Det har længe undret læger, hvorfor visseskadelige tarmbakterier overlever en antibiotikakur. Nu har forskere fundet en del af svaret ved hjælp af et nyt minilaboratorium, der gør det muligt at studere, hvordan de farlige bakterier opfører sig i tarmens iltfrie miljø. Og dette er kun den første af mange gåder, chippen vil kunne hjælpe med at løse, spår forskerne.
På hospitaler over hele verden ser læger et mystisk mønster: Patienter behandles med antibiotika mod en infektion og får det bedre i løbet af få dage. Men kort tid efter vender symptomerne tilbage – nogle gange med så stor kraft, at det ubehandlet kan bringe patientens liv i fare. Laboratorieprøver viser, at den farlige bakterie Clostridioides difficile hurtigt blomstrer op efter behandlingen – især hos patienter, der har fået antibiotika mod andre infektioner i kroppen, hvor den normale tarmflora er slået ud.
Bag studiet står professor Thomas Emil Andersen sammen med læger og mikrobiologer fra Odense Universitetshospital og Syddansk Universitet. Resultaterne er for nylig publiceret i det videnskabelige tidsskrift npj Biofilms and Microbiomes.
„Det banebrydende er, at vi for første gang kan dyrke iltfølsomme bakterier på levende tarmceller over mange døgn og i et strømmende miljø, der ligner det i menneskets tarm – det har aldrig været muligt før," siger han, og fortsætter:
„Det betyder, at vi pludselig har fået et redskab, der gør os i stand til at forstå helt nye sider af, hvordan tarmbakterier interagerer med kroppen. Det åbner for, at vi kan løse mange af de gåder, som lægerne i dag står med, når infektionerne vender tilbage efter behandling.“
Når tarmbakterier pludselig bliver farlige
For at forstå, hvor stort et gennembrud der er tale om, må man zoome ind på selve scenen: tyktarmen. I denne del af tarmen er ilten opbrugt, og milliarder af bakterier har gennem evolutionen vænnet sig til et liv helt uden ilt. For dem er selv en smule ilt dødelig. Denne ekstreme følsomhed har længe gjort dem næsten umulige at nærstudere i et almindeligt laboratorium, hvor både forskere og forsøgsceller hele tiden er omgivet af ilt, der endda ser ud til at trænge igennem selv tætte materialer som plastik.
„Det har i årevis været et paradoks for os forskere, at når vi prøver at nærme os bakterier med vores forsøgsopstillinger, så slår vi dem ihjel. Vi har stået med den modsatrettede betingelse, hvor vi på den ene side skal beskytte bakterierne mod ilt og på den anden side holde tarmceller i live med ilt. Det har gjort det umuligt at forske, fordi vi ikke kunne holde bakterierne i live længe nok til at få svar på vores spørgsmål,“ påpeger han.
Han glæder sig derfor over, at det med den nye forsøgsopstilling er muligt at granske de anaerobe bakteriers adfærd og hvordan de helt konkret går til angreb på tarmen.
Når ilt er livsvigtigt for nogle – dødeligt for andre
Tidligere har forskere forsøgt sig med organ-on-a-chip-modeller, men de har været utilstrækkelige. Dels fordi det tog dage at suge al ilt ud af systemerne, dels fordi ilten hurtigt fandt vej ind igen. Med den nye chip kan ilten fjernes på få minutter, og opstillingen holder miljøet stabilt iltfrit i flere døgn.
Chippen består af en specialbygget plastikplatform med to separate flowkanaler adskilt af en membran. Selve chippen måler cirka 6–7 cm i længden og 3–4 cm i bredden. Gennem den ene kanal tilføres ilt til de menneskelige celler nedefra – ligesom de ville få det fra blodet i tarmen. I den anden kanal vokser bakterierne på tarmcellerne i et medie, som er gjort iltfrit ved en særlig metode som forskerne har indsendt to patentansøgninger på.
„Vi har i virkeligheden konstrueret et mini-tarmmiljø, hvor celler og bakterier lever side om side på samme måde som i kroppen. Det betyder, at vi kan studere, hvordan bakteriernes adfærd ændrer sig i mødet med kroppen – og hvordan de reagerer på behandling,“ siger Thomas Emil Andersen.
Han fortæller, at det er første gang, det er lykkedes at simulere tarmmiljøet så præcist over tid. For at dokumentere, at systemet virker, har de målt iltniveauet direkte i modellen.
Resultatet viste, at miljøet holder sig stabilt under 1 % i flere uger, og efter bakterier er introduceret i op til 5 døgn, hvor bakterierne vokser aktivt i hele perioden – akkurat som i menneskets tarm, siger han.
Hvorfor antibiotika svigter mod C. difficile
Forskerne har allerede brugt modellen til at teste, hvordan C. difficile reagerer på antibiotika. Ved at måle tilstedeværelsen af bakterier før, under og efter behandling kunne de konstatere, at bakterierne ikke forsvinder, selv om koncentrationen af antibiotika burde være dræbende. Infektionen blusser ganske enkelt op igen.
Studiet viser præcist det, lægerne ser hos deres patienter: Bakterien overlever ofte behandlingen. Det sker ved, at C. difficile forskanser sig i slimagtige strukturer, der kaldes biofilm. Inde i biofilmen kan bakterierne skjule sig, mens antibiotikakuren står på, for derefter at indlede nye angreb på tarmen, når faren er drevet over.
Forskerne har med modellen kunnet dokumentere både bakteriernes fortsatte tilstedeværelse, toksinernes udskillelse og den skade, der sker på tarmcellernes barriere.
„Det forklarer, hvorfor patienterne bliver syge igen,“ siger Thomas Emil Andersen.
En chip, der kan ændre behandlingen af infektioner
Hvert år rammer C. difficile hundredtusindvis af patienter på hospitaler verden over, og bakterien regnes i dag for en af de mest sejlivede og dyre hospitalsinfektioner at behandle.
Den nye model er derfor ikke bare en teknisk bedrift – den er et konkret forskningsværktøj, som kan bruges til at forstå sygdom og udvikle nye behandlinger. I det aktuelle studie fungerer chippen både som bevis på et teknisk gennembrud og som et funktionelt redskab, der har løst en hidtil uløselig gåde: Hvorfor nogle tarmbakterier overlever antibiotika og kommer igen.
„Vi har nu et bevis på, at modellen virker. Det er et gennembrud, fordi vi har skabt et realistisk alternativ til dyreforsøg – og noget, der på sigt kan gøre det nemmere og hurtigere at udvikle nye behandlinger,“ siger Thomas Emil Andersen.
Foreløbig er det stadig en prototype. Systemet er komplekst og fylder meget. Men med en bevilling fra Novo Nordisk Fonden arbejder forskerne på at komprimere det hele ned i en lille handy boks, som kan bruges af andre laboratorier. De regner med at have en brugbar version klar inden for et års tid.
„Vi er i dialog med firmaer, der laver gut-on-a-chip teknologi. Planen er, at vores model kan indgå som en opgradering i deres systemer. Og vi håber, at den på sigt kan bruges både i forskningsverdenen og i udviklingen af behandlinger – også uden at skulle bruge dyremodeller, der både kan være etisk problematiske og som i øvrigt er ret dårlige til at afspejle menneskets tarm,“ siger han.
Forskergruppen samarbejder også med biotekfirmaet Bactolife, som udvikler molekyler, der kan neutralisere de toksiner, C. difficile, frigiver. Samarbejdet skal vise, hvordan modellen kan bruges til at afprøve helt nye behandlingsstrategier, inden de når ud til patienter.
Dermed ender den lille plastikchip med at gøre noget, som forskere i årtier har kæmpet for: at åbne et vindue ind til tarmens mørke og iltfattige univers.
C. difficile er i dag en af de mest frygtede og udbredte hospitalsinfektioner. Med den nye chip har forskerne åbnet et kighul ind til tarmens mørke univers, hvor bakterierne skjuler sig, overlever og angriber igen – og måske en dag kan stoppes.
