Эволюционная точка зрения может вдохновить на новые идеи в клинической микробиологии. Например, эволюционные исследования могут показать, почему одни режимы дозирования противомикробных препаратов лучше других предотвращают развитие лекарственной устойчивости. Изучение микробных сообществ, а не только патогенных микроорганизмов, также может привести к новым открытиям. Вот почему клиницисты, биоинформатики, анализирующие патогены, и биологи-эволюционисты должны работать вместе. Таковы выводы разношерстной группы ученых во главе с микробиологом Гронингенского университета Марьоном де Восом в кратком обзоре, опубликованном The Lancet Infectious Diseases 30 апреля.
Как микробиолог Де Вос изучает инфекции мочевыводящих путей. Она поняла, что многого можно добиться, сотрудничая с разными специалистами, такими как клинические микробиологи, ученые-исследователи, работающие в области эволюции и экологии, и биоинформатики. «Например, я заметил, что вовлеченные бактерии общаются друг с другом и могут образовывать стабильную экосистему, что влияет на их восприимчивость к антибиотикам». Это осознание привело к междисциплинарному семинару в 2017 году, результатом которого, в свою очередь, стал обзорный документ, опубликованный в журнале The Lancet Infectious Diseases.
Кистозный фиброз
«Главный вопрос семинара и доклада - как мы можем использовать знания из эволюционной теории и биоинформатики для решения клинических проблем», - говорит Де Вос. Биоинформатика необходима для анализа огромного количества генетических данных, собранных об инфекционных заболеваниях. Эволюционная теория может помочь объяснить наблюдаемые закономерности адаптации и предсказать, как лечение повлияет на экосистему, в которой живут патогены.
Де Вос: «Примером, который мы обсуждаем в статье, является использование циклического лечения антибиотиками у пациентов с муковисцидозом». Эти пациенты страдают хроническими инфекциями легких, для лечения которых им назначают антибиотики. Чтобы свести к минимуму развитие лекарственной устойчивости, потенциально их можно лечить попеременно двумя разными препаратами. Идея состоит в том, что патогены, ставшие устойчивыми к одному препарату, по-прежнему будут восприимчивы к другому. «Это привело к положительным результатам. Однако существует опасность того, что это лечение вызовет множественную лекарственную устойчивость, поэтому важно сначала проверить реакцию патогенов в лаборатории, чтобы найти оптимальный график лечения».
Плазмиды
Анализ ДНК патогенов дал много новой информации о генетической основе устойчивости к антибиотикам.«Тем не менее, мы до сих пор не знаем, как изменения в генах приводят к различным характеристикам этих патогенов. Нам нужны эксперименты биологов-эволюционистов, чтобы понять связь между генотипом, последовательностью ДНК и фенотипом - например, уровнем устойчивости».
Другой пример - распространение генов устойчивости к антибиотикам. Они часто присутствуют на плазмидах, то есть на фрагментах кольцевой ДНК, которые могут легко обмениваться между бактериями. «В данном случае важно отметить, что бактериям часто приходится приспосабливаться к переносу новой плазмиды. Если бактерия приобретает плазмиду, к которой она не адаптирована, это может значительно замедлить скорость ее роста. В этом случае существует компромисс между устойчивостью, с одной стороны, и приспособленностью и скоростью роста бактерии, с другой, что означает, что ген устойчивости на плазмиде может не иметь большого клинического эффекта. Экологический или эволюционный подход может быть направлен на использование таких компромиссов для ограничения распространения устойчивости к противомикробным препаратам». По словам Де Воса, при мониторинге устойчивости к антибиотикам вопрос должен заключаться не только в том, где она возникает, но и в том, как она возникает в бактериальных сообществах. «Чтобы понять, что вызывает отбор и распространение этих генов, нам нужен более широкий взгляд на эти процессы».
Адаптация
Сотрудничество между разными специалистами требует вложений всех участников. «Нам действительно нужно взаимодействовать друг с другом, поскольку мы все склонны рассматривать разные аспекты инфекций. Только при совместном обсуждении этих аспектов можно увидеть, когда наблюдение эволюционной теории имеет отношение к клинической практике». «Последний пример показывает, как это может происходить», - говорит Де Вос: «Сандра Бреум Андерсен, ведущий автор статьи, обнаружила, что бактерии, вызывающие хронические легочные инфекции у пациентов с кистозным фиброзом, часто эволюционировали определенным образом, который считался естественным. в связи с адаптацией к хозяину. Однако лабораторные эксперименты показали, что это произошло не из-за адаптации хозяина, а из-за того, что бактерии реагировали друг на друга, крадя ресурсы друг друга. Таким образом, вместо того, чтобы сосредоточиться на взаимодействии хозяина и бактерий при заболевании, вмешательство в социальную жизнь этих бактерий потенциально может привести к новым методам лечения».