De dreiging van resistente ziekteverwekkers voor de volksgezondheid wordt alom erkend. De bestrijding van infectieziekten wordt lastiger en duurder naarmate meer ziekteverwekkers resistent zijn. Het is tegenwoordig algemeen aanvaard dat het gebruik van antibiotica in de landbouwsector leidt tot meer resistentie bij ziekteverwekkers in mensen. Het is echter niet bekend in welke mate dit bijdraagt aan de humane resistentieproblematiek en op welke manieren de resistentie overslaat van landbouw naar mensen. Duidelijk is wel dat levensmiddelen hierbij niet de enige route vormen.

ib november 2017

Auteur: B. ter Kuile

Infectieziekten Bulletin, jaargang 28, nummer 9, november 2017

Het is moeilijk om de invloed van antibioticumgebruik voor landbouwhuisdieren op de resistentie onder ziekteverwekkers bij mensen uit te drukken in getallen. Dit komt echter niet door een gebrek aan onderzoek. Een PubMed-zoekopdracht naar Antibiotic resistance AND veterinary AND human levert meer dan 3000 artikelen op, waarvan meer dan 500 reviews. In totaal zijn er 236.080 artikelen over antibioticaresistentie. Het probleem is niet het aantonen van overdracht van resistentie van agrarische sector naar de humane gezondheidszorg, maar het vaststellen van de omvang van de resistentie in de humane gezondheidszorg die afkomstig is uit de agrarische sector. Die informatie is evenwel nodig om kosteneffectieve maatregelen te kunnen voorstellen om de ontwikkeling van resistentie bij landbouwhuisdieren tegen te gaan. Het heeft weinig zin de agrarische sector te dwingen hoge kosten te maken als daar geen of weinig baten voor de volksgezondheid tegenover staan. Het doel van dit review is na te gaan welke tegenmaatregelen naar verwachting kosteneffectief zullen zijn.

Transmissie resistentie van de veterinaire naar de humane sector

Bacteriën die resistent zijn tegen een of meerdere antibiotica worden op allerlei plekken aangetroffen zoals in mest, op de dieren zelf, op vlees en in het milieu. Nguyen Vinh Trung toont in zijn proefschrift aan dat intensief samenleven met kippen op een kleine boerderij in Vietnam, veel minder dragerschap bij de mens van de op de kippen aanwezige resistente bacteriën oplevert, dan verwacht zou mogen worden. Uit een vergelijkend onderzoek in meerdere landen blijkt dat fecesmonsters van mensen de hoogste resistentie vertonen tegen de antibiotica die in hun eigen land toegestaan zijn voor veterinair gebruik. (1) De epidemiologie van colistineresistentie suggereert eveneens dat resistentie geselecteerd door veterinair gebruik, bij de mens eindigt. (2) De overdracht van resistentie bij landbouwhuisdieren naar de mens kan via een aantal routes, waaronder levensmiddelen, wind, oppervlaktewater en vliegen. (3)

Resistentie tegen antibiotica kan gecodeerd zijn op chromosomaal DNA deoxyribonucleic acid (deoxyribonucleic acid) of op plasmiden. Plasmiden met resistentiegenen worden algemeen aangetroffen in een verscheidenheid van milieus, op landbouw- en natuur- gronden en in oppervlaktewater. Lage concentraties van antibiotica in die milieus zorgen ervoor dat de plasmiden zich handhaven in bepaalde microben en zich verspreiden naar andere. (4) In de afwezigheid van antibiotica is er geen selectiedruk en verliezen bacteriën de plasmiden omdat deze dan onnodige genetische ballast zijn. De verspreiding van plasmiden gebeurt via een aantal mechanismen. (5) Hierbij blijkt de minimale antibioticumconcentratile waarbij geselecteerd wordt voor resistentieplasmiden, lager te zijn dan de minimale inhiberende concentratie (MIC Minimum inhibitory concentration (Minimum inhibitory concentration)) waarbij de bacteriën die de plasmiden bevatten worden geremd en/of gedood. Overdracht van resistentieplasmiden is het meest efficiënt bij lage concentraties van antibiotica. (6) De daaropvolgende selectie waarbij de gevoelige bacterie het aflegt tegen de resistente variant met plasmide, verloopt uiteraard sneller bij hogere concentraties. Het resultaat is dat de combinatie van transmissie en selectie die voor effectieve overdracht nodig is, optimaal is bij lage concentraties van antibiotica.

Chromosomaal versus plasmidaal

De rol van resistentie die door chromosomale DNA-mutaties in de microbiota van landbouwhuisdieren na blootstelling aan antibiotica ontstaat en overgedragen wordt naar de humane sector, is lastig te kwantificeren. (7) Blootstelling aan niet-dodelijke concentraties van antibiotica veroorzaakt een snelle aanpassing op het niveau van genexpressie. Die aanpassing wordt vaak gevolgd door DNA-mutaties die een hoger niveau van resistentie veroorzaken. (8) De uiteindelijke resistentie is niet minder dan het niveau dat door genen op plasmiden wordt veroorzaakt. De resistentie die door plasmiden wordt overgedragen is niet zozeer gebonden aan de isolaten die in de landbouw gevonden worden, maar aan de plasmiden zelf die hun weg weten te vinden naar de humane gezondheidszorg. Daarom valt te verwachten dat de chromosomale resistentie minder effectief wordt overgedragen. Harde gegevens om deze veronderstelling te onderbouwen zijn er echter niet.

Tegenmaatregelen

De Nederlandse veeteeltsector heeft de afgelopen jaren grote inspanningen verricht om het veterinaire gebruik van antibiotica te reduceren (Maran, 2017). Het huidige gebruik is net iets meer dan een derde van het gebruik in het topjaar 2009. Het gevolg is dat er in ieder geval een verminderde resistentie is van het indicatororganisme Escherichia coli in de landbouwsector. Ook voor de andere soorten lijkt op zijn minst de trend van toenemende resistentie doorbroken en is vaak al enige reductie van het percentage resistente isolaten waarneembaar. De resistentieniveaus van humane Salmonella-isolaten vertonen eveneens een reductie in de laatste paar jaar. Dit is van belang om 2 redenen: 1) humane Salmonella- infecties zijn doorgaans aan voedsel gerelateerd en 2) de behandelingsprotocollen voor salmonellose zijn in die periode niet gewijzigd. Daarom mag worden aangenomen dat de vermindering van resistentie verband houdt met het lagere gebruik van antibiotica in de landbouwsector. De door de WHO World Health Organization (World Health Organization) als essentieel voor de humane gezondheidszorg geselecteerde antibiotica, worden vrijwel niet meer gebruikt in de veeteelt; alleen na een resistentiebepaling en als er geen ander middel meer effectief is. In vergelijking met 2009 is in 2017 de selectiedruk voor resistentie vanuit de landbouw naar de humane gezondheidzorg in belangrijke mate afgenomen.

De Nederlandse dierenartsen hebben de afgelopen jaren hun voorschrijfbeleid voor antibiotica drastisch aangepast, zodat onnodig gebruik niet of nauwelijks meer voorkomt. Welke mogelijkheden blijven over om de ontwikkeling van resistentie te verminderen en de verspreiding van resistentie tegen te gaan? Daarvoor moet allereerst het verband tussen blootstelling aan antibiotica en de ontwikkeling van resistentie onder de loep genomen worden. Resistentie ontstaat door de 3 mechanismen die hierboven al terloops zijn genoemd:

  1. veranderingen op het niveau van genexpressie en moleculaire aanpassingen (9),
  2. DNA-mutaties in genen die in de nieuwe vorm resistentie veroorzaken (8) en
  3. overdracht van plasmiden die resistentiegenen bevatten (5).

Ad 1. Aanpassingen in genexpressie die gepaard kunnen gaan met verandering van functie, waarbij bijvoorbeeld pH en zoutpompen gebruikt worden om antibiotica de cel uit te pompen, veroorzaken beperkte resistentie. De MIC gaat met ongeveer een factor 10 omhoog. Deze aanpassing is dus niet effectief bij blootstelling aan hoge concentraties van antibiotica. Op een evolutionaire schaal gemeten gaat deze aanpassing snel. Al na 20 minuten zijn veranderingen waarneembaar en na 2 uur is de expressie van een groot aantal genen aangepast, zowel omhoog als omlaag. (9) Het aantal genen met aangepaste expressie varieert tussen de 100 en 200 per antibioticum. Deze snelle verhoging van de resistentie kan bij blootstelling aan lage concentraties antibiotica precies genoeg cellen laten overleven om bij een aantal daarvan DNA-mutaties te laten plaats vinden. Een voldoende hoge dosis kan dat voorkomen.

Ad 2. Die mutaties hebben meer tijd nodig (8, 10), maar binnen 10 tot 30 dagen van groei bij toenemende hoeveelheden bacteriocide antibiotica wordt volledige resistentie bewerkstelligd. Dit proces vindt niet of veel langzamer plaats wanneer het biostatische middel tetracycline wordt toegepast. Het risico van resistentieontwikkeling is dan ook het grootst als bacteriën eerst aan lage en vervolgens aan oplopende concentraties van antibiotica worden blootgesteld. Dit is meer praktisch relevant dan op het eerste gezicht zou lijken. Bij toediening van antibiotica aan dieren via water of veevoer ontstaan gradiënten van concentraties. De cellen die bij lage concentraties resistent worden, kunnen daarna ook bij hogere concentraties overleven. Er hoeven maar weinig cellen op deze manier te overleven om een nieuwe resistente cellijn te krijgen.

Ad 3. De overdracht van resistentieplasmiden wordt al gestimuleerd door antibiotica- concentraties waarbij de gevoelige receptor cel nog overleeft. (4) Andere factoren in de omgeving, zoals zware metalen of andere niet aan antibiotica verwante chemische stoffen, bevorderen de overdracht ook. De eigenschappen van het plasmide zelf zijn in hoge mate bepalend voor de snelheid van overdracht (11), maar dichtheid van de cellen en andere fysiologische omstandigheden beïnvloeden de snelheid van de overdracht met een factor van meer dan 1000. (6) De hoogste snelheid wordt gemeten in de afwezigheid van antibiotica of andere fysiologische stress, zoals een limitatie van de koolstof en energiebron. De snelheid waarmee een resistentieplasmide in een populatie kan doordringen hangt af van de ecologische en fysiologische voor- en nadelen die aan opname verbonden zijn, De snelheid van overdracht is hierbij van minder invloed, behalve wanneer de fysiologische verschillen, zoals opbrengst en onderhoudsenergie, gering zijn. (12) Na verloop van tijd verminderen de fysiologische kosten van een plasmide, waarschijnlijk door intracellulaire aanpassingen. (16) De voordelen van genen op een plasmide die niet gerelateerd zijn aan antibiotica, zijn in sommige gevallen voldoende om te voorkomen dat het resistentieplasmide verwijderd wordt wanneer de selectiedruk door antibiotica wegvalt. (17)

Resistentie die geselecteerd is door veterinair gebruik kan de humane populatie rechtstreeks bereiken via levensmiddelen of indirect via de omgeving. De aanname dat besmet eten ook een rol speelt lijkt logisch. (13) Dit wordt echter weersproken door de constatering dat er geen verschil is in de mate van ESBL Extended spectrum beta-lactamases (Extended spectrum beta-lactamases)-kolonisatie tussen veganisten en mensen die vlees eten. (14) In het slachthuis en op latere momenten in de voedselbereidingsketen blijven resistente varianten vaak aanwezig en worden ze niet weggecompeteerd door gevoelige soortgenoten, hoewel dit bij afwezigheid van selectiedruk wel verwacht zou worden. (15)

Overal in het milieu bevinden zich resistente bacteriën en resistentie plasmiden. (3, 18) Sommige van de in ziekteverwekkers bij mensen aangetroffen plasmiden komen van origine voort uit omgevingsbacteriën en commensale micro-organismen. (19) Resistentie tegen cefalosporines wordt overgedragen vanuit de landbouwsector naar de humane gezondheidszorg door lijnen van plasmiden en niet via bacteriestammen. (20) Bacteriofagen die zich in grote aantallen in het milieu bevinden dragen eveneens bij aan de overdracht van resistentiegenen. (21) Er zijn dus meerdere routes waarlangs resistentiegenen hun weg vinden naar ziekteverwekkers bij mensen en meerdere mechanismen die daarbij werkzaam zijn. Eenmaal in de menselijke darm wordt de overdracht van plasmiden door de omstandigheden daar, sterk bevorderd. (22)

Handelingsperspectief

Uit het voorgaande blijkt dat overdracht van resistentiegenen vrijwel onvermijdelijk is en dat daarom selectie bij de bron moet worden aangepakt. Het is in strijd met diergezondheid en dierenwelzijn om het gebruik van alle antibiotica uit te bannen. (23) Zowel voor de de novo ontwikkeling van resistentie als voor overdacht van resistentieplasmiden is blootstelling aan lage concentraties een belangrijke risicofactor. Daarom is het belangrijk om wanneer een behandeling nodig is, de hoogste concentratie toe te passen waarbij het dier geen schade ondervindt en de behandeling te beëindigen zodra het therapeutische doel is bereikt. De toepassing moet dus kort en krachtig zijn. Een homogene verdeling van de antibiotica in gemedicineerd voer of in het drinkwater, wanneer dat gebruikt wordt voor het toedienen van antibiotica, is essentieel. In geval antibiotica aan het drinkwater worden toegevoegd is het naijlen van antibiotica, bijvoorbeeld doordat ze eerst neerslaan in de pijpleidingen en vervolgens weer oplossen, een bekend probleem. Naast de preventie van gradiënten is het alternerende gebruik van 2 of meer antibiotica gedurende een kuur ook een veelbelovende manier om de ontwikkeling van resistentie tegen te gaan of in ieder geval te beperken. (24) Het succes van de vermindering van de hoeveelheid antibiotica die worden gebruikt in de Nederlandse veeteelt, laat zien dat strikte toepassing van goede landbouwpraktijken door boeren en formularia door dierenartsen, een belangrijke bijdrage kunnen leveren aan de vermindering van de resistentieproblematiek.

Auteur

B. H. ter Kuile, Nederlandse Voedsel- en Warenautoriteit, Utrecht en Universiteit van Amsterdam - Department of Molecular Biology and Microbial Food Safety

Correspondentie

b.h.terkuile@nvwa.nl

  1. Forslund K, Sunagawa S, Kultima JR, Mende DR, Arumugam M, Typas A, et al. Country-specific antibiotic use practices impact the human gut resistome. Genome Res. 2013;23:1163-9.

  2. Giamarellou H. Epidemiology of infections caused by polymyxin-resistant pathogens. Int J Antimicrob Agents. 2016;48:614-21.

  3. Andersson DI, Hughes D. Microbiological effects of sublethal levels of antibiotics. Nat Rev Microbiol. 2014;12:465-78.

  4. Gullberg E, Albrecht LM, Karlsson C, Sandegren L, Andersson DI. Selection of a multidrug resistance plasmid by sublethal levels of antibiotics and heavy metals. mBio. 2014;5:e01918-14.

  5. Davies J, Davies D. Origins and evolution of antibiotic resistance. Microbiol Mol Biol Rev. 2010;74:417-33.

  6. Handel N, Otte S, Jonker M, Brul S, ter Kuile BH. Factors that affect transfer of the IncI1 beta-lactam resistance plasmid pESBL-283 between E. coli Escherichia coli (Escherichia coli) strains. PLoS Plos One (Plos One) One. 2015;10:e0123039.

  7. Holmes AH, Moore LS, Sundsfjord A, Steinbakk M, Regmi S, Karkey A, et al. Understanding the mechanisms and drivers of antimicrobial resistance. Lancet. 2016;387:176-87.

  8. Handel N, Schuurmans JM Joint meeting (Joint meeting), Feng Y, Brul S, Ter Kuile BH. Interaction between Mutations and Regulation of Gene Expression during Development of De Novo Antibiotic Resistance. Antimicrob Agents Chemother. 2014;58:4371-9.

  9. Handel N, Schuurmans JM, Brul S, Ter Kuile BH. Compensation of the Metabolic Costs of Antibiotic Resistance by Physiological Adaptation in Escherichia coli. Antimicrob Agents Chemother. 2013;57:3752-62.

  10. Feng Y, Jonker MJ, Moustakas I, Brul S, Ter Kuile BH. Dynamics of Mutations during Development of Resistance by Pseudomonas aeruginosa against Five Antibiotics. Antimicrob Agents Chemother. 2016;60:4229-36.

  11. Frost LS, Koraimann G. Regulation of bacterial conjugation: balancing opportunity with adversity. Future Microbiol. 2010;5:1057-71.

  12. Kivisaar M. Stationary phase mutagenesis: mechanisms that accelerate adaptation of microbial populations under environmental stress. Environmental microbiology. 2003;5:814-27.

  13. Oloya J, Doetkott D, Khaitsa ML. Antimicrobial drug resistance and molecular characterization of Salmonella isolated from domestic animals, humans, and meat products. Foodborne pathogens and disease. 2009;6:273-84.

  14. Koniger D, Gastmeier P, Kola A, Schwab F, Meyer E. Vegetarians are not less colonized with extended-spectrum-beta-lactamase-producing bacteria than meat eaters. J Antimicrob Chemother. 2014;69:281-2.

  15. Wang H, McEntire JC, Zhang L, Li X, Doyle M. The transfer of antibiotic resistance from food to humans: facts, implications and future directions. Rev Sci Tech. 2012;31:249-60.

  16. Dionisio F, Conceicao IC intensive care (intensive care), Marques AC alimentair consulent (alimentair consulent), Fernandes L, Gordo I. The evolution of a conjugative plasmid and its ability to increase bacterial fitness. Biology letters. 2005;1:250-2.

  17. Baker S, Duy PT pertussis-toxine (pertussis-toxine), Nga TV, Dung TT, Phat VV, Chau TT, et al. Fitness benefits in fluoroquinolone-resistant Salmonella Typhi in the absence of antimicrobial pressure. eLife. 2013;2:e01229.

  18. Marti E, Variatza E, Balcazar JL. The role of aquatic ecosystems as reservoirs of antibiotic resistance. Trends Microbiol. 2014;22:36-41.

  19. Martinez JL. General principles of antibiotic resistance in bacteria. Drug discovery today Technologies. 2014;11:33-9.

  20. de Been M, Lanza VF, de Toro M, Scharringa J, Dohmen W, Du Y, et al. Dissemination of cephalosporin resistance genes between Escherichia coli strains from farm animals and humans by specific plasmid lineages. PLoS genetics. 2014;10:e1004776.

  21. Balcazar JL. Bacteriophages as vehicles for antibiotic resistance genes in the environment. PLoS pathogens. 2014;10:e1004219.

  22. Trobos M, Lester CH Congenitale hypothyreoidie (Congenitale hypothyreoidie), Olsen JE, Frimodt-Moller N, Hammerum AM. Natural transfer of sulphonamide and ampicillin resistance between Escherichia coli residing in the human intestine. J Antimicrob Chemother. 2009;63:80-6.

  23. Littmann J, Buyx A, Cars O. Antibiotic resistance: An ethical challenge. Int J Antimicrob Agents. 2015;46:359-61.

  24. Kim S, Lieberman TD, Kishony R. Alternating antibiotic treatments constrain evolutionary paths to multidrug resistance. Proc Natl Acad Sci U S A. 2014;111:14494-9.