Stort sats inden for forskning i kroniske infektioner hos cystisk fibrosepatienter

Kroniske infektioner er en trussel mod helbredet for mange mennesker, der har sygdomme som diabetes, kronisk obstruktiv lungesygdom (KOL), mavesår eller cystisk fibrose.

Hidtil har forskere haft meget svært ved at studere kroniske infektioner, fordi de ofte opfører sig meget anderledes i laboratoriet, end de gør i patienterne.

Eksempelvis kan nogle bakterier se ud til at være følsomme over for visse antibiotika, når de bliver undersøgt i laboratoriet, men når de samme antibiotika gives til patienter, har de ingen virkning på bakterierne. Det omvendte kan også være tilfældet.

Der er derfor presserende behov for en ny tilgang til at undersøge kroniske infektioner, og det er netop, hvad en gruppe forskere bag et nyt stort anlagt forskningsprojekt er i gang med at udvikle.

De opdagelser, som det nye projekt kommer frem til, kan få stor klinisk betydning for mange mennesker, som i dag bliver ofre for bakterier, som inficerer deres krop og forårsager alvorlig sygdom.

”Langt de fleste akutte infektioner klarer kroppen selv sammen med antibiotika. Men for en lang række patienter virker antibiotika ikke på bakterierne, og så bliver infektionerne kroniske. Når det eksempelvis drejer sig om lungerne hos en patient med cystisk fibrose, betyder det, at deres lunger langsomt svækkes, indtil de ikke kan mere,” forklarer lederen af forskningsprojektet, professor og overlæge Helle Krogh Johansen fra Klinisk Mikrobiologisk Afdeling på Rigshospitalet i København og Novo Nordisk Foundation Center for Biosustainability ved Danmarks Tekniske Universitet (DTU), Kongens Lyngby.

Helle Krogh Johansen har sammen med sine samarbejdspartnere modtaget 60 millioner kroner fra Novo Nordisk Fonden i en Challenge Programme-bevilling til at realisere projektet, der er sat til at vare 6 år.

Kroniske infektioner skaber problemer for mange mennesker

Kroniske infektioner opstår i altovervejende grad hos folk, der har en underliggende sygdom.

Det kan dreje sig om lungesygdommene cystisk fibrose, KOL eller primær ciliedyskinesi, men det kan også dreje sig om kroniske sår, som er set hos patienter med overvægt eller diabetes. En tredje mulighed er kroniske mavesår.

Cystisk fibrose er Helle Krogh Johansens ekspertområde. Dét og andre lungesygdomme kan skabe grobund for opportunistiske bakterier, som udnytter de svækkede lunger til at kolonisere vores indre.

• Ved cystisk fibrose giver en genfejl et unormalt sejt og dehydreret slim i lungerne, og det slim er guf for bakterier at vokse i.

• Ved primær ciliedyskenesi er en genfejl årsag til, at de små fimrehår i lungerne ikke arbejder sammen om at få fjernet snavs fra lungerne. Når slim og snavs ophobes, skaber det også en optimal grobund for bakterier.

• Ved KOL har patienterne på grund af tilstanden fået udskiftet meget af det fine cilierede lungevæv med slimproducerende celler, og som ved de andre sygdomme er det lige noget for bakterier at slå sig ned i.

Selvom de altså er tre forskellige sygdomme med tre forskellige baggrunde, har de det tilfældes, at dysfunktionelle lunger gør det muligt for bakterier at kolonisere dem. Desuden har alle tre sygdomme det til fælles, at lungerne ofte bliver koloniseret med bakterien Pseudomonas aeruginosa.

”Når vi taler om kroniske infektioner i lungerne, taler vi oftest om infektioner med P. aeruginosa. Normalt er det ikke en smitsom bakterie, der skaber problemer for os mennesker, men det er et opportunistisk patogen, som slår til, hvis den ser nogle svaghedstegn. Det kan dreje sig om lungerne hos lungepatienter eller i kroniske sår hos patienter med diabetes eller ved brandsår. Man kan også få øregangsbetændelse med P. aeruginosa, hvis ikke vandet i svømmehallen er klorineret tilstrækkeligt,” forklarer Helle Krogh Johansen.

Patienter med cystisk fibrose er i livslang antibiotikabehandling

Selvom P. aeruginosa kan være en led karl, der udnytter et par svage lunger til at skabe sig en økologisk niche for sig selv, kommer bakterien sædvanligvis ikke valsende, allerede når et barn med cystisk fibrose fødes.

Spædbørn, der har cystisk fibrose og kravler rundt på gulvet derhjemme, får sjældent infektioner med P. aeruginosa som det første.

Det er helt andre bakterier, der først koloniserer lungerne, eksempelvis Haemophilus influenzae, pneumokokker og stafylokokker.

Når disse første uønskede bakterier sætter sig i lungerne, begynder de at fremkalde betændelse i lungevævet, og det baner vejen for, at P. aeruginosa kan kolonisere lungerne senere hen, hvilket oftest sker omkring teenageårene.

”De første typer bakterier kan vi behandle med antibiotika, men P. aeruginosa kan vi ikke gøre ret meget ved andet end at forsøge at holde den nede med antibiotika. Men vi kan ikke få den til at forsvinde selv med store doser antibiotika. Derfor skal patienter med cystisk fibrose i livslang behandling med antibiotika for at holde infektionen i skak og bevare så meget af lungevævet som muligt,” siger Helle Krogh Johansen.

Én af verdens største biobanker med bakterier fra patienter med cystisk fibrose

I sin forskning har Helle Krogh Johansen arbejdet med P. aeruginosa i mange år.

Hendes forskning har lært hende, at der er mere mellem himmel og jord, når det gælder kroniske infektioner med P. aeruginosa i lungerne hos patienter med cystisk fibrose.

I 2004 begyndte hun systematisk at opsamle Pseudomonas-bakterier fra unge patienter med cystisk fibrose og har siden da uafbrudt opbevaret tusindvis af bakterier fra mange patienter. Det er i dag én af verdens største og mest komplette samlinger, som udgør prøver med P. aeruginosa fra mange patienter 16 år tilbage i tiden, og det er derfor muligt at undersøge, hvordan infektioner udvikler sig, fra første gang P. aeruginosa blev opsporet over tid, indtil infektionen blev kronisk i den enkelte patients lunger.

En undersøgelse af genetiske data fra 34 patienter viste, at P. aeruginosa ændrer sig over tid og på fremragende vis tilpasser sig livet i lungerne hos cystisk fibrosepatienter.

”Vi kunne se, at nogle patienters P. aeruginosa var tæt på identiske. Disse patienter havde øjensynligt smittet hinanden, måske på hospitalet, og det ledte til en praksisændring på Rigshospitalet, så patienter ikke længere har samme mulighed for at smitte hinanden med bakterien. Vi vil helst have, at unge mennesker kan udskyde smitten med P. aeruginosa så længe som muligt,” forklarer Helle Krogh Johansen.

Bakterier bliver resistente over for antibiotika

Undersøgelsen viste også, at der ofte ikke er overensstemmelse mellem bakteriernes opførsel i laboratoriet og i lungerne hos patienterne.

Nogle bakterier bærer resistensgener, men er kun resistente i lungerne og ikke, når de testes i laboratoriet.

Andre gange forholder det sig omvendt: andre bakterier ser ikke ud til at være genetisk resistente, men viser sig at være resistente overfor antibiotika i klinikken.

”Vi fandt til vores store overraskelse også, at det ofte er sådan, at bakterier udvikler resistensgenerne i lungerne hos patienterne, flere år inden de bliver resistente i laboratoriet. Og når de så bliver resistente i laboratoriet, er de pludselig blevet højresistente i lungerne,” forklarer Helle Krogh Johansen.

Bakterier opfører sig anderledes i lungerne end i laboratoriet

En anden undersøgelse i Helle Krogh Johansens gruppe viser, at bakterierne også udtrykker sig forskelligt i lungerne og i en petriskål i laboratoriet.

I disse forsøg analyserede forskerne, hvordan alle bakteriernes gener bliver udtrykt (transkriptomet) i patientlunger fra ophostede prøver, som blev taget direkte fra lungerne hos patienter med cystisk fibrose. Resultatet sammenlignede de med transkriptomet i de samme bakterier i laboratoriemedier.

Denne undersøgelse viste også, at der er stor forskel på den måde, bakterierne opfører sig i lungerne og i laboratoriet.

”Igen fandt vi klar evidens for, at laboratorieundersøgelser som regel er meget langt fra det, der foregår i virkeligheden. Vi indså også, at det er meget svært at finde ud af, hvad der foregår i lungerne hos patienter med cystisk fibrose, når de udvikler kroniske infektioner med resistente P. aeruginosa, hvis man blot undersøger sekret i petriskåle i laboratoriet. Vi har behov for en helt anden måde at undersøge tingene på, for at det kan blive klinisk relevant,” siger Helle Krogh Johansen.

Laver små cellebolde til at studere lungevæv

De mange erkendelser af manglerne i forskernes muligheder for at undersøge infektioner med P. aeruginosa i et realistisk forskningsregi førte til etableringen af det igangværende forskningsprojekt.

Helt overordnet set handler det om at skabe nogle bedre modelsystemer for at undersøge kroniske infektioner med P. aeruginosa i lungerne hos patienter med cystisk fibrose, KOL og primær ciliedyskinesi, men også i relation til kroniske sår i huden eller i mavesækken.

Forskerne i det internationale samarbejde, Helle Krogh Johansen står i spidsen for, har sat sig for at udvikle en organoid infektionsmodel.

Organoider er små bolde af celler eller ”miniature-organer”, som forskere kan dyrke i laboratoriet.

Forskerne isolerer stamceller fra eksempelvis en biopsi, en lungeskylning eller et celleskrab fra næsen.

Derefter kan de dyrke cellerne i laboratoriet og få dem til at danne små bolde, i hvilke overfladen af lungevævet vender indad i bolden.

Det er dog ikke så praktisk, hvis man vil undersøge vævsoverflader, så derfor har forskerne udviklet en metode, så de kan få celleboldene til at vende vrangen udad, så hele overfladen af celleboldene kommer til at repræsentere overfladen på lungevæv, hvor bakterierne sætter sig fast.

Næse- og lungevæv næsten identisk

Helle Krogh Johansen fortæller, at forskerne også kan benytte celleskrab fra næsen til at lave celleboldene.

Fysiologisk set er vævet i næsen og i lungerne næsten det samme, og derfor kalder forskere også ofte næsen og lungerne for ”united airways”.

Helle Krogh Johansen har selv sammen med øre-hals-lægerne på Rigshospitalet igangsat en ny standard for behandling af cystisk fibrose ved simpelthen kirurgisk at åbne op og rense i bihulerne, så antibiotika kan komme ind og slå P. aeruginosa ned, inden bakterierne bevæger sig ned fra næsen og bihulerne og får etableret sig i lungerne.

”Dét kan være med til at skubbe tidspunktet for smitte med P. aeruginosa i lungerne hos patienter med cystisk fibrose,” forklarer Helle Krogh Johansen.

Forskere har allerede facitlisten

Helle Krogh Johansen forklarer, at det smarte ved deres nyudviklede modelsystem er, at forskerne kan gå tilbage i de 16 år gamle bakterieprøver, som de har i fryseren, og prøve at genskabe, hvad der skete i de tidlige faser af infektion i patienterne.

De kan se genomsammensætningen i bakterierne, de kender til resistensudviklingen, og de ved, hvordan patienterne er blevet behandlet under infektionen.

”Vi har facitlisten, og så skal vi bare prøve at genskabe den i dette modelsystem. Så kan vi også begynde at manipulere ved opsætningen og se, hvordan infektionen ville have udviklet sig, hvis vi havde gjort tingene anderledes,” forklarer Helle Krogh Johansen.

Vil finde markører for udvikling af kroniske infektioner

Helle Krogh Johansen tror på, at forskningsprojektet kan markere en ny epoke inden for forskning i cystisk fibrose og kroniske infektioner i relation til andre sygdomme.

Hun håber, at de i forskningsprojektet eksempelvis vil finde markører, som de kan benytte til at forudsige, hvornår en infektion med P. aeruginosa er ved at blive behandlingsresistent.

Det kan dreje sig om et udtryk i bakterierne eller i de humane immunceller, der ændrer sig, og det kan give et hint om, hvor sygdommen er på vej hen, og hvad den bedste mulighed for at behandle den er.

”Drømmen er at finde nogle markører, som hurtigt kan afsløre udvikling af resistens. Det kan også være, at vi kan finde andre bakterier, der medvirker til udvikling af resistens i P. aeruginosa, og det er dem, vi skal behandle. Den slags kan vi finde ud af med dette modelsystem,” siger Helle Krogh Johansen.

At sikre klinisk relevans

Meningen med forskningsprojektet er også, at det hurtigt skal omsættes til noget, der kan komme patienter til gavn. Ellers ville Hele Krogh Johansen aldrig være gået ind i det, fortæller hun.

Hun forventer, at forskningen kommer til at gøre en forskel, fordi alt indtil videre tyder på, at forsøgsopsætningen er robust og mange gange bedre end tidligere forsøgs-setup i for eksempel mus og rotter.

”Den største fordel er, at vi bruger patienternes eget luftvejsvæv. Det er som at lave en minimodel af den enkelte patient, og derfor kan vi også bruge modellen til at sige noget om den enkelte patient og indføre personlig medicin hos patienter med vedvarende infektioner. Hos nogle udvikler sygdommen sig anderledes end hos andre, og vi kan genskabe det præcist for hver patient og studere, hvad man kunne have gjort eller kan gøre for at forbedre deres tilstand,” siger Helle Krogh Johansen.

Helle Krogh Johansen modtog i 2019 en Challenge Programme-bevilling fra Novo Nordisk Fonden til projektet ”Persistent bacterial infections (PERFECTION)”.