Gebruik van CRISPR/Cas-technologie om antimicrobiële resistentie te bestrijden

Gebruik van CRISPR/Cas-technologie om antimicrobiële resistentie te bestrijden

In het tweede nieuwe onderzoeksrapport over dit onderwerp zegt universitair docent Ibrahim Bitar: De afdeling Microbiologie van de Faculteit Geneeskunde en het Pilsen Universitair Ziekenhuis, Charles Universiteit Praag, Pilsen, Tsjechië, zal een overzicht geven van de moleculaire biologie van CRISPR-technologie en uitleggen hoe deze kan worden gebruikt om antimicrobiële resistentie te bestrijden.

Geclusterde reguliere interspaced short palindromic repeats (CRISPRs) en CRISPR-geassocieerde genen (Cas) zijn wijdverspreid in het genoom van veel bacteriën en vertegenwoordigen een verdedigingsmechanisme tegen vreemde indringers zoals plasmiden en virussen. De CRISPR-arrays bestaan ​​uit een herhaalde rangschikking van korte sequenties, elk afgeleid van en exact overeenkomend met een nucleïnezuursequentie die ooit de gastheer was binnengedrongen.

Bij de CRISPR-sequenties horen 4–10 CRISPR-geassocieerde genen (cas) die in hoge mate geconserveerd zijn en coderen voor de Cas-eiwitten. Cas-eiwitten voeren adaptieve immuniteit uit in prokaryoten (bacteriën) op basis van immunologische herinneringen die zijn opgeslagen in de CRISPR-array. Het CRISPR/Cas-systeem integreert een klein stukje vreemd DNA van indringers zoals plasmiden en virussen in hun directe herhalingssequenties en zal dezelfde externe DNA-elementen herkennen en afbreken tijdens toekomstige invasies.

Omdat de CRISPR/Cas-systemen DNA van binnendringende ziekteverwekkers in chronische volgorde integreren, kan genotypering worden gebruikt om de klonaliteit en oorsprong van de isolaten te volgen en deze te definiëren als een populatie van stammen die zijn blootgesteld aan dezelfde omgevingsomstandigheden, inclusief geografische locatie (regio). ) en gemeenschaps-/ziekenhuisomgevingen en uiteindelijk verder uitgebreid om pathogene bacteriën in de menselijke samenleving op te sporen.

CRISPR/Cas-systemen kunnen ook worden gebruikt om antimicrobiële middelen te ontwikkelen: door zelfgerichte crRNA's te introduceren, worden doelbacteriepopulaties effectief en selectief gedood. Vanwege het gebrek aan beschikbare effectieve antimicrobiële middelen om multiresistente (MDR) infecties te behandelen, begonnen onderzoekers te zoeken naar alternatieve methoden om MDR-infecties te bestrijden in plaats van het proces van het ontwikkelen van nieuwe antimicrobiële middelen te doorlopen, wat tientallen jaren kan duren. Als gevolg hiervan werd het concept van op CRISPR/Cas gebaseerde selectieve antimicrobiële middelen voor het eerst ontwikkeld en gedemonstreerd in 2014. Vectoren die coderen voor Cas9 en gids-RNA's die gericht zijn op genomische loci van een specifieke bacteriestam/soort kunnen via bacteriofagen of conjugatieve bacteriestammen aan de doelstam worden afgeleverd. Theoretisch elimineert het aanbieden van de gemanipuleerde CRISPR/Cas-systemen specifiek doelstammen uit de bacteriepopulatie, maar zo eenvoudig is het niet.

Hoewel deze systemen een doelwit kunnen zijn voor manipulatie/interferentie, worden alle bacteriën op meerdere manieren gereguleerd om ervoor te zorgen dat de bacteriën de controle over het proces behouden. Daarom zijn er nog steeds enkele grote uitdagingen bij het gebruik van dit systeem als antimicrobieel middel.

Bij de meeste methoden is de levering van het opnieuw gesensibiliseerde systeem door conjugatie vereist; De vector wordt gedragen door een niet-virulente laboratoriumbacteriestam die is ontworpen om de vector/plasmide door conjugatie te delen. Het conjugatieproces is een natuurlijk proces dat bacteriën uitvoeren en dat ertoe leidt dat plasmiden met elkaar (ook met andere soorten) worden uitgewisseld. Het percentage geconjugeerde (met succes afgeleverde) bacteriën in de totale bacteriepopulatie is van cruciaal belang voor de efficiëntie van resensibilisatie. Dit proces wordt gecontroleerd via verschillende ingewikkelde routes.

Bacteriën hebben ook ingebouwde anti-CRISPR-systemen die eventuele schade veroorzaakt door CRISPR-Cas-systemen kunnen herstellen. Afweersystemen die de bacterie gebruikt om zichzelf te beschermen tegen vreemd DNA bevinden zich vaak binnen verdedigingseilanden (genoomsegmenten die genen bevatten met vergelijkbare functies bij het beschermen van de gastheer tegen indringers) in het bacteriële genoom; Bijvoorbeeld:acr(een gen dat, samen met andere vergelijkbare varianten, functioneert als een repressor van plasmideconjugatiesystemen) vormen vaak clusters met antagonisten van andere verdedigingsfuncties van de gastheer (bijvoorbeeld anti-restrictiemodificatiesystemen) en experts zijn van mening dat MGE's (mobiele genetische elementen) hun tegenhanger-verdedigingsstrategieën organiseren op ‘anti-defensie’-eilanden.

Samenvattend lijkt deze methode veelbelovend als alternatieve manier om antimicrobiële resistentie te bestrijden. De methode is gebaseerd op het concept van het opnieuw sensibiliseren van de bacteriën om reeds beschikbare antibiotica te gebruiken - met andere woorden, het elimineren van hun resistentie en het opnieuw gevoelig maken van de bacteriën voor eerstelijnsantibiotica. Niettemin zijn bacteriële metabolische routes altijd ingewikkeld en worden dergelijke systemen altijd sterk gereguleerd door meerdere routes. Deze gereguleerde routes moeten in detail worden bestudeerd om selectieve druk te vermijden die de activering van anti-CRISPR-systemen bevordert en dus resulteert in een agressievere verspreiding van resistentie.”

Universitair docent Ibrahim Bitar, Afdeling Microbiologie, Faculteit Geneeskunde en Universitair Ziekenhuis van Pilsen, Charles Universiteit in Praag

Bronnen: