Het microbioom van de CF luchtwegen Implicaties voor behandeling Hassan el Bouazzaoui, longarts HagaZiekenhuis Gerdien Tramper-Stranders, kinderarts i.o. WKZ Introductie Voorstellen van onszelf – wat is de achtergrond van deelnemers? - verwachtingen

Luchtweginfecties bij CF ‘Taai slijm’ hypothese Verstoorde zouthuishouding hypothese Cel receptor hypothese Iedereen weet dat taai slijm in de longen de waarschijnlijke oorzaak is van bacteriële infecties bij CF patiënten. Vanwege de taaiheid van het slijm is er een verminderde klaring, daarnaast zijn er zuurstofarme groeicondities waar bepaalde bacteriën zich in thuis voelen. Er zijn echter meer hypotheses. Een verstoorde zouthuishouding geeft een verhoogde zoutconcentratie in de long wat leidt tot een inactivatie van antimicrobiële peptides in de long. Hierdoor zullen bacteriën beter overleven in de long. Daarnaast is er de celreceptorhypothese. Enerzijds is er een overproductie van bacteriële receptoren in de long zodat er meer bacteriën kunnen hechten. Anderzijds lijkt er bewijs te zijn dat het CFTR-eiwit fungeert als een receptor voor P. aeruginosa waarna de cel de pseudomonas kan internaliseren en om zeep helpen. Gemuteerd CFTR eiwit kan pseudomonas binden maar niet internaliseren en klaren. Deze laatste hypothese is Pseudomonas specifiek, echter de andere hypotheses gelden ook voor andere bacteriële infecties. Dat er in CF long een polymicrobiele situatie is laat het volgende plaatje mooi zien. Ratjen | Lancet 2003

Kweken ‘Typische CF-pathogenen’ Met het ouder worden van patienten en toenemend antibiotica gebruik nu ook meer andere pathogenen

Kweekonafhankelijke methoden Polymicrobiële ‘community’ Veel obligate anaëroben Bacterial diverisity of CF sputum as detected by 16S-454 pyrosequencing, N=50 sputum samples. Wolfgang et al.

Kweekonafhankelijke methoden Moleculaire technieken 16S rRNA - geconserveerd in 1 species en verschillend tussen species ‘high throughput sequencing’ Metagenomic = "the application of modern genomics techniques to the study of communities of microbial organisms directly in their natural environments, bypassing the need for isolation and lab cultivation of individual species

Kweken en moleculaire technieken Pseudomonas Sibley ea. Twee belangrijke vragen: dragen deze organismen bij aan ziekte en zo ja, zijn er nieuwe mogelijkheden voor de behandeling van CF ziekte? Meeste is avirulente orophareyngeale flora.

Luchtwegmicrobioom Definitie: ‘the community of microbes within the human airways’ = meer dan alleen maar pathogenen = meer dan alleen gekweekte bacteriën Nieuwe term, rekening houdend met de gehele gemeenschap van microben op een bepaalde plek in het lichaam (of andere niche). Het microbioom bestaat uit allerlei bacterieen en virussen. De mens bestaat voor een groot gedeelte uit virussen en bacterien

Het microbioom bij CF-patiënten Afhankelijk van Genotype (dF508) Leeftijd - initieel diversificatie - daarna daling van de complexiteit/diversiteit tgv acquisitie van P. aeruginosa? en/of het gebruik van antibiotica? Antibiotica Klepac-Ceraj ea

Casus 1 Jongen, 5 jaar Compound heterozygoot Moe, minder eetlust. Kweek: H. influenzae Rx/ Augmentin po. Na kuur niet opgeknapt; FEV1 -20% in 1 maand Wat doet u?

Casus 1, vervolg BAL + opname Kweek: H. influenzae in alle longvelden, Augmentin gevoelig. Wat doet u?

Casus 1, vervolg Rx/ ceftazidim en tobramycine iv. 3 weken Hij knapt hiervan goed op. 1 maand later weer dyspnoe en sterke afname longfunctie Wat doet u?

Casus 1 vervolg Rx/ cefuroxim en tobramycine, op basis van eerdere kweken (H. influenzae). Hij knapt klinisch op, betere longfunctie (FEV1 55→93%) Nieuwe hoestwat bekend: P. aeruginosa (op 3 opeenvolgende dagen) Wat doet u nu?

Casus 1 vervolg Rx/ ceftazidim en tobramycine, totaal 3 weken. Daarna geen P. aeruginosa meer gekweekt. → heeft de P. aeruginosa de klachten veroorzaakt? Ook de eerste keer?

Exacerbaties Kweekresultaten verklaren niet alle klinische exacerbaties: Geen nieuw pathogeen/geen nieuwe resistentie/geen verhoogde densiteit Levert het wat op?

Exacerbaties Sibley ea

Exacerbaties Recente moleculaire studies: hoge diversiteit aan species in longen, tevens oropharynx- en/of darmflora Pandorea en Ralstonia spp. Streptococcus en Staphylococcus spp anaëroben (o.a. Actinomyces spp, Prevotella spp)

Synergie oropharynx bacteriën – P. aeruginosa In vitro en in-vivo co-infectiemodel P. aeruginosa & viridans streptococcen: up- en downregulatie van specifieke promotors van virulentiegenen geïnduceerd door oropharynx flora verhoogde expressie virulentiefactoren → inflammatie → exacerbatie verhoogde longschade bij co-infectie t.o.v. unieke infectie - c

Microbioom - interacties Model van polymicrobiële infecties met een hoofdrol voor P. aeruginosa Interactie & synergisme VIRUS BACTERIE

Casus 2 Dhr. P, 27 jaar CF F508/E60X, pancreasinsufficiënt, BMI 21/20. Chronische P. aeruginosa infectie met normale gevoeligheid Gemiddeld een exacerbatie per jaar. Gemiddelde FEV1 1.88 (47%). VC 3.88 (74%) Geen ABPA, geen DM (ten tijde van prednison wel hyperglykemie).

Vervolg casus 2 Aanvullend onderzoek: Lab: leuco 15, CRP 200. Longfunctie: FEV1 1.44 (33%), VC 3.65 (65%). X-thorax: bekende afwijkingen, nieuwe consolidatie linkeronderkwab. Kweek: P. aeruginosa goed gevoelig voor Tazocin/Tobra Wat doet u?

X-thorax

Vervolg casus 2 Opname i.v.m. hoge koorts algehele malaise en verergering van pulmonale symptomen. Rx/ Tazocin continu iv, Tobramycine 1 dd iv. Paracetamol 3dd1 gram. Inhalatiemedicatie: continueren (?)

Vervolg casus 2 Beloop: Algehele malaise, persisterend koorts ( 2 weken ) Pulmonaal geen verbetering in LF. Wat doet u?

Vervolg casus 2 Kweken: P. aeruginosa goed gevoelig, S. maltophilia goed gevoelig. ZN – Rx/ switch van Tazocin naar Meronem iv. Beloop: Geen verbetering na een week. Prednison gestart. Na 1 week geen verbetering. DD drug-fever. Antibiotica 48 uur gestopt. Klinisch verdere achteruitgang. Wat nu?

Vervolg casus 2

Vervolg casus 2 Hervatten van AB. Rx/ Meronem, Colistine, Avelox, Azithromycine 1dd500mg. Beloop: Klinisch verdere achteruitgang. CRP blijft hoog en stijgt, leucocytose Gaswisseling: hypoxemie, nog geen hypercapnie Vanaf week 6 nu nog snellere achteruitgang Wat zou u doen?

Vervolg casus 2 Op dit moment longfalen met pCO2 13, pH 7.16. BiPaP gestart Echter dusdanige uitputtingslag dat besloten wordt tot palliatieve sedatie. Conclusie: vermoedelijk overwhelming Pseudomonas infection! andere reden? Waarom nu?

Pulmonale exacerbaties CF Definitie: niet vastgesteld! ‘Duidelijk aangegeven verslechtering in de algehele conditie van de patient gepaard gaande met systemische verschijnselen zoals gewichtsverlies, gebrek aan eetlust en verergering van pulmonale symptomen als hoesten, sputumproductie en kortademigheid.’

Exacerbaties en impact Meest voorkomende reden voor opname. Verslechtering van longfunctie. Afgenomen kwaliteit van leven. Negatieve beinvloeding van de overleving. De hoogste kostenpost binnen de behandeling van CF. +/- 50% van alle patiënten.

Oorzaken pulmonale exacerbaties Bacterieel? P. aeruginosa biofilm/genotype verandert niet. Viraal? Verandering van microbieel flora? Synergie? Anderzins?

Behandeling exacerbaties Door gebrek aan eenduidige definitie ook geen duidelijke richtlijn.

Aanbevelingen behandeling Medicatie: IV-antibiotica, combinatietherapie, meestal gericht tegen P. aeruginosa op geleide van laatste kweek. Combinatie- of monotherapie? Synergie en effectiviteit/resistentie/in vitro=in vivo/bijwerkingen/kosten Plaats: ziekenhuis! Nog te weinig bewijs voor thuisbehandeling wat betreft veiligheid/voordelen. Onderhoudsbehandeling: continueren(?), ook airway clearance.

Aanbevelingen behandeling Samenvatting Slechts aanbevelingen! Te weinig bewijs voor eenduidige aanpak. Beginnen met duidelijke uniforme definitie. Meer studies nodig!

Casus 3 Mevr, 21 jaar CF homozygoot dF508, pancreasinsufficient, ABPA. Co-trimoxazol allergie Kweken: aanvankelijk H. influenzae, in 2005, 2008 en 2009 P. aeruginosa, daarna S. maltophilia. Sinds 2009 recidiverende exacerbaties. Matig stabiel ondanks herhaaldelijke AB/inhalatietherapie. Geleidelijke daling FEV1 (1.23) Geen exacerbatie van ABPA

Vervolg casus 3 Kweek: Pandoraea pulmonicola Ceftazidim R Imipenem R Tazocin R Colistine R Tobramycine R Co-trimoxazol S Wat nu? Is dit een verklaring voor instabiliteit? Pandorea jasminoides

Vervolg casus 3 Rx/ Co-trimoxazol onderhoudstherapie (klinisch 2 dagen met zantac, telfast en dexamethason) Goed verdragen. Hierna periode van stabiliteit met verbetering van longfunctie ( FEV1 1.50)

Pandoraea pulmonicola Behoort tot Pandoraea species, gelijkenis met Burkholderia spp.. Gram- aërobe staaf. Voornamelijk beschreven als isolaat bij CF (prevalentie niet bekend) Vermoedelijk een pathogeen

Anaërobe bacteriën bij CF In CF long ongelijke verdeling van O2-spanning P. aeruginosa: alginaatproductie, biofilm, anaëroob metabolisme Anoxische gebieden obligaat anaërobe bacteriën

Anaërobe bacteriën bij CF Anaëroob zonder lucht plaatsvindend of kunnen leven ( lucht=zuurstof) In CF-luchtwegen polymicrobiële situatie: Obligaat anaëroben (Clostridium spp, Prevotella spp) Facultatief anaëroben (Enterobacteriaceae, Streptococcus spp) Strikt aëroben (Pseudomonas spp) Anaërobe bacteriën lastig te kweken

Anaërobe bacteriën bij CF Aanwezig zowel tijdens exacerbaties als in stabiele fase Prevotella Veillonella Actinomyces Antibiotische behandeling geen effect op Type anaërobe bacteriën Load anaërobe bacteriën Tunney, 2008/2011

Anaërobe bacteriën bij CF Wat is de bijdrage aan CF-infectie en exacerbaties? Pathogenen? Commensalen? Synergens? Klinische implicaties Diagnostiek (kweken/moleculair) Therapie

Casus 4 Mevr. D, 21 jaar CF met pancreasinsufficiëntie en CFRD. Chronisch P. aeruginosa infectie, goed gevoelig voor Tobi/Azli/Colistine. Recidiverende exacerbaties. Klachten: algehele malaise, persisterend hoesten met heel veel sputum. Herhaalde IV-behandelingen matig effect. Wat doet u?

Vervolg casus 4 Kweken: bij herhaling P. aeruginosa en Aspergillus, ZN- DM-regulatie: heel adequaat. ABPA-. Therapie-trouw

Vervolg casus 4 Werkdiagnose: Aspergillus-bronchitis. Rx/ Posaconozal na gevoeligheidsbepaling te Nijmegen. Beloop? Beleid anderszins?

Aspergillus-’infectie’ bij CF Frequent gekweekt in sputa Kolonisatie? Frequent aangetroffen bij vergevorderde ziekte, echter niet evidente veroorzaker van longfunctieverlies. Of pathogeen? Aspergillus-bronchitis, baat bij antifungale therapie. Invasieve aspergillosis beschreven bij CF. Aspergillus + pt hogere exacerbatie frequentie.

Casus 5 1-jarige jongen dF508 homozygoot eerste levensjaar relatief weinig luchtwegklachten. Kweken S. aureus Cotrimoxazol onderhoudsbehandeling voor de winter. December: heeft snotneus, hoest iets, maar is verder fit. Moeder maakt zich zorgen, ‘slaat het niet op de longen’? Wat doet u? Diagnostiek Therapie Waarom kies je voor Augmentin (of amoxi of zinnat)? Zou je niet ook een anti-PA spectrum willen behandelen?

Vervolg casus 5 Kweek: S. aureus. Hij hoest nu meer. De eetlust is matig, hij is minder fit. Wat doet u nu? Diagnostiek, hoe frequent? Therapie? Gericht op welke verwekker?

Virussen, Pseudomonas aeruginosa en CF Ongeveer 85 % van eerste Pseudomonas aeruginosa infecties voorafgegaan door een virale LWI. Vooral in RSV-seizoen verhoogde kans op eerste Pseudomonas aeruginosa infectie Ook bij gezonde kinderen wordt P. aeruginosa gevonden Cochrane Palivizumab: 1 studie: geen verschil in acquisitie P. aeruginosa Van Ewijk, Wat, Johansen, Collinson

Synergie virus – P. aeruginosa Virusinfecties in Pseudomonas aeruginosa gekoloniseerde patiënten: tijdelijke stijging anti-pseudomonas antistoffen verhoogde hoeveelheid exoproteïnen in sputum opleving virulentie P. aeruginosa → toename inflammatie → klinische achteruitgang

Afsluitende conclusies CF-long polymicrobiële omgeving waarvan we nog weinig kennis hebben. Interacties tussen pathogenen, maar ook tussen de gastheer en binnen het gehele microbioom waarschijnlijk een belangrijke rol bij klinische longziekte. Huidige manier van kweken geeft slecht zeer beperkt informatie over wat zich in de longen afspeelt. Behandeling niet evidence based, vnl. experience based en op kweekuitslagen.

Heden en toekomst wetenschappelijk onderzoek De ontwikkeling van het luchtwegmicrobioom bij (jonge) kinderen met CF en relatie met exacerbaties en effecten van antibioticagebruik op microbioom en resistoom → Pyrosequencing, virale PCR, kweken Nabije toekomst Diagnostiek: chip voor snel opsporen pathogene flora Modulatie microbiom: anti/probiotica CFTR functie correcties

Design dr. SNUIT research project Cystic Fibrosis group Control group Design Case – Control study Case-Control study Material Nasopharynx (M1-3: weekly) Feces Saliva Questionnaire (BAL, oropharynx, serum) Nasopharynx Inclusion period 1.5 years Duration of study p.p. 18 months Site Utrecht/Rotterdam Utrecht Sample size 20 60 Sampling Moments nasoph/feces monthly, 2 and 3 monthly weekly: first 3 months extra: respiratory infect.

Dr. SNUIT - AREST-CF Beiden

Dr SNUIT Control Group Maand 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Nasopharynx (+ bij klachten1) x    x x  Feces Saliva Maandelijkse Vragenlijst 1 hoesten, keelpijn, oorpijn, benauwd zijn, neusloop

UMC Utrecht Sabine Prevaes Gerdien Tramper Debby Bogaert Lieke Sanders Kors van der Ent Karin de Winter Annelotte Visser Krzysztof Trzcinski Mei-Ling Chu Anne Wyllie Erasmus MC Harm Tiddens Mireille v Westreenen Hettie Janssens Evelien Nieuwhof Els van der Wiel