Alle kneb gælder i krig. Det gælder også krigen mellem patogene mikrober og mennesker. Mens de fleste af os har opmærksomheden rettet mod resistente bakterier, som muterer for at bekæmpe antibiotika, udnytter nogle bakterier et andet effektivt våben: persistens. En naturlig overlevelsesmekanisme, som alle bakterier besidder. Uanset om bakterierne lever i havet, jorden eller inde i en menneskekrop, er de i stand til at skrue ned for livs- og stofskifteprocesser og gå i dvale ligesom bjørne i vinterhi.
I luftvejene for eksempel finder de varme hulninger, hvor de danner biofilm, lægger sig til rette og venter på bedre tider. Når bakterierne ikke deler sig, bliver de nemlig ikke slået ud af antibiotika.
Når læger ordinerer antibiotika mod bakterier, som er testet følsomme over for antibiotika, risikerer de altså, at nogle af bakterierne redder livet ved at lægge sig til at sove tornerosesøvn.
Selv om persistens er en velkendt egenskab ved bakterier som reaktion på stressfaktorer i miljøet som for eksempel tørke, kulde eller som nævnt antibiotika, ved vi ikke meget om de molekylærbiologiske mekanismer bag. Men det er to danske forskere i fuld gang med at råde bod på.
De to er professor, overlæge, dr. med. Helle Krogh Johansen fra Afdeling for Klinisk Mikrobiologi på Rigshospitalet og professor i anvendt mikrobiel genetik Søren Molin fra Novo Nordisk Foundation Center for Biosustainability, DTU.
De undersøger under projektnavnet Persistent Bacterial Infections, også kaldet PERFECTION, hvordan og hvorfor bakterier går i dvale og skjuler sig for antibiotika, og hvordan persistente infektioner kan udvikle sig til kroniske infektioner. De leder også efter biomarkører, som kan afsløre infektionerne, inden de bliver kroniske.
Sidste år blev PERFECTION-projektet en del af en nyetableret CAG (clinical academic group), BACINFECT. I CAG’en skal klinikere og forskere på tværs af hospitaler og universiteter i Region Hovedstaden og Region Sjælland udvikle nye metoder til at få has på bakterier, som antibiotika ikke kan ramme.
Helle Krogh Johansen er kendt for sin forskning i luftvejsinfektioner hos patienter med cystisk fibrose (CF), og Søren Molin blandt andet for sin forskning i biofilm. Og de to har allerede gjort afgørende opdagelser om bakteriernes evne til at overleve i luftvejene.
De har blandt andet i studier af Pseudomonas aeruginosa, som patienter med CF kæmper med, vist, at den samme bakterie kan inficere patienten igen og igen, fordi den ligger i dvale under antibiotikabehandling. Og den kan forårsage kroniske infektioner. Derfor vil de gerne skabe mere opmærksomhed om bakteriel persistens.
»Hvis man kun går efter antibiotikaresistens og bruger det som markør for, om ens behandling er rigtigt, så kommer man til at overse alt, hvad der ligger under toppen af isbjerget, og der ligger altså meget skjult«, siger Søren Molin.
De to professorer undersøger, hvad der driver persistens. Derfor er de sammen med deres forskergruppe i gang med at udvikle mini-lunger, små organoider. Det er meningen, at mini-lungerne skal inficeres med bakterier, så forskerne kan kortlægge, hvordan en infektion begynder, og hvordan den etablerer sig. Målet er bedre diagnostik og behandling af patienter med infektioner.
Og det er der god brug for. I dag indlægges årligt omkring 250.000 patienter i Danmark med akutte og kroniske infektioner. Og ifølge WHO vil infektionssygdomme i løbet af få årtier udgøre en større risiko for vores sundhed end kræft.
Helle Krogh Johansen og Søren Molin finder man på DTU i Lyngby, bygning 220, The Novo Nordisk Foundation Center for Biosustainability. Her jonglerer omkring 300 fortrinsvis akademiske medarbejdere med pipetter, petriskåle, kemiske stoffer, bakterier og avanceret laboratorieudstyr for at udvikle fremtidens bæredygtige biokemiske produkter til blandt andet fødevare- og lægemiddelindustrien.
Og hvis nogen skulle være i tvivl om, at genetik udgør en central disciplin i huset her, hænger i trappeopgangen i den seks-etagers bygning en dobbelt helix så stor som en midgårdsorm med farvede sekvenser, som lyser op på skift. På etagerne ligger forskningslaboratorier, kontorer og møderum til bioteknologisk forskning.
Søren Molin har haft base på DTU siden 1983 og på Centeret her siden 2011, og Helle Krog Johansen har i snart ti år delt sin tid mellem Rigshospitalet og DTU.
PERFECTION blev etableret med 60 millioner kroner fra Novo Nordisk Fonden i 2020, men det hele begyndte i 2004 med sejt slim, hostet op af børn med CF på CF-klinikken på Rigshospitalet. Helle Krogh Johansen, der allerede som børnelæge i slutfirserne blev optaget af netop denne patientgruppe, begyndte at samle på bakterieisolater fra børn og unge med Pseudomonas aeruginosa-lungeinfektion, og samlingen, som er enestående i verden, vokser fortsat.
Samme år, altså i 2004, fandt hun sammen med professor Søren Molin om en fælles interesse i netop Pseudomonas-bakterien. Den stavformede bakterie findes naturligt i jord og vand, og den kan gøre planter, dyr og mennesker syge. »Klinikeren« og »laboratoriemanden« fandt ud af, at de kunne udrette mere sammen end hver for sig og har siden dannet et fagligt makkerskab, fortæller de to over en kop kaffe i deres kontorglasbur med udsigt til alle sider over den sommerferieramte campus.
De to professorer fortæller, hvordan de gik i gang med at undersøge Pseudomonas aeruginosas liv i lungerne hos børn med CF.
De valgte 500 bakterieisolater fra omkring 40 CF-børn fra Helles Krogh Johansens samling, og lod dem helgenomsekventere, hvilket var nyt og dyrt i 2012.
Resultaterne, som blev offentliggjort i 2015, var overraskende. Tre fjerdele af bakterierne var af samme type fra første prøve fra et barn med lungeinfektion til den seneste fra samme patient, hvor infektionen var blevet kronisk.
Den samme bakterie var altså årsag til flere infektioner – og der kunne gå helt op til tre år imellem, at bakterien havde fundet vej til lungerne, og til infektionen blev påvist i klinikken. Det var helt ny viden, fortæller Helle Krogh Johansen.
»Tidligere troede vi, at hvis man gav tre ugers behandling med antibiotika i form af inhalation og tabletbehandling, kunne man komme af med infektionen. Når der så opstod en infektion igen, troede vi, at det var en anden. Vi havde ikke forestillet os, at det kunne være den samme«.
En anden vigtig opdagelse var, at bakterierne af samme familie er meget forskellige, fortæller Søren Molin:
»Dengang troede vi, bakterier af samme navn var identiske. Men det har helgenomsekventering skudt fuldstændig i sænk. Bakterier kan være genetisk vidt forskellige – de har bare noget til fælles, som gør, at de har fået samme navn«.
Helle: »Ja, Pseudomonas er ikke bare en Pseudomonas. Vi er nu oppe på 240 forskellige typer. Og det er et fantastisk redskab i klinikken, for det betyder, at vi kan se, om en patient er smittet med den samme bakterie flere gange, og om patienter har smittet hinanden«.
Den nye viden har ført til, at helgenomsekventering nu er rutine på Afdeling for Klinisk Mikrobiologi og CF-klinikken på Rigshospitalet, fortæller hun.
»Vi kan følge udviklingen i patienternes infektioner fra starten og vurdere, om en infektion kan klares med tabletter og inhalation derhjemme, eller om de skal på hospitalet og have medicin intravenøst«.
Som altid med forskning opstod der nye overraskende spørgsmål undervejs, da først Helle Krogh Johansen og Søren Molin havde stillet skarp på bakteriernes genomer. Som da de testede bakterierne for resistens.
CF-patienter med infektioner får store mængder antibiotika over lang tid. Derfor forventede de stor resistensudvikling. Men det var ikke tilfældet, fortæller Søren Molin.
»Det er vigtigt, at man ikke tror, at de principielle betingelser, vi finder i laboratoriet, er sandhedsbårne i forhold til komplekse miljøer«Søren Molin, professor i anvendt mikrobiel genetik
»Vi var vildt forbløffede, for der var maks. ti procent af bakterierne, som havde bare en eller få resistenser. Der måtte altså være andre årsager til, at bakterierne ikke blev slået ihjel af antibiotika. Det startede jo en vild eftersøgning for at finde ud af, hvordan de overlevede«.
Under den eftersøgning kom de på sporet af persistens. Det viste sig, at under antibiotikabehandling sker der en favorisering af persistente bakterier i lungerne. De finder optimale livsbetingelser i varme, fugtige hulrum og danner en beskyttende biofilm, hvor de ikke alene er i fred for antibiotika, men også undgår opmærksomhed fra immunsystemet.
Den opdagelse var et gennembrud og har ført til, at i de tilfælde, hvor samme bakterie har udløst en ny infektion, kan lægerne nu tilbyde en behandling, som er udviklet sammen med øre-næse-hals-læger, fortæller Helle Krogh Johansen:
»Patienterne får tømt pus ud fra bihuler og pandehuler under en operation. Og i to tredjedele af tilfældene kan det udskyde tidspunktet for den næste Pseudomonas-infektion. Det er et eksempel på, hvordan et samarbejde mellem mange forskellige enheder har ført til en behandling, som vi har implementeret i klinikken«.
I forsøget på at finde ud af, hvordan persistens opstår og udvikler sig, fandt forskerne også ud af, at størrelsen af dvalepopulationen kan variere meget. I laboratoriet har det vist sig, at for nogle sygdomsfremkaldende bakterier går kun én ud af 10.000 i dvale. Men i en patient er situationen ofte en helt anden.
»Der er masser af bakterier, som er gået i dvale, fordi de har udtømt ressourcerne, der mangler ilt, eller hvad der nu kan være årsagen«, siger Søren Molin.
Helle Krogh Johansen: »Og den del, som er i dvale, vokser. Og oven i det får du en selektion, fordi du bruger antibiotika. Ikke bare er det en fordel at leve som bakterie i sådan et miljø, men der er også mutationer, som helt systematisk ændrer populationsstørrelsen. Så her er der én bakterie i dvale for hver 1.000. eller hver 100. bakterie«.
Forskerne forsøgte at finde en genetisk forklaring på størrelsen af den dormante population, fortæller Søren Molin:
»Vi undersøgte, hvor mange af bakterierne som øgede dormant-populationen takket være genetiske forandringer. Vores forventninger var, at vi kunne identificere en, to eller tre gener, som vi så kunne bruge som en genetisk markør. Men konklusionen var, at der er formentlig hundredvis af genetiske ændringer. Og mange af dem interagerer måske, så vi opgav at identificere, hvordan persistens opstår ved hjælp af genomsekventering«.
Til gengæld opdagede forskerne, at det omgivende miljø har stor betydning for udvikling af persistens. Og for eksempel stortrives bakterierne i lunger med slim og arvæv, der danner hulrum.
Derfor er netop lungerne også et godt miljø at studere persistens i. Men det er svært at genskabe det komplekse miljø i laboratoriet. Det har Søren Molin og Helle Krogh Johansen erfaret igen og igen i deres forskning.
Og især for Søren Molin som »laboratoriemand« har det været frustrerende.
»Meget af den eksisterende forskning er lavet på veldefinerede laboratoriestammer, men vores er jo kliniske stammer. Og alt ser anderledes ud i »junglen««.
Helle Krogh Johansen: »Ja, vi skal huske, at biologi ikke er definitivt. I laboratoriet fanger vi den bakterie, der vokser hurtigst frem. Men vi tænker ikke på hele den underskov, der er nedenunder, som ikke når at vokse frem til det tidspunkt, hvor vi aflæser prøven. Det gør det rigtig svært«.
Søren Molin: »Bakterier udvikler sig over tid til noget, som vi ikke kan kende igen. Og det gør de på tusind måder. Selv om de kommer fra én bakterie, så får du en masse subpopulationer. Når man fortolker sine negative og positive resultater i det lys, er det altså er en »zoologisk have«, vi har med at gøre«.
Det med at livsbetingelserne er afgørende, viste sig også at gælde i forhold til resistente bakterier.
»Hidtil har man haft en forestilling om, at når en bakterie har resistens over for et antibiotikum, så er den ti gange, hundrede gange eller tusind gange mere tolerant over for en bestemt mængde af antibiotika. Men det kommer helt an på betingelserne. Det er vigtigt at forstå, at antibiotikaresistens ikke er nogen absolut egenskab hos en bakterie. Ændrer man betingelserne en smule, kan det være, at resistensen falder fra tusind gange over det normale niveau til ti gange over det normale niveau«.
Søren Molin understreger, at viden fra forsøg med laboratoriestammer har ført til forståelsen af de biologiske principper, som forskerne anvender i tolkningen af det, de ser i klinikken.
»Men det er vigtigt, at man ikke tror, at de principielle betingelser, vi finder i laboratoriet, er sandhedsbårne i forhold til komplekse miljøer«.
Noget af det, forskerne gerne vil undersøge nærmere, er, hvilke mekanismer der hæmmer proteinsyntesen og sænker bakteriernes energiniveau, når de går i dvale. Det kunne nemlig være angrebspunkter for ny behandling.
Men det kræver mere avancerede modeller end de konventionelle, statiske systemer, hvor det svært at holde miljøet stabilt, når cellerne forbruger næringsstoffer. Derfor udvikler de nye, mere avancerede modeller, herunder organoider.
Organoiderne er dannet af stamceller, placeret i runde strukturer, som differentierer sig til forskellige celletyper som i en rigtig lunge. Ved at regulere luft- og vandtryk får forskerne mini-lungerne til at vende vrangen ud på sig selv, så fimrehårene sidder på ydersiden. Det gør det nemmere at inficere dem med bakterier.
Miniatureorganet har en diameter på omkring 200 mikrometer. Og fordelen ved den størrelse er, at der spares på dyre vækstfaktorer.
Tanken er at farve organoiderne og bakterierne med hver sin farve, for at undersøge hvor bakterierne hæfter sig fast.
De inficerede mini-lunger skal bruges både til at forske i de basale biokemiske processer, når bakterier etablerer sig, og til at teste antibiotika og andre stoffer.
Endnu ligger de første fem mini-lunger i fryseren på DTU. Efter sommerferien skal forsøgsprotokollen finjusteres, og så er de klar til de første forsøg.
Hvis alt falder i hak, finder forskerne ud af, hvordan en infektion begynder.
»Altså hvis vi finder forskellen på de bakterier, som kan slås ud med antibiotika, og dem, der bliver hængende, og som gør livet så utrolig svært for patienterne – ikke alene dem med CF – men hele vejen rundt, dem med knogleinfektioner, proteseinfektioner og lungeinfektioner – ville det være optimalt«, siger Helle Krogh Johansen.
