Инженеры-биомедики из Университета Дьюка продемонстрировали, что не менее 25 процентов устойчивых к антибиотикам патогенных бактерий, обнаруженных в клинических условиях, способны распространять свою устойчивость непосредственно на другие бактерии. В то же время исследование показывает, что, несмотря на распространенное мнение, использование антибиотиков не оказывает существенного влияния на скорость обмена генами, ответственными за резистентность, между бактериями.
Исследователи использовали новый высокопроизводительный метод измерения скорости, с которой бактерии обмениваются пакетами ДНК, обеспечивающими устойчивость. Скорость и возможность автоматизации большей части процесса могут позволить по-новому взглянуть на то, какие переменные влияют на скорость передачи. Такие усилия могут помочь врачам замедлить или даже обратить вспять распространение резистентности некоторых патогенов человека.
Результаты опубликованы в Интернете 24 января в журнале Science Advances.
«Наше предыдущее исследование показало, что антибиотики не влияют на скорость, с которой бактерии распространяют свою устойчивость непосредственно в своем сообществе в лабораторных штаммах E.coli», - сказал Линчонг Ю, профессор биомедицинской инженерии в Университете Дьюка. «Но мы хотели посмотреть, верно ли это и для клинических штаммов патогенов, которые действительно существуют в мире».
Каждый устойчивый к антибиотикам патоген несет в себе генетический рецепт устойчивости. Но, как и в случае с печеньем с шоколадной крошкой, не все рецепты одинаковы, и не всем им легко научить других. Однако один из способов передачи устойчивости состоит в том, чтобы этот генетический рецепт был аккуратно записан в своего рода общую книгу, называемую плазмидой, которая затем подхватывается и считывается соседними бактериями посредством процесса, называемого конъюгацией.
По мере роста устойчивости к антибиотикам во всем мире ученые пытаются выяснить, как остановить ее распространение. Но поскольку многие антибиотики поступают из природных источников, было бы невозможно полностью устранить резистентность в дикой природе, а это означает, что всегда будут резервуары бактерий, заполненные книгами рецептов для устойчивости.
«Таким образом, настоящая проблема заключается в том, что резистентность проникает в патогены, которые наносят вред человеку», - сказал Джонатан Бетке, аспирант, работающий в лаборатории Ю и первый автор новой статьи. «Мы стремимся получить хорошее представление о том, какие факторы влияют на скорость их конъюгации, потому что, если вы сможете достаточно замедлить этот процесс, плазмиды, несущие гены устойчивости, могут выпасть из популяции."
Одной из основных проблем в достижении этого, однако, является классический метод измерения скорости конъюгации плазмиды. Помимо трудоемкости, исследователи должны ждать 16 часов, пока новое поколение бактерий вырастет в чашках Петри, прежде чем они смогут получить результаты. Это ограничение затрудняет использование этого подхода при работе с сотнями бактериальных штаммов и десятками настраиваемых переменных.
Вместо того, чтобы тратить годы на завершение эксперимента, Бетке и Эллисон Лопаткин, бывший аспирант лаборатории Ю, а ныне доцент в Барнард-колледже, разработали метод, который использует автоматизированное оборудование и занимает всего пять часов. полученные результаты. Он включает в себя смешивание двух штаммов бактерий - штамма-донора с устойчивостью к одному антибиотику, который можно разделить посредством плазмидной конъюгации, и штамма-реципиента с устойчивостью к другому антибиотику, который нельзя разделить.
После смешивания штаммов и процесса конъюгации плазмид в течение установленного периода времени бактериальная смесь переносится во флаконы, содержащие питательные вещества и оба антибиотика. Это способствует росту бактерий-реципиентов, которые успешно получили донорские плазмиды для обеспечения устойчивости, при этом замедляя рост всех остальных. Затем исследователи ждут, чтобы увидеть, сколько времени потребуется новой популяции с двойной устойчивостью, чтобы достичь определенного порога, который показывает, сколько их было изначально.
«Этот метод открывает возможность тестировать гораздо больше лекарств или факторов окружающей среды, чтобы увидеть, как они влияют на скорость конъюгации плазмид», - сказал Бетке. «Это также позволит нам определить, есть ли какая-то генетическая детерминанта, которая играет большую роль с точки зрения скорости передачи».
Вы и Бетке сотрудничали с Джошуа Таденом, доцентом медицины в Университете Дьюка, и Вэнсом Фаулером, профессором медицины в Университете Герцога, чтобы получить 219 клинических изолятов патогенов - микробов, обнаруженных у реальных пациентов. У всех была резистентность к бета-лактамазе, самой распространенной форме антибиотика, используемой сегодня. Измерив скорость конъюгации плазмиды как с бета-лактамазными антибиотиками, так и без них, они показали, что, за исключением одного выброса, эти антибиотики не увеличивают скорость обмена резистентностью. Они также обнаружили, что более 25 процентов исследованных штаммов способны делиться своей устойчивостью со скоростью, достаточной для обнаружения.
"Мы были удивлены, обнаружив, что это так высоко", сказал Ю. «И, конечно же, антибиотики способствуют распространению резистентности, но наше исследование показывает, что это происходит в первую очередь за счет избирательной динамики популяции, а не за счет увеличения скорости конъюгации плазмид».
Исследователи также изучили, как небольшие вариации в генетике самих резистентных плазмид влияют на скорость их конъюгации. Работая с лабораторией Минфэн Сяо в BGI Genomics в Шэньчжэне, Китай, команда секвенировала плазмиды и проанализировала их ДНК. Затем они разделили плазмиды на «группы подвижности» в зависимости от того, как они прыгают между клетками, и «группы несовместимости» в зависимости от того, как они реплицируются. К большому удивлению исследователей, они обнаружили, что, хотя в их библиотеке образцов присутствовали только две группы подвижности, ни одна из которых не влияла на скорость конъюгации, было семь групп несовместимости, и они очень сильно влияли на скорость конъюгации.
«Это предварительное, но потенциально большое открытие, потому что эти две классификации являются генетическими, что позволяет легко их идентифицировать», - сказала Бетке. «Если мы сможем начать создавать библиотеку генетических маркеров, которые указывают, какова, вероятно, будет способность патогена распространять свою устойчивость непосредственно на своих соседей, тогда мы сможем начать делать большие прогнозы о таких вещах, как горизонтальные сети переноса генов, и, возможно, начать понимать как бактерии развиваются в ходе этого процесса в целом».
«Такая библиотека также будет иметь прямое отношение к тому, как врачи используют антибиотики в полевых условиях», - сказал Ю. «Эти знания помогут врачам принимать индивидуальные решения о назначении антибиотиков для конкретного пациента».