Towards antibiotic treatment of infection with Shiga toxin-producing Escherichia coli

Denne tildelingen har finansiert doktorgradsarbeidet til Silje Ramstad, som disputerte ved Universitetet i Oslo den 1. mars 2022. Resultatene er publisert i form av tre ulike fag-felle-vurderte publikasjoner. Det er gjort mindre endringer underveis i målene for prosjektet, noe som dels skyldes endrede faglige rammer og dels omstendigheter relatert til covid-19 pandemien. Endringene er gjort rede for, og godkjent, underveis i form av endringsmelding til Helse Sør Øst. Hovedformålet, å studere mulighetene for antibiotikabehandling av Shigatoksin-produserende Escherichia coli (STEC) har hele tiden vært i fokus. STEC forårsaker infeksjon hos over 2,5 millioner mennesker i verden årlig. Symptomene ved en STEC-infeksjon varierer fra asymptomatisk til diaré, inkludert blodig diaré, og i ca. 5% av tilfellene utvikles den alvorlige komplikasjonen hemolytisk uremisk syndrom (HUS). Flere virulensfaktorer er avgjørende for alvorlighetsgraden til sykdomsforløpet og ikke alle er kartlagt i detalj, men den viktigste virulensfaktoren er shigatoksinene (Stxs). Stxs er kodet på bakteriofager inkorporert i bakteriegenomet og STEC med Stx subtype 2a er hyppigst assosiert med utvikling av HUS. I Norge blir STEC som produserer Stx2a, c og/eller d klassifisert som høyvirulent. Siden HUS kan føre til nyresvikt og død, spesielt hos små barn, er det et ønske om å kunne behandle slike alvorlige infeksjoner. Per nå er det kun støttende behandling som gis til STEC-pasienter og antimikrobielle midler er fortsatt kontraindisert ettersom noen typer antibiotika ser ut til å kunne forverre sykdomsforløpet. Hovedmålet med denne studien var å belyse ulike karakteristika ved STEC for å bidra til mulig fremtidig antimikrobiell behandling. For å nå dette målet gjorde vi følgende: a) utførte antimikrobielle eksponeringsforsøk i høyvirulente STEC og evaluerte effekten på Stx-produksjonen, b) utførte genotypisk deteksjon av antimikrobielle resistensmarkører i kliniske STEC, og c) karakteriserte Stx2a-fager funnet i en spesifikk serotype av STEC hyppig assosiert med HUS i Norge for å undersøke patogenisiteten til Stx2a-fagen. Ekspresjonseksperimentene viste ingen forhøyede nivåer av Stx-produksjon i de tolv stx2a-positive STEC-isolatene av seks ulike serotyper når de ble utsatt for gentamicin, azithromycin (begge proteinsyntesehemmere) eller meropenem (celleveggsyntesehemmer). Ciprofloksacin, en DNA-syntesehemmer, viste derimot økt Stx-produksjon i hovedtyngden av STEC-isolatene undersøkt. O104:H4 STEC var serotypen som økte stx2a transkripsjonen og Stx-produksjonen mest etter eksponering med antimikrobielle midler. Blant de 459 STEC-isolatene undersøkt, hadde 16,1% molekylære markører for antimikrobiell resistens, 8,5% av disse ble definert som multiresistente. Genetiske resistensmarkører ble hyppigst observert mot aminoglykosider, sulfonamider og kinoloner. Få STEC viste genotypiske resistens mot azithromycin og meropenem. Genotypisk resistens var mer prevalent i ikke-O157 serotyper sammenlignet med O157 STEC, men ingen forskjell i genotypisk resistens ble sett mellom lav- og høyvirulent STEC. Vi fant at Stx2a-fagene fra de åtte O145:H25 STEC undersøkt var konservert og viste høy homologi til Stx2a-fager fra tidligere publiserte O145 STEC, men de var tydelig forskjellige fra Stx2a-fager av andre STEC serotyper. Stx2a-fagene til O145 STEC delte også integrasjonssetet med restene av en annen fag (kalt spøkelsesfag). I de norsk O145:H25 STEC-isolatene, hadde ikke spøkelsesfagen noen stx-gener, men andre virulens- og effektorgener som kan påvirke patogeniteten til STEC-bakterien. Hovedkonklusjonen av dette arbeidet viste at azithromycin, gentamicin og meropenem induserte Stx-produksjon i liten grad blant høyvirulent STEC og få kliniske STEC hadde genotypiske resistensmarkører mot disse. Funnene støtter azithromycin, meropenem og gentamicin som kandidater for fremtidig behandling av infeksjoner forårsaket av høyvirulent STEC. Resultatene fra dette arbeidet peker mot muligheter for å behandle høyvirulente STEC med antibiotika. Det er særlig antibiotika av klassene proteinsyntesehemmere og cellevegghemmere som fremstår som lovende. Vi anbefaler ytterligere in vitro-studier for å undersøke et bredere spekter av høyvirulent STEC, samt å undersøke flere ulike konsentrasjoner av de aktuelle antibiotika. Dette bør etterfølges av in vivo-studier og til slutt, for de mest lovende resultatene, kliniske studier, for eventuelt å kunne implementere antimikrobiell behandling av høyvirulente STEC-infeksjoner.