Для бактерий, столкнувшихся с дозой антибиотиков, время может быть ключом к тому, чтобы избежать уничтожения. В ходе серии экспериментов исследователи из Принстона обнаружили, что клетки, которые восстанавливали ДНК, поврежденную антибиотиками, до возобновления роста, имели гораздо больше шансов выжить после лечения.
Когда антибиотики поражают популяцию бактерий, часто выживает небольшая часть «персистирующих» клеток, что создает угрозу рецидива инфекции. В отличие от бактерий с генетической устойчивостью к антибиотикам, данные свидетельствуют о том, что персистеры частично остаются в живых за счет остановки клеточных процессов, на которые нацелены лекарства.
В новом исследовании ученые из Принстона изучили класс антибиотиков, нацеленных на бактериальную ДНК. В бактериальных популяциях некоторые клетки восстанавливают поврежденную ДНК, прежде чем возобновить рост, а другие возобновляют рост, прежде чем произвести ремонт. Исследователи обнаружили, что те, кто восстанавливается до возобновления роста, как правило, выживают как персистенты. Исследование продвигает долгосрочную цель сделать лечение антибиотиками более эффективным.
В результатах, опубликованных 18 июня в Proceedings of the National Academy of Sciences, Венди Мок, научный сотрудник с докторской степенью, и Марк Бринилдсен, доцент кафедры химической и биологической инженерии, проанализировали реакцию бактерий кишечной палочки. к лечению офлоксацином, антибиотиком, который вызывает повреждение ДНК, блокируя ферменты, необходимые для репликации ДНК и транскрипции РНК. Их работа основывалась на предыдущих результатах лаборатории Бринилдсена, которые показали, что персистентам офлоксацина для выживания требуется механизм восстановления ДНК.
«Но это не гарантирует, что они обязательно выживут», - сказал Мок. «Мы предположили, что время восстановления ДНК и возобновление активности, связанной с ростом, такой как синтез ДНК, могут повлиять на выживаемость персистеров после лечения».
Чтобы проверить эту гипотезу, Мок и Бринилдсен использовали штамм бактерий кишечной палочки, который был генетически модифицирован, чтобы позволить исследователям контролировать рост клеток. Исследователи использовали бактерии для создания однородной популяции клеток с остановившимся ростом, которые могли переносить антибиотик офлоксацин.
Эти нерастущие клетки, как они обнаружили, испытали повреждение ДНК, аналогичное растущим клеткам, обработанным офлоксацином. Однако у нерастущих клеток наблюдались задержки в возобновлении синтеза ДНК и восстановлении после лечения.
Управляя активностью ключевого белка репарации ДНК, RecA, исследователи проверили эффект дальнейшей задержки репарации ДНК до возобновления синтеза ДНК. Это привело к семикратному снижению выживаемости по сравнению с клетками, которые непрерывно продуцировали RecA, демонстрируя, что устойчивость к офлоксацину зависит от восстановления повреждений ДНК до синтеза новой ДНК, необходимой для роста..
Mok и Brynildsen затем исследовали персистенцию нормальных клеток, помещенных в среду с низким содержанием питательных веществ, чтобы остановить их рост, имитируя состояние, с которым бактерии часто сталкиваются внутри инфицированного хозяина. Действительно, после лечения офлоксацином, если клетки голодали от источников углерода в течение по крайней мере трех часов, они наблюдали почти полную толерантность к антибиотику. Эта толерантность зависела от эффективных процессов репарации ДНК. Они также наблюдали повышенную устойчивость к офлоксацину при лишении питательных веществ после лечения среди клеток, растущих в биопленках, которые представляют собой группы бактерий, которые прилипают к поверхностям и участвуют в большинстве бактериальных инфекций, леченных в больнице.
Ян Михильс, профессор микробиологии в Университете Левена-VIB в Бельгии, сказал, что в исследовании использовалась «элегантная модельная система» для изучения основных механизмов персистенции. Михилс, не участвовавший в исследовании, сказал, что оно представляет собой «знаменательное открытие, дающее новое фундаментальное представление о том, как клетки-персистеры избегают смерти».
Офлоксацин и другие подобные антибиотики включены в Примерный список основных лекарственных средств Всемирной организации здравоохранения, каталог наиболее важных лекарственных средств для удовлетворения потребностей здравоохранения. Борьба с персистенцией бактерий может стать многообещающим путем повышения эффективности этих методов лечения инфекций мочевыводящих путей, стафилококковых инфекций и других бактериальных заболеваний.
«Нутриентное голодание - это стресс, с которым бактерии могут регулярно сталкиваться в месте заражения», - сказал Мок. «Наши результаты показывают, что в период после лечения антибиотиками мы можем рассмотреть возможность воздействия на некоторые из этих процессов восстановления ДНК и посмотреть, может ли это улучшить результаты лечения». Одним из контринтуитивных подходов может быть ускорение роста бактерий после лечения антибиотиками, тем самым обрекая клетки на то, что они опередят свои механизмы восстановления и погибнут. Однако исследователи добавили, что другие подходы, вероятно, будут лучше, чем стимулирование роста патогена в организме пациента.
Группа Бринильдсена и другие заинтересованы в поиске потенциальных лекарственных соединений, которые могут мешать репарации бактериальной ДНК, а также в изучении взаимосвязи между толерантностью к антибиотикам и генетической резистентностью.