Mycobacterium tuberculosis resistance evolution
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2025
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Zusammenfassung
With nearly half a million new multidrug resistant (MDR) tuberculosis (TB) cases estimated annually, TB is a major contributor to the current antimicrobial resistance crisis. MDR-TB is defined as an infection with a Mycobacterium tuberculosis complex (MTBC) strain resistant to the two most effective first-line drugs rifampicin (RIF) and isoniazid. To effectively address this public health crisis, it is essential to un-derstand resistance mechanisms and evolution. This will better guide the development of new antibiot-ics and treatment strategies, and avoid rapid resistance development, as seen with bedaquiline (BDQ). This work explores resistance mechanisms to one key MDR-TB treatment drug, namely BDQ, and new evolutionary medicine informed treatment strategies based on negative hysteresis.
BDQ, one of the most important drugs for treating MDR-TB, is facing increasing resistance in clinical MTBC strains in several high incidence settings. Clinical MTBC strains acquire BDQ resistance through mutations in the atpE gene, which encodes the ATP synthase (primary target of BDQ), and in the Rv0678 gene, which regulates the mmpS5-mmpL5 efflux pump system. Most clinical resistance is associated with mutations in Rv0678, leading to increased expression of the efflux pump genes. In this work, RNA sequencing (RNAseq) analysis of BDQ-resistant mutants, harbouring different mutations in Rv0678 (to-tal loss-of-function mutations and reduced-function mutations), was conducted. The results revealed that efflux pump expression varied among clones, with baseline mmpS5-mmpL5 efflux pump gene ex-pression upregulated without BDQ exposure. Surprisingly, under BDQ challenge, the wild-type H37Rv strain upregulated the mmpS5-mmpL5 efflux pump to similar levels as the Rv0678 mutant clones, point-ing to other mechanisms involved in resistance development. Analysis of the transcriptional response of Rv0678 mutant clones and H37Rv at different BDQ exposure timepoints revealed a complex response indicating that resistance is mediated not by a single mechanism, but rather by an enhanced metabolic plasticity of the Rv0678 mutants, which allows them to shift to a dormant-like state under stress while maintaining some cellular functions.
The second focus of this work was to explore evolution-informed treatment strategies aimed at en-hancing drug efficacy and circumvent resistance evolution by using negative hysteresis as potential mechanism in sequential treatments to limit the evolutionary potential of MTBC strains. An in vitro model was designed based on short pre-exposure with one drug, followed by main-exposure with the second drug utilizing sub-lethal concentrations which potentially induces cellular hysteresis, a phenom-enon where antibiotic effectiveness is enhanced based on the order of drug administration. Sequential exposure of MTBC reference strain H37Rv with ethambutol (EMB) followed by RIF led to a sequence-dependent reduction in bacterial load, attributed to the negative hysteresis effect, where EMB pre-exposure enhanced RIF's efficacy. RNAseq was employed to investigate the underlying mechanisms, indicating that the cellular hysteresis effect, induced by the respective drug sequence, was likely driven by a cell surface stress response and metabolic remodelling by a danK-mediated stress response.
Taken together, the results obtained in this thesis contradicts common knowledge that BDQ resistance induced by Rv0678 mutations is solely conferred by upregulation of the mmpS5-mmpL5 efflux pump system only, but rather points to the role of an enhanced metabolic plasticity in antibiotic responses as important survival strategy. It also shows, that comprehensive studies based on mutant generation combined with OMICS tools are needed to understand pathogen drug response, and escape mecha-nisms. Further, to the best of our knowledge, for the first time the potential of negative hysteresis in-duced by fast drug switching for enhancing drug efficacy even at sub-minimum inhibitory concentration (MIC) conditions was observed in M. tuberculosis. This has great potential for optimizing TB treatment concepts especially for drug resistant MTBC strains, where drug options are limited and cycling thera-pies with a lower number of antibiotics significantly enhance treatment possibilities. Accordingly, evolu-tionary informed treatment strategies should be urgently further exploited.
Beschreibung
Mit schätzungsweise fast einer halben Million neuer multiresistenter (multidrug-resistant, MDR) Tuberkulosefälle pro Jahr trägt die Tuberkulose (TB) erheblich zur aktuellen Antibiotikaresistenzkrise bei. MDR-TB ist definiert als eine Infektion mit einem Mycobacterium tuberculosis Komplex (MTBK)-Stamm, der gegen die beiden wirksamsten Erstlinienmedikamente, Rifampicin (RIF) und Isoniazid, resistent ist. Um der globalen Bedrohung durch Antibiotikaresistenzen wirksam begegnen zu können, ist es unerläss-lich, sowohl die Entstehung als auch die zugrunde liegenden biologischen Mechanismen der Resistenzen zu verstehen. Dies kann dazu beitragen, die Entwicklung neuer Antibiotika und Behandlungsstrategien besser zu steuern und eine rasche Resistenzentwicklung, wie sie beispielsweise bei Bedaquilin (BDQ) beobachtet wird, zu verhindern.
In dieser Arbeit werden die Resistenzmechanismen gegen das wichtige MDR-TB-Behandlungsmedikament BDQ und neue, auf negativer Hysteresis basierende Behandlungsstrategien der Evolutionsmedizin untersucht. BDQ, eines der wichtigsten Medikamente zur Behandlung von MDR-TB, zeigt in mehreren Gebieten mit hoher TB-Inzidenz zunehmende Resistenz in klinischen MTBK-Stämmen. Diese Stämme erwerben BDQ-Resistenz durch Mutationen im atpE-Gen, das für die ATP-Synthase (das primäre Ziel von BDQ) kodiert, sowie im Rv0678-Gen, dass das mmpS5-mmpL5-Exportpumpen System reguliert. Die meisten Resistenzen von klinischen MTBK-Stämmen basieren auf Mutationen in Rv0678, was zu einer erhöhten Expression von Exportpumpen Genen führt.
In dieser Studie wurde eine RNA-Sequenzierungsanalyse (RNAseq) von BDQ-resistenten Mutanten mit unterschiedlichen Mutationen in Rv0678 durchgeführt, darunter solche mit vollständigem Funktionsverlust und Mutationen mit reduzierter Funktion. Die Ergebnisse zeigten, dass in der Tat die Exportpumpen Gene mmpS5-mmpL5 ohne BDQ-Exposition in Rv0678 Mutanten hochreguliert waren, allerding variierte das Expressionsniveau zwischen den Rv0678 Mutanten. Überraschenderweise wurde mmpS5-mmpL5 beim Wildtyp-Stamm H37Rv unter BDQ-Behandlung auf ein vergleichbares Niveau hochreguliert wie bei den Rv0678-Mutanten, was auf die Existenz weiterer resistenzvermittelnder Mechanismen in den Mu-tanten hindeutet. Die Analyse der globalen Genexpression von Rv0678-Mutantenklonen und dem sensiblen Referenzstamm H37Rv zu verschiedenen BDQ-Behandlungszeitpunkten ergab eine komplexe Transkriptionsantwort, die darauf hindeutet, dass die Resistenz nicht auf einen einzigen Mechanismus zurückzuführen ist. Stattdessen scheint eine erhöhte metabolische Plastizität es den Rv0678-Mutanten zu ermöglichen, unter Stressbedingungen in einen „Dormancy-ähnlichen“ Zustand zu übergehen und dennoch einige zelluläre Funktionen aufrechtzuerhalten.
Der zweite Schwerpunkt dieser Studie bestand darin, evolutionsbasierte Behandlungsstrategien zu untersuchen, die darauf abzielen, die Wirksamkeit von Medikamenten zu erhöhen und die Entwicklung von Resistenzen zu verhindern. Hierzu soll negative Hysteresis als potenzieller Mechanismus in zyklischen Therapien genutzt werden, um das evolutionäre Potenzial von MTBK-Stämmen zu begrenzen. Um die Anwendung von negativer Hysteresis bei MTBK-Stämmen zu testen, wurde ein in vitro-Modell entwi-ckelt, in dem die Bakterien zunächst kurz mit einem Medikament vorexponiert wurden, um dann nach-folgend die Hauptexposition mit einem zweiten Medikament durchzuführen. Beide Medikamente wer-den dabei in subletalen Konzentrationen eingesetzt. Hierdurch sollte die negative zelluläre Hysteresis induziert werden, ein Phänomen, bei dem die Wirksamkeit eines Antibiotikums in Abhängigkeit von der Reihenfolge der Medikamentenverabreichung erhöht wird.
In diesem Modell führte die sequentielle Behandlung des MTB-Referenzstamms H37Rv mit Ethambutol (EMB), gefolgt von RIF, zu einer sequenzabhängigen Reduzierung der Bakterienlast. Dieses Ergebnis wurde auf den Effekt der negativen zellulären Hysteresis zurückgeführt, bei dem die Vorbehandlung mit EMB die Wirksamkeit von RIF steigerte. Um die zugrunde liegenden Mechanismen zu untersuchen, wurde RNAseq genutzt, dies zeigte, dass der durch diese spezifische Medikamentenabfolge induzierte nega-tive zelluläre Hysteresis-Effekt wahrscheinlich mit einer dnaK-assoziierten Stressantwort zusammenhängt, bei der die Zelloberfläche umstrukturiert wurde.
Insgesamt widersprechen die in dieser Arbeit erzielten Ergebnisse der gängigen Annahme, dass die durch Rv0678-Mutationen hervorgerufene BDQ-Resistenz ausschließlich durch eine Hochregulierung der mmpS5-mmpL5 Exportpumpen vermittelt wird. Vielmehr weisen sie auf die entscheidende Rolle einer erhöhten metabolischen Plastizität bei der Antibiotikareaktion als wichtige Überlebensstrategie hin. Dies zeigt auch, dass umfassende Studien, die auf der Erzeugung von Mutanten in Kombination mit OMICS-Tools basieren, notwendig sind, um die Reaktion des Pathogens auf Medikamente und die Mechanismen der Resistenzentwicklung besser zu verstehen
Darüber hinaus wurde nach unserem Kenntnisstand zum ersten Mal das Potenzial der negativen zellulären Hysteresis aufgezeigt, welche durch einen raschen Wechsel der Wirkstoffe hervorgerufen wird, um die Wirksamkeit des Medikaments auch in Konzentrationen unterhalb der minimalen Hemmkonzentration (MHK) zu steigern. Dies birgt erhebliches Potenzial für die Optimierung von Tuberkulose-Behandlungskonzepten, insbesondere bei arzneimittelresistenten MTBK-Stämmen, bei denen die Behandlungsoptionen begrenzt sind. Zyklische Therapien mit einer reduzierten Anzahl von Antibiotika könnten die Behandlungsmöglichkeiten bei MDR-TB signifikant verbessern. Es ist daher dringend gebo-ten, evolutionsbasierte Behandlungsstrategien weiterzuentwickeln und zu nutzen.
Schlagwörter
transcriptomics, Bedaquiline, Rv0678 Mutants, sequential treatment, resistence mechanismn, RNA sequencing, Evolutionary Medicine Principles
Zitierform
Institut/Klinik
Forschungszentrum Borstel, Leibniz Lungenzentrum