Assessment of environmental factors in expression of heavy metal resistance genes in clinical Pseudomonas aeruginosa isolates associated with urinary tract infections

Zware metalen zijn elementen zoals koper, zink en nikkel die van nature in de aarde voorkomen, maar gevaarlijk kunnen worden wanneer ze zich ophopen in ons water en voedsel. Hoewel sommige van deze metalen essentieel zijn voor onze lichamen om in minuscule hoeveelheden te functioneren, kan een teveel aan deze metalen onze nieren, lever en het zenuwstelsel beschadigen. Wanneer deze metalen via industrieel afval of vervuilde bodem in het milieu terechtkomen, breken ze niet af; in plaats daarvan blijven ze persistent aanwezig en bewegen ze zich omhoog in de voedselketen. Een bijzonder zorgwekkend aspect van deze vervuiling is hoe deze interageert met bacteriën. Net zoals bacteriën kunnen evolueren om antibiotica te overleven, kunnen ze ook verdedigingen ontwikkelen tegen zware metalen. Deze verdedigingen zijn vaak gecodeerd in specifieke genen die fungeren als schilden, waardoor de bacteriën de toxische metalen uit hun cellen kunnen pompen of ze er veilig in kunnen opsluiten. Wanneer bacteriën die infecties bij mensen veroorzaken, deze zware metaalresistentiegenen dragen, maakt het samenbestaan van deze genen met antibioticaresistentiemechanismen de daaruit voortvloeiende urineweginfecties moeilijker te behandelen.

In een recente studie uitgevoerd in de provincie Balochistan in Pakistan, probeerden onderzoekers de link te begrijpen tussen milieuvervuiling door zware metalen en urineweginfecties veroorzaakt door een specifiek type bacterie genaamd Pseudomonas aeruginosa. Deze bacterie is een veelvoorkomende oorzaak van infecties in de urinewegen, wat de blaas en de nieren omvat. Het team, werkzaam bij de Universiteit van Balochistan, wilde zien of de bacteriën die in de urine van patiënten werden gevonden, niet alleen resistent waren tegen antibiotica, maar ook genen bezaten die hen in staat stelden om zware metaalblootstelling te overleven. Ze hadden de hypothese dat de niveaus van metalen in de lokale watervoorziening direct invloed zouden kunnen hebben op de niveaus van deze metalen in de urine van de patiënten, en dat deze milieudruk de bacteriën zou helpen om veerkrachtiger te worden.

Om dit te onderzoeken, verzamelden de onderzoekers urine monsters van tweehonderd mensen die een urineweginfectie vermoedden in zeven verschillende regio's van Balochistan, waaronder Quetta, Harnai en Khuzdar. Ze verzamelden ook watermonsters uit deze zelfde gebieden om de aanwezigheid van zware metalen te testen. In het laboratorium bevestigden ze eerst welke urinemonsters daadwerkelijk een infectie bevatten en isoleerden ze vervolgens de Pseudomonas aeruginosa-bacteriën uit die monsters. Zodra ze zuivere culturen van de bacteriën hadden, testten ze hoe goed de microben konden overleven wanneer ze werden blootgesteld aan verschillende zware metalen, zoals cadmium, zink, kobalt, koper, chroom en nikkel. Dit deden ze door de bacteriën op platen te plaatsen met variërende concentraties van deze metalen om de laagste hoeveelheid te vinden die de groei van de bacteriën zou stoppen. Deze meting, bekend als de minimale remmende concentratie, hielp hen om de tolerantieniveaus van de bacteriën te bepalen.

De studie toonde aan dat de bacteriën inderdaad in staat waren om aanzienlijke hoeveelheden van deze metalen te overleven. Wanneer blootgesteld aan koper, stopte de groei van de bacteriën bij een concentratie van 0,0313 molair, terwijl nikkel het sterkste remmende effect vertoonde, waarbij de groei werd gestopt bij slechts 0,0078 molair. Nog belangrijker was dat de onderzoekers genetische tests gebruikten om te zoeken naar de specifieke genen die verantwoordelijk zijn voor deze resistentie. Ze ontdekten dat een groot deel van de bacteriële isolaten het copA-gen droeg, dat bacteriën helpt om resistent te zijn tegen koper, en het czcA-gen, dat beschermt tegen cadmium, zink en kobalt. Andere genen, zoals ncc (geassocieerd met nikkel, cadmium en kobalt), werden ook gedetecteerd in een deel van de isolaten. Hoewel de studie het merA-gen (gelinkt aan kwikresistentie) en het chrR-gen (gelinkt aan chroomresistentie) in de bacteriële populatie identificeerde, richtte het onderzoek zich op het detecteren van de concentraties van de zware metalen cadmium, zink, chroom, koper, kobalt en nikkel in de monsters. Dit bevestigde dat de bacteriën die deze infecties veroorzaken, over het genetische instrumentarium beschikken om zware metaalstress te weerstaan.

De verbinding tussen het milieu en het menselijk lichaam werd duidelijk toen het team de water- en urinemonsters analyseerde op metaalgehalte. Ze ontdekten dat het water in bepaalde regio's, met name Harnai en Kalat, hoge concentraties zware metalen bevatte, die vaak de veiligheidslimieten overschreden die door de Wereldgezondheidsorganisatie worden aanbevolen. Zo bevatte het water in Harnai de hoogste concentraties cadmium en totaal opgeloste stoffen, terwijl Kalat de hoogste zinkconcentraties vertoonde. Cruciaal was dat de studie een sterke statistische link vond tussen de metaalconcentraties in het water en de metaalconcentraties in de urine van de mensen die in die gebieden leefden. Waar het water hoge concentraties zink, chroom, koper en nikkel bevatte, vertoonden de urinemonsters van de lokale bevolking ook hoge concentraties van diezelfde metalen. Dit suggereert dat de lokale watervoorziening een primaire bron is van metaalblootstelling voor de gemeenschap.

De onderzoekers maten ook de fysieke eigenschappen van het water, zoals de zuurgraad en de elektrische geleidbaarheid, en vonden significante variaties tussen de verschillende regio's. Deze variaties correleerden met de metaalconcentraties, wat een beeld schetste van een divers maar zwaar vervuild landschap. De studie concludeerde dat de hoge concentraties zware metalen in het water en de bodem van Balochistan waarschijnlijk bijdragen aan de accumulatie van deze metalen in het menselijk lichaam. Deze accumulatie creëert op haar beurt een omgeving waarin bacteriën zoals Pseudomonas aeruginosa voortdurend worden uitgedaagd door metaaltoxiciteit. Om te overleven, vertrouwen deze bacteriën op hun resistentiegenen, en het samenbestaan van deze metaalresistentiegenen met antibioticaresistentiemechanismen maakt de infecties die zij veroorzaken moeilijker te beheersen. De bevindingen benadrukken een directe route van milieuvervuiling naar menselijke gezondheidsrisico's, waarbij wordt aangetoont dat de kwaliteit van ons water niet alleen een kwestie is van smaak of helderheid, maar een fundamentele factor is in het gedrag van het microscopische leven in ons.