Mekanismer för kinolonresistens hos Neisseria gonhorroeae Examensarbete i mikrobiologi, 20 p 2002 Camilla Lang Institutionen för biologisk grundutbildning, Stockholms Universitet Handledare: Bengt Wretlind, professor Emma Lindbäck, ST-läkare Kerstin Bergman, Biomedicinsk analytiker Karolinska Institutet, Huddinge Universitetssjukhus Abstract Antibiotic resistance in gonococci is an increasing problem in the treatment of gonorrhea. Ciprofloxacin is the recommended drug to use, however, resistance has developed especially in Asia. The main mechanism for resistance is mutations in the genes encoding the target enzymes, DNA gyrase (gyrA) and topoisomerase IV (parC). However, these mutations are not enough to give the high levels of resistance observed in many strains. To investigate if an efflux pump that actively exports ciprofloxacin out of the cell is the explanation, two transformations were made. DNA from two resistant strains were inserted in a susceptible strain, the quinolone resistance determining region of the transformants were sequenced and the levels of resistance tested with Etests. The gyrA mutations were found in all transformants, but the resistance levels were considerably lower than in the donor strains, showing the importance of an additional mechanism. Gel electrophoresis was used to search for proteins with the size of bacterial outer membrane proteins, and the intracellular concentration of ciprofloxacin, with and without an efflux inhibitor, was measured. The results could neither prove nor exclude the presence of an efflux pump. However, the methods used need to be optimized to suit gonococci and to be repeated in order to give reliable results. 2 Förkortningar ATP BHI CCCP cfu far MATE MFP MFS MIC mtr QRDR RND SMP TSB Adenosintrifosfat Brain heart infusion broth Carbonylcyanid m-klorofenylhydrazon Colony forming unit Fatty acid resistance Multidrug and toxic compound extrusion Membrane fusion protein Major faciliator superfamiljen Mininum inhibitory concentration Multiple transferable resistance Quinolone resistance determining region Resistance nodualtion division Small multidrug resistance protein tryptic soy broth 3 Inledning Neisseria gonorrhoeae Familjen Neisseriaceae består av släktena Neisseria, Branhamella, Moraxella, Kingella och Acinetobacter (1). Släktet Neisseria omfattar bl a N. lactamica, N. sicca, N. cinerea, N. subflava, N. flavescens och N. mucosa som är icke-patogena och ingår i normalfloran i slemhinnorna i nasofarynx hos människa samt N. gonorrhoeae och N. meningitidis som betraktas som humanpatogener (1, 2). Neisseria gonorrhoeae (gonokocker) är 0,6-1,5 μm stora, kaffebönsformade gramnegativa bakterier som ofta förekommer som diplokocker (1, 3, 4, 5). De påvisades för första gången med mikroskopets hjälp av Albert Neisser år 1879 i varceller från en patient med gonorré (2). N. gonorrhoeae är strikta parasiter som tillverkar indofenoloxidas och katalas, är icke sporbildande samt saknar rörlighet (4) och kapsel. De kräver också CO2-haltig miljö för sin initiala tillväxt (2, 5). N. gonorrhoeae är enbart humana patogener som inte kan överleva längre perioder utanför den mänskliga värden, förutom under laboratorieförhållanden (1, 2, 3, 6). Gonorré Gonorré är en sexuellt överförbar sjukdom som har funnits i tusentals år (2, 6). Det är den näst vanligaste könssjukdomen efter klamydia och drabbar framför allt människor med frekventa partnerbyten (1). Inkubationstiden är 2-6 dagar och symptomen skiljer sig mellan män och kvinnor. Hos kvinnor involverar infektionen vanligen uretra och cervix, men kan även spridas till äggledarna och orsaka salpingit, i värsta fall med sterilitet som följd (2, 4). I många fall är symptomen milda och svåra att skilja från andra infektioner. Ofta upptäcks inte ens infektionen. (1, 3, 4). I sällsynta fall kan dock spridning till blodet ske, med eventuell artrit som följd (4). Hos män uppstår ofta en smärtsam infektion i urinröret med påföljande flytning (1, 3, 4). Vanligtvis är sjukdomen begränsad till uretra, men spridning till prostata och epididymis kan förekomma (2, 4). Gonokocker kan förutom gonorré också ge upphov till ophtalamia neonatorum, ögoninfektioner hos nyfödda (1, 2, 3). Barn som föds av gonorrésmittade mödrar kan få infektioner under förlossningen (1, 2, 3). Obehandlat kan detta leda till blindhet genom att kornealepitelet förstörs (2). Credés profylax, d v s instillering av silvernitrat i ögonen på nyfödda har varit av mycket stor betydelse för att reducera denna sjukdom, som i början av 1900-talet var den vanligaste orsaken till förvärvad blindhet (1, 2). I Sverige upphörde man med denna profylax 1983 och sedan dess har endast några enstaka fall av ophtalamia neonatorum rapporterats (2). Bakterien tar sig in i kroppen via slemhinnorna i genitaltrakten (3) efter att ha blivit överförda genom samlag. De primära målcellerna är icke-cilierat cylindriskt epitel i genitalslemhinna och hornhinna. Förutom pili krävs också Protein II och eventuellt lipopolysackarid för vidhäftning. Mikrokolonier bildas på cellytan och mikrovilli hos värdcellen stimuleras att 4 omsluta enskilda gonokocker som genom endocytos innesluts i en fagolysom. Där sker förökning och fagolysosomen lägger sig inne i cellen. Där brister dess membran varpå gonokockerna kan penetrera till underliggande vävnad. Den infekterade cellen exfolieras då, leukocyter strömmar till och den inflammatoriska reaktionen startar (2). Trots förekomsten av effektiva behandlingsmetoder är gonokockinfektioner relativt vanliga. Detta beror dels på att genomgången gonorré inte följs av immunitet, utan upprepade infektioner är vanliga. Dessutom ger användande av orala preventivmedel förändrade slemhinnor vilket är till gonokockernas fördel. En tredje anledning är att asymptomatiska kvinnor och män med frekventa partnerbyten lätt kan föra smittan vidare till många andra individer (2, 3). Sverige har en relativt tillförlitlig statistik över gonorré alltsedan 1912, då läkare ålades skyldighet att anmäla nyupptäckta fall. Första halvåret 2002 raporterades 248 fall, vilket är en minskning med 13% jämfört med samma period under 2001. Annars har antalet fall stigit sedan 1997. Fortfarande smittas betydligt fler män än kvinnor (www.smittskyddsinstitutet.se). I Smittskyddslagen ingår gonorré bland de samhällsfarliga sjukdomarna och måste därför rapporteras (2). Behandling av gonorré Ampicilinderivat har länge använts som ett effektivt förstahandsmedel mot gonorré (4), men på 1970-talet uppstod gonokockstammar som var resistenta mot penicillin beroende på en plasmid som kodar för penicillinas (3, 5). Andelen penicillinasproducerande stammar har i Sverige endast utgjort 1-2% medan siffror på 20-40% rapporterats från Sydostasien, vissa områden i Afrika samt vissa storstäder i Europa (2). En plasmid som kodar för tetracyklinresistens har också hittats (5). Därför används idag ofta kinoloner såsom ofloxacin eller ciprofloxacin i behandlingen mot gonorré (4, 7). Kinoloners verkningsmekanism Kinoloner introducerades på 1980-talet (8). De är bredspektrumantibiotika som kan användas mot en rad olika gram-negativa bakterier (9). De verkar bakteriedödande med två livsnödvändiga bakteriella enzymer som mål: DNA-gyras och topoisomeras IV. Gyras spelar flera olika roller i kromosomens funktion. En är att bibehålla en viss nivå av supercoiling, vilket aktiverar kromosomen för alla reaktioner som involverar separation av de två strängarna. En annan funktion är att underlätta rörelse av replikations- och transkriptionskomplex genom DNA genom att införa negativa supercoils framför komplexen. En ytterligare funktion är att avlägsna knutar på DNA samt att böja och vika DNA. (8). DNA-gyras binder till DNA som en tetramer där två A- och två B-subenheter vrider DNA i en positiv supercoil. Dessa två subenheter kodas av generna gyrA och gyrB. Sedan passerar en region DNA genom en annan genom att DNA klipps upp och sedan sammanfogas igen. Bindning av ATP till gyras bestämmer riktningen som DNA flyttar sig i, förmodligen genom konformationsändringar hos gyras (8). 5 Topoisomeras fungerar genom att separera de två dottersträngarna efter replikation och består liksom gyras av fyra subenheter, två av vardera ParC och ParE. Produkten av den närliggande genen parF kan eventuellt underlätta DNA-beroende membranbindning av topoisomeras IV. Likheterna mellan gyras och topopisomeras födde tanken att även topoisomeras kan vara ett mål för kinoloner. Det har nu visats att så är fallet. Hos vissa arter, såsom E. coli och N. gonorrhoeae, är kinolonernas främsta målenzym gyras, medan det hos Streptococcus pneumoniae är topoisomeras IV (8). Dessa ovan nämnda processer avbryts av kinoloner, som låser enzymerna i en position då endast halva reaktionen ägt rum, d v s då DNA är sönderklippt men inte sammanfogat igen, vilket leder till dubbelsträngsbrott på kromosomen och följaktligen bakteriens död. (8). Först bildas ett kinolon-enzym-DNA-komplex som innehåller uppklippt DNA. Gyras har då skapat två enkelsträngsbrott på DNA där det virats runt enzymet för att bilda en öppning där en annan del av DNA kan passera. Efter att DNA har passerat, stängs öppningen och hydrolys av ATP återställer gyraset och gör det redo för en ny reaktion. Kinolonerna verkar låsa DNAgyras-komplexet efter att DNA klippts upp, men innan det sammanfogats igen. Det verkar också som om gyras kan återförsluta öppningen i DNA om kinolonerna avlägsnas (8). Resistens mot fluorokinoloner ökar hos ett antal gramnegativa bakterier, främst hos Pseudomonas aeruginosa, men hos praktiskt taget alla arter där dessa antibiotika har använts (3). Flera olika studier har visat att ett samband föreligger mellan mutationer i QRDR (Quinolone Resistance Determining Region) i generna gyrA respektive parC och resistens mot fluorokinoloner hos gramnegativa bakterier, inklusive gonokocker. Dessa mutationer förhindrar alltså kromosombrott till följd av kinolonbehandling (7, 8, 10), men kan inte vara hela förklaringen till uppkomsten av resistens (7). En annan resistensmekanism kan vara aktiv efflux (9, 10). Effluxoumpar som mekanism för antibiotikaresistens har rapporterats hos Burkholderia cepacia, Campylobacter jejuni, Cotrobacter freundii, Enterobacter aerogenes, Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae, Proteus vulgaris, Pseudomonas aeruginosa, Salmonella enterica serovar Typhimurium, Shigella dysentariae, Stenotrophomonas maltophilia, Vibrio parahaemolyticus och anaeroben Bacteroides fragilis (9). En effluxpump troligen tillhörande RND-familjen och som transporterar ut ciprofloxacin och oflxacin har hittats hos Serratia marcescens (10). Effluxpumpar Efflux som mekanism för antibiotikaresistens rapporterades för första gången under det tidiga 1980-talet, och gällde tetracyklin. Sedan dess har efflux-medierad resistens mot ett flertal antibiotika, inklusive fluorokinoloner, rapporterats hos många olika bakteriearter, och ett antal olika effluxpumpar har hittats och sekvenserats (9). Bakteriella effluxpumpar kan grupperas in i fyra grupper, främst grundat på deras aminosyrasekvenshomologi. Dessa är Major Faciliator Superfamiljen (MFS), ATP-binding casette-familjen, Resistens-Nodulation-Division-familjen (RND) och Small Multidrug Reistance Protein-familjen (SMP). Nyligen har en femte grupp karakteriserats, nämligen 6 Multidrug and Toxic Compound Extrusion-familjen (MATE). Antibiotikapumpar faller inom antingen RND-, MFS- eller MATE-familjen och använder protontransport över cellmembranet som energikälla för att transportera at antibiotikamolekylerna ur cellen. RNDpumpar finns endast hos gramnegativa bakterier och fungerar oftast tillsammans med ett periplasmatiskt Membrane Fusion Protien (MFP) och ett yttermembranprotein (9). Alla Fluoroquinolone Multidrug Resistance (FQ-MDR) -pumpar är kromosomalt kodade och finns hos både känsliga och resistenta stammar. Resistensen beror oftast på en mutation som ger uppreglering av uttrycket av effluxgenen. Detta tyder på att FQ-MDR-pumparna är en viktig del av de gramnegativa bakterierna och fungerar oberoende av antibiotikaefflux och – resisitens, medan andra effluxpumpar fungerar enbart som antibiotikapumpar och är beroende av yttre faktorer. I inget av dessa fall är emellertid antibiotika det ursprungliga substratet (9). Experimentella bevis finns för två funktionella effluxpumpar hos N. gonorrhoeae: mtr (multiple transferable resistance) och far (fatty acid resistance) (6, 9). Mtr-systemet karakteriserades första gången 1973 och spelar förmodligen en avgörande roll i gonokockers gradvisa kromosommedierade resistens mot penicillin (6, 11). Tre mutationer krävs för dylik resistens: penA, penB och mtr. (6) Mtr är ett kromosomalt locus som kodar för en effluxpump som använder protontransport över cellmembranet för att pumpa ut diverse antibakteriella ämnen. Dessa är alla hydrofoba och inkluderar antibiotika (azithromycin, erythromycin och rifampin), antibakteriella peptider, gallsalter och steroidhormoner. Effluxpumpen består av tre proteiner: MtrC, MtrD och MtrE som alla är nödvändiga för effluxaktiviteten, och placeras i gruppen RND (ResistanceNodulation-Division) (6). MtrD fungerar som transportprotein över plasmamembranet och har troligen kontakt med MtrC-proteinet i periplasman. MtrC är i sin tur förbundet med MtrE i yttermembranet där det tjänar som exportkanal ut till den extracellulära omgivningen. Troligen behövs MtrF för export av höga nivåer av antibiotika. MtrR- och MtrA-proteinerna kan reglera uttrycket av effluxoperonet. MtrA inducerar uttryck av mtrCDE-generna medan MtrR undertrycker direkt uttryck. Förlust av MtrR-proteinet genom deletion eller inaktivering genom insertion resulterar i ökad resistens mot vissa antibiotika och ökar uttrycket av mtrCDE-genkomplexet. Detta system verkar agera synergistiskt med andra kromosomala mutationer (6). I en undersökning av Veal et al 2002 visades att mutationer i mtrR, penA och penB orskar höga resistensnivåer mot antibiotika (11). Deletion av ett enda baspar i mtrR var tillräckligt för att ge höga resistensnivåer mot te x erythromycin och Triton X-100, men endast en tvåfaldig ökning av resistensen mot penicillin. När mutationer i penA och penB lades till, ökade resistensnivåerna 8-10 gånger. PenBmutationen består i en missense-mutation som ger aminosyreutbyte i loop 3 hos PorIB. Detta ger en minskad influx av penicillin och tetracyklin. I gonokocker med både penA, penB och mtrR-mutationerna ökar penicillinresistensen 66 gånger jämfört med vildtyp (11). MtrC-MtrD-MtrE-effluxsystemet och PenB-förändringen i permaebilitet i yttermembranet verkar synergistiskt för att öka resistensen mot penicillin och tetracyklin hos gonokocker (11). 7 Möjligheten för effluxsystem att verka synergistiskt med andra resistensmekanismer är ett stort problem vid behandlingen av bakterieinfektioner. Därför har det främsta intresset för bakteriella effluxsystem riktats mot deras betydelse för utveckling av antibiotikaresistens (6). Ett antal studier har gjorts där man visat att inaktivering av effluxpumpar är effektivt för att förhöja bakteriers känslighet mot fluorokinoloner och andra antibiotika, samt för att förhindra uppkomsten av fluorokinolonresistens. Nyligen har den första bredspektrum-efflux-inhibitorn av Mex-efflux-systemet i P. aeruginosa rapporterats (9). Syfte med projektet Finns det en effluxpump som agerar synergistiskt med mutationerna i gyrA och parC och ökar graden av resistens? Går den i sådana fall att påvisa genom elektrofores av membranproteiner och mätning av intracellulärt ciprofloxacin? Material och metoder Två resistenta stammar från Bangladesh, A och B, (ciprofloxacin MIC >32 resp 32) användes som givarstammar då DNA överfördes till en känslig stam, 1, från Sverige, via transformation. Dessa stammar hade mutationer i positionerna 91 och 95 i gyrA, men inga mutationer i parC. DNA extraherades från givarstammarna med hjälp av guanidium thiocyanat (12). Därefter utfördes transformation enligt följande: Mottagarbakterier odlades i 10 ml TSB-buljong över natt i CO2-inkubator varefter 45 μl extraherat DNA från givarstammarna tillsattes och bakterierna placerades i 15 ml cellodlingsflaskor. Till en flaska tillsattes inget DNA och dessa bakterier användes som negativ kontroll. Efter inkubering i 6 timmar centrifugerades bakterierna i 10 min i 3000 rpm och racklades sedan ut på hematinagarplattor innehållande ciprofloxacin (0,016; 0,064 respektive 0,25 mg/L). Som positiv kontroll användes H-plattor utan ciprofloxacin. Efter två dygn hade transformanter vuxit fram och kunde användas för vidare försök. De namngavs enligt följande: 1=mottagarstam, en svensk klinisk stam; A = givarstam, en högresistent stam (MIC >32) från Bangladesh, (nr 11 i ref. 7); B = givarstam, en högresistent stam (MIC 32) från Bangladesh, (nr 19 i ref. 7); första siffran därefter: 1 = selekterad på platta med ciprofloxacin 0,016 mg/L, 2 = selekterad på platta med ciprofloxacin 0,064 mg/L; sista siffran = ordningstal. För att undersöka om transformationen fungerat och för att skilja transformanter från spontana mutanter, samt för att försöka hitta transformanter med resistens beroende enbart av effluxgener, utfördes PCR för att amplifiera gyrA. DNA extraherades genom kokning (5 min) och specifika primers användes. Dessa var tillverkade av INTERACTIVA Biotechnologie (Ulm, Tyskland). PCR-reaktionen utfördes i 45 l reaktionslösning innehållande 5 l 10 x PCR gold buffer (Applied Biosystems, Foster City., CA), 3 l 25 mM MgCl2, 1 l av vardera två primers (20 M), 1,25 l av alla de fyra deoxynukleosidtrifosfaterna (10 mM), 0,25 l AmpliTaq GoldTM (5 U/l) (Applied Biosystems) och 29,75 l sterilt vatten. Följande temperaturprofil användes för amplifieringen: Initial förkokning vid 94C i 5 min, en cykel denaturering vid 94C i 1 min, annealing vid 45C, elongering vid 70C i 3 min. Detta 8 upprepades i 35 cykler med en slutlig elongering vid 72C i 10 min. Den amplifierade produkten analyserades på 2% agarosgelelektrofores. PCR-produkten renades med hjälp av QIAquick PCR Purification Kit (QIAGEN Inc. , Valencia, CA) och inmärktes med hjälp av Big-Dye Terminator. Därefter sekvenserades produkten med kapillär elektrofores i en ABI PRISM 310 Genetic Analyzer (Applied Biosystems) och sekvenserna analyserades med Clustal View och Expasy. Resultatet jämfördes sedan med vildtyps-gyrA-sekvenser publicerade på www.genome.ou.edu. Effluxpumpars yttre membranproteiner hos gramnegativa bakterier såsom P. aeruginosa och E. coli har en storlek på 50-60 kDa. Med detta som utgångspunkt gjordes elektrofores för att leta efter möjliga effluxpumpar med resistensfunktion. Mottagar- och givarstammarna samt en definierad känslig labstam (22) odlades på hematinagarplattor och suspenderades i PBSbuffert varefter de centrifugerades i 3000 rpm i 30 min. 10-20 plattor användes för varje stam för att en tillräcklig mängd skulle kunna erhållas. Pelleten tvättades i 5 mM natriumfosfatbuffert innehållande 1 mM magnesiumklorid och 0,14 mM β-merkaptoetanol och resuspenderades i samma buffert, utan β-merkaptoetanol, samt sonikerades i 3 x 1 min. För att skilja ut cellmembranerna centrifugerades de sonikerade cellerna i 15 min, 5 000 x g. Supernatanten resuspenderades i 10 ml natriumfosfatbuffert (5 mM) och ultracentrifugerades i 30 min, 100 000 x g. Pelleten tvättades i samma buffert och centrifugerades igen på samma sätt. Sedan frystes membranen i 0,5 ml buffert innehållande 5 vol% glycerol. För att separera proteinerna användes en Phast Gel (Amersham Biosciences). En ny transformation utfördes, med en av de gamla (1A11) transformanterna som mottagarstam och samma givarstammar som första gången. Samma metod användes, och samma namngivningssystem tillämpades. Transformanterna selekterades den här gången på agarplattor innehållande 0,25; 0,5; respektive 1,0 ciprofloxacin mg/L. Några av dessa transformanter (2A21, 2A31 och 2A32) testades med ovan nämnda elektroforesmetod, men odlades då i BHI-buljong istället för på plattor. En annan metod för att påvisa närvaro av aktiva effluxpumpar är att mäta den intracellulära ackumuleringen av ciprofloxacin med respektive utan tillsats av en effluxinhibitor. Celler (stam A, B och 22, 1A23 och 2A25) odlades i 100 ml BHI över natt och centrfugerades sedan vid 3000 rpm i 15 min, tvättades med PBS och resuspenderades i PBS till OD600: 1. Därefter sattes 590 μl bakteriesuspension till sju eppendorfrör per stam, och 12 μl PBS tillsattes till ett av rören. Till de övriga sattes 12 μl ciprofloxacin (500 μg/ml). Efter inkubering i 10 min tillsattes 10 μl Carbonyl Cyanide m-Chlorophenylhydrazone (CCCP) (2,496mg/ml) som hämmar effluxaktivitet, till tre av rören med ciprofloxacin och 10 μl PBS till de öviga rören. Efter ytterligare inkubering i 10 min tillsattes 500 μl bakteriesuspension till eppendorfrör med silikonolja, 325 μl dimetyldifenylpolysiloxan och 175 μl dimetylpolysiloxan. Rören centrifugerades 1 min vid 13000 x g varefter vätskefasen avlägsnades och pelleten skars av med en skalpell och lyserades i 2 ml glycinbuffert över natt i mörker vid rumstemperatur. Därefter centrifugerades rören vid 12000 x g i 5 min och fluorescensen i supernatanten mättes. Ciprofloxacin är naturligt fluorescerande och mängden intracellulärt ciprofloxacin kunde beräknades sedan enligt y = 0,475c + 1,995 där c = ciprofloxacinkoncentration i provet y= fluorescensvärde 9 Koncentrationen i ng/cfu beräknades enligt 2c/0,558 x cfu där x = ciprofloxacinkoncentration i provet 0,558 = volymen i kyvetten MIC-värden hos transformanterna testades med Etest från AB BIODISK. Resultat Transformanter selekterades på plattor innehållande ciprofloxacin av tre olika koncentrationer (0,016, 0,064 respektive 0,25 mg/L). Inga transformanter växte på plattorna med högst koncentration. 32 stammar valdes ut för vidare analys. Dessa togs jämt fördelat från de olika plattorna. Sekvensering av gyrA visade att alla stammarna utom två hade båda mutationerna, i position 91 och 95. I position 91 hade aspartat bytts ut mot glycin, och i position 95 hade serin ersatts med fenylalanin. Dessa är de mutationer som fanns hos givarstammarna. Två stammar, 1A15 och 1A16, hade endast tagit upp mutationen i position 95 (se tabell 1). Etesterna visade att de stammar som endast hade en mutation i gyrA hade lägre resistensnivå än de övriga stammarna. Skillnaden var dock liten, och det mest anmärkningsvärda var att de flesta stammarna, framför allt efter första transformationen, hade mycket låga resistensvärden. Efter den andra transformationen höjdes resistensnivåerna, men de flesta stammarna uppvisade fortfarande en relativt låg resistens (se tabell 2). Stam MIC (ciprofloxacin) gyrA-mutation gyrA-mutation Ser→Phe i pos 95 Asp→Gly i pos 91 1A15, 1A16 0,047 x 1A23, 1B14 0,094 X x 1A14 0,125 X x 1A29, 1A210, 0,125 X x 1B16, 1B19, 1B21 1A11, 1A19, 1A21, 0,19 X x 1A22, 1A27, 1B10 1A25, 1B13, 0,25 X x 1B15, 1B17 Tabell 1. MIC-värden och mutationer hos transformanter efter en transformation. 10 Stam 2A29, 2B11, 2B13, 2B15, 2B17, 2B18, 2B19, 2B110 2A27, 2B12, 2B28 2A17, 1B22 2A15, 2A19, 2A22, 2B21, 2B23, 2B25, 2B27, 2B29 2A13, 2A21, 2A23, 2A28, 2B26 2A14, 2A16, 2A110, 2A24, 2A31, 2A32 2A12, 2A18 2A26, 2A210 2A25 MIC (ciprofloxacin) 0,5 0,75 1,0 1,5 2 3 4 6 16 A >32 B 32 Tabell 2. MIC-värden hos transformanter efter två transformationer, samt hos givarstammarna. Gelelektroforesen för att leta efter effluxpumpar (fig. 1 och 2) visade att metoden fungerade, men det var svårt att se band kring 50-60 kDa hos givarstammarna som inte fanns hos mottagarstammen och labstammen. Möjligen finns en skillnad kring 30 kDa. Bild 1. Elektrofores av membranproteiner. Ovanifrån: markör 14-93 kDa, A, B, 1, 22. Inga band med storleken 50-60 kDa hittades hos enbart hos de resistenta stammarna. Möjligen fanns ett sådant band kring 30 kDa. Bild 2. Elektrofores av membranproteiner. Ovanifrån: markör 14-23 kDa, A, B, 22, 2A21, 2A31, 2A32, markör 14-93 kDa spädd x 5. Resultaten blev desamma som efter den första elektroforesen (blid 1). Mätningen av intracellulärt ciprofloxacin med och utan tillsats av CCCP gav mycket spridda värden. Stammarna B och 2A25 hade en högre ciprofloxacinkoncentration vid tillsats av CCCP, medan stam A hade en lägre. Den känsliga stammen 1A23 uppvisade någorlunda lika nivåer med och utan CCCP, medan stam 22 uppvisade stora skillnader. 11 Stam MIC (ciprofloxacin) CCCP CiprofloxacinCiprofloxacinkonc i konc per cell provet (ng) A >32 103,27 74,7 + 62,54 45,26 B 32 52,68 + 86,39 22 126,09 65,98 + 38,42 20,11 1A23 0,094 90,41 + 102,94 2A25 16 76,66 104,30 + 138,54 188,49 Tabell 3. Intracellulär ciprofloxacinkoncentration med respektive utan effluxinhibitor, CCCP. Diskussion Det är känt att kinolonresistens hos gonokocker kan uppstå genom mutationer i gyrA och parC som kodar för gyras respektive topoisomeras IV. Detta förhindrar bindning av kinolonerna till dessa enzymer och följaktligen förloras antibiotikumets verkan (7, 8). Detta kan dock inte till fullo förklara resistensutvecklingen (7). I detta försök utfördes två transformationer. Den första gav inte upphov till några höga resistensnivåer, ens hos de stammar som hade båda mutationerna i gyrA. Alla stammarna låg inom området I (där S = känslig, I = indeterminant, R = resistent) (www.tlkronoberg.se/ext/raf/raf.htm). Vid den andra transformationen höjdes resistensnivåerna, men olika mycket. Detta visar att fler orsaker än gyrA-mutationer finns till kinolonresistens hos gonokocker. En möjlig annan mekanism är efflux som aktivt pumpar ut kinolonerna ur cellen. Detta har identifierats hos ett flertal olika bakteriearter (6, 9, 10, 11). Resultaten från denna studie kan inte bekräfta att så är fallet, men inte heller utesluta en sådan mekanism. Gelelektrofores utfördes för att leta efter yttre membranproteiner kring 50-60 kDa. Inga band med denna storlek hittades hos de resistenta men inte hos de icke-resistenta stammar som testades. Möjligen fanns några sådana band kring 30 kDa. Eventuellt kan det finnas ett effluxsystem som förhöjer reisitensnivåerna men som inte utgör en hel effluxpump utan använder delar av ett annat effluxsystem för att pumpa ut kinoloner. För ett säkert resultat borde dock metoden upprepas fler gånger. Mätningen av intracellulär ciprofloxacinhalt hos resistenta och känsliga bakterier med respektive utan påverkan av effluxinhibitor gav mycket spridda värden. Eftersom A, B och 2A25 är resistenta stammar, förväntades de uppvisa låga ciprofloxacinhalter utan tillsats av CCCP men höga halter vid närvaro av denna substans. 22 och 1A23, som är känsliga, förväntades uppvisa samma, höga, nivåer av ciprofloxacin oavsett tillsats av CCCP. 2A25 var dock den enda stam som gav förväntat resultat. Om resultaten från den stammen kan upprepas, kan det tyda på närvaro av en effluxpump. Anledningen till de spridda resultaten är antagligen att metoden är framtagen för E. coli som är betydligt tåligare än gonokocker, som kan ha dött på ett tidigt stadium eller lyserats under försökets gång och på så sätt gett ha gett 12 upphov till felaktiga värden. För bättre resultat skulle metoden behöva optimeras och eftersom skillnaderna i värden är små skulle den behöva upprepas flera gånger för att ge ett tillförlitligt resultat. En tredje möjlighet är att bakterien producerar ett protein som skyddar gyras från kinolonerna. Detta har påvisats hos Klebsiella pneumoniae (13, 14). Där hittades en plasmid (pMG252) i ett kliniskt isolat och visades ge höga kinolonresistensnivåer (MIC > 32 μg/ml) hos stammar saknande yttre membranporiner, men betydligt lägre hos stammar med normala poriner. Hos vildtypen var resistensnivåerna låga, men de höjdes lätt genom mutation. Plasmiden hade ett brett värdspektrum och uttryckte resistens hos andra enterobacteriaceae samt i Pseudomonas aeruginosa (13). Denna mekanism skulle kunna vara möjlig även för gonokocker. Det skulle kunna förklara frånvaron av påvisbara effluxpumpar. Det skulle även förklara varför transformanterna inte blev mer resistenta då DNA-extraktionen kanske inte var optimal för extraktion av plasmiden. Slutsatser Resultaten från transformationerna visar att mutationerna i gyrA och parC i sig inte är tillräckliga för att ge de höga reisitensnivåer som hittats hos många gonokockstammar. Gelelektrofores av membranproteiner och mätning av intracellulärt ciprofloxacin kan antagligen påvisa aktiva effluxpumpar, om de finns där. Dessa metoder behöver dock optimeras för gonokocker och upprepas fler gånger än vad som här har gjorts. Resultaten från denna studie kan inte bevisa att det finns en effluxpump som agerar synergistiskt med dessa mutationer och ökar graden av resistens, men inte heller utesluta en sådan möjlighet. En annan möjlighet kan vara plasmidburen resistens. Efter att det experimentella arbetet i denna studie avslutats, hittades en effluxpump, NorM, hos Neisseria gonorrhoeae, tillhörande MATE-familjen (15). Punktmutationer i –35-regionen gav minskad känslighet för bland annat ciprofloxacin. Emellertid var förändringen i ciprofloxacinkänslighet endast tvåfaldig, vilket visar att NorM ensamt inte är tillräcklig för utveckling av höga resistensnivåer, utan att det antagligen finns ytterligare en effluxpump eller någon annan mekanism som återstår att upptäckas. 13 Referenser 1. Knapp J, Koumans EH. Neisseria and Branhamella. In: Murray PR, et al. Manual of Microbiology. 7th ed. Washington, DC: American Society for Microbiology; 1999:586603. 2. Forsgren A, Kronvall G. Klinisk bakteriologi. Studentlitteratur, 1996. 3. Madigan TM. et al. Brock Biology of Microorganisms, 9th ed. Prentice-Hall Inc. Upper Saddle River, New Jersey 07458, USA. 2000. 4. Iwarson S. Infektionssjukdomar. Almqvist & Wiksell, 1991;48-49, 276. 5. Rein MF. Sexually transmitted diseases. In: Reese RE, Betts RF. A Practical Approach to Infectious Diseases. 3rd ed. Little, Brown and Company, 1991;390-401. 6. Roquette-Loughlin C et al. Antimicrobial efflux systems possessed by Neisseria gonorrhoeae and Neisseria meningitidis viewed as virulence factors. Microbial Multidrug Efflux. 2002 Horizon Scientific Press, Wymondham, UK. 7. Lindbäck E et.al. Mutations in gyrA, gyrB, parC and parE in quinolone resistant strains of Neisseria gonorrhoeae. APMIS, 2002;110;651-657. 8. Drlica K, Zhao X. DNA gyrase, Topoisomerase IV, and the 4-quinolones. Microbiology and molecular biology reviews. 1997;61;377-392 9. Poole K. Minireview: Efflux-mediated resistance to fluoroquinolones in gram-negative bacteria. Antimicrobial Agents and Chemoterapy. 2000;44;2233-2241. 10. Kumar A, Worobec EA. Fluoroquinolone Resistance of Serratia marcescens: Involvment of a proton gradient-dependent efflux pump. Journal of Antimicrobial Chemotherapy. 2002;50. 11. Veal WL, Nicholas RA, Shafer WM. Overexpression of the MtrC-MtrD-MtrE efflux pump due to an mtrR mutation is required for chromosomally mediated penicillin resistance in Neisseria gonorrhoeae. Journal of Bacteriology, 2002;5619-5624. 12. Pitcher DG et. al. Rapid extraction of bacterial genomic DNA with guanidium thiocyanat. Letters in Applied Microbiology. 1989;8;151-156. 13. Martínez-Martínez L et al. Quinolone resistance from a transfreable plasmid. Early report, The Lancet. 1998;351. 14. Tran JH, Jacoby GA. Mechanism of plasmid-mediated quinolone resistance, Proceedings of the National Academy of Sciences. 2002;99. 15. Roquette-Loughlin C et al. The NorM efflux pump of Neisseria gonorrhoeae and Neisseria meningitidis recognizes antimicrobial cationic compounds. Journal of Bacteriology. 2003;185;1101-1106. 14