Borrelia burgdorferi evades the effects of ceftriaxone treatment in a mouse model of Lyme borreliosis

<b><i>Borrelia burgdorferi</i> infektoitujen hiirten antibioottihoidon jälkeinen oireilu</b> Lymen borrelioosi on puutiaisten välittämä monimuotoinen infektiotauti, jonka tunnetuin oire on ns. vaeltava ihottuma eli erythema migrans. Muita tavallisia ilmentymiä ovat erityisesti nivel- ja hermosto-oireet sekä harvemmin sydän- ja silmäoireet. Suurin osa potilaista paranee täysin terveeksi antibioottihoidon avulla, mutta jopa 10 % borrelioosiin sairastuneista oireilee suositusten mukaisesta hoidosta huolimatta. Pitkittyneen oireilun on ajateltu johtuvan mm. infektion laukaisemasta autoimmuunitaudista tai kroonisesta infektiosta, mutta teorioiden tueksi ei ole kyetty esittämään kiistattomia todisteita. Onkin todennäköistä, että antibioottihoidon jälkeisen oireilun takana on useampia mekanismeja eikä yksi teoria selitä kaikkien potilaiden oireilua. Tässä väitöskirjatyössä on tutkittu hoidonjälkeistä borrelioosia hiirimallin avulla. Varhaisvaiheessa (2 viikkoa infektoinnin jälkeen) annettu antibiootti vähensi hiirten nivelturvotusta ja esti B. burgdorferi – bakteerin kasvun kudoksista otetuista näytteissä. Hoidettu¬jen hiirten B. burgdorferi -spesifiset IgG-luokan vasta-aineet pysyivät kuitenkin koholla ja osasta kudosnäytteistä löytyi B. burgdorferi:n DNA:ta PCR-tutkimuksen avulla. Mikäli hiiret hoidettiin myöhäisessä vaiheessa (yli 18 viikkoa infektoinnista) tulokset olivat muuten samanlaiset, mutta keftriaksoni ei vaikuttanut nivelturvotukseen. Näin hiirissä oli aikaansaatu tilanne, joka on hyvin samankaltainen ihmisen hoitoresistentin borrelia-artriitin kanssa: oireet jatkuvat, mutta taudinaiheuttajaa ei saada esiin. Inflammaatiota vaimentavaa anti-TNF-alphaa on käytetty nivelreuman hoidossa menestyksekkäästi huonosti muuhun hoitoon reagoivilla potilailla ja siitä syystä sen ajateltiin voivan vaikuttaa suotuisasti myös <i>B. burgdorferi</i> -infektoitujen hiirten hoidonjälkeiseen nivelturvotukseen. Sillä ei kuitenkaan ollut vaikutusta nivelturvotukseen, mutta yllättäen hoidon jälkeen osa hiirten kudosnäytteistä osoittautui viljelypositiivisiksi. On siis ilmeistä, että hiirimallissamme osa <i>B. burgdorferi</i> spirokeetoista pystyy välttämään keftriaksonihoidon vaikutuksen joko hakeutumalla elimistössä kudokseen, jossa antibiootin pitoisuus ei nouse riittävän korkeaksi, tai ne kykenevät muuntautumaan metabolisesti inaktiiviin tilaan eikä mikrobilääke yhdessä immuunipuolustuksen kanssa onnistu tappamaan niitä. Jatkotutkimuksissa selvitimme <i>B. burgdorferi </i>- spirokeetan mahdollista piilopaikkaa tutkimalla antibioottihoidon jälkeen useita eri kudoksia PCR-menetelmällä. Tulosten perusteella spirokeetta näyttää suosivan nivelkudosta tai soluja, joita esiintyy nivelessä runsaasti. On kuitenkin edelleen epäselvää, missä muodossa <i>B. burgdorferi</i> –spirokeetat säilyvät kudoksessa antibioottihoidon jälkeen.

Lyme borreliosis (LB) is a tick-borne infectious disease with variable symptoms. The most common manifestation of LB is an expanding rash on the skin but frequently arthritic or neurological and occasionally cardiac or ocular symptoms are seen. If detected early, most patients are cured with antibiotic treatment but some patients have persistent symptoms after recommended antibiotic treatment. The proportion of these patients has been estimated to be as high as 10 % of all LB patients. Thus far, different theories for the etiology of treatment-resistant LB have been proposed (e.g. infection-induced autoimmunity or chronic infection) but none of them has gained undisputed acceptance. The aim of this study was, using a mouse model, to investigate the pathogenesis of treatment-resistant LB. Ceftriaxone treatment administered at the early stage of the disease (at two weeks of infection) diminished infection-induced joint swelling and inhibited the growth of <i>B. burgdorferi</i> spirochetes from tissue samples. However, the<i> B. burgdorferi</i> specific IgG antibody levels remained highly elevated and, further, DNA of <i>B. burgdorferi</i> could be detected in a number of tissue samples. When mice were treated later in the infection (at 18 weeks or more), the results were largely similar as those obtained after early treatment. The main difference was that ceftriaxone did not have any effect on joint swelling of the mice treated at later stages of the infection. This resembles human treatment-refractory Lyme arthritis in which the symptoms and manifestations continue but the infectious agent can not be cultivated from the tissues of the patients. Anti-TNF-alpha has been approved for treatment of rheumatoid arthritis because of its anti-inflammatory action. Therefore, its effect on persisting joint swelling after antibiotic treatment was evaluated in the mouse model. Anti-TNF-α treatment had no effect on joint manifestations but, surprisingly, a number of mice converted culture positive after the treatment. Thus, it is clear that the <i>B. burgdorferi</i> spirochete is able to evade the effect of ceftriaxone by hiding in a protective niche or by transforming to a metabolically inactive form that can not be eradicated by the antibiotic treatment. Various tissue samples were analyzed by PCR to study possible niches where <i>B. burgdorferi</i> could hide to avoid the effects of the antibiotic. In infected and ceftriaxone treated mice, DNA of <i>B. burgdorferi</i> was almost exclusively found in joint tissue samples. However, it is still unclear in what state the <i>B. burgdorferi</i> spirochetes remain in tissues after ceftriaxone treatment in our mouse model.