Real-time near-infrared imaging distinguishes nasopharyngeal colonization from aspiration of Streptococcus pneumoniae and identifies aspiration as a trigger of severe disease

Pneumonie is een bekende bedreiging, met name voor ouderen, maar de bacteriën die het veroorzaken leven vaak rustig in het menselijk lichaam zonder schade aan te richten. Een veelvoorkomend type bacterie, bekend als Streptococcus pneumoniae, nestelt zich regelmatig in het bovenste deel van de keel en de neus, de nasofarynx genoemd. Op deze locatie kunnen de bacteriën jarenlang onschadelijk blijven, waarbij ze simpelweg naast de gastheer coëxisteren. Echter, dezelfde organisme kan dodelijk worden als het dieper in het lichaam dringt, de longen binnendringt en een ernstige infectie veroorzaakt. Al een lange tijd begrijpen wetenschappers dat deze verschuiving van een onschadelijke bewoner naar een dodelijke indringer gevaarlijk is, maar het exacte moment en het mechanisme dat deze verandering triggeren, zijn onduidelijk gebleven. De centrale vraag is geweest of de oorspronkelijke locatie waar de bacteriën landen de uitkomst van de infectie bepaalt. Moeten de bacteriën direct naar de longen worden ingeslikt om problemen te veroorzaken, of kunnen ze in de neus beginnen en later naar beneden bewegen? Het begrijpen van dit onderscheid is essentieel omdat het de manier waarop we denken over het voorkomen van ernstige ziekte zou kunnen veranderen, door verder te gaan dan alleen het tellen van bacteriën naar het begrijpen van waar ze naartoe gaan.

Om dit te beantwoorden, ontwikkelden onderzoekers een nieuwe manier om bacteriën in realtime te observeren, met behulp van een methode die geen aanpassing van de genetische code van de bacteriën vereist. Ze labelden de bacteriën met een speciale kleurstof genaamd indocyanine groen, die gloeit onder nabij-infrarood licht, een type licht dat onzichtbaar is voor het menselijk oog maar detecteerbaar door gevoelige camera's. Deze kleurstof werd simpelweg toegevoegd door het met de bacteriën te mengen, een proces dat de bacteriën gezond en normaal laat groeien bij lichaamstemperatuur. Het team introduceerde deze gloeiende bacteriën in muizen en gebruikte een hogesnelheidscamera om de eerste tien minuten van de infectie op te nemen. Deze continue video onthulde twee zeer verschillende paden die de bacteriën konden nemen. In sommige gevallen bleven de bacteriën beperkt tot de bovenste keel, een staat die de onderzoekers identificatieerden als kolonisatie. In andere gevallen werden de bacteriën onmiddellijk naar de onderste luchtwegen getrokken, een proces dat aspiratie wordt genoemd. De technologie stelde de wetenschappers in staat om deze gebeurtenissen te zien terwijl ze plaatsvonden, waarbij ze onderscheid maakten tussen een bacterie die op zijn plek bleef en een bacterie die binnen enkele seconden in de longen werd ingeademd.

De gevolgen van deze twee verschillende paden waren drastisch en onmiddellijk. De onderzoekers volgden de muizen gedurende enkele dagen en ontdekten dat de muizen wiens bacteriën in de longen waren geaspireerd, een veel groter risico op overlijden liepen vergeleken met de muizen waar de bacteriën in de neus bleven. Dit verschil was zo uitgesproken dat het risico op overlijden bijna acht keer hoger was voor de muizen die aspiratie ervoeren, een resultaat dat standhield voor zowel jonge als oudere muizen. Het feit dat de oudere muizen tien keer minder bacteriën kregen dan de jonge muizen, maar toch hetzelfde hoge sterftecijfer leden wanneer aspiratie optrad, suggereert dat de locatie van de bacteriën een kritischer factor is dan de loutere hoeveelheid bacteriën die aanwezig is. De sterfgevallen in deze groepen begonnen op de derde dag, wat een snelle achteruitgang markeerde zodra de bacteriën de onderste luchtwegen binnengingen.

Om te begrijpen waarom aspiratie tot zulke ernstige uitkomsten leidde, onderzocht het team de lichamen van de muizen twintig vier uur na de infectie. Door het bloed te analyseren, vonden ze dat de muizen die de bacteriën hadden geaspireerd, een massale activatie van de defensiesystemen van het lichaam vertoonden. Hun bloed bevatte hoge niveaus van signalen die ontstekingen en de productie van nieuwe immuuncellen triggeren. Bovendien vertoonde het bloed tekenen van verhoogde activiteit in de systemen die helpen bij bloedstolling en het bestrijden van indringers. Deze bevindingen wijzen erop dat de daad van aspiratie zelf een kettingreactie in het lichaam in gang zet, waarbij krachtige immuunroutes worden geactiveerd die, hoewel bedoeld om te beschermen, schijnbaar bijdragen aan de ernst van de ziekte. De studie stelt vast dat de fysieke beweging van bacteriën van de neus naar de longen een sleuteltrigger is voor ernstige ziekte, en introduceert een nieuw beeldvormingsinstrument dat dit kritieke moment kan laten ontvouwen, waarbij het vroege gedrag van de bacteriën direct koppelt aan de systemische respons van het lichaam.