„Ze zijn resistent tegen antibiotica, kunnen makkelijk in allerlei ruimtes in het lichaam kruipen en zijn moeilijk herkenbaar voor het immuunsysteem.” Waar nanobioloog prof. dr. Cees Dekker het over heeft? Over bacteriën zonder celwand.
Celwandloze bacteriën, ook bekend als L-vormen, zijn relatief onbekend. Maar mogelijk spelen ze een cruciale rol bij het ontstaan van een scala aan chronische infectieziektes. Prof. dr. Huub Savelkoul, immunoloog aan Wageningen University: „Celwandloze bacteriën zijn aangetroffen bij aanhoudende infecties en chronische ontstekingsziektes, zoals reuma, endocarditis ofwel ontstoken hartkleppen, hart- en vaatziekten, de ziekte van Crohn en sarcoïdose.”
Een overzichtsartikel van Britse onderzoekers uit 2005 noemt dezelfde ziektes en voegt daar nog hersenvliesontsteking, bepaalde oog- en huidaandoeningen en longontsteking aan toe.
Ook worden celwandloze bacteriën in verband gebracht met steeds terugkerende blaasontsteking. Bij 29 van 30 onderzochte patiënten met blaasontsteking werd deze bacterievorm aangetroffen, zo is te lezen in een publicatie die eind september verscheen in het tijdschrift Nature Communications.
Dr. Dennis Claessen, celbioloog aan de Universiteit Leiden: „Bij blaasontsteking is er voor het eerst een sterk associatief verband gevonden met L-vormen. Of er ook een oorzakelijk verband is, staat nog niet helemaal vast. Ook voor de andere ziektes geldt dat het niet altijd zeker is dat de oorzaak ligt bij de celwandloze bacterievorm. Bij veel van die studies waren die vermoedens er wel, maar ontbraken de technieken om dit hard te maken.”
Volgens Savelkoul kunnen celwandloze bacteriën ontstaan als cellen van het immuunsysteem, zoals macrofagen, bacteriën aantreffen en die willen uitschakelen met giftige stoffen. In reactie daarop kunnen bacteriën overgaan in de celwandloze vorm, stelt hij.
Trojaans paard
De vraag is waar de bacterie zich precies schuilhoudt. Dat L-vormen zomaar lichaamscellen kunnen binnendringen, vindt zowel Savelkoul als Dekker onwaarschijnlijk. Prof. Dekker, nanobioloog aan de Technische Universiteit Delft: „Cellen worden omringd door een membraan en vormen zo een afgesloten geheel. L-vormen kunnen zich weliswaar heel klein maken, maar zomaar een cel in sluipen lukt ze niet.”
Mogelijk worden de bacteriën opgegeten door immuuncellen en kunnen ze daarin overleven. Het klassieke voorbeeld van een eencellige die dat voor elkaar krijgt is de veroorzaker van tuberculose, een zogeheten mycobacterie. Savelkoul: „Bacteriën worden opgegeten door macrofagen, een soort witte bloedcellen. Normaal lossen ze daarin op, maar de tuberculoseverwekker weet dat te voorkomen.”
Zodoende kan de mycobacterie jarenlang in de longen verblijven, weet Savelkoul. Iemand die besmet is, merkt dat pas als zijn afweer verzwakt. „Bijvoorbeeld als gevolg van medicatie of een chemotherapie. De ziekteverwekker kan dan plotseling actief worden.”
Claessen denkt ook dat L-vormen in immuuncellen kunnen overleven. „De Britse microbioloog prof. Jeff Errington heeft laten zien dat L-vormen zich in macrofagen kunnen verstoppen. Bacteriën die zich schuilhouden in immuuncellen: een paradox ten top. Als een Trojaans paard verbergen ze zich in het kamp van de vijand. Fascinerend.”
Een tuberculosebesmetting is eenvoudig vast te stellen, namelijk met een röntgenfoto van de longen. Savelkoul: „Daarbij lichten de bacteriën in de immuuncellen op.” Zou je op deze manier ook L-vormen zichtbaar kunnen maken? De Wageningse immunoloog betwijfelt het. „Röntgen is niet heel gevoelig. Er moeten dan wel voldoende bacteriën in de cel zitten om die op te kunnen pikken.”
Een andere mogelijkheid is dat de L-vormen vrij in het bloed circuleren. Savelkoul: „In biologieboeken staat dat bloed steriel moet zijn, anders zou er bloedvergiftiging optreden. Maar tegenwoordig wordt dat betwijfeld.”
Een overzichtsartikel dat dit jaar verscheen in het tijdschrift Frontiers in Cellular and Infection Microbiology heeft het zelfs over een ”gezond bloedmicrobioom”, ofwel een bacteriebevolking die het bloed van gezonde mensen zou bewonen. Volgens het artikel is daar al lang discussie over –wanneer noem je iemand gezond?– maar is er in toenemende mate steun voor de hypothese dat bacteriën ook in het bloed van gezonde mensen circuleren.
Vooralsnog is dus onduidelijk waar L-vormen precies in het lichaam zitten, en bij hoeveel ziektes deze bacterievorm een rol speelt. Prof. Dekker: „Tien jaar geleden had ik nog nooit van L-vormen gehoord. Ze zijn erg onbekend en het onderzoek ernaar staat nog in de kinderschoenen.”
Antibioticaresistentie
Volgens Dekker is deze bacterievorm recent weer in de spotlights gekomen door onderzoek naar antibioticaresistentie. Veel soorten antibiotica, waaronder penicilline, verhinderen de vorming van de celwand. „Dus als bacteriën hun celwand grotendeels verliezen, maakt ze dat ongrijpbaar voor deze antibiotica.”
Een ander type antibiotica blokkeert de celdeling van bacteriën. Maar ook daar weten celwandloze bacteriën aan te ontsnappen, stelt Claessen. „Biologen namen altijd aan dat het zogeheten FtsZ-eiwit onmisbaar is voor de celdeling. Haal je dit eiwit uit bacteriën, dan kunnen die zich niet meer vermenigvuldigen. Maar L-vormen kunnen zich gewoon blijven delen, zo werd in 2009 ontdekt. Schokkend.”
Volgens Claessen kan antibioticagebruik een bacterie zelfs stimuleren om te schakelen naar een celwandloze toestand, als een soort overlevingsstrategie. Inderdaad bleek in de studie over blaasontstekingen dat E. colibacteriën in de blaas na blootstelling aan antibiotica switchen naar de L-vorm.
Claessen won in juli een prestigieuze beurs waarmee hij de komende jaren onderzoek gaat doen naar de mycobacterie die tuberculose veroorzaakt. Hierbij staat de vraag centraal of de mycobacterie in staat is om zich als celwandloze cel te verstoppen in de mens. De voorlopige resultaten wijzen uit dat de mycobacterie inderdaad zonder celwand kan gedijen en zich kan vermenigvuldigen. „Dit is ontzettend spannend onderzoek, want jaarlijks eist tbc 1,5 miljoen dodelijke slachtoffers. Een kwart tot een derde van alle 7 miljard wereldbewoners draagt de tuberculosebacterie met zich mee. Als dit de celwandloze vorm van de mycobacterie blijkt te zijn, wordt dat een wereldschokkende ontdekking.”
Hoe celwandloze bacteriën zich vermenigvuldigen is nog een groot raadsel, stelt Dekker. „Prof. Errington ziet dat ze zich delen in een enorme wolk van dochtercellen. Blaasjes splitsen zich af van de moedercel. Sommige bevatten DNA en kunnen zich vervolgens weer delen, andere zijn leeg en verdwijnen.”
Cakeblik
Dekkers onderzoeksgroep zag een decennium terug al hoe E. colibacteriën het voor elkaar kregen om door ultradunne spleetjes te kruipen. „Alsof een persoon met een breedte van 20 centimeter zich door een kier van 3 centimeter in de deuropening perst.” De bacteriën bleken defecten in hun celwand te ontwikkelen, waardoor ze zich veel dunner konden maken. „We noemen ze celwanddefecte bacteriën, een soort L-vormen dus.”
Dekker gebruikt bacteriën zonder celwand als truc om onderzoek te doen naar hoe eencelligen zich delen. „Zonder hun jasje kunnen ze enorm uitdijen. Je kunt dan veel beter onder de microscoop zien wat er allemaal in de cellen gebeurt.”
Op de monitor van zijn computer laat hij een foto zien van driehoeken, vierkanten en cirkels waarin hij de bacteriën laat groeien. „De bacteriën nemen de vorm aan van de structuren waarin ze zitten, alsof je een flodderige ballon in een cakeblik legt.” Op een andere foto toont Dekker bacteriën die hij heeft laten groeien in lettervormen. Samen vormen ze een naam: TU DELFT.
Eiwitten in de bacteriën lichten fluorescerend groen op. Ze zitten niet star in een cel, maar bewegen onrustig van links naar rechts en weer terug. „Bacteriën zoals E. coli hebben een eiwitsysteem dat zich aan de ene pool bindt, dan loslaat en zich dan aan een andere pool bindt. Zo krijg je een beweging van links naar rechts. Hierdoor weet de cel waar het midden zit, zodat op die plek de celdeling kan beginnen.”
Schakelen
Celwandloze vormen zijn voor twee verschillende types bacteriën aangetoond: die met een dunne en die met een dikke celwand. Dekker: „Er is daarom geen reden om L-vormen bij welke bacteriesoort dan ook uit te sluiten.” Savelkoul: „De celwandloze vorm is inmiddels bij dertig tot veertig soorten gevonden. Mogelijk zijn er meer bacteriesoorten in staat om hun jasje uit te trekken en zich te beschermen tegen antibiotica en het immuunsysteem.” Claessen betwijfelt of alle bacteriën daartoe in staat zijn. „We zien dat er bij bacteriën allerlei genetische veranderingen optreden tijdens het schakelen naar de L-vorm. Er moet dus van alles gebeuren. Niet elke bacteriesoort zal dat kunnen.”
Dit is deel 1 over celwandloze bacteriën. Woensdag deel 2.
Bacterievorm vol raadsels
Celwandloze bacteriën werden reeds in 1935 ontdekt door de Duitse microbiologe Emmy Klieneberger-Nobel, die werkte aan het Lister-Institute for Preventive Medicine in Londen. Vandaar dat ze ook wel L-vormen worden genoemd, naar oprichter Joseph Lister. Hoe kan het dat ze pas recentelijk onder de aandacht van wetenschappers zijn gekomen?
Prof. Dekker ziet daarvoor meerdere redenen. „L-vormen werden ongeveer tegelijkertijd met een heleboel andere soortgroepen ontdekt, zoals mycoplasma’s. Daardoor raakten ze een beetje ondergesneeuwd. Ook was het belang van deze wezens onduidelijk. Maar doordat antibioticaresistentie voor steeds grotere problemen zorgt in onder meer ziekenhuizen, zijn L-vormen juist weer een hot topic.”
Prof. Savelkoul ziet nog een andere oorzaak. „L-vormen zijn lastig te identificeren, omdat de bacterie kan veranderen. Onder invloed van stress en afhankelijk van de kweekomstandigheden worden genen aan- of uitgezet. Hierdoor is het vaak onduidelijk of de vorm zonder celwand dezelfde soort betreft als een bacterie die met celwand bekend is.”
Ook zijn L-vormen moeilijk te kweken, voegt dr. Claessen toe. „De meeste kweekmedia zijn niet geschikt voor L-vormen. Je geeft de bacterie dan gewoon niet de kans om te groeien.”
Bovendien waren de technieken om L-vormen te visualiseren er dertig jaar geleden nog niet, stelt Claessen. „De microscoop was er natuurlijk al wel. Maar door hun ronde vorm zijn celwandloze bacteriën moeilijk te onderscheiden van cellen van de gastheer.”
Ook waren genetische technieken om de soort te bepalen toen nog niet zo ver ontwikkeld. „Dat maakte het heel lastig om L-vormen te kunnen onderzoeken. Wetenschappers waren daarom gezond sceptisch.”
De meeste wetenschappers beschouwden celwandloze bacteriën als „vreemde wezens die je in een labomgeving kunt maken”, zegt Claessen. „Inderdaad kunnen vrijwel alle bacteriën overgaan in L-vormen wanneer ze in contact worden gebracht met antibiotica. Maar de relevantie voor buiten het lab zag men niet. Maar door recente studies van onder meer de toonaangevende wetenschapper Jeff Errington van de universiteit van Newcastle worden L-vormen steeds meer geaccepteerd. Het veld realiseert zich nu: deze bacterievorm hebben we niet serieus genomen.”
