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Spezifische therapeutische Schemata von Omeprazol beeinflussen die Orientierung von Helicobacter pylori

ZUSAMMENFASSUNG

Bisher war unklar, wie Protonenpumpenhemmer (PPIs) die Helicobacter pylori-Therapie unterstützen. Wir testeten, ob das PPI Omeprazol auf die räumliche Orientierung von H. pylori im Magenschleim infizierter mongolischer Rennmäuse wirkt. Nach wiederholter PPI-Verabreichung einmal täglich, jedoch nicht nach Einzeldosen oder Verabreichung alle 8 h änderte sich die räumliche Verteilung der Bakterien, was auf einen Orientierungsverlust hinweist. Daher kann das therapeutische Schema der PPI-Verabreichung die Effizienz der Behandlung beeinflussen.

Der Magenpathogen Helicobacter pylori infiziert etwa die Hälfte aller Menschen (15, 22) und verursacht Geschwüre (14) und Magenadenokarzinome (4, 7). Zur Heilung einer H. pylori-Infektion wird eine kombinierte Behandlung mit Antibiotika und einem Protonenpumpenhemmer (PPI) zur Magensäuresuppression eingesetzt. Trotz häufiger Verabreichung in konventionellen Dreifachtherapien (12) und die derzeit entwickelten sequentiellen Therapien (8, 9, 13, 23), die Wirkung von PPIs in der Therapie dieser Infektion ist wenig bekannt. Ein besonders wichtiger Befund war, dass die kombinierte Behandlung mit einem PPI zu einer erhöhten Konzentration des regelmäßig eingesetzten Antibiotikums Clarithromycin im Magenschleim führt (11). Aufgrund der voneinander abhängigen Regulation der Säure- und Schleimsekretion kann ein PPI die Schleimsekretion reduzieren (10). Bei Substanzen mit niedrigen Magenclearance-Raten könnte eine verminderte Schleimsekretion nach Verabreichung eines PPI deren Konzentration im Schleim erhöhen. Diese Beobachtung erklärt jedoch nicht den Wirkungsmechanismus von PPIs, da Antibiotika-Schemata ohne das Makrolid Clarithromycin (z. B. unter Verwendung des tief eindringenden Fluorchinolons Moxifloxacin ) ähnlich wirksam sind.

Folglich testeten wir die neue Hypothese, dass das repräsentative PPI Omeprazol auf die räumliche Orientierung von H. pylori im Magenschleim einwirken kann. Wir haben eine chronische H. pylori SS1-Infektion in der mongolischen Rennmaus, Meriones unguicu-latus (Hsd: MON) (Harlan und Winkelmann, Indianapolis, IN); verabreichte einzelne und sich wiederholende Dosen von Omeprazol; und untersuchte die Wirkung auf die Bakteriendichte und -verteilung innerhalb der Magenschleimschicht. Einzeldosen von bis zu 20 µM Omeprazol wurden durch intraperitoneale (i.p.) Perfusion verabreicht, die als Dialyse fungierte. Wiederholte Dosen von 10 µM Omeprazol wurden i.p. während einer kurzen Inhalation der Anästhesie injiziert. Abbildung 1 zeigt die Omeprazol-Plasmakonzentration und den pH-Wert des Magenlumens nach i.p. verabreichung von 20 µM Omeprazol (Einzelheiten siehe Ergänzungsmaterial).

Nach der letzten Injektion wurde die Bakterienverteilung im Schleim in Nanoliter-Schleimproben aus der Antrumregion gemessen, um die Anzahl der besiedelnden Bakterien zu bestimmen. Durch die Verwendung digitaler mikroskopischer Bildgebung konnte die Bakterienverteilung bezüglich der Gewebeoberfläche wie zuvor beschrieben rekonstruiert werden (19, 21).

Die Anzahl der Bakterien pro Nanoliter Schleim, die innerhalb der verschiedenen Schleimschichten nach verschiedenen Schemata der PPI-Verabreichung beobachtet wurden, ist in Tabelle 1 aufgeführt. Einzeldosen von bis zu 20 µM (35 µg / ml) Omeprazol und zwei aufeinanderfolgende Dosen von 10 µM (0,25 mg i.p.) in Abständen von 8 h hatten keinen Einfluss auf die Bakterienorientierung. Fast alle Bakterien befanden sich innerhalb der juxtamukosalen Schleimschicht, mit einem größeren Prozentsatz in den ersten 15 µm über der Gewebeoberfläche. Die Bakteriendichte und -verteilung innerhalb der verschiedenen Schleimschichten in diesen Gruppen war ähnlich wie bei den unbehandelten Kontrolltieren. Somit trat kein Orientierungsverlust auf.

Die Verabreichung von 0,25 mg Omeprazol zweimal im Abstand von 24 h führte jedoch zu einer verringerten Dichte von Bakterien, die die juxtamukosale Schleimschicht besiedelten, und zu einer Zunahme der Dichte von Bakterien, die die zentralen und luminalen Schleimschichten besiedelten, was darauf hindeutet, dass sich die Bakterien in diese mehr luminalen Schleimschichten ausgebreitet hatten (Tabelle 1).

H. pylori-Bakterien sind normalerweise parallel zueinander ausgerichtet und die Gewebeoberfläche in der juxtamukosalen Schicht (Abb. 2A). Nach zwei aufeinanderfolgenden Dosen Omeprazol einmal täglich waren H. pylori-Bakterien jedoch in der juxtamukosalen, zentralen und luminalen Schleimschicht auf ungeordnete Weise verteilt (Abb. 2B).

Die weitere Verabreichung von 0,25 mg Omeprazol alle 24 h über einen Zeitraum von bis zu 5 Tagen führte zu einer kumulativen Verringerung der Bakterienlast auf unter 5% der Kolonisationsdichte im juxtamukosalen Schleim, die bei Kontrollen beobachtet wurde.

Somit beeinflusste Omeprazol die Orientierung von H. pylori nur, wenn zwei oder mehr Dosen in Intervallen von 24 h verabreicht wurden, da sich die Bakteriendichte und -verteilung in den juxtamukosalen, zentralen und luminalen Schleimschichten bei diesen Tieren signifikant von den mit den anderen Schemata behandelten Tieren unterschieden (siehe Signifikanzdaten in Tabelle SA2 im Ergänzungsmaterial). Diese Beobachtungen können aus einer Modifikation des Bicarbonat-abhängigen Schleim-pH-Gradienten resultieren, der die H. pylori-Orientierung innerhalb der Magenschleim-Schicht steuert (19). Aufgrund des kontinuierlichen Schleimflusses, der durch Schleimsekretion in den Drüsen und Abbau an der luminalen Oberfläche (20) verursacht wird, ist eine genaue bakterielle Orientierung erforderlich, um zu verhindern, dass H. pylori vertikal in das Lumen weggefegt wird. Der pH-Gradient in der Schleimschicht von einem sauren Lumen-pH-Wert zu einem neutraleren pH-Wert an der Epitheloberfläche wird durch die gleichzeitige Sekretion von Schleim, Bicarbonat und Säure erzeugt. H. pylori erfasst den lokalen Säuregehalt dieses pH-Gradienten mithilfe des Chemotaxis-Rezeptors TlpB (6) und leitet die Information an den Flagellenmotor weiter (3). Die Säuresuppression durch den PPI kann die Bicarbonat- und pH-Regulation im Magenantrum verändern, was wiederum die Helicobacter-Orientierung stören würde. Interessanterweise trugen weder eine Einzeldosis Omeprazol noch zwei aufeinanderfolgende Dosen, die in kurzen Zeitintervallen verabreicht wurden, zu einem Verlust der bakteriellen Orientierung bei. Wenn jedoch die zweite (und weitere) Omeprazol-Dosis (en) in regelmäßigen Abständen von 24 h verabreicht wurde (n), wurde ein Verlust der bakteriellen Orientierung beobachtet. Der lang anhaltende neutralisierte pH-Wert des Magenlumens nach einer oder zwei Dosen, die in einem kürzeren Intervall verabreicht werden, wirkt sich daher nicht auf die Helicobacter-Orientierung aus, während die Änderungen des Verlaufs der Magen-pH-Werte nach der zweiten Dosis, die nach einem Intervall von 24 h verabreicht wird, für H. pylori tödlich sind. Abbildung 3 zeigt die Omeprazol-Plasmakonzentration und den Magen-Luminal-pH-Wert nach einer Einzeldosis PPI im Vergleich zur Wirkung von zwei aufeinanderfolgenden Verabreichungen entweder alle 8 oder alle 24 h.

PPI-Verabreichung einmal täglich störte die vertikale Ausrichtung von H. pylori, höchstwahrscheinlich durch einen komplexen zeitlichen Verlauf der Säuresuppression, wodurch der leitende Bicarbonat-abhängige Schleim-pH-Gradient zerstört wird. Helicobacter pylori-Bakterien, die im Magenschleim ihre Leitfähigkeit verlieren, breiten sich über die gesamte Schleimschicht und in das Lumen aus (19). Abhängig vom tatsächlichen pH-Wert führt die verbleibende Aktivität von Pepsin C im Lumen zu einem Verlust der H. pylori-Motilität (17, 18), die Bakterien gehen unwiederbringlich verloren und die Bakterienbelastung wird reduziert. Im Gegensatz dazu hatten zwei nachfolgende PPI-Verabreichungen in kürzeren Zeitintervallen, in denen der Magen-pH-Wert neutralisiert blieb, keinen Einfluss auf die H. pylori-Orientierung. Daher war der für die bakterielle Orientierung besonders fatale zeitliche Verlauf des Magenlumen-pH durch eine Erholung der Säuresekretion nach der letzten PPI-Dosis und eine schnelle Neutralisation nach der nächsten Dosis gekennzeichnet. Diese experimentellen Daten stimmen mit den bemerkenswerten klinischen Beobachtungen überein, dass niedrigere Dosen (2) oder niedrigere Häufigkeiten (5) der PPI-Verabreichung zu verbesserten oder unveränderten Eradikationsraten führen.

Wir schließen daraus, dass die wiederholte Verabreichung von Omeprazol alle 24 h komplexe Veränderungen der Magensäuresekretion verursacht, die die bakterielle Orientierung beeinträchtigen. Dieser Befund weist darauf hin, dass das therapeutische Schema der PPI-Verabreichung für eine effiziente Heilung der H. pylori-Infektion von Bedeutung sein kann, ein Befund, der einer weiteren klinischen Untersuchung bedarf.

ABB. 1.

Verlauf der Omeprazol-Plasmakonzentration und des pH-Wertes des Magenlumens nach PPI-Injektion. Die Omeprazol-Plasmakonzentration (grüne Linie; gemessen mittels Hochdruckflüssigkeitschromatographie) und die Veränderungen des pH-Wertes des Magenlumens (rote und blaue Linien) werden nach einer i.p. Injektion von Omeprazol in die mongolische Rennmaus gezeigt. Das Omeprazol wurde innerhalb von weniger als 1 Stunde nach der Verabreichung eliminiert. Die Neutralisation des Magenlumen-pH-Wertes, die anfänglich im Korpusbereich nachweisbar war, begann 15 bis 20 min nach der IP-Injektion, erstreckte sich bis in den Antrumbereich und erreichte einen Magen-pH-Wert von fast 7. Der luminale pH-Wert begann 3 Stunden nach der Verabreichung von Omeprazol abzunehmen, und innerhalb von 12 Stunden erholte sich die Säuresekretion.

ABB. 2.

Räumliche Ausrichtung von H. pylori im Schleim unter normalen Bedingungen und nach Verabreichung von Omeprazol. Dargestellt ist der juxtamukosale Schleim der H. pylori-infizierten mongolischen Rennmaus bei einer 1.400-rsp, 900-fachen Vergrößerung. Panel B ist eine digitale Addition von drei aufeinander liegenden Fokusebenen. Epithelzellen der Schleimhautoberfläche sind am Boden der mikroskopischen Aufnahmen sichtbar. (A) Bei unbehandelten Tieren bewegten sich die Bakterien parallel zur Zelloberfläche in einem Abstand von 0 bis 25 µm. (B) Nach 2 Tagen PPI-Verabreichung verloren die Bakterien einmal täglich ihre sortierte Ausrichtung und breiteten sich über die gesamte Schleimschicht aus.

ABB. 3.

Omeprazol-Plasmakonzentration, pH-Wert des Magenlumens und Wirkung auf die bakterielle Orientierung nach verschiedenen therapeutischen Schemata. Die Verläufe der Omeprazol-Plasmakonzentration (grüne Linie) und des pH-Wertes des Magenlumens (blaue Linie) sind nach einer maximalen Plasmakonzentration von 10 µM Omeprazol dargestellt. (A) Die Verabreichung von Omeprazol in Abständen von 8 Stunden verursachte eine lang anhaltende Neutralisation und hatte keinen Einfluss auf die Bakterienorientierung. (B) Nach einem Intervall von 24 h nach der Verabreichung erholte sich die Säuresekretion, und die zweite Dosis Omeprazol führte zu einer raschen Reneutralisierung des Magenlumens, was zu einem Verlust der bakteriellen Orientierung führte. (C) Wenn die zweite Dosis PPI durch ein Lösungsmittel ersetzt wurde, wurde die Orientierung von H. pylori nicht beeinflusst.

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TABELLE 1.

Anzahl der Bakterien, die nach verschiedenen Schemata der PPI-Verabreichung in verschiedenen Schleimschichten beobachtet wurden

ACKNOWLEDGEMENTS

Diese Studie wurde teilweise von der Heinrich und Alma Vogelsang Stiftung unterstützt.

Wir erklären, dass keine konkurrierenden Interessen bestehen.

FUßNOTEN

    • Empfangen 4 Februar 2009.
    • Zur Änderung zurückgegeben 5 April 2009.
    • Angenommen am 23.Mai 2009.
  • Copyright © 2009 Amerikanische Gesellschaft für Mikrobiologie
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