Oxygenbehandling forstærker antibiotikas drab af bakterielle biofilm

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. aeruginosa 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.