Beter begrip van antibioticaresistentie, ziektefenotypen en overdraagbaarheid van tuberculose door analyse van mycobacteriële genomen

Samenvatting proefschrift Carolien Ruesen

Radboud Universiteit Nijmegen, 5 november 2019
Promotoren: Prof. dr. R. van Crevel en Prof. dr. M.A. Huynen
Copromotoren: Dr. L. Chaidir en Dr. J. van Ingen

Lang dacht men dat er zo weinig genetische variatie binnen Mycobacterium tuberculosis-bacteriën was, dat dit onmogelijk effect kon hebben op de manier waarop de ziekte zich uitte in de patiënt. Mede door vooruitgang in de techniek waarmee het DNA bestudeerd kan worden, is aangetoond dat verschillen in het DNA van de bacterie wel degelijk van invloed zijn op het ziekteproces. In dit proefschrift1 is door middel van ‘whole genome sequencing’ het complete genoom van meer dan duizend bacteriën van tuberculosepatiënten uit Indonesië, Roemenië en Peru bestudeerd.

Deel 1: antibioticaresistentie

Resistentie van M. tuberculosis tegen antibiotica vormt een grote bedreiging voor de tuberculosebestrijding. Tijdige en nauwkeurige diagnose van resistente tuberculose is cruciaal voor het terugdringen ervan. Genotypische gevoeligheidsbepaling, waarbij resistentie wordt vastgesteld aan de hand van bepaalde mutaties in het DNA van de infecterende bacterie, kan mogelijk de huidige tijdrovende en complexe fenotypische gevoeligheidsbepaling vervangen. In de stammen van 72 Roemeense patiënten met resistente tuberculose is het effect van verschillende resistentiemutaties op de minimaal remmende concentratie voor verschillende middelen bepaald en is ontdekt dat verschillende resistentiemutaties verschillende effecten hebben op de gevoeligheid van M. tuberculosis voor antibiotica2; in sommige gevallen kan de patiënt mogelijk nog effectief behandeld worden met een hogere dosis antibiotica. Whole genome sequencing kan hiermee richting geven aan anti-tuberculosebehandeling.

Mensen met diabetes hebben een drie keer verhoogd risico op het ontwikkelen van actieve tuberculose en hebben een slechtere behandeluitkomst3. In M. tuberculosis genomen van Indonesische en Peruaanse tuberculosepatiënten met (n=159) en zonder (n=737) diabetes is ontdekt dat diabetes geassocieerd is met een 1.7 keer verhoogd risico op resistentiemutaties in M. tuberculosis en met name tegen rifampicine (2.5 keer verhoogd risico). Dit kon niet verklaard worden door patiëntgerelateerde factoren, het M. tuberculosis genotype, of meer transmissie van resistente stammen onder diabetespatiënten. Mensen met diabetes hebben mogelijk een verhoogd risico op infectie met een antibioticaresistente tuberculosebacterie. Deze resultaten tonen het belang van de invoering van een routine gevoeligheidsbepaling van M. tuberculosis in deze patiëntengroep aan.

Deel 2: tuberculose fenotypes en transmissie

In zeldzame gevallen veroorzaakt M. tuberculosis hersenvliesontsteking; tuberculeuze meningitis. Naast bekende patiëntgerelateerde risicofactoren bepaalt variatie onder M. tuberculosis-stammen het risico op het ontwikkelen van tuberculeuze meningitis. In een eerdere studie naar de associatie tussen M. tuberculosis ‘lineage’ en het ziektefenotype werd aangetoond dat Euro-American lineage stammen vaker longtuberculose veroorzaken dan tuberculeuze meningitis4. Door het vergelijken van de complete genomen van M. tuberculosis-stammen uit de hersenen van 106 tuberculeuze meningitispatiënten met die uit de longen van 216 longtuberculosepatiënten uit Bandung, Indonesië, is ontdekt dat subtielere genetische verschillen geassocieerd zijn met het ziektefenotype. Variatie in de genen Rv0218, Rv3343c en nanK hield verband met uiting van de ziekte in de longen of in de hersenen5. Verder experimenteel onderzoek is nodig naar de manier waarop deze genen invloed hebben op het ziektefenotype.

Genetische variatie binnen M. tuberculosis kan ook invloed hebben op de overdraagbaarheid van tuberculose. In een studie van 465 huishoudens in het eerdergenoemde Bandung is de overdraagbaarheid van M. tuberculosis van indexpatiënten op huisgenoten onderzocht. Hieruit is gebleken dat ongeïnfecteerde huisgenoten die blootgesteld waren aan een patiënt besmet met een Beijing genotype stam een hoger risico hadden om besmet te raken, onafhankelijk van de concentratie tuberculosebacteriën in, of hoeveelheid schade aan de longen van de patiënt. Bovendien is ontdekt dat huisgenoten die een BCG-vaccinatie hadden gehad, sterk beschermd waren tegen besmetting na blootstelling aan M. tuberculosis, maar dat dit niet gold voor huisgenoten die blootgesteld waren aan Beijing stammen. De effectiviteit van toekomstige kandidaatvaccins zal dus ook moeten worden onderzocht in gebieden waar het M. tuberculosis Beijing genotype prevalent is.

Conclusie

Het analyseren van het complete genoom van M. tuberculosis biedt mogelijkheden voor de diagnostiek van resistente tuberculose en voor het begrijpen van deze complexe ziekte, om haar uiteindelijk beter te kunnen bestrijden. Dit vergt het blijvend bijhouden van de correlaties tussen het genotype van de bacterie en de verschillende fenotypische aspecten, zoals in dit proefschrift is gedaan. Deze bevindingen zullen hopelijk bijdragen aan de ontwikkeling van betere hulpmiddelen en strategieën om tuberculose te kunnen beheersen. Een van de grootste uitdagingen zal liggen in het toegankelijk maken van deze technieken in landen met weinig middelen, waar de ziektelast het hoogst is en de middelen het hardst nodig zijn.

Referenties

  1. Ruesen C. Understanding tuberculosis drug resistance, disease phenotype and transmission by mycobacterial genome analysis: Radboud University Nijmegen; 2019. https://repository.ubn.ru.nl/bitstream/handle/2066/209056/209056.pdf
  2. Ruesen C, Riza AL, Florescu A, et al. Linking minimum inhibitory concentrations to whole genome sequence-predicted drug resistance in Mycobacterium tuberculosis strains from Romania. Sci Rep 2018;8:9676.
  3. Huangfu PU-G, C.; Golub, J.; Pearson, F.; Critchley, J. The effects of diabetes on tuberculosis treatment outcomes: an updated systematic review and meta-analysis. Int J Tuberc Lung Dis 2019.
  4. Caws M, Thwaites G, Dunstan S, et al. The influence of host and bacterial genotype on the development of disseminated disease with Mycobacterium tuberculosis. PLoS Pathog 2008;4:e1000034.
  5. Ruesen C, Chaidir L, van Laarhoven A, et al. Large-scale genomic analysis shows association between homoplastic genetic variation in Mycobacterium tuberculosis genes and meningeal or pulmonary tuberculosis. BMC Genomics 2018;19:122.