Drug-Resistant Genes Spread among Bacteria

Unlike other superbugs, a new class of antibiotic-resistant bacteria are gaining their power from easily transferable genes such as NDM-1

SUPERBUG?: Common bacterium Klebsiella pneumoniae can cause nasty infections, but when it carries a genes to make the NDM-1 enzyme, it becomes immune to most antibiotics.

In the fight to stay alive, many bacteria, such as MRSA, have developed resistance to commonly used antibiotics. But other bacteria are using a more insidious type of resistance: that imbued by transferable genes, which can spread among commonly circulating strains.

One of these genetic elements, NDM-1 (New Delhi metallo-beta-lactamase 1), is an enzyme-based defense that renders a bacterium immune to beta-lactam-based antibiotics, which include penicillin, as well as carbapenems (often used as a last resort antibiotic against Escherichia coli infections), cephems (such as cephalosporins and cephamycins) and monobactams, making treatment extremely difficult. The trait was first identified in 2008 (in a patient with Klebsiella pneumoniae), and instances of NDM-1–positive infections are now not uncommon in India, Pakistan and Bangladesh. Cases also have been documented in Brazil, Canada, Japan, the U.K. and the U.S.

A new essay published in the December 16 issue of The New England Journal of Medicine revisits the issue, highlighting the potential that NDM-1 and other antibiotic-busting genes have to disable much of our current pharmaceutical arsenal.

"The spread of these organisms has prompted widespread concern because some of them are resistant to all antimicrobial agents except the polymyzins," Robert Moellering, of Harvard Medical School and Beth Israel Deaconess Medical Center, wrote in the perspective piece.

Initial cases of NDM-1 seemed to be only found among patients who had received medical care in India, where antibiotic use is less regulated. But more recent findings have suggested some NDM-1–positive patients in the U.K. might have picked up a resistant strain without traveling abroad.

These genes do not need an exotic infection to wreak havoc in a patient. They can be picked up by "all sorts of bugs we're all walking around with in our guts," says Brandi Limbago, of the Division of Healthcare Quality Promotion at the U.S. Centers for Disease Control and Prevention. But once the resistant genetic material enters the bacterium, "it produces an enzyme that attacks the antibiotic and makes it nonfunctional—they basically chew it up," she explains. These infections are not always deadly, but "in the right host," such as one with a weakened immune system or inserted medical equipment (including catheters), "those patients become infected with these organisms," Limbago says. "And if you don't have the right tools to treat them, that's when you run into trouble."

Newer antibiotics, such as cephalosporins and carbapenems as well as beta-lactamase inhibitors, seemed like an effective strategy against these bacterial tactics. But these have "simply been met with the evolution of new beta-lactamases, often through mutations, that inactivate these antibiotics," Moellering wrote. Currently, there are some 890 such known enzymes, "far more than the antibiotics developed to combat them."

Indeed, Limbago warns, "all carbapenem-resistant Enterobacteriaceae [CRE] are bad—it's not just NDM-1 that should have us worried." And although NDM-1 might be grabbing more headlines globally, Limbago explains that here in the U.S., another enzyme, Klebsiella pneumoniae carbapenemase (KPC), has been a much bigger concern. And, as Moellering noted in his essay, another class, known as CTX beta-lactamases, "at the very least will compromise our ability to use beta-lactam antibiotics to treat community-acquired urinary tract infections."

Misuse of antibiotics has been a major driver of resistance—both in strain-specific bacteria and gene-based resistance. "Prudent antibiotic use should always be the goal," Limbago says. But "once the gene is there, it's there. And at that point, the genie's out of the bottle."

After resistance has started circulating, surveillance and infection control become the key tools to fight further spread. The U.S. does not have KPC- or NDM-1–specific strategies, but offers recommendations for all CRE-positive infections. The government also does not require hospitals to report CRE cases, but even so, infections have been confirmed in at least 35 states. Rather than being cautious about the growing concern over NDM-1 and other resistance genes, Limbago suggests that, "in some places in the U.S. people are not getting as excited about this as they should."

Pinning Down a Deadly Shape Shifter: Progress against the Malaria Parasite

A parasite's genome is yielding clues to how malaria kills

ONE STEP AHEAD: P. FALCIPARUM(purple) attacking red blood cells (yellow).

More people have died from malaria than from any other disease in history. If we look at the African parasite that causes its most severe form, it is obvious why the pathogen is so deadly. Plasmodium falciparum has a multistage life cycle and highly mutable genes. It’s already widely resistant to one of the most common medications used to treat it, chloroquine, and it is starting to evolve around a newer drug, artemisinin.Falciparum is also a shape shifter, presenting different proteins on its surface as it develops in the body and remaining one step ahead of the immune system.

All this complexity is bad news for victims. But, in a sense, it may be good news for scientists, who sequenced the organism’s genome in 2002 and are starting to figure out what malaria’s intricate biology says about its natural history. Until recently, for instance, researchers thought falciparumhad jumped into humans from chimps. But in September a team from Alabama—known for its work on the origin of HIV—showed that all falciparum parasites are descended from a single lineage that jumped from gorillas millions of years ago. Since then, the parasite has been furiously evolving. Drug resistance is part of that. But a much more important factor, according to researchers at the Broad Institute of M.I.T. and Harvard, is the human body itself. The malarial genes under the most intense selection pressure—those with the most variation, generated over a millennium-long cat-and-mouse game with the immune system’s antibody response—are the ones that encode the identifying proteins on the surface of the parasite. Scientists have struggled to explain why some people get very sick from falciparum, whereas others suffer only mild symptoms; early work suggests that some of these “var” genes are behind serious cases in children.

One of the crucial next steps in understanding malaria’s genome will be assessing how it differs from parasite to parasite and region to region. “Knowing the amount of variation within an individual is crucial,” says Dominic Kwiatkowski, who leads malaria genomics research at the Wellcome Trust Sanger Institute near Cambridge, England. “Fortunately, we can quantify that with extraordinary precision.” Kwiatkowski’s group and others recently built MapSeq, an interactive database of genotyped samples from several hundred patients around the world. Researchers can use it to look for mutations unique to their areas—and to tailor their control strategies around them.

Is mitochondrial DNA the secret of prostate cancer?

Fresh insight into prostate cancer has come in a study that shows the mitochondrial DNA of human prostate cancer cells are riddled with mutations.

The findings could shake up prostate cancer research, providing targets for treatment, diagnosis and monitoring of one of the most prevalent cancers in the west.

Most such research focuses on mutations in the DNA of chromosomes within the cellular nucleus. But although most DNA in a cell is located in the nucleus, mitochondria – the power plants of cells – have their own genome.

Last year, mutations in mitochondrial DNA (mtDNA) were linked to development of the cancer. To investigate further, Anita Kloss-Brandstätter of Innsbruck Medical University, Austria, and colleagues compared the entire mitochondrial genome – some 16,569 base pairs – of cancerous and non-cancerous tissue from 30 men with prostate cancer.

In total, 41 mutations were found in cancerous cells that were not observed in healthy prostate or blood cells. This suggests the mutations are specifically associated with prostate cancer development, says Kloss-Brandstätter.

More mtDNA mutations were found in more advanced cancers, she says, indicating that the mutations could be used to track cancer progression and metastasis.

Mutations drive metabolism

Several mutations were found in genes coding the machinery that makes mitochondrial proteins, and so would probably hinder mitochondria's ability to make the chemical fuel called ATP, which is used by normal cells.

Phillip Nagley of Monash University in Melbourne, Australia, who was not involved in the work, says this could contribute to the changed metabolism typical of cancer cells. Many cancers get energy from glycolysis, which occurs in the liquid inside cells, rather than via aerobic respiration from mitochondria. Ordinary cells use glycolysis for energy only if they are short of oxygen, because it is inefficient.

Despite this, glycolysis is thought to benefit cancer cells because it also produces the chemical building blocks for making cells, and enables cancer cells to rapidly grow.

According to Juergen Reichardt at the University of Sydney, Australia, it's also possible that mtDNA mutations trigger nuclear DNA mutations. Mitochondrial dysfunction could lead to the release of free radicals, which are by-products of aerobic respiration. Free radicals could then lead to nuclear DNA mutations. Reichardt points out, however, that it has not been shown that free radicals released in the mitochondria can enter into the nucleus.

Precise prognosis

Prostate cancer is currently diagnosed by elevated levels of prostate-specific antigen (PSA). However, the test is far from perfect: PSA levels increase in men with enlarged, but not cancerous prostates. "Additional mtDNA sequencing could lead to a more precise prognosis for the patient," says Kloss-Brandstätter.

Nariz eletrônico pode detectar câncer

Uma equipe de pesquisadores suecos confirma que o tecido ovariano com câncer tem cheiro diferente de tecido saudável, segundo estudo divulgado pela publicação Future Oncology. Eles utilizaram um nariz eletrônico existente no Instituto de Tecnologia Real do país para identificar qual seria a essência de um ovário doente.

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A possibilidade de reconhecer o câncer de ovário apenas pelo cheiro poderá facilitar o diagnóstico e até antecipar descoberta da doença em mulheres que pareciam saudáveis, apenas com uma amostra de seu sangue. Este é o tipo de câncer ginecológico com as maiores taxas de morte no Brasil. Segundo o Instituto Nacional do Câncer (Inca), o câncer de ovário é o tipo mais difícil de ser diagnosticado, e 75% dos tumores malignos de ovário só são descobertos em estágio avançado .

Em um estudo prévio, o pesquisador György Horvath, da Universidade de Gothenburg (Suécia), usou cães treinados para demonstrar que tumores de ovário emitiam um cheiro particular. Os animais conseguiram distinguir o câncer ovariano de tecidos abdominais saudáveis e até de outros tipos de tumores ginecológicos. Outra pesquisa, publicada na revista BMC Cancer, também mostra que o sangue de pacientes com tumores de ovário teria o mesmo cheiro.

Os cientistas conseguiram agora detectar e registrar a essência emitida pelo tecido doente e o cheiro do saudável. Eles também estão testando um detector de essência mais apurado. Sua estrutura é semelhante a do nariz eletrônico, mas tem mais componentes para aumentar a sensibilidade na hora de identificar cheiros. A meta dos pesquisadores é “cheirar” amostras de sangue das mulheres para poder identificar o câncer em estágio inicial, e aumentar as chances de cura.

Novos exames detectam o câncer de próstata

Uma descoberta de cientistas islandeses promete tornar mais preciso e menos invasivo o diagnóstico de câncer de próstata. Eles desenvolveram um novo teste de PSA (sigla de antígeno prostático específico e marcador para a doença) personalizado, através da observação de certas variações genéticas.

O PSA ainda é visto com desconfiança, até mesmo por parte de alguns médicos, porque é difícil definir quais são os seus níveis normais; às vezes o câncer não é detectado ou ocorrem falsos positivos. E o PSA ainda pode aumentar por razões não relacionadas ao câncer. Por outro lado, homens com um PSA abaixo de 2,5 nanogramas por mililitro podem ter a doença e não saber.

Então os cientistas pensaram em personalizar esse exame, a partir da análise de perfis genéticos individuais; e esse pode ser um passo para evitar biópsias desnecessárias em pacientes de baixo risco. No estudo, publicado na revista Science Translational Medicine, os islandeses da companhia Decode Genetics descobriram varias mutações do DNA, conhecidas como SNP, que afetam os níveis sanguíneos de PSA. William Catalona, professor de urologia na Universidade Northwestern, em Illinois - que ajudou a desenvolver o teste de PSA original e participou da investigação atual - diz que agora ficou claro porque que alguns homens têm naturalmente níveis altos ou baixos PSA.

O câncer de próstata é o mais comum nos homens ocidentais e mata 250 mil anualmente, mas pode ser curado se detectado no início. No futuro, dizem especialistas, analisar as variações genéticas que afetam os níveis de PSA poderia permitir criar ferramentas muito mais precisas em termos individuais.

Segundo o uro-oncologista Luiz Carlos Miranda, da Sociedade Brasileira de Urologia-RJ, o exame de PSA personalizado ainda é um protocolo de pesquisa, e diz que há outro novo teste já usado em alguns países que melhora o diagnóstico do tumor maligno: o PCA3, feito através da coleta da urina. Ele deve ser associado ao atual exame de PSA, de rotina, ao toque retal.

Segundo urologistas, a investigação do gene PCA3 potencializa as chances de identificação de células do câncer de próstata em pacientes com PSA alto. Esse método de diagnóstico já está em uso no Chile e se acredita que até o segundo semestre de 2011 estará disponível para os brasileiros. O exame também está em uso em Alemanha, Holanda e Inglaterra. Mas o seu preço ainda é alto. Em Portugal, por exemplo, custa 300 euros.

Cientistas descobrem classe de proteínas vinculada a 130 doenças cerebrais

Cientistas anunciaram a descoberta de uma série de proteínas que desempenham um papel crítico no desenvolvimento de mais de 130 doenças cerebrais. O estudo, divulgado no domingo, também ressalta um vínculo surpreendente entre três doenças --incluindo os males de Alzheimer e Parkinson-- e a evolução do comportamento humano, afirmaram.

O cérebro humano é um labirinto de milhões de células nervosas especializadas, interconectadas por bilhões de sinais eletroquímicos, denominados sinapses.

Entre estas sinapses estão proteínas que se combinam, formando uma máquina molecular conhecida como densidade pós-sináptica ou PSD (na sigla em inglês), que se acredita que interrompa o funcionamento sináptico, provocando doenças e mudança de comportamento.

Em artigo publicado na revista "Nature Neuroscience", Seth Grant, do Instituto Wellcome Trust Sanger (Reino Unido), conduziu uma equipe que extraiu as PSDs das sinapses de pacientes que se submeteriam a cirurgia cerebral.

"Nós descobrimos que 130 doenças cerebrais se vinculam com a PSD, muito mais que o esperado", disse Grant. "A PSD humano está no estágio central de um largo espectro de doenças humanas que afetam milhões de pessoas", acrescentou.

Além de problemas comuns e neurodegenerativas debilitantes, estas doenças incluem epilepsias e doenças do desenvolvimento infatil, como o autismo.

As PSDs identificadas até agora vêm das combinações de 1.461 proteínas, cada uma codificada por um gene separado.

"Nós agora temos uma lista abrangente de mil suspeitas", acrescentou Jeffrey Neobels, professor do Baylor College de Medicina, no Texas, em comentário no estudo. "Cada sétima proteína nesta relação está vinculada a uma doença clínica conhecida e cerca da metade é reincidente", acrescentou.

PESQUISA FUTURA

As descobertas abrem alguns novos caminhos para o combate a estas doenças, inclusive melhores diagnósticos, afirmaram os autores.

Para ajudar a acelerar esta meta, os cientistas divulgaram todos os dados em domínio público e criaram o primeiro "mapa do caminho molecular" para as sinapses humanas, demonstrando como as proteínas e as doenças se interconectam.

"Também podemos ver caminhos para desenvolver novos testes de diagnósticos genéticos e ajudar os médicos a classificar as doenças cerebrais", afirmou Grant.

O estudo também revelou, de forma inesperada, que as proteínas nas PSDs têm profundas raízes evolutivas e desempenham um papel indireto em comportamentos cognitivos tais como leitura e memória, emoção e humor. Em comparação com outras proteínas codificadas por genes, as proteínas PSD evoluem muito lentamente.

"A preservação da estrutura destas proteínas sugere que os comportamentos governados pela PSD e as doenças associadas a elas não mudaram muito ao longo de milhões de anos", comentou Grant.

O estudo também demonstra que as sinapses em roedores são mais similares às dos humanos do que se pensava anteriormente, sugerindo que camundongos e ratos são bons modelos para examinar doenças cerebrais humanas, acrescentou.

Segundo a OMS (Organização Mundial da Saúde), as doenças e distúrbios cerebrais são a causa principal de incapacidade médica no mundo desenvolvido.