Antibiooteille vastustuskykyiset bakteerit kantavat resistenssigeenejä ja niistä tulee usein mikrobipopulaatioissa vallitsevia. Bakteerit voivat myös mutatoitua ja saada muilta mikrobeilta geenejä, jotka tekevät niistä antibiooteille vastustuskykyisiä. Suomen Akatemian tutkijatohtori Katariina Pärnänen etsii ja tunnistaa näitä geenejä, jotka on kerätty tietokantoihin eri ympäristöistä ympäri maailmaa.
Antibiootteja eli mikrobien tuottamaa ja toisia mikrobeja, erityisesti bakteereja tappavia lääkeaineita on käytetty infektioiden torjunnassa jo 1930-luvulta lähtien. Kun antibiootteja käytetään, alkaa syntyä näille lääkkeille vastustuskykyisiä bakteereja, varsinkin jos antibiootteja käytetään väärin tai liikaa. Tilanne pahenee koko ajan ja ihmisiä kuolee infektioihin, joihin antibiootit eivät tehoa. Katariina Pärnänen tutkii Turun yliopistossa antibioottiresistenssiä.
”Käytännössä tämä tarkoittaa sitä, että henkilöllä on joku antibiootille vastustuskykyinen bakteeri, joka aiheuttaa infektion. Kun tulehdusta yritetään hoitaa antibiooteilla, niin paranemista ei tapahdu. Nykyään on hyvin tavallista, että antibiootille vastustuskykyiset bakteerit eivät ole vastustuskykyisiä vain yhdelle vaan esimerkiksi 15 eri antibiootille.”
Bakteerien resistenssigeenit ovat kasvava maailmanlaajuinen ongelma. Niitä on maaperässä, jätevesissä, kalankasvattamoissa ja eläintiloilla, eikä vain ihmisen suolistossa. Lopulta ympäristönkin resistenssigeenit saatavat päätyä lopulta myös ihmisen suolistoon.
”Minua kiinnostaa kaikki mikrobeissa. Tutkimuksiani edistää, että ymmärrän myös jonkin verran mitä sikatiloilla, kalankasvattamoilla tai Indonesian suurkaupungin läpi virtaavassa joessa tapahtuu. Helsingin yliopistossa tutkin vauvojen suolistomikrobistoa ja miten vauvojen saama äidinmaitokorvike tai imetys ovat yhteydessä resistenssigeenien määrään. Tavallaan tutkimukseni edustaa ”yksi terveys”-suuntausta”, Pärnänen toteaa.
Kun 2000-luvun alussa havaittiin uusia virustauteja ja niiden uhkia, syntyi One Health and Global Health -tutkimussuuntaus: kokonaisvaltainen käsitys ihmisten ja eläinten terveyden ja ekosysteemin suojelemisen tärkeydestä. Lääkärien ja eläinlääkärien aloittama liike edustaa poikkitieteellistä lähestymiskulmaa, jossa on mukana paikallinen, alueellinen, kansallinen ja globaali taso.
”Haluan ymmärtää antibioottiresistenssiä sekä ihmisten terveyteen että eläin- ja ruoantuotantoon sekä ympäristöterveyteen liittyvänä ongelmana. Aiemmin olen tutkinut miten resistenssigeenit siirtyvät äidiltä lapselle ja miten imetyksen pituus vaikuttaa geenien määrään. Nyt olen keskittynyt siihen, minkälaiset tekijät ovat yhteydessä suolistomikrobiston antibioottiresistenssiin. Näitä ovat antibioottien liiallinen käyttö, asuinympäristö sekä terveyshistoria, joka voi paljastaa, kantaako todennäköisesti antibiooteille vastustuskykyisiä bakteereja.”
Ympäristössä olevien bakteereiden ja niiden geenien tutkimus otti suuren harppauksen eteenpäin, kun uuden sukupolven sekvensointimenetelmät tulivat käyttöön. NGS-sekvensointi (Next Generation Sequencing) perustuu massiiviseen rinnakkaissekvensointiin, jossa miljoonia lyhyitä DNA-fragmentteja monistetaan samanaikaisesti. Koska joukko ympäristöstä noukittuja ja sekvensoituja geenejä voidaan analysoida samalla tavoin kuin yksittäisen lajin perimää, tutkimussuuntausta alettiin kutsua metagenomiikaksi. Ensimmäinen metagenomiikkaa hyödyntävä tutkimusartikkeli antttiresistenssistä julkaistiin vuonna 2014.
”Antibioottiresistenssiä on tutkittu pitkään, mutta NGS mahdollisti – ei pelkästään yksittäisten geenien – vaan kaikkien vastustuskykyisen geenien analysoimisen yhdestä näytteestä”, Pärnänen huomauttaa.
Metagenomiikkaan liittyvät tutkimukset ovat osoittaneet, että antibioottien resistenssigeenit ovat yleisiä elinympäristössä. On suuri riski, että nämä geenit siirtyvät bakteereihin, jotka aiheuttavat tulehduksia ihmisissä.
Pärnänen hyödyntää metagenomien sekvenssidataa, jota on myös kerätty laajoihin avoimiin tietokantoihin. Dataa hän analysoi tieteen tietotekniikan keskuksen CSC:n supertietokoneiden avulla. Näin pystytään tunnistamaan eri bakteerilajeja ja niissä olevia resistenssigeenejä.
”Jostakin bakteerilajista voidaan tunnistaa sellaisia geenejä, mitkä esiintyvät sen perimässä vain kerran ja sitten vertailemalla niitä muiden lajien tietokannoissa oleviin geeneihin pystytään sanomaan, mikä bakteerilaji on kyseessä. Resistenssigeeneistä etsitään osumia: sopiiko se tietokannoissa olevaan resistenssigeeniin? Sitten voidaan todeta, että jollakin ihmisellä on ulostenäytteessään kymmenen resistenssigeeniä tai että hänellä on tietty määrä kolibakteereja.”
Yhdessä tutkimuksessa Pärnänen oli mukana analysoimassa resistenssigeenejä ihmisen ulosteista. Tutkimuksessa vertailtiin seitsemän maan jätevesien käsittelylaitosten bakteereja. Puolet maapallon väestöstä kantaa suolistossaan CrAssphage-faagia eli bakteerin loisena olevaa virusta. Tämän faagin geenisekvenssiä käytettiin tutkimuksessa markkerina osoittamaan ulostepohjaista tartuntaa.
”Samoja resistenssigeenejä löytyy kaikkialta maailmasta. Antibioottiresistenssistä puhutaan, että se olisi näkymätön pandemia, koska samat resistenssigeenit leviävät maan rajojen ulkopuolelle. Tietyt geenit ovat tosin yleisempiä jossakin päin maailmaa kuin toiset.”
Intiassa voi olla huomattavasti enemmän näitä geenejä kuin esimerkiksi Pohjois-Euroopassa. Etelä-Euroopan ja Pohjois-Euroopan välillä alkaa olla myös suuria eroja.
”Esimerkiksi virtsatieinfektioita aiheuttavat E. coli-kannat Etelä-Euroopassa voivat olla hyvin resistenttejä.”
Terveelle ihmiselle bakteerit eivät aiheuta vakavaa tautia, mutta aina välillä käy, että suolistoinfektion aiheuttajana on resistentti bakteeri.
”Resistentin bakteerin aiheuttamaa infektiota on vaikea hoitaa. Yleensä nämä ongelmallisimmat resistentit infektiot, joita tavataan Suomessa ovat usein tulleet sellaisille ihmisille, jotka asuvat Suomessa mutta jotka ovat matkustaneet ulkomaille.”
Vuonna 2002 Terveyden ja hyvinvoinnin laitoksen THL:n FINRISKI – väestöaineistoon kerättiin ulostenäytteitä ja määritettiin näytteissä olevien mikrobien sekvenssitiedot.
”Analysoimme yhdessä THL:n tutkijoiden kanssa suomalaisesta populaatiosta saaduista näytteistä, mihin resistenssi mahdollisesti vaikuttaa ja minkälaisia terveydellisiä seuraamuksia on, jos ihmisellä on paljon vastustuskykyisiä bakteereja. Ovatko korkeat antibioottiresistenssigeenien määrät yhteydessä riskiin kuolla seurantajakson aikana?
On ennustettu, että 2050 vuonna antibioottiresistentit infektiot tappaisivat enemmän kuin syöpä. Tuolloin infektiotaudit olisivat yleisin kuolinsyy. Antibiootteja käytetään jo nyt enemmän tuotantoeläimiin kuin ihmisiin ja samalla eläinproteiinin kulutus kasvaa. Pärnäsen mukaan resistenssikriisiä vastaan voidaan taistella siten, että antibiootteja käytetään vain bakteeri-infektioiden hoitamiseen ja vain silloin kun antibiooteista on tutkitusti apua. Myös ruokavalio tai elämäntapa voivat ehkä vähentää resistenssigeenejä suolistomikrobistossa.
”Esimerkiksi kuidun syönti on hiljattain yhdysvaltalaisissa tutkimuksissa yhdistetty resistenssigeenien pieneen määrään kun taas eläinproteiinin määrä ruokavaliossa oli yhteydessä geenien suureen määrään. Voidaan sanoa, että sinun suolistomikrobistosi on sitä mitä syöt.”
Katariina Pärnänen työskentelee apulaisprofessori Leo Lahden tutkimusryhmässä. Ryhmä kehittää koneoppimismalleja, jotka seulovat laajoista datakokoelmista mikrobiryhmiä.
”Antibioottiresistenssi on yksi esimerkki tutkimuksesta, jossa hyödynnetään uusia mittausmenetelmiä ja laskentakapasiteettia tavalla mitä ei ole aiemmin tehty. Tässä tutkimusaiheessa yhdistyvät luontevasti eri mittausympäristöt ihmiskehosta ympäristön mikrobistoon. Tällainen tutkimus mahdollistaa menetelmäkehitykseen ideoita, joista myös eri alojen tutkijat voivat hyötyä,” sanoo Leo Lahti.
Katariina Pärnäsen toiveena on tutkia kaikkien maailman ihmispopulaatioiden suolistomikrobinäytteet, joista on tehty metagenomisekvensoinnit ja jotka ovat tietokannoissa avoimesti saatavilla.
”Olisi kiinnostavaa keskustella CSC:n asiantuntijoiden kanssa, miten tämä olisi teknisesti mahdollista. Tämä myös edistäisi avointa tiedettä, koska tunnistetut resistenssigeenit ja mikrobiomeista löydetyt eliölajit voitaisiin tallettaa myös muiden tutkijoiden käyttöön.”
Ari Turunen
1.9.2022
Lue artikkeli PDF-muodossa
Sitaatti
Ari Turunen, Katariina Pärnänen, Leo Lahti, & Tommi Nyrönen. (2022). Antibiotic-resistant bacteria are a global problem. https://doi.org/10.5281/zenodo.8154563
Lisätietoja
Turun yliopisto
CSC – Tieteen tietotekniikan keskus Oy
on valtion omistama, opetus- ja kulttuuriministeriön hallinnoima, voittoa tavoittelematon osakeyhtiö. CSC ylläpitää ja kehittää valtion omistamaa keskitettyä tietotekniikkainfrastruktuuria.
ELIXIR
rakentaa infrastruktuurin bioalan tutkimuksen tueksi. Se yhdistää 21 Euroopan maan ja Euroopan molekyylibiologian laboratorion EMBL:n johtavat organisaatiot yhteiseksi biologisen informaation infrastruktuuriksi. Sen Suomen keskus on CSC –Tieteen tietotekniikan keskus Oy.
ELIXIR is partly funded by the European Commission