Kunnen we nieuwe infectieziekten voorspellen?
Door Arjan de Visser
We hebben infectieziekten ondanks vaccins en antibiotica nog steeds niet onder controle. We proberen nu de evolutie van bacteriën en virussen die deze ziekten veroorzaken beter te begrijpen. Kunnen we daardoor mogelijk nieuwe infectiezieken voorspellen, zodat we gericht effectieve antibiotica en vaccins kunnen ontwikkelen?
Infectieziekten in het verleden
Infectieziekten zijn lang de grootste bedreiging voor onze gezondheid geweest. Tijdens grote uitbraken, zoals de pest in de veertiende eeuw en de Spaanse griep een eeuw geleden, zorgden infectieziekten voor massale sterfte en volledige ontwrichting van samenlevingen. Door de ontdekking van bacteriën, virussen en andere parasieten als oorzaak van infectieziekten, zijn deze ziekten in de twintigste eeuw als doodsoorzaak sterk teruggedrongen. Dit komt onder andere omdat de ontdekking leidde tot een betere hygiëne, de ontdekking van antibiotica en de ontwikkeling van vaccins. Maar ook nu nog vormen ziekten door infecties een belangrijke bedreiging van onze gezondheid. Bekende voorbeelden zijn de aidsepidemie veroorzaakt door het HIV-virus in de jaren tachtig (en nog altijd een probleem), en de uitbraken van Q-koorts, SARS, Mexicaanse griep, ebola en zika.
De Spaanse griep was een beruchte griep-pandemie uit de jaren 1918-1919.
Waarom hebben we infectieziekten nog niet onder controle?
Dat we infectieziekten niet goed onder controle krijgen komt doordat de veroorzakers van deze ziekten zichzelf voortdurend kunnen veranderen. De micro-organismen (een bacterie, virus, schimmel of een afwijkend eiwit, een zogeheten prion) evolueren razendsnel en passen zich aan de mens en zijn bestrijdingsmiddelen aan. Ze worden bijvoorbeeld resistent tegen de antibiotica en vaccins die we gebruiken om ze te bestrijden. Ook kunnen infectieziekten die voorkomen bij dieren, zoals onze landbouwhuisdieren, soms met kleine aanpassingen overspringen op de mens en zich daar succesvol verspreiden. Op zo’n moment is een nieuwe infectieziekte geboren. Dat wordt bijvoorbeeld gevreesd bij het vogelgriepvirus dat eind 2016 weer in Nederland opdook bij kippen en wilde vogels.
Wat het ontstaan van nieuwe infectieziekten erg lastig te controleren maakt, is dat de potentiële veroorzakers in grote getale kunnen voorkomen en zich snel kunnen voortplanten. Dit vergroot de kans dat er een variant evolueert die zo’n nieuwe succesvolle infectieroute kan inslaan.
Evolutie beter leren begrijpen
Om het probleem van resistentie en het ontstaan van nieuwe infectieziekten te kunnen controleren, moeten we dus eigenlijk de evolutie van bacteriën en virussen die deze ziekten veroorzaken beter begrijpen. Het liefst zouden we bepaalde veranderingen willen voorspellen, zodat we gericht effectieve antibiotica en vaccins kunnen ontwikkelen tegen toekomstige ziekten.
“We proberen de factoren te ontdekken die evolutie een bepaalde richting op sturen”
Evolutie laat zich echter moeilijk voorspellen, door de grote invloed van toevallige gebeurtenissen. Denk daarbij aan veranderingen in het erfelijk materiaal (mutaties) die voor nieuwe eigenschappen zorgen. Of aan onvoorspelbare veranderingen in de omgeving, die het succes van nieuwe varianten mede bepalen. Voor bijvoorbeeld een succesvolle nieuwe zoönose, een infectieziekte die van dier op mens kan worden overgedragen, moet niet alleen bij een dier een variant ontstaan die de overstap van dier naar mens mogelijk maakt. Die overstap moet ook daadwerkelijk plaatsvinden door contact tussen dier en mens. Daarna moet de ziekteverwekker zich succesvol bij de mens vermeerderen, en moet de besmette persoon voldoende contact met andere mensen hebben om verspreiding in de menselijke populatie mogelijk te maken.
Kortom, we willen de evolutie van nieuwe infectieziekten voorspellen vanuit een Global One Health perspectief. Daarin nemen we alle mogelijk relevante tussenstappen mee.
Antibioticaresistentie voorkomen
In Wageningen proberen we een eerste stap te zetten door de evolutie van antibioticumresistentie in het laboratorium te voorspellen. Dat doen we met behulp van gecontroleerde evolutie-experimenten waarin bacteriepopulaties worden blootgesteld aan antibiotica. Door hun grote aantallen en snelle generaties worden zelfs kleine populaties (in een waterdruppel met voedingsstoffen) in korte tijd resistent tegen het antibioticum.
We herhalen dit soort evolutie-experimenten op grote schaal en na afloop worden ze geanalyseerd. Daardoor beginnen we zicht te krijgen op hoe herhaalbaar evolutie verloopt. Als blijkt dat evolutie telkens dezelfde volgorde van mutaties gebruikt, hebben we wellicht de mogelijkheid deze mutatieroutes te voorspellen. Mogelijk kunnen we de veranderingen in het erfelijk materiaal van bacteriën zelfs in een zodanige richting sturen dat we infectieziekten onder controle krijgen.
Ons onderzoek laat zien dat evolutie inderdaad een voorkeur heeft voor bepaalde mutatieroutes naar antibioticumresistentie. We krijgen de omstandigheden in beeld die dit bepalen. Zo hebben we gevonden dat de herhaalbaarheid van evolutie groter is in grote dan in kleine bacteriepopulaties. Ook ontwikkelen kleine populaties soms hogere antibioticumresistentie dan grote. Het goede nieuws is dat sommige van deze resistentieroutes bacteriën weliswaar resistent tegen het gebruikte antibioticum maken, maar tegelijkertijd juist meer gevoelig voor andere antibiotica. Dit opent dus mogelijkheden om met slimme combinaties van antibiotica het probleem van resistentie gedeeltelijk te omzeilen.
Wiskundige modellen voorspellen nieuwe virussen
Andere onderzoeksgroepen gebruiken wiskundige modellen om het griepvirus van het volgende seizoen te voorspellen. Dat opent de mogelijkheid om vaccins te ontwikkelen en dus beschermd te zijn tegen een toekomstig virus voordat je het tegen het lijf loopt. Zo hebben natuurkundigen Marta Luksza en Michael Lässig van de Universiteit van Keulen een model ontwikkeld dat correct kan voorspellen welk van de bestaande virussen de dominante variant van het volgende griepseizoen zal voortbrengen. Dat deden ze door het aantal mutaties te tellen in een virusgen dat betrokken is bij de interactie met ons immuunsysteem. Ze keken daarbij naar mutaties die door veel virussen worden gedeeld, want die gaven het virus waarschijnlijk een evolutionair voordeel.
Evolutiebiologie in de toekomst
Biologen hebben lange tijd evolutie geprobeerd te begrijpen door verwantschapsrelaties te onderzoeken van soorten die nu leven, en die dus de producten van evolutie zijn. Met evolutie-experimenten in het laboratorium en wiskundige modellen is nu een begin gemaakt met het voorspellen van toekomstige aanpassingen in ziekteverwekkers. Daarbij is extra aandacht voor bedreigende infectieziekten die nieuw zijn of resistent tegen onze geneesmiddelen. Om hun komst te kunnen voorspellen moeten we echter eerst in detail begrijpen hoe dit soort evolutie verloopt. Hierbij zijn zowel nieuwe methoden waarmee evolutie op grote schaal kan worden onderzocht en gemodelleerd, als een holistische Global One Health blik, een belangrijke leidraad.
Lees verder:
- Meer informatie over antibioticumresistentie kun je vinden in ons dossier.
- Artikel: Evolutie is relevant voor ons dagelijks leven
- Wageningen University & Research is partner in het Netherlands Centre for One Health (NCOH)
De onderzoeken is dat ook voor vissen
We doen ons onderzoek met bacterie-soorten, waarbij we onder andere kijken hoe deze ongevoelig worden voor antibiotica (die dokters voorschrijven om bacterie-infecties te doden). Maar onze hoop is, dat we algemene oorzaken ontdekken die evolutie van allerlei soorten voorspelbaar maken, dus ook voor vissen en hun infectieziekten.