Biologien bag bakterie-epidemien i Europa

En ny variant af E. coli bakterien huserer i disse uger Europa. Mens meget af epidemiologien bag er stadig under efterforskning, minder biologien og de kliniske symptomer meget om hvad, vi kender fra andre stammer af patogene E. coli bakterier. Her kommer lidt om biologien bag.

Elektronmikroskopi billede af E. coli. Kilde: hukuzatuna/Flickr.
Elektronmikroskopi billede af E. coli. Kilde: hukuzatuna/Flickr.

Hvilken bakterie er det egentlig?

På rekord tid er bakterien blevet sekventeret, og frivillige forskere har på de 4 dage siden dataerne blev lagt ud, analyseret store dele af dens genetiske opbygning. Alt foregår åbent, og er tilgængelig for amatører som mig at analyserer. Se links i bunden her.

Vi ved nu, at bakterien er en såkaldt enteroaggregativ E. coli (EAEC) af O-gruppen 104:H4 der gennem horisontal genoverførsel, har fået det såkaldte shiga toksin (mere om det længere nede) samt adskillige plasmider med antibiotika-resistent. Bakterien er faktisk resistent for 14 forskellige typer antibiotika, hvilket er skræmmende meget – det kunne tyde på, at den oprindeligt har haft kontakt til miljøer med højt antibiotika-forbrug, fx et hospital eller landbrug.

Statens Serum Institut (SSI) har på baggrund af shiga toxinets tilstedeværelse kaldt bakterien for VTEC, men dette er i min optik lidt fejlagtigt, da den nye bakterie er fylogentisk meget tættere på en anden EAEC bakterie kaldt EC55989. Den aktuelle stamme deler 96% af dens gener med denne tidligere fundet stamme. Dette understreges af, at bakterien også udtrykker agg operonet, en samling gener der udtrykkes samlet, og som hjælper bakterien til at binde sig til tarmen og højst sandsynligt også til grønsager. Operonet findes i 36% af alle EAEC bakterier.

Fylogentisk træ der sammenligner denne E. coli stamme med andre, lavet af The Alignment Gap.
Fylogentisk træ der sammenligner denne E. coli stamme med andre, lavet af The Alignment Gap. Klik for mere info.

Enteroaggregative E. coli’er

EAEC bakterier findes både i ulande og i den vestlige verden, men er mest kendt for, at påvirke småbørn – den nye bakterie har stort set kun påvirket voksne over 20 år, hvilket giver anledning til lidt hovedkløen. Hvorfor rammes børn ikke i samme omfang af denne nye bakterie?

Billedet viser en EAEC stamme (D, til højre) og en anden stamme (C, til venstre). EAEC stammen har en række adhærende fimbria der binder til hinanden. Kilde: Pereira, BMC Microbiology, 2010.
Billedet viser en EAEC stamme (D, til højre) og en anden stamme (C, til venstre). EAEC stammen har en række adhærende fimbria der binder til hinanden. Kilde: Pereira et al, BMC Microbiology, 2010.

Som navnet ligger op til, aggregerer disse bakterier til hinanden og til tarmens mukøse epitel i den terminale del af ileum og hele colon. Det sker ved at udtrykke flere forskellige klæbende fimbriaer, der bedst kan beskrives som lange ”hår” på bakterien, der binder til hinanden og tarmvæggen.

Bakterien bruger fimbriaerne til, at finder sig til rette i tarmen, og producerer her biofilm, der beskytter den mod kroppens normale – og gode – bakterier samt kroppens immunforsvar. Tilhæftningen til tarm-epitelet er i celle-kulturer vist at resulterer i ødelagte mikrovilli, og resulterer i hæmoragisk nekrotisering af enterocytterne. Dette tillader bakterien, at invaderer kroppen og føre sammen med shiga toksinerne, til den blodige diarre patienter er beskrevet at have.

HHMI har lavet en fornem video der viser hvad der foregår når bakterien adhærerer til tarmvæggen, som de har lagt ud i forbindelse med epidemien. Du kan se den her.

Shiga toksin

Det der gør denne bakterie farlig er, at den har optaget et operon med shiga toksinet på. Shiga toksinet minder om et lignende toksin fra Shigella dysenteriae som det er opkaldt efter.

Shiga toxinets A og B subunit. Kilde: Wikipedia.
Shiga toxinets A og B subunit. Kilde: Wikipedia.

Shiga toksinet består af to dele: et aktivt toksin kaldt subunit A der ødelægger celler, og en del der transporterer subunit A ind i epitel-væggen på mindre blodkar, kaldt subunit B.

Når subunit A entrere cellevæggen på blodkarrene, standser den cellernes protein syntese ved at bevæge sig ind i det endoplasmatiske retikulum hvor den kløver RNA; netop vaskulært epitel skal kontinuerligt forny sig selv, så infektionen føre hurtigt til en nedbrydelse af blodkar og dermed til blødning. Et af symptomerne ved sygdommen er hurtig indsættende blodig diarre, opkast og evt. blodig urin, et par timer efter indtagelse af bakterien. Dette er evolutionært smart, da diarren vil indeholde bakterier, der så kan smitte andre.

Det skadede epitel og blødningen fører til aktiverede blodplader, der samler sig i store aggregater for at minimere skaden; samtidig kontraheres blodkarret, ligeledes for at mindske blødningen. Begge dele føre til en tilstand kaldt mikroangiopati, hvor mindre blodkar lukkes af, hvilket kan medføre iskæmi af organer såfremt nok blodkar påvirkes.

Mikroangiopati - lukning af små blodkar - farvet i sort i nyrens glomeruli. Det er her blodet renses, men shiga toksinet ødelægger glomerulien og patienten kan udvikle nyresvigt. Kilde: Boonyarit Cheunsuchon/Flickr.
Mikroangiopati - lukning af små blodkar - farvet i sort i nyrens glomeruli. Det er her blodet renses, men shiga toksinet ødelægger glomerulien og patienten kan udvikle nyresvigt. Kilde: Boonyarit Cheunsuchon/Flickr.

Heldigvis virker toksinet ikke på de større blodkar i kroppen, men mange organer rammes alligevel – det drejer sig især om nyren, hvor blodet bliver filtreret gennem små blodkar. Blodkar i tarmen, lungerne og hjernen påvirkes også, hvilket kan medføre stigende blodtryk. Det er således forståeligt at flere patienter i TV har udtalt at de havde hovedpine. Andre neurologiske symptomer er også beskrevet og i Tyskland er enkelte åbenbart gået i koma.

Hæmolyse af røde blodceller

Bakterien har desuden generne for tre typer hæmolysiner. Hæmolysiner er proteiner der sidder i bakteriens membran, og som får røde blodceller til at går i stykker; dette sker for at bakterien kan få de næringsstoffer blodcellerne har, især jern, der kan være en limiterende faktor i bakteriens vækst. Før hospitalerne begynder at udgive data omkring patienterne, er det dog svært at vide om dette rent faktisk sker i denne bakterie-stamme, eller om den blot har generne.

Hæmolytisk uræmisk syndrom

Hæmolytisk uræmisk syndrom (HUS) opstår på baggrund af mikroangiopatien i nyrens glomeruli og destruktion af kroppens røde blodceller; HUS er netop beskrevet som en sygdom hvor blodceller ødelægges, nyren svigter og der er få blodplader i blodet. Det er altså en konsekvens af de forskellige gener som denne bakteriestamme har opsamlet, for at forbedre dens overlevelse, men som desværre kan have en dødelig udgang for den smittede.

Patienter behandles derfor bl.a. med dialyse hurtigst muligt for at undgå, at ødelægge nyren permanent. Fordi hele 627 ud af de godt og vel 2200 smittede har udviklet HUS, betegnes dette som et af de væreste E. coli udbrud i Europa nogensinde. Langt de fleste døde er dog sket i epidemiens begyndelse, og nu hvor læger ved at de skal være opmærksomme på HUS, tror jeg ikke tallet vil stige meget.

Hvor kommer den fra?

Baseret på de genetiske analyser frivillige har lavet hen over weekenden, virker det mest sandsynligt at bakterien blot er en evolutionær videreudvikling af en bakterie der sidst blev beskrevet i Tyskland i 2001 – læs især The Alignment Gap’s analyse af dette.  Imellem tiden har den blevet multiresistent overfor antibiotika og har optaget shiga toksinet. Bakterier deler genetiske informationer hele tiden, så der er intet unormalt i at dette sker. Det er evolution.

En økologisk gård i Tyskland blev først kædet sammen med udbruddet, men bakterien kan nu ikke findes der længere, hvilket gør det svært at sige om bakterien rent faktisk stammer herfra. Dens mange multiresistens-gener fortæller os dog, at den må have været udsat for et vist ”pres” for at beholde og akkumulere alle disse gener – det virker utroligt, at alle disse former for antibiotika skulle være blevet brugt i landbrug, men netop denne diskussion har kørt i Danmark for nyligt.

Links til crowd-surfing forskning omkring E. coli udbruddet:

Twitter: @BGI_Event, @mikethemadbiol, @mrrizkallah, #ecoli, #ehec og #eaec.

Samarbejde om annotering af bakterien: https://github.com/ehec-outbreak-crowdsourced/BGI-data-analysis/wiki

Blogs der dækker udbruddet:

Kat Holt
The on no sequences! Blog
David Studholme
Mike the Mad Biologist
Pathogens: Genes and Genomes
The Alignment Gap

Kilder:

EAEC plasmids og EAEC/STEC genomes, fra Kat Holt’s blog. Besøgt 6 juni 2011.
Kumar, Robbins and Cotran Pathologic Basis of Disease, 8th Edition, 2009.
Noris M og Remuzzi G, Atypical Hemolytic–Uremic Syndrome, N Engl J Med 2009.
ProMedMail.org
Era7 Bioinformatics, Escherichia coli EHEC Germany outbreak preliminary functional annotation using BG7 system. Besøgt 6 juni 2011.
Zoja C, Buelli S, Morigi M, Shiga toxin-associated hemolytic uremic syndrome: pathophysiology of endothelial dysfunction, Pediatr Nephrol. 2010.
Bernier C, Gounon P og Bouguénec CL, Identification of an Aggregative Adhesion Fimbria (AAF) Type III-Encoding Operon in Enteroaggregative Escherichia coli as a Sensitive Probe for Detecting the AAF-Encoding Operon Family, Infect Immun. 2002.
Huang J, Motto DG, Bundle DR, Sadler JE, Shiga toxin B subunits induce VWF secretion by human endothelial cells and thrombotic microangiopathy in ADAMTS13-deficient mice, Blood 2010.
Pereira AL et al, Diarrhea-associated biofilm formed by enteroaggregative Escherichia coli and aggregative Citrobacter freundii: a consortium mediated by putative F pili, BMC Microbiol. 2010.

Billeder:
E. coli af Hukuzatuna/Flickr.
Fylogentisk træ af The Alignment Gap.
Thrombotic microangiopathy af Boonyarit Cheunsuchon/Flickr.

Skriv et svar

Din e-mailadresse vil ikke blive offentliggjort. Krævede felter er markeret med *