De associatie van verotoxigene Escherichia coli (VTEC) met ziekte bij de mens dateert van meer dan 30 jaar geleden. Het optreden van uitbraken als gevolg van VTEC in de VS in 1982 vestigde de aandacht van de wereld op deze ziekteverwekkers. Sinds de ontdekking van verocytotoxine , en de paper van Karmali et al. over gevallen van post-diarreem hemolytisch uremisch syndroom (D+HUS) veroorzaakt door VTEC, ook bekend als Shiga-toxigene Escherichia coli (STEC), is een grote hoeveelheid kennis vergaard, maar ondanks deze informatie is een succesvolle behandeling van deze infecties ongrijpbaar gebleven.

Bronnen en pathogenese van VTEC-infectie

Bronnen en verspreiding van VTEC

Darmkolonisatie van landbouwhuisdieren, vooral herkauwers zoals runderen, schapen en geiten, is de waarschijnlijke oorsprong van VTEC/STEC. Uit deze bronnen vloeit een verscheidenheid van middelen van overdracht op de mens voort, met inbegrip van veel verschillende levensmiddelen van dierlijke of plantaardige oorsprong, en water dat wordt gebruikt om te zwemmen en te drinken en voor de teelt van eetbare planten. Menselijke fecale besmetting van voedsel en zaden zou ook een rol kunnen spelen, vooral in ontwikkelingslanden.

Het potentieel voor VTEC-verspreiding wordt nog vergroot door de globalisering van voedsel, die een grote kans biedt voor VTEC om zich snel onder grote delen van de bevolking te verspreiden. De wereldwijde voedseldistributie houdt een inherent risico in en levert grote moeilijkheden op bij de controle van door voedsel overgebrachte ziekteverwekkers en bij het opsporen van de bronnen van uitbraken, zoals onlangs in Europa is gebleken. Dit wordt verder besproken in het commentaar van Werber et al.

VTEC-stammen

Er bestaan verschillende VTEC-stammen en, zoals in het gekoppelde commentaar wordt besproken, zijn O157-klonen, hoewel ze minder voorkomen dan niet-O157-stammen, meestal virulenter. Hoewel dus oorspronkelijk niet-O157 VTEC-stammen werden gerapporteerd en nog steeds worden gerapporteerd, zij het alleen door toegewijde microbiologen, hebben de meeste onderzoekers op dit gebied ze grotendeels genegeerd. Er lijkt geen aandacht te zijn besteed aan het algemeen waargenomen feit dat er in de menselijke darm op elk moment een grote verscheidenheid van E. coli-serotypen bestaat en dat dit ook is aangetroffen bij dieren, vooral bij runderen. De meeste uitwerpselen van herkauwers bevatten een verscheidenheid van VTEC-serotypen, maar sommige, zoals O157 en ook O111, zijn bijzonder virulent, hoewel ze zelden voorkomen en dan nog in kleine aantallen. Belangrijk is dat er steeds meer andere serotypes bij betrokken kunnen zijn en één studie van een uitbraak heeft aangetoond dat hoe meer VTEC-serotypes een patiënt besmet is, hoe slechter de klinische toestand (hoewel het voornaamste VTEC-serotype O111 was). Isolaties van VTEC O111 bij vee zijn zeldzaam, maar niet-VTEC-stammen, die overigens niet te onderscheiden zijn van de VTEC-stammen, blijken overvloedig aanwezig te zijn, vooral in de feces van zieke runderen en patiënten.

Detailstudies hebben aangetoond dat de Shiga-toxinen kunnen worden onderverdeeld in een reeks subtypes en dat deze ook gastheerspecifiek zijn. Er is dus een “dubbele gastheerspecificiteit” onder VTEC-stammen. Sommige klonen zijn specifiek voor runderen, terwijl andere specifiek zijn voor schapen. De toxinesubtypes van deze stammen zijn specifiek voor de VTEC-types die in deze zoogdiergastheren worden aangetroffen. Door bij een uitbraak niet naar de aanwezigheid van alle VTEC-serotypen te zoeken, gaat dus veel epidemiologische informatie verloren en wordt het brondier niet geïdentificeerd.

Pathogenese van post-diarreem hemolytisch uremisch syndroom

VTEC/STEC/enterohemorragische E. coli (EHEC) behoren tot klonen van zoönotische E. coli van verschillende O-serogroepen. Deze serogroepen hebben specifieke virulentiefactoren ontwikkeld en verworven die de bacteriën in staat stellen het menselijke colon te koloniseren en te infecteren, gewoonlijk zonder de bloedstroom binnen te dringen. Eenmaal opgenomen veroorzaken STEC/VTEC/EHEC bloederige diarree (BD), ernstige colitis en HUS. Deze bacteriën worden EHEC genoemd wanneer de infectie gepaard gaat met ernstige colon- en/of nierziekten. De productie van Vero/Shiga toxines wordt beschouwd als de basis voor hun pathogeniteit, maar andere toxines zoals subtilase cytotoxine (SubAB) en cytolethal distending toxine en afgescheiden protease van C1 esterase inhibitor van EHEC (StcE) spelen waarschijnlijk een rol .

De recente uitbraak van door voedsel overgedragen E. coli O104:H4 in Europa heeft opnieuw de aandacht gevestigd op STEC- of EHEC-infecties, samen met hun verwoestende complicaties van nierfalen (door HUS), en beroerte door intravasculaire coagulopathie en vasculopathie of trombotische microangiopathie. De ongewone virulentie en letaliteit van de O104:H4-stam is het resultaat van genetische vermenging van virulentiefactoren, waaronder enteroaggregatieve eigenschappen en meervoudige antibioticaresistentie, en is een les in microbiële evolutie en de genomische plasticiteit van E. coli . De O104:H4 stam staat nu bekend als een enteroaggregatieve en enterohemorragische E. coli (EAHEC).

Wij hebben onlangs de gecombineerde eigenschappen van enteroaggregatief vermogen (sterke aanhechting via fimbriae en kolonisatie van het colonepitheel) met de productie van Shiga toxine (Stx) waargenomen in de nieuwe en zeer dodelijke Europese E. coli O104:H4 stam. Sindsdien werd aangetoond dat deze stam behoorde tot een enteroaggregatieve E. coli lijn die genen had verworven voor Shiga toxine 2 en antibioticumresistentie.

De pathogenese van de ziekte HUS blijft onvolledig begrepen; opmerkelijk is dat tijdens HUS serum Stx niet aantoonbaar is. Het lijkt erop dat polymorfonucleaire leukocyten (PMN) een sleutelrol spelen bij het afleveren van Stx aan kritieke plaatsen zoals de nieren. De mate van nierschade bij kinderen met STEC-geassocieerde HUS kan verband houden met de concentratie van Stx aanwezig op circulerende PMN. Paradoxaal genoeg vertoonden patiënten met hoge hoeveelheden Stx op PMN een behouden of licht verminderde nierfunctie (onvolledige vorm van HUS), terwijl gevallen met lage hoeveelheden PMN-Stx zich meestal presenteren met acuut nierfalen. Bovendien induceren hoge hoeveelheden PMN-Stx een verminderde vrijzetting van cytokines door het renale endotheel, met een congruent lagere graad van ontsteking, terwijl lage hoeveelheden toxine PMN een cytokine cascade in gang zetten, die ontsteking uitlokt met als gevolg weefselschade. De microvasculatuur speelt een belangrijke rol in de pathogenese: D+HUS wordt geassocieerd met trombi van bloedplaatjes in de microvasculatuur van bijna alle vasculaire bedden. Plasma van HUS-patiënten induceert apoptose van gekweekte microvasculaire endotheelcellen van de meeste organen. Twee belangrijke gebeurtenissen zijn betrokken bij de pathogenese van D+HUS: veranderde Von Willebrand factor (VWF) activiteit (bijvoorbeeld, zoals gezien wordt bij ‘a disintegrin and metalloproteinase with thrombospondin motif-13’ (ADAMTS13) deficiëntie) en plaats-specifieke activatie en/of apoptose van microvasculaire endotheelcellen. Een tekort aan ADAMTS13, dat de proteolytische verwerking van nieuw vrijgekomen proadhesieve ultralange VWF multimeren uit endotheelcellen medieert, zou ook een rol spelen in D+HUS coagulopathie. Het onderbreken van deze processen geeft hoop op nieuwe behandelingsmogelijkheden.

Bacteriële darmpathogenen richten zich op het follikel-geassocieerde epitheel dat de Peyer’s patches bedekt. De micro-organismen doorbreken de darmbarrière via M-cellen en worden opgevangen door mucosale macrofagen. STEC/EHEC zijn in staat tot interactie in vivo met de Peyer’s patches en transloceren door de mucosa. Na opname door macrofagen en M-cellen produceren de bacteriën Stx en induceren zij apoptose van deze gastheercellen en het vrijkomen van Stx. Deze interacties tussen microben en gastcellen zouden nieuwe therapeutische doelwitten kunnen vormen.

Huidige behandelingsstrategieën: een gerichte aanpak

HUS omvat acuut nierfalen en de daaruit voortvloeiende verstoring van de vocht- en elektrolytenbalans, hemolyse, verstoring van de stollingscascade met trombocytopenie, met het risico van een beroerte. Dit syndroom moet, samen met de verdere effecten van toxine en de vorming van complementcomplexen, dringend worden beheerst en aangepakt met behulp van een multitarget-benadering. Dit omvat de instelling van algemene ondersteunende maatregelen, antiplatelet- en trombolytica en trombineremmers, selectief gebruik van antimicrobiële stoffen, probiotica, toxine-neutralisatoren (synthetische en natuurlijke binders, antilichamen, enzovoort); en antilichamen tegen belangrijke pathogene pathway-elementen om pathologische processen te onderbreken (bijvoorbeeld remming van terminale complementcomplexvorming). Het richten van PMN’s die Stx dragen zou een productieve strategie voor toekomstig onderzoek kunnen zijn, evenals mogelijke gentherapie. De behandeling van D+HUS is complex door de aard van de aandoening en de verscheidenheid van betrokken pathways. Tabel 1 geeft een overzicht van de aanpak en een lijst van beproefde en experimentele behandelingen.

Algemene ondersteunende maatregelen

Vochtgehalte en elektrolytenbalans zijn uiterst belangrijk bij het voorkomen en beheersen van de ontwikkeling van HUS (zie tabel 1).

Acute renale substitutietherapie (ARRT); bijvoorbeeld peritoneale dialyse (PD) of hemodialyse) heeft aantoonbaar betere resultaten opgeleverd. Kinderen met D+HUS en acuut nierschade die vroegtijdig PD krijgen, hebben mogelijk betere uitkomsten zonder risico op bloedingen bij patiënten met een laag aantal bloedplaatjes. Bovendien lijkt de procedure veilig, vooral in gevallen met een zeer laag aantal bloedplaatjes, waarbij geen bloedingen zijn opgetreden. Als alternatief is vaak hemodialyse nodig. Antihypertensieve therapie voor hypertensie, indien nodig, is ook noodzakelijk. Er lijkt een gunstige rol te zijn voor plasma-infusie en plasma-uitwisseling, maar het voordeel van aferese blijft onzeker.

Behandeling van hematologische problemen en coagulopathie

Controle van hemoglobine, hematocriet en bloedplaatjesaantal is essentieel. Monitoring van hemolyse met lactaatdehydrogenase (LDH) en haptoglobine is ook nuttig. Bloedarmoede als gevolg van hemolyse kan gecorrigeerd moeten worden met transfusies van volbloed of verpakte rode bloedcellen. Transfusie van bloedplaatjes is zelden nodig en wordt meestal vermeden.

Voorkomen van verdere effecten van toxine

Antimicrobiële stoffen: gebruiken of vermijden?

Over het potentieel voor ongewenste vrijlating van verotoxine (VT)/Stx door stervende en dode bacteriële cellen, worden antibiotica meestal vermeden. Bovendien kan het risico dat endotoxine vrijkomt, de reeds potentieel dodelijke belasting van de patiënt nog vergroten. In vitro kunnen subinhibitoire concentraties van antibiotica de productie en het vrijkomen van VT/Stx via bacteriofaaginductie verhogen. Een studie bij muizen en biggen suggereerde dat proeven met fosfomycine bij mensen gerechtvaardigd waren. Gepoolde prospectieve gegevens toonden echter geen voordeel van antibiotica aan. Er is slechts één proef met fosfomycine gerapporteerd. De gegevens over fosfomycine zijn echter in twijfel getrokken (zie tabel 1). Hoewel veel artsen in Japan nog steeds antibiotica, waaronder fosfomycine, gebruiken bij patiënten met duidelijke of mogelijke enterische STEC-infecties, geeft de heersende consensus elders aan dat antibiotica moeten worden vermeden. Recenter bewijsmateriaal ondersteunt dit, vooral met betrekking tot β lactam en andere bacteriedodende antibiotica.

Lumenale toxine-neutralisatoren (synthetische en natuurlijke binders, antilichamen, enzovoort)

Strategieën waarbij ligand-mimics van de receptor voor Stx, globotriaosylceramide (Gb3), worden gebruikt, die zich binden aan Stx in het maagdarmkanaal met de bedoeling de verspreiding van het toxine naar extra-intestinale plaatsen te voorkomen, zijn voorgesteld. In de klinische praktijk is de schade echter al aangericht voordat deze liganden van nut zouden kunnen zijn. Er is slechts één klinisch onderzoek uitgevoerd (helaas zonder succes) met één middel, Synsorb PK, dat dit feit heeft aangetoond. Andere middelen zijn vermeld in tabel 1.

Intralumenale neutralisatoren zouden doeltreffend kunnen zijn om de systemische opname van toxine te verminderen, maar omdat het toxine naar verluidt niet in serum wordt aangetroffen, zouden studies om het effect van neutralisatoren op de toxische effecten van polymorfonucleaire leukocyten-geassocieerd toxine te onderzoeken een eerste stap zijn.

Antilichamen

Neutraliserende Shiga toxine-specifieke antilichamen zijn mogelijk nuttig als therapeutische middelen. De toxinen zijn AB-toxinen met actieve en bindende elementen en zijn voor de hand liggende doelwitten voor neutralisatie door antilichamen. Monoklonale antilichamen gericht tegen de A-subeenheid epitopen van Stx1 hebben aangetoond zeer beschermend te zijn, wanneer ze worden toegediend aan lethaal behandelde dieren. Oraal toegediend immunoglobuline is therapeutisch gebruikt voor een aantal gastro-intestinale infecties (bijvoorbeeld rotavirus; Gastrogard-R). Patiënten met diarree veroorzaakt door diarreeveroorzakende E. coli, specifiek STEC en E. coli-expressie van intimin en HEC-hemolysine werden behandeld door toediening van gepoold rundercolostrum, rijk aan antilichamen tegen Shiga toxine en enterohemorragisch E. coli-hemolysine, in een placebogecontroleerde, dubbelblinde studie. Het verdwijnen van de symptomen en de uitscheiding van infecterende stammen werden beoordeeld. Er kon geen effect van colostrumtherapie op het vervoer van de ziekteverwekkers of op complicaties van de infectie worden aangetoond, maar de frequentie van de ontlasting verminderde wel. Antilichamen tegen E. coli lipopolysaccharide (LPS) kunnen ook therapeutisch worden gebruikt door hun blokkerende effect op de hechting van STEC aan de menselijke intestinale epitheliale (Henle 407) cellijn. Ook op mensen zou onderzoek nodig zijn om de klinische effectiviteit aan te tonen.

Andere toxinebinders/neutralisatoren

De meeste van deze middelen binden zich direct aan het toxine en remmen de binding aan de receptor die op de doelcellen aanwezig is. Dergelijke nieuwe Stx-neutralisatoren bieden een nieuwe therapeutische modaliteit tegen STEC/EHEC-infecties en worden beschreven in tabel 1.

Systemisch toegepaste (intraveneuze) toxinebinders

Een cel-permeabele peptide (TVP) die zich bindt aan Stx2 bleek de ernst van de ziekte te verminderen en juveniele bavianen te redden van een dodelijke Stx2-dosis (50 ng/kg) .

Blokkers van endosoom-naar-golgi-handel van Stx

Onlangs werd aangetoond dat het metaal mangaan (Mn2+) de endosoom-naar-golgi-handel van STx blokkeert. Dit biedt een mogelijke goedkope therapeutische benadering. (Tabel 1).

Blokkers van de interactie tussen bacterie en gastheercel: probiotica

Darmpathogenen bezitten oppervlaktemoleculen waarmee het organisme zich kan binden aan receptoren van de gastheercel. Ook bacteriële toxinen hebben gastheercelreceptoren nodig om zich te binden en de cel binnen te dringen. Om de interactie tussen microbe en gastheercel te blokkeren zijn “designer”-probiotica ontwikkeld. De onschadelijke recombinante bacteriën brengen moleculen tot expressie die gastheercelreceptoren (bijvoorbeeld Gb3) op hun oppervlak nabootsen, en misleiden zo de ziekteverwekker om zich aan het probioticum te hechten in plaats van aan de gastheercelreceptor. Probiotische bacteriën moeten de reis per tube overleven en daarbij in aanraking komen met spijsverteringsenzymen en andere ongunstige omstandigheden. Proefgegevens worden afgewacht.

Een andere benadering heeft gebruik gemaakt van het supernatant van culturen van Bifidobacterium longum HY8001, ontworpen om het effect van VT/Stx te remmen door interferentie van B-subeenheid van VTs in binding aan Gb3 .

Remming van terminale complement complexvorming

Gebaseerd op bewijs dat Shiga toxine complement activeert en factor H bindt en bewijs voor een actieve rol van complement via de alternatieve route in diarree-geassocieerd hemolytisch uremisch syndroom , zijn een paar anekdotische rapporten gepubliceerd van succesvolle behandeling van ernstige Stx-geassocieerde HUS met het monoklonale antilichaam eculizumab . Neurologisch verbeterden de drie patiënten dramatisch binnen 24 uur na de eerste eculizumab infusie. De klinische verbetering ging gepaard met een snelle normalisering van de markers van de ziekteactiviteit. Deze eerste resultaten zijn uiterst veelbelovend en de resultaten van grootschalige gerandomiseerde placebo-gecontroleerde onderzoeken worden optimistisch tegemoet gezien.

Vaccins

Er zijn verschillende vaccinstrategieën gebruikt met wisselend succes in een aantal diermodellen. De strategieën omvatten het gebruik van recombinante virulentie-eiwitten zoals Stx, intimin en E. coli secreted protein A (EspA) of peptiden of fusie-eiwitten van A- en B-subeenheden van Stx2 en Stx1 zoals Stx2Am-Stx1B of avirulente ghost-cellen van EHEC O157:H7 . De toepassing van levende verzwakte bacteriën zoals Salmonella als drager voor vaccineiwitten tegen mucosale pathogenen, waaronder EHEC, heeft duidelijke voordelen. Andere benaderingen staan vermeld in tabel 1. Antilichamen die werden geproduceerd bij mensen met HUS en bij konijnen die werden geïmmuniseerd met type III-afgescheiden eiwitten (T3SP’s) van vier STEC-serotypes, en bij experimenteel besmet vee, brachten eiwitten aan het licht die gemeenschappelijk zijn voor verscheidene HUS-serotypes (tabel 1). Deze waren zeer immunogeen in gevaccineerde en natuurlijk geïnfecteerde personen en vertegenwoordigen toekomstige kandidaten voor een STEC-vaccin (tabel 1).

Naast vaccins op basis van eiwitten zijn DNA-vaccins een recente ontwikkeling in de EHEC-preventie, die bemoedigende resultaten hebben opgeleverd in een muismodel (tabel 1).

De wijze van toediening (intramusculair, intranasaal, oraal, intragastrisch, enzovoort) voor een aantal van deze vaccins beïnvloedt niet alleen de immunogeniciteit, maar ook het beschermende effect bij challenge. Vaccinatie met een oraal vaccin op plantaardige basis beschermde muizen tegen een dodelijke systemische intoxicatie met Stx2 . Dit wordt als bemoedigend beschouwd. Het is duidelijk dat er nog enige tijd te gaan is voordat proeven op mensen worden gerapporteerd, maar de talrijke en frequente uitbraken van EHEC-ziekte herinneren ons voortdurend aan de dringende noodzaak om de bevolking te beschermen tegen deze opkomende en vaak verwoestende zoönosen.

Toekomstige richtingen en conclusies

Er blijven aanzienlijke belemmeringen voor een succesvolle behandeling van HUS gezien de complexiteit van de pathogenese van HUS, waarbij sprake is van verstoring van belangrijke homeostatische paden waarbij complexe biochemische en fysiologische systemen betrokken zijn. Het is onwaarschijnlijk dat het richten van een enkele pathway met een behandelingsmodaliteit voldoende succes zal hebben; een multitargeted benadering lijkt noodzakelijk. Gezien het kennelijke succes van eculizumab, zij het met een zeer klein aantal gevallen, zou het echter een veelbelovende strategie voor behandeling kunnen zijn. De behandeling is bedoeld om de ernstigste complicaties van STEC-infectie te voorkomen (dat wil zeggen nierfalen en complicaties van het centrale zenuwstelsel, bijvoorbeeld beroerte en shock), die nog veel te vaak voorkomen. Het is duidelijk dat een beter begrip van de pathogenese van HUS zal leiden tot aanvullende en mogelijk betere doelen voor behandeling. De ontdekking dat Mn2+ de handel van endosoom naar Golgi kan blokkeren zal ongetwijfeld leiden tot gerandomiseerde gecontroleerde trials bij mensen. Deze zullen met grote belangstelling worden afgewacht. Wat preventie betreft, moeten we vraagtekens zetten bij de globalisering van de voedseldistributie met haar inherente gevaren en haar verkwistend gebruik van energiebronnen, resulterend in een gigantische koolstofvoetafdruk.