Protein expression of short-chain dehydrogenases/reductases and their inducibility by flubendazole in Haemonchus contortus

In de lichamen van schapen en geiten voedt een microscopisch kleine parasiet genaamd Haemonchus contortus zich met bloed, wat ernstige ziekte en economisch verlies voor boeren wereldwijd veroorzaakt. Om deze wormen te bestrijden, vertrouwen dierenartsen op een klasse medicijnen genaamd benzimidazolen, die werken als een sleutel die de interne machinerie van de parasiet uitzet. Echter, net zoals bacteriën antibiotica leren te weerstaan, hebben deze wormen manieren ontwikkeld om de behandeling te overleven. Een van hun overlevingstactieken omvat een groep enzymen genaamd short-chain dehydrogenases/reductases. Denk aan deze enzymen als gespecialiseerde gereedschappen binnen de worm die de drug chemisch kunnen veranderen, waardoor deze wordt afgebroken voordat het zijn werk kan doen. Hoewel wetenschappers lang al vermoedden dat deze gereedschappen een rol spelen bij medicijnresistentie, waren zij niet in staat om precies te zien hoeveel van deze gereedschappen er in de worm aanwezig zijn of hoe de worm zijn gereedschapskist verandert wanneer deze wordt blootgesteld aan het medicijn.

Een team van onderzoekers zette zich scharpe schijn om dit verborgen arsenaal binnen de worm in kaart te brengen, waarbij ze zich richtten op twee verschillende populaties: één die gemakkelijk wordt gedood door het medicijn en een andere die resistent is geworden. Ze onderzochten de wormen in verschillende levensstadia, van eitjes tot volwassen wormen, en keken naar zowel de genetische instructies voor het maken van deze enzymen als naar de werkelijke enzymen zelf. Door mannelijke en vrouwelijke wormen te vergelijken, evenals de medicijngevoelige en de medicijnresistente groepen, ontdekten de wetenschappers dat de biologie van de worm veel complexer is dan een eenvoudige "aan of uit"-schakelaar voor resistentie. De studie onthulde dat het geslacht van de worm een belangrijke factor is in de productie van deze enzymen, en dat de resistente wormen hun chemische verdediging op specifieke manieren geruisloos hebben opgegradeerd die verschillen tussen mannetjes en vrouwtjes.

De onderzoekers begonnen door te kijken naar de genetische blauwdrukken, of RNA, die de worm vertellen hoe hij zijn enzymen moet bouwen. Ze ontdekten dat mannelijke en vrouwelijke wormen zeer verschillende instructies dragen voor deze gereedschappen. In zowel de medicijngevoelige als de medicijnresistente wormen produceerden de vrouwelijke wormen over het algemeen meer genetische instructies voor deze enzymen dan de mannetjes deden. Dit verschil was consistent over de hele linie, wat suggereert dat de biologie van de worm diep verdeeld is door geslacht. Wanneer het team overging van het kijken naar de instructies naar het tellen van de werkelijke gereedschappen, of eiwitten, in de volwassen wormen, hield het patroon stand maar met enkele verrassingen. Hoewel de instructies en de gereedschappen meestal overeenkwamen, waren er gevallen waarin de worm de instructies had maar het gereedschap niet bouwde, of het gereedschap bouwde zonder dat de instructies volledig actief waren. Dit geeft aan dat de worm over meerdere lagen van controle beschikt over zijn verdediging, en niet alleen over een eenvoudige genetische schakelaar.

De meest cruciale ontdekking kwam toen de onderzoekers de medicijnresistente wormen vergeleken met hun medicijngevoelige neven. Ze ontdekten dat de resistentie geen algemene verandering was die de hele worm gelijkmatig beïnvloedde. In plaats daarvan waren de veranderingen geconcentreerd in de mannelijke wormen. In de resistente mannetjes werden vier specifieke soorten van deze enzymgereedschappen in hogere aantallen gevonden dan in de gevoelige mannetjes. Deze extra gereedschappen, genaamd SDR9, SDR12, SDR15 en SDR20, fungeren als een chemisch schild, wat waarschijnlijk helpt om de drug bij de resistente mannetjes efficiënter af te breken. De vrouwelijke wormen vertoonden, zelfs in de resistente groep, niet dezezelfde toename in gereedschappen. Dit suggereert dat de mannelijke wormen de primaire drijvers zijn van dit specifieke type resistentie, waarbij zij een zwaardere last dragen van de chemische machinerie die nodig is om de behandeling te overleven.

Om te begrijpen hoe de worm reageert wanneer de drug daadwerkelijk aanwezig is, stelden de wetenschappers de wormen bloot aan kleine, niet-dodelijke hoeveelheden van het medicijn, flubendazol, en observeerden hoe de productie van enzymen in de loop van de tijd veranderde. De reactie was onmiddellijk en varieerde afhankelijk van het geslacht en de resistentiestatus van de worm. De resistente mannetjes reageerden het snelst, waarbij ze hun genetische instructies binnen slechts vier uur na blootstelling veranderden. Er ontstond echter een fascinerende discrepantie toen de onderzoekers naar de werkelijke geproduceerde gereedschappen keken. Hoewel de resistente mannetjes hun instructies snel veranderden, waren het juist de gevoelige mannetjes die in reactie op het medicijn meer van de enzymgereedschappen bouwden. De resistente mannetjes leken te vertrouwen op de gereedschappen die ze al in overvloed hadden, terwijl de gevoelige mannetjes probeerden ter plekke nieuwe verdedigingen op te bouwen.

De studie onderzocht ook de jongere stadia van de worm, zoals eitjes en larven, om te zien of zij zich op dezelfde manier aan het medicijn kunnen aanpassen. De resultaten waren duidelijk: deze jonge wormen vertoonden bijna geen reactie op het medicijn. Ze veranderden hun enzymproductie niet, wat suggereert dat het vermogen om zich aan het medicijn aan te passen een eigenschap is die voornamelijk in het volwassen stadium wordt gevonden. Deze bevinding is significant omdat het impliceert dat de omgeving waarin de jonge wormen leven, zoals vervuilde weidegrond, niet dezelfde defensieve veranderingen kan triggeren als de omgeving binnen een volwassen schaap.

Uiteindelijk schetst het onderzoek het beeld van een parasiet die zeer gespecialiseerd en aanpasbaar is. De worm wordt niet simpelweg willekeurig resistent; hij gebruikt een specifieke set chemische gereedschappen die in grotere aantallen aanwezig zijn in resistente mannetjes en die in gevoelige mannetjes verder kunnen worden versterkt door de aanwezigheid van het medicijn. Twee van deze gereedschappen, SDR9 en SDR20, waren bijzonder interessant omdat ze in hoge aantallen werden gevonden in de resistente mannetjes en ook toenamen in de gevoelige mannetjes wanneer zij werden blootgesteld aan het medicijn. Dit dubbele gedrag suggereert dat zij centraal staan in de overlevingsstrategie van de worm. De studie concludeert dat om medicijnresistentie bij deze parasieten echt te begrijpen en te bestrijden, wetenschappers de mannelijke en vrouwelijke wormen apart moeten bekijken en moeten overwegen hoe de bestaande verdediging van de worm interageert met nieuwe chemische dreigingen. De bevindingen bieden een duidelijkere kaart van de interne verdediging van de worm, wat nieuwe doelwitten biedt voor toekomstige behandelingen die deze specifieke chemische gereedschappen kunnen omzeilen.