Denise Van Hout

ANTIBIOTICARESISTENTIE

Het menselijk lichaam zit vol met micro-organismen, waaronder virussen, schimmels en bacteriën. Bacteriën zijn eencellige micro-organismen zonder celkern. Er wordt over het algemeen onderscheid gemaakt tussen Gram-positieve en Gram-negatieve bacteriën, op basis van de structuur van hun celwand. Ze komen onder andere voor op de huid, in de neus, mond en in onze darmen. We noemen dit ook wel bacteriële ‘kolonisatie’ van het menselijk lichaam, of ‘dragerschap’. De bacteriën in de darmen worden tezamen ook wel de ‘microbiota’ genoemd (voorheen ook wel bekend als ‘darmflora’). Bacteriën zijn doorgaans onschuldig en zijn zelfs belangrijk voor onze stofwisseling en afweer. Maar bacteriën kunnen zich in bepaalde omstandigheden ook vermeerderen en ziektes veroorzaken, zoals huid- of urineweginfecties. Infecties die door bacteriën worden veroorzaakt kunnen we meestal behandelen met antibiotica. Echter kunnen bacteriën resistent (ongevoelig) worden tegen bepaalde typen antibiotica. In dat geval kan een bacterie overleven en zich vermenigvuldigen in de aanwezigheid van een antibioticum dat normaal gesproken ervoor zou zorgen dat de bacterie zou stoppen met groeien, of zelfs de bacterie zou doodmaken. Dit noemen we antibioticaresistentie. We weten dat er meer antibioticaresistentie ontstaat als er veel antibiotica gebruikt worden. Dit komt door het fenomeen van selectiedruk. Onder druk van antibiotica zullen alleen de meest fitte bacteriën overleven en zich vermenigvuldigen. Als er nu binnen een groep bacteriën antibioticaresistente subpopulaties bestaan, en er is blootstelling aan antibiotica, dan zullen de resistente subpopulaties overleven en worden deze hierdoor uitgeselecteerd (Figuur 1).

Bacteriën kunnen antibioticaresistentie aan elkaar doorgeven, bijvoorbeeld door middel van celdelingen. Dat noemen we verticale transmissie. Een andere manier is door het uitwisselen van plasmiden. Plasmiden zijn cirkelvormige strengen DNA waarop zich genen voor antibioticaresistentie kunnen bevinden. Dat noemen we ook wel horizontale transmissie. Een bekend voorbeeld van (voornamelijk) plasmidegemedieerde antibioticaresistentie in bacteriën is de productie van een enzym dat antibiotica kan afbreken, genaamd ESBL (‘extended-spectrum beta-lactamase’). Het is niet direct gevaarlijk als een bacterie die wij bij ons dragen resistent wordt tegen bepaalde antibiotica. Echter als men vervolgens een infectie ontwikkelt met een resistente bacterie dan moet deze wel behandeld worden met een ander soort antibioticum (vaak met een breder spectrum). Gelukkig zijn er in Nederland meestal nog genoeg andere soorten antibiotica voorhanden. We doen erg ons best om dit zo te houden. Zo willen we terughoudend zijn in het voorschrijven van antibiotica, zodat we nog zo lang mogelijk alle bacteriële infecties goed kunnen behandelen. Daarnaast hebben we in Nederlandse ziekenhuizen veel infectiepreventiemaatregelen, zodat patiënten zo min mogelijk antibioticaresistente bacteriën met elkaar uitwisselen. Een belangrijke manier om de gevolgen van antibioticaresistentie zoveel mogelijk tegen te gaan is door middel van surveillance. Surveillance is het systematisch verzamelen en analyseren van data over resistentie van bacteriën voor antibiotica. Longitudinale surveillance kan bijvoorbeeld verschuivingen in resistentie in de tijd zichtbaar maken. Deze gegevens zijn belangrijk voor de ontwikkeling, evaluatie en optimalisering van infectiepreventie. In dit proefschrift richten we ons in verschillende projecten op surveillance in het ziekenhuis, en dan met name van antibioticaresistente Gram-negatieve bacteriën. Hiermee willen we een bijdrage leveren aan het verbeteren van surveillance van antibioticaresistentie in Nederland. In de eerste drie hoofdstukken richten we ons op het voorkomen van infecties op de intensive care (IC) door middel van selectieve darm decontaminatie, de detectie van resistente bacteriën in het laboratorium en het herkennen van dragers van resistente bacteriën als zij worden opgenomen in het ziekenhuis. In de laatste drie hoofdstukken richten we ons op moleculaire surveillance van de belangrijke bacterie Escherichia coli (E. coli) in Nederland.

SAMENVATTING VAN HET ONDERZOEK IN DIT PROEFSCHRIFT

Patiënten die zijn opgenomen op de intensive care (IC) zijn over het algemeen ernstig ziek en hebben daarom een verhoogd risico op infecties. Bacteriën en gisten die de darm en mond-keelholte koloniseren spelen hierin een belangrijke rol en vormen daarom het aangrijpingspunt van decontaminatie strategieën, zoals selectieve darm decontaminatie (SDD) en selectieve orofaryngeale decontaminatie (SOD). De SDD strategie bestaat uit antibioticaprofylaxe door middel van een mondpasta, een suspensie die door de neus-maag sonde wordt gegeven en intraveneuze antibiotica gedurende de eerste vier dagen van IC opname. SOD bestaat alleen uit de mondpasta en intraveneuze antibiotica. De grootste en meest recente studie die is uitgevoerd in Nederland laat een overlevingsvoordeel zien van IC patiënten die SDD krijgen toegediend in vergelijking met SOD. Echter is de SDD strategie een stuk uitgebreider dan SOD, zowel wat betreft de antibiotica profylaxe als microbiologische surveillance. Er was onzekerheid welke van de twee strategieën er in Nederlandse ICs gebruikt zou moeten worden. In Hoofdstuk 2 hebben we dit onderzocht door middel van een kosteneffectiviteitsanalyse (KEA). We hebben hiervoor de gegevens gebruikt van de twee cluster-gerandomiseerde studies die in Nederland zijn uitgevoerd en SDD en SOD met elkaar vergeleken en hebben deze gegevens gepoold (in een zogenaamde meta-analyse van data van individuele patiënten). Uit de resultaten bleek dat de SDD strategie kosteneffectief was in vergelijking met SOD: SDD verminderde de ziekenhuissterfte van IC patiënten zonder een significant verschil in ziekenhuiskosten. Dit kwam met name doordat IC patiënten die SDD kregen gemiddeld sneller konden worden teruggeplaatst van de IC naar de reguliere verpleegafdeling. Helaas zijn er nog enkele ICs in Nederland die geen SDD gebruiken vanwege angst voor het ontstaan van antibioticaresistentie. Echter laat de overgrote meerderheid van alle studies die tot nu toe zijn uitgevoerd geen aanwijzingen zien voor een toename in antibioticaresistentie op de korte, middellange en lange termijn. Er zijn in enkele studies zelfs aanwijzingen voor een daling in antibioticaresistentie in IC patiënten die SDD krijgen. Deze angst is dus ongegrond. Op basis van alle gegevens tezamen adviseren we daarom om in Nederlandse ICs de SDD strategie te gebruiken.

Omdat de SDD strategie gebaseerd is op het toedienen van profylactische antibiotica nemen we structureel microbiologische kweken af bij IC patiënten die SDD krijgen. Deze surveillance gegevens gebruiken we om continue in de gaten te blijven houden of er toch geen antibioticaresistentie ontstaat. Een van de antibiotica van SDD is colistine. Het is vanwege de structuureigenschappen van colistine moeilijk om colistineresistentie te detecteren in het laboratorium. We hebben daarom onderzocht of het toevoegen van een selectieve plaat aan het huidige laboratorium proces de detectie van colistineresistente Gram-negatieve bacteriën zou verbeteren. Deze selectieve plaat, het SuperPolymyxine™ medium, bevat het antibioticum colistine en zou bijvoorbeeld als een screening kunnen dienen: alleen de bacteriën die hierop groeien (en dus in theorie ongevoelig zijn voor colistine) worden verder uitgewerkt in het laboratorium. De resultaten van deze studie staan beschreven in Hoofdstuk 3. We vonden dat met gebruik van SuperPolymyxine™ er inderdaad meer colistineresistente Gram-negatieve bacteriën werden gevonden. Het is belangrijk om ook eventueel toenemende kosten mee te nemen bij de overweging om een nieuw (diagnostisch) middel in het laboratorium te implementeren. In het geval van SDD surveillance worden er namelijk dagelijks een heleboel kweken afgenomen. Daarom hebben we ook de kosten berekend van het eventueel toevoegen van de Superpolymyxine™ plaat. In verschillende scenario’s hebben we dat vergeleken met het implementeren van microdilutie (in het Engels ‘broth microdilution’ of ‘BMD’) met het Sensititre™ systeem voor het definitief vaststellen van colistineresistentie. Dit wordt momenteel in ons laboratorium nog niet gebruikt. We vonden dat als de kosten van de nieuwe Superpolymyxine™ plaat niet hoger zouden zijn dan €5.09 per test, het goedkoper zou zijn om de nieuwe plaat te implementeren als screening medium dan het huidige laboratorium proces voort te zetten. Daarnaast zou het gebruik van SuperPolymyxine™ als screening medium het aantal Gram-negatieve stammen dat BMD zou moeten ondergaan verminderen met 76%.

Bacteriën die resistent zijn geworden voor meerdere soorten antibiotica worden in het Nederlands ook wel bijzonder-resistente micro-organismen (BRMO) genoemd. Als iemand is opgenomen in een Nederlands ziekenhuis en we weten dat iemand drager is van een BRMO, dan verplegen we iemand in isolatie. Er zijn verschillende vormen van isolatiemaatregelen. Het kan bijvoorbeeld betekenen dat iemand een eenpersoonskamer krijgt, artsen en verpleegkundigen speciale kleding aandoen als zij de kamer betreden, dat zij een mondkapje dragen of een combinatie van deze maatregelen. We willen namelijk voorkomen dat de bacterie wordt overgedragen via de zorgverleners naar andere patiënten. Een van de meest bekende BRMO is MRSA (methicilline-resistente Staphylococcus aureus). Toen MRSA opkwam in Nederland werd bekend dat er bepaalde risicofactoren waren voor dragerschap. Zo bleek MRSA vaker voor te komen bij patiënten die langdurig in een buitenlands ziekenhuis waren opgenomen of bij patiënten die werkten in de veehouderij. Ter voorkoming van uitbraken en verdere verspreiding van MRSA werd daarom besloten om in nationale richtlijnen op te nemen dat alle patiënten bij opname in het ziekenhuis gescreend moeten worden op aanwezigheid van deze risicofactoren. Dit bekende dat patiënten die bijvoorbeeld werkzaam waren op een veehouderij vanaf opname voor de zekerheid in isolatie werden verpleegd, totdat de microbiologische kweekresultaten bekend werden. Als de kweekuitslagen negatief waren voor MRSA, werden de isolatiemaatregelen weer opgeheven. Dit werd in (internationale) literatuur ook wel bekend als een onderdeel van het succesvolle Nederlandse ‘search and destroy’ beleid voor MRSA. In de afgelopen jaren is deze screening bij ziekenhuisopname steeds iets verder uitgebreid om ook dragerschap van andere antibioticaresistente bacteriën op te sporen. Het is zelfs een indicator geworden van de Nederlandse Inspectie Gezondheidszorg en Jeugd. Dit betekent dat elk ziekenhuis wordt gecontroleerd of ze aan deze indicator voldoen, als maat voor kwaliteit van zorg. Bij elke ziekenhuisopname wordt de patiënt een lijst van zes vragen gesteld. Dit staat ook wel bekend als de BRMO anamnese. Risicofactoren die bij opname worden uitgevraagd zijn:
1) eerdere aantoning van een ziekenhuisbacterie (d.w.z. BRMO);
2) recente ziekenhuisopname in een ander Nederlands ziekenhuis ten tijde van een uitbraak;
3) recente ziekenhuisopname of behandeling in een buitenlands ziekenhuis;
4) wonen in een opvang of instelling voor asielzoekers;
5) wonen of werken op een bedrijf met levende varkens, vleeskalveren of vleespluimvee;
6) wonen bij of zorgen voor een MRSA positief persoon.

Bij aanwezigheid van één van deze risicofactoren wordt de patiënt in isolatie verpleegd en worden er kweken afgenomen om te kijken of iemand ook echt drager is van een BRMO. Ondanks dit uitgebreide nationale beleid was er tot nu toe nog nooit in kaart gebracht hoeveel BRMO dragers hiermee worden opgespoord. Dit hebben we onderzocht in Hoofdstuk 4. We hebben data verzameld van >90% van alle ziekenhuisopnames in het Universitair Medisch Centrum Utrecht (UMCU) gedurende een studieperiode van 4,5 jaar. Er werden 144.051 ziekenhuisopnames geïncludeerd van 84.485 unieke patiënten. We vonden dat de BRMO anamnese voorheen onbekende dragers identificeerde in 0.06% (95% betrouwbaarheidsinterval (BHI) 0.04%-0.07%) van alle ziekenhuisopnames en in 1.8% (95% BHI 1.4%-2.2%) van patiënten met een verhoogd risico op BRMO dragerschap. In 77.5% van alle opnames met een positieve BRMO anamnese waarbij er kweken werden afgenomen waren deze uiteindelijk negatief voor BRMO. Het aantal BRMO anamneses dat moest worden afgenomen om één nieuwe BRMO drager op te sporen was 1.778. Anders gezegd: er moesten 10.420 vragen worden gesteld om één nieuwe drager van BRMO te vinden. Wat belangrijk is om te vermelden is dat we in Nederlandse ziekenhuizen ook een labelsysteem hebben in het elektronisch patiënten dossier, waarmee we patiënten die drager zijn van BRMO kunnen herkennen als zij weer opnieuw worden opgenomen. We berekenden dat als we de huidige BRMO anamnese niet meer zouden uitvoeren en ons in plaats daarvan slechts op deze bestaande labeling zouden richten, we 68% van alle BRMO dragers (gevonden door de BRMO anamnese), nog steeds zouden vinden. Ten slotte hebben we onze bevindingen vergeleken met eerdere Nederlandse studies die onderzoek hebben gedaan naar de prevalentie van BRMO dragerschap bij ziekenhuisopname. We vonden in deze berekeningen dat de overgrote meerderheid (91.8%-99.6%) van de BRMO dragers die wordt opgenomen in het ziekenhuis, waarschijnlijk nog steeds onopgemerkt blijft. Dit komt doordat de risicofactoren die worden uitgevraagd niet goed voorspellen of iemand daadwerkelijk drager is van BRMO (lage positief voorspellende waarde). Daarnaast geldt voor het overgrote deel van de BRMO dragers dat deze risicofactoren niet van toepassing zijn (lage sensitiviteit). Gezien de tijdsinvestering die gepaard gaat met de huidige massale screening bij opname concludeerden we daarom dat onze studie bewijs levert om de huidige BRMO anamnese sterk te heroverwegen.

In Hoofdstuk 5 staat het studieprotocol van onze EPIGENEC studie (EPIdemiology and GENetics of E. coli) beschreven. E. coli is een van de bacteriën die we bijna allemaal (onschuldig) bij ons dragen in onze darmen. We noemen dit ook wel het (humane) intestinale reservoir van E. coli. Echter is het ook een beruchte bacterie, het is namelijk een frequent pathogeen in infecties. Zo is het de meest voorkomende oorzaak van urineweginfecties en een van de meest belangrijke veroorzakers van bacteriëmie (ook wel ‘bloedvergiftiging’ genoemd, er horen geen bacteriën te zitten in bloed). Eigenlijk is het lastig praten over ‘de’ bacterie E. coli; er zijn namelijk binnen deze bacterie veel verschillende subtypes. Met behulp van whole genome sequencing (WGS) kunnen we het volledige genetisch materiaal van bacteriën in kaart brengen. Op die manier kunnen we de aanwezigheid van bepaalde resistentiegenen of virulentiegenen vaststellen. Studies tot nu toe suggereerden mogelijke belangrijke verschillen tussen de verschillende E. coli subtypes en hun (pathogeen) vermogen om een bacteriëmie te kunnen veroorzaken. De E. coli stammen van mensen bij wie de infectie begon in de urinewegen leken bijvoorbeeld erg anders dan de stammen in de darmen. Dat onderzoek richtte zich met name op antibioticaresistente E. coli, ook al wordt het overgrote merendeel van de E. coli bacteriëmiën (ECB) in Nederland nog altijd veroorzaakt door antibioticagevoelige E. coli (~90%). Er was tot nu toe dus nog weinig bekend in hoeverre dit ook voorkwam bij bacteriëmie door antibioticagevoelige en -resistente E. coli in Nederland. Een (relatief) veelvoorkomend resistentiemechanisme in E. coli is de productie van ESBL, een enzym dat bepaalde soorten antibiotica kan afbreken. Door middel van grootschalige surveillance studies meten we hoe vaak intestinaal dragerschap van ESBL-positieve E. coli (ESBL-Ec) voorkomt (prevalentie, dit wordt momenteel geschat op circa 5%) en welke subtypes er circuleren. Helaas zijn deze studies niet makkelijk om uit te voeren, het kost veel tijd en mankracht (de laatste en grootste studie duurde meer dan vijf jaar van start tot publicatie). Het zou dus mooi zijn als we onze klinische samples, afgenomen tijdens routinezorg, hiervoor konden gebruiken. We hebben de EPIGENEC studie daarom opgezet met twee hoofddoelen: 1) Het beschrijven van de huidige moleculaire epidemiologie in Nederland van E. coli bacteriëmie met verschillende klinische kenmerken, en 2) Onderzoeken of E. coli uit klinische samples ook gebruikt zou kunnen worden voor surveillance van het intestinale E. coli reservoir in de open populatie.

In Hoofdstuk 6 beantwoorden we de eerste onderzoeksvraag van de EPIGENEC studie (zie alinea hierboven). We hebben hiervoor klinische en genetische kenmerken van 281 ECB onderzocht, waarvan 212 ESBL-negatieve E. coli (non-ESBL-Ec) en 69 ESBL-Ec stammen. We vonden dat de meeste (64% tot 81%) episodes van ECB ontstonden vóórdat patiënten waren opgenomen in het ziekenhuis (zogenaamde ‘community onset’) en meestal een primair focus hadden in de urinewegen (in 44% tot 49% van de gevallen) gevolgd door the lever en/of galwegen. De belangrijkste bevinding van deze studie was dat de non-ESBL-Ec en ESBL-Ec stammen zeer van elkaar verschilden, namelijk in termen van serotypes, subtypes, virulentiegenen en resistentiegenen. De non-ESBL-Ec stammen waren ook een meer heterogene groep dan de ESBL-Ec. Het lijkt er dus op dat gedurende de evolutie bepaalde subtypes van deze stammen beter zijn geworden in het vasthouden van de ESBL plasmiden dan anderen. Uit onze studie bleek verder dat ECB ook in Nederland vaak kwetsbare patiënten betreft; de ruwe 30-dagen mortaliteit was respectievelijk 11% en 28% voor patiënten met non-ESBL-Ec en ESBL-Ec bacteriëmie. Er worden daarom E. coli vaccins ontwikkeld die in de toekomst deze infecties hopelijk zoveel mogelijk kunnen voorkomen. De informatie uit deze studie, zoals de kenmerken van de patiënten en de verschillende E. coli subtypes, kan gebruikt worden voor verdere ontwikkeling van deze vaccins.

Omdat E. coli zo’n belangrijk pathogeen en ESBL een relatief veelvoorkomend resistentiemechanisme is, willen we door middel van surveillance graag continu bijhouden welke ESBL-Ec subtypes er allemaal circuleren in Nederland. Zo kunnen we bijvoorbeeld tijdig veranderingen of nieuwe belangrijke resistente stammen opmerken. We weten dat het darmstelsel van de mens een belangrijk reservoir is voor de E. coli bacterie. In Hoofdstuk 7 onderzochten we daarom of we stammen uit verschillende klinische samples (d.w.z. van infecties) betrouwbaar zouden kunnen gebruiken voor toekomstige surveillance, als proxy voor het humane intestinale ESBL-Ec reservoir. Hiervoor onderzochten we het genoom van 183 ESBL-Ec intestinale dragerschapsstammen uit de ESBLAT-studie en vergeleken deze met ESBL-Ec stammen uit urine verzameld in de huisartsenpraktijk (n=187), ESBL-Ec stammen uit urine verzameld in het ziekenhuis (n=59) en ESBL-Ec stammen uit bloed (n=70). We vonden veel overeenkomsten. Zo was de prevalentie van de tien meest voorkomende subtypes vergelijkbaar tussen de intestinale en de infectieuze stammen, met uitzondering van subtype ST131 (een belangrijk subtype in infecties), die kwam in absolute zin significant vaker voor in klinische samples (39% versus 23%) en was in beide groepen het meest voorkomende subtype. De tien meest voorkomende ESBL-genen waren ook vergelijkbaar in beide groepen. Enige uitzondering hierop was het ESBL-gen CTX-M-1. Dit gen kwam vaker voor in dragerschap dan in klinische samples (18% versus 5%). Belangrijk is wel om op te merken dat we nog niet naar het totale genetisch materiaal van alle stammen hebben gekeken (maar slechts naar bepaalde onderdelen van het genoom). Al met al concludeerden we dat deze eerste vergelijking tussen intestinale en klinische ESBL-Ec stammen veelbelovend is voor de bruikbaarheid van klinische samples in toekomstige moleculaire surveillance van ESBL-Ec. We vonden geen duidelijke klinische sample subgroep die er bovenuit sprong qua vergelijkbaarheid, al werden de klinische subgroepen helaas wel dusdanig klein om hier een definitief antwoord op te geven.

In de algemene beschouwing en tevens het laatste hoofdstuk van dit proefschrift (Hoofdstuk 8) worden de belangrijkste bevindingen samengevat en wordt beschreven hoe het onderzoek heeft bijgedragen aan de bestaande literatuur over ziekenhuissurveillance van antibioticaresistente Gram-negatieve bacteriën. Daarnaast wordt uitgebreid besproken welke beperkingen er zaten aan ons onderzoek, welke conclusies we konden trekken en wat dit betekent voor de praktijk. Tot slot worden er per hoofdstuk aanbevelingen gedaan voor toekomstig wetenschappelijk onderzoek.