiotica moet concurreren met andere gebieden die commercieel aantrekkelijker kunnen zijn.

In tegenstelling tot het eerste antibioticum, waarvan het moleculaire werkingsmechanisme onbekend was tot nadat het op de markt was gebracht, zijn de technologieën geëvolueerd (functionele genomica), waardoor de evaluatie van de interactie tussen het werkingsmechanisme van het antibioticadoelwit en de ontwikkeling van specifieke resistentie van de bacterie mogelijk is geworden.51,52 Ondanks de sequentieprojecten van pathogene organismen en de studie van nieuwe doelwitten, is er weinig succes geboekt.53,54 Vanuit een technisch perspectief zullen bedrijven die zich blijven inzetten voor onderzoek naar nieuwe antibiotica met behulp van de nieuwe technologieën succes hebben; de uitdagingen zijn groot, maar niet onoverkomelijk.

Belangenconflict

Alle auteurs verklaren geen belangenconflict te hebben.