Небольшие популяции патогенных бактерий труднее уничтожить, чем большие, потому что они по-разному реагируют на антибиотики, показало новое исследование Университета Эмори.
Журнал eLife опубликовал исследование, показывающее, что популяция бактерий, состоящая из 100 или менее клеток, реагирует на антибиотики случайным образом, а не однородно, как более крупная популяция.
"Мы показали, что нет ничего особенного в бактериальных клетках, которые не были уничтожены медикаментозной терапией - они выживают по случайному стечению обстоятельств", - говорит ведущий автор Минсу Ким, доцент кафедры физики и член Центра устойчивости к антибиотикам Эмори.
«Эта случайность - палка о двух концах», - добавляет Ким. «На первый взгляд, это затрудняет прогнозирование результатов лечения. Но мы нашли способ манипулировать этой присущей случайностью таким образом, чтобы уничтожить небольшую популяцию бактерий со 100-процентной вероятностью. клеток, вы можете очистить небольшие популяции даже от устойчивых к антибиотикам бактерий, используя низкие концентрации антибиотиков».
Исследователи разработали модель лечения с использованием смеси двух разных классов антибиотиков. Они впервые продемонстрировали эффективность модели в лабораторных экспериментах на небольшой популяции бактерий кишечной палочки без устойчивости к антибиотикам. В более поздних экспериментах они обнаружили, что эта модель также работала на небольшой популяции клинически изолированной устойчивой к антибиотикам кишечной палочки.
«Мы надеемся, что наша модель может помочь в разработке более сложных протоколов лечения антибиотиками, делая их более эффективными при более низких дозах для некоторых инфекций», - говорит Ким.«Это важно, потому что если вы лечите бактериальную инфекцию и не можете полностью ее убить, это может способствовать устойчивости к антибиотикам».
Устойчивость к антибиотикам, по прогнозам, будет приводить к 300 миллионам преждевременных смертей ежегодно и общемировому бремени здравоохранения в размере 100 триллионов долларов к 2050 году, согласно Обзору устойчивости к противомикробным препаратам за 2014 год. Эпидемия отчасти вызвана неспособностью надежно искоренить инфекции, вызванные чувствительными к антибиотикам бактериями.
В течение десятилетий считалось, что достаточно просто уменьшить размер популяции бактерий до нескольких сотен клеток, потому что иммунная система инфицированного человека может уничтожить оставшиеся бактерии.
«Совсем недавно стало ясно, что небольшие популяции бактерий действительно имеют значение в ходе инфекции», - говорит Ким. «Инфекционная доза - количество бактериальных клеток, необходимое для инициации инфекции, - оказалось, составляет несколько или десятки клеток для одних видов бактерий, а для других - всего одну клетку."
Однако было не совсем понятно, почему лечение бактерий антибиотиками иногда срабатывало, а иногда терпело неудачу. Сопутствующие факторы могут включать в себя различия в иммунных реакциях инфицированных людей и возможные мутации бактериальных клеток, которые становятся более вирулентными.
Ким подозревала, что здесь имело место что-то более фундаментальное. Исследования показали неожиданную неэффективность лечения инфекций, чувствительных к антибиотикам, даже у таких простых организмов, как червь C. elegans, обычная модель для изучения бактериальной вирулентности.
Сосредоточив внимание на небольших популяциях бактерий, команда Эмори обнаружила, чем динамика отличается от динамики крупных. Антибиотики вызывают колебания концентрации бактериальных клеток. Когда скорость роста случайно превысила уровень смертности, уничтожение бактерий не удалось.
Исследователи использовали эти знания для разработки низкодозового коктейля из двух разных видов антибиотиков. Они объединили бактерицид (который убивает бактерии) и бактериостат (который замедляет рост бактерий), чтобы манипулировать случайными колебаниями числа клеток и повысить вероятность того, что скорость гибели клеток превысит скорость роста.
Не все антибиотики соответствуют этой модели, и необходимы дополнительные исследования, чтобы усовершенствовать метод для применения в клинических условиях.
«Мы показали, что успешное лечение бактериальной инфекции антибиотиками еще сложнее, чем мы думали», - говорит Ким. «Мы надеемся, что эти знания приведут к новым стратегиям борьбы с инфекциями, вызванными устойчивыми к антибиотикам бактериями».