Tuberkulose wird widerstandsfähiger Extreme Antibiotikaresistenz

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KNAUER Wissenschaftliche Geräte GmbH

Ionicon Analytik Ges.m.b.H.

Forschungszentrum Borstel Leibniz-Zentrum für Medizin und Biowissenschaften

Tuberkulose ist die tödlichste Infektionskrankheit der Welt. Und der Kampf gegen die Erreger wird schwerer. Denn immer mehr von ihnen sind resistent gegen gängige Antibiotika. Forscher haben die aktuelle Lage genau im Blick und setzen moderne Analysetechnik ein, um das Wettrüsten mit den Krankheitserregern für sich zu entscheiden.

Nach Schätzungen der Weltgesundheitsorganisation (WHO) ist etwa ein Drittel der Weltbevölkerung mit den Tuberkulose-Erregern aus dem Mycobacterium tuberculosis Komplex (Mtbk) latent infiziert oder bereits mit ihnen in Kontakt gekommen. Schätzungsweise entwickeln 5 bis 10% der latent infizierten Personen im Laufe ihres Lebens eine aktive Tuberkulose (TB), auch offene TB genannt, und können dann zum Überträger der Krankheit werden [1, 2]. Allein für 2018 berichtet die WHO von 1,2 Millionen Todesfällen und ca. 10 Millionen Neuerkrankungen durch die TB.

In Deutschland war in den vergangenen Jahrzehnten ein deutlicher Rückgang der TB-Inzidenz zu beobachten. So lag die TB-Inzidenz 1974 bei 59 Neuerkrankungen pro 100 000 Einwohner und ist bis zum Jahr 2012 auf nur noch 5,2 gesunken. Der leichte Neuanstieg seit 2013 ist einem aktuellen RKI-Bericht zufolge weitgehend auf Migration zurückzuführen. So sei der Anteil der im Ausland geborenen Patienten in den vergangenen Jahren kontinuierlich gestiegen und machte 2018 rund 70% aller registrierten Fälle aus [3].

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Resistente Tuberkulose

Die Behandlung und Eindämmung der TB wird zunehmend durch das vermehrte Auftreten multiresistenter Erreger erschwert (engl.: multi-drug resistant, MDR). Diese Erregerstämme können nicht mehr mit Isoniazid oder Rifampicin behandelt werden, den zwei am besten wirkenden Antibiotika in der TB-Therapie. Insgesamt erkrankten weltweit im Jahr 2018 schätzungsweise 500 000 Menschen an einer Rifampicin-resistenten (RR) Tuberkulose von denen 78% MDR waren [2]. Die Behandlung von Patienten mit MDR-TB ist, im Vergleich zu Patienten mit sensibler TB, deutlich langwieriger und hat weltweit lediglich einen Heilungserfolg von ca. 60% [2]. Prozentual treten die meisten MDR-TB Neuerkrankungen in den Ländern der ehemaligen Sowjetunion auf (Abb. 2). Gemessen an den absoluten Zahlen sind aber auch Indien und China mit jeweils 130 000 und 66 000 neuen MDR-TB-Fällen pro Jahr ein Schwerpunkt der derzeitigen MDR-TB-Epidemie [2].

Weltweit gesehen sind nach Schätzungen der WHO ca. 6% der MDR-TB-Patienten mit noch schwieriger zu behandelnden, extrem resistenten Erregerstämmen (engl.: extensively drug resistant, XDR) infiziert. Diese XDR-Stämme weisen zusätzliche Antibiotika-Resistenzen gegen eines der in der MDR-TB-Therapie eingesetzten Fluorquinolone sowie gegen eines der injizierbaren Medikamente – Amikacin, Capreomycin oder Kanamycin – auf. Weltweit wurden XDR-TB-Fälle bereits in 131 der insgesamt 194 Mitgliedstaaten der WHO beschrieben. Im Jahr 2018 wurden rund 13 000 XDR-TB-Patienten aus 81 verschiedenen Ländern registriert. Die fünf Länder mit den höchsten XDR-TB-Fallzahlen in 2018 waren Weißrussland, Indien, Russland, Südafrika und die Ukraine [2].

In Deutschland lag die MDR-TB-Rate im Jahr 2018 bei 3,1%, bzw. 118 Fällen, und ist damit vergleichbar zum Vorjahr 2017 mit 3,1% bzw 122 Fällen [3]. Fast die Hälfte der multiresistenten Stämme (48,3%) wiesen weitere Resistenzen gegenüber Zweitrangmedikamenten auf, acht waren sogar als extrem resistent eingestuft.

Resistenzen werden stärker

Die Resistenzentwicklung geht seit Jahren ungebremst weiter. Mittlerweile wurden so genannte Totally Drug Resistant (TDR)-Fälle mit Resistenzen gegenüber fast allen verfügbaren Medikamenten beschrieben [4, 5]. Die schnelle Anpassungsfähigkeit und Resistenzentwicklung der TB-Erreger zeigt sich auch an ersten Patienten, die eine XDR-TB mit zusätzlichen Resistenzen gegenüber den neuesten Antibiotika Delamanid und Bedaquiline entwickelt hatten [6, 7].

Stämme der Tuberkulose-Erreger weisen bereits gegenüber einer Reihe von Antibiotika eine intrinsische Resistenz auf, die zum Teil auf der schwer durchdringlichen, lipidreichen Zellwand beruht [8]. Die Entwicklung von zusätzlichen Antibiotikaresistenzen erfolgt bei Mtbk-Stämmen ausschließlich durch spezifische Erbgutveränderungen [9-11]. Diese Veränderungen in der Erreger-DNA treten spontan und zufällig auf und werden im Patienten, z.B. durch eine ineffektive Kombinationstherapie oder durch geringe Therapietreue des Patienten selektioniert [12, 13].

Mehrfachresistenzen entstehen durch mehrere Phasen ineffektiver Therapie, wodurch ein Stamm schrittweise weitere Resistenzen entwickeln kann – bis hin zur extremen Resistenz XDR und darüber hinaus [7].

Eingeschränktes Wachstum?

Lange herrschte das Dogma vor, dass Antibiotika-resistente Mtbk-Stämme gegenüber sensiblen Stämmen ein eingeschränktes Wachstum aufweisen, sich daher vermutlich weniger erfolgreich übertragen und in der menschlichen Bevölkerung weniger effektiv ausbreiten [11]. Dieser Hypothese widersprechen allerdings aktuelle Studien zu Ausbrüchen von MDR-TB-Stämmen sowie die Beobachtung, dass MDR-TB häufiger durch die Übertragung resistenter Stämme zwischen Patienten verursacht wird als durch die Entwicklung von Resistenzen während der Therapie [11, 14-16].

So haben Wissenschaftler des Forschungszentrums Borstel und des Deutschen Zentrums für Infektionsforschung gezeigt, dass MDR-TB-Stämme in verschiedenen Regionen der Welt effizient übertragen werden und ein großer Teil der MDR-TB-Fälle in einer Region durch wenige MDR-TB-Ausbruchsstämme verursacht werden kann. Entsprechende Ausbruchstämme können sich über Ländergrenzen hinweg ausbreiten und auch in Länder mit niedriger TB-Inzidenz z.B. durch Migration eingeführt werden [17]. In einer gerade veröffentlichten europaweiten Untersuchung resistenter TB-Fälle fanden die Forscher 56 grenzüberschreitende Ausbruchs-Cluster mit insgesamt 316 RR/MDR-Mtbk-Stämmen. Diese grenzüberschreitenden Cluster umfassten zwischen zwei und dreißig resistente Isolate aus jeweils zwei bis sechs Ländern und veranschaulichen die reale Ausbreitung resistenter TB-Erreger über Ländergrenzen hinweg [17].

Nahezu alle MDR/XDR-Mtbk-Stämme in größeren Ausbrüchen tragen hierbei Kombinationen von spezifischen Resistenzmutationen, die einen geringen Einfluss auf das bakterielle Wachstum haben („low fitness cost mutations“) und eine effektive Übertragung ermöglichen [11, 16]. Für die hochauflösende Analyse der Ausbreitung und Evolution von MDR/XDR-Mtbk-Stämmen werden vermehrt genombasierte Verfahren eingesetzt, die z.B. eine präzise Ermittlung von Resistenzmechanismen und die Detektion von Ausbruchsstämmen ermöglichen (s. Abb. 1).

Diagnostik

Für eine effektive und schnell wirksame Therapie ist eine schnelle Diagnostik mit umfassender und präziser Resistenztestung von entscheidender Bedeutung [2]. Neben dem Nachweis einer aktiven TB-Infektion, z.B. durch mikroskopische Untersuchung des Sputums (Patientenauswurf) oder PCR-Schnelltests, ist die Untersuchung auf vorliegende Resistenzen unverzichtbar [21]. Die Resistenztestung kann mit phänotypischen oder molekularbiologischen Verfahren durchgeführt werden [22].

Grundsätzlicher Nachteil der Kulturverfahren ist das langsame Wachstum der TB-Erreger durch die Generationszeit von 24 bis 48 Stunden. So benötigt der Nachweis von Resistenzen auf Festmedium acht bis zwölf Wochen und in Flüssigmedium 7 bis 13 Tage [23]. Bis ein vollständiges Resistenzprofil vorliegt, wird oft auf eine standardisierte oder empirische Therapie zurückgegriffen, die das Risiko birgt, dass bereits neue Resistenzen selektioniert werden, bevor ein, dann zu diesem Zeitpunkt möglicherweise veraltetes, Ergebnis vorliegt. Eine weitere Schwierigkeit ist, dass phänotypische Tests einzelner Antibiotika schwer reproduzierbar sind [24].

Genomsequenzierung als Test

Heutzutage kann mithilfe so genannter Next Generation Sequencing (NGS)-Verfahren schnell und zuverlässig das gesamte Genom der TB-Erreger analysiert werden [25]. Darüber hinaus können die Genomdaten direkt für molekularepidemiologische Analysen, z.B. für eine hochauflösende Genotypisierung für Ausbruchuntersuchungen eingesetzt werden (s. Abb. 1) [26].

Die Verwendung von Sequenzierungsdaten zur Resistenzbestimmung von Mtbk-Stämmen ist ein vielversprechender Ansatz, der zunehmend die phänotypischen Tests ersetzt [27]. Ein Nachteil gegenüber den molekularen Schnelltests ist bei den herkömmlichen Verfahren zur Genomsequenzierung die Notwendigkeit einer langwierigen Kultivierung des Erregers. Die aktuelle Forschung hat ihren Schwerpunkt daher auf der Resistenzbestimmung mittels Sequenzierung aus Primärmaterial, wie z.B. Sputum. Hierzu sind erste, für die Diagnostik zertifizierte Verfahren wie das Deeplex-MycTB der französischen Life-Sciences-Firma Genoscreen erhältlich, welches die NGS-basierte Vorhersage von Resistenzen gegenüber 13 Antibiotika aus Primärmaterial ermöglicht [28]. Zur einfachen Visualisierung, Interpretation und Berichterstattung der molekularen Daten wird eine Webanwendung mit integrierten Datenbanken verwendet.

Literatur

• [1] Tuberkulose als Berufskrankheit: ein Leitfaden zur Begutachtung und Vorsorge. (Ecomed Medizin, 2012).

• [2] World Health Organization. Global Tuberculosis Report 2019. (World Health Organization, 2019).

• [3] Robert-Koch-Institut Bericht zur Epidemiologie der Tuberkulose in Deutschland für 2018. (2019) doi:10.25646/6195.

• [4] Velayati, A. A. et al. Totally drug-resistant tuberculosis strains: evidence of adaptation at the cellular level. Eur. Respir. J. 34, 1202–1203 (2009).

• [5] Klopper, M. et al. Emergence and spread of extensively and totally drug-resistant tuberculosis, South Africa. Emerging Infect. Dis. 19, 449–455 (2013).

• [6] Bloemberg, G. V. et al. Acquired Resistance to Bedaquiline and Delamanid in Therapy for Tuberculosis. N. Engl. J. Med. 373, 1986–1988 (2015).

• [7] Hoffmann, H., Hofmann-Thiel, S., Merker, M., Kohl, T. A. & Niemann, S. Reply: Call for Regular Susceptibility Testing of Bedaquiline and Delamanid. Am. J. Respir. Crit. Care Med. 194, 1171–1172 (2016).

• [8] Nguyen, L. & Pieters, J. Mycobacterial subversion of chemotherapeutic reagents and host defense tactics: challenges in tuberculosis drug development. Annu. Rev. Pharmacol. Toxicol. 49, 427–453 (2009).

• [9] Ramaswamy, S. & Musser, J. M. Molecular genetic basis of antimicrobial agent resistance in Mycobacterium tuberculosis: 1998 update. Tuber. Lung Dis. 79, 3–29 (1998).

• [10] Niemann, S., Merker, M., Kohl, T. & Supply, P. Impact of Genetic Diversity on the Biology of Mycobacterium tuberculosis Complex Strains. Microbiology Spectrum 4, (2016).

• [11] Dheda, K. et al. The epidemiology, pathogenesis, transmission, diagnosis, and management of multidrug-resistant, extensively drug-resistant, and incurable tuberculosis. The Lancet Respiratory Medicine 5, 291–360 (2017).

• [12] Kempker, R. R. et al. Acquired Drug Resistance in Mycobacterium tuberculosis and Poor Outcomes among Patients with Multidrug-Resistant Tuberculosis. Emerg Infect Dis 21, 992–1001 (2015).

• [13] van Rie, A. et al. Exogenous Reinfection as a Cause of Recurrent Tuberculosis after Curative Treatment. New England Journal of Medicine 341, 1174–1179 (1999).

• [14] Pardini, M. et al. Characteristics of drug-resistant tuberculosis in Abkhazia (Georgia), a high-prevalence area in Eastern Europe. Tuberculosis (Edinb) 89, 317–324 (2009).

• [15] Niemann, S. et al. Mycobacterium tuberculosis Beijing lineage favors the spread of multidrug-resistant tuberculosis in the Republic of Georgia. J. Clin. Microbiol. 48, 3544–3550 (2010).

• [16] Merker, M. et al. Evolutionary history and global spread of the Mycobacterium tuberculosis Beijing lineage. Nat Genet 47, 242–249 (2015).

• [17] Tagliani, E. et al. Use of a Whole Genome Sequencing-based approach for Mycobacterium tuberculosis surveillance in Europe in 2017–2019: an ECDC pilot study. European Respiratory Journal (2020) doi:10.1183/13993003.02272-2020.

• [18] Treatment of tuberculosis: guidelines. (World Health Organization, 2010).

• [19] World Health Organization. Companion Handbook to the WHO Guidelines for the Programmatic Management of Drug-Resistant Tuberculosis. (World Health Organization, 2014).

• [20] Diel, R. Behandlungskosten für Tuberkulose und MDR-/XDR-Tuberkulose in Deutschland. (2014).

• [21] Stop TB Partnership. The global plan to stopTB, 2006-2015. (2006).

• [22] Starzacher, A. K., Otto-Knapp, R., Bös, L. & Bauer, T. Tuberkulose: Diagnostik und Therapie. Journal MED (2014).

• [23] Smith, I. Mycobacterium tuberculosis Pathogenesis and Molecular Determinants of Virulence. Clin. Microbiol. Rev. 16, 463–496 (2003).

• [24] Horne, D. J. et al. Diagnostic Accuracy and Reproducibility of WHO-Endorsed Phenotypic Drug Susceptibility Testing Methods for First-Line and Second-Line Antituberculosis Drugs. J Clin Microbiol 51, 393–401 (2013).

• [25] Brown, A. C. et al. Rapid Whole-Genome Sequencing of Mycobacterium tuberculosis Isolates Directly from Clinical Samples. J. Clin. Microbiol. 53, 2230–2237 (2015).

• [26] Kohl, T. A. et al. Whole-genome-based Mycobacterium tuberculosis surveillance: a standardized, portable, and expandable approach. J. Clin. Microbiol. 52, 2479–2486 (2014).

• [27] Coll, F. et al. Rapid determination of anti-tuberculosis drug resistance from whole-genome sequences. Genome Medicine 7, 51 (2015).

• [28] Feuerriegel, S. et al. Rapid genomic first- and second-line drug resistance prediction from clinical Mycobacterium tuberculosis specimens using Deeplex®-MycTB. Eur Respir J 2001796 (2020) doi:10.1183/13993003.01796-2020.

* Dr. V. Dreyer, Dr. T. A. Kohl, Dr. C. Utpatel, Dr. M. Merker, Prof. Dr. S. Niemann, Forschungszentrum Borstel, 23845 Borstel

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