Антибиотики должны уничтожать бактерии, но иногда лекарства могут дать микробам неожиданное преимущество. Новое исследование из Rutgers Health показывает, что ципрофлоксацин — основное средство лечения инфекций мочевыводящих путей — вводит Escherichia coli (E. coli) в энергетический кризис, который спасает многие клетки от смерти и ускоряет развитие полной устойчивости.
«Антибиотики могут фактически изменить метаболизм бактерий», — сказал Барри Ли, студент медицинской школы Rutgers New Jersey, который учится на врача-учёного и является первым автором статьи, опубликованной в Nature Communications. «Мы хотели посмотреть, как эти изменения влияют на шансы выживания бактерий».
Ли и старший автор Джейсон Янг сосредоточились на аденозинтрифосфате (АТФ) — молекулярном топливе, которое питает клетки. Когда уровень АТФ падает, клетки испытывают «биоэнергетический стресс».
Чтобы имитировать этот стресс, команда сконструировала E. coli с генетическими дренами, которые постоянно сжигали АТФ или его аналог — никотинамидадениндинуклеотид (НАДН). Затем они сравнили как сконструированные штаммы, так и обычные бактерии с ципрофлоксацином.
Результаты удивили исследователей. Препарат и генетические дрены резко снизили уровень АТФ, но вместо того, чтобы замедлиться, бактерии ускорились. Дыхание усилилось, и клетки выбрасывали сверхреактивные молекулы кислорода, которые могут повредить ДНК. Это безумие привело к двум тревожным последствиям.
В тестах на уничтожение в 10 раз больше подвергнутых стрессу клеток выдержали смертельную дозу ципрофлоксацина по сравнению с контрольными образцами, не подвергшимися стрессу. Эти выносливые выжившие клетки, называемые персистирующими клетками, лежат низко, пока лекарство не исчезнет, а затем восстанавливаются, чтобы запустить новую инфекцию.
Люди давно связывают вялый метаболизм с образованием персистирующих клеток. «Люди ожидали, что замедленный метаболизм приведёт к меньшему уничтожению, — сказал Ли. — Мы увидели обратное. Клетки ускоряют метаболизм, чтобы пополнить свои энергетические баки, и это включает стрессовые реакции, которые замедляют уничтожение».
Дальнейшие эксперименты отследили защиту до строгого ответа — системы оповещения бактерий, которая перепрограммирует клетку в условиях стресса.
Пока персистирующие клетки поддерживают тление инфекций, генетическая устойчивость может сделать лекарство совершенно бесполезным. Группа из Rutgers подвергла E. coli последовательным возрастающим дозам ципрофлоксацина и обнаружила, что подвергнутые стрессу клетки достигли порога устойчивости на четыре раунда раньше, чем обычные клетки. Секвенирование ДНК и классические тесты на мутации указали на окислительное повреждение и ремонт с ошибками как на виновников.
«Изменения в метаболизме делают антибиотики менее эффективными и способствуют развитию устойчивости у бактерий», — сказал Янг, доцент медицинской школы и учёный-канцлер по микробиологии, биохимии и молекулярной генетике.
Предварительные измерения показывают, что гентамицин и ампициллин также истощают АТФ в дополнение к ципрофлоксацину. Эффект стресса может охватывать самые разные патогены, включая Mycobacterium tuberculosis, которая очень чувствительна к АТФ-шокам.
Если это так, открытие проливает новый свет на глобальную угрозу. Устойчивость к антибиотикам уже приводит к 1,27 миллионам смертей в год. Стратегии, игнорирующие метаболические последствия лечения, могут упустить ключевой рычаг.
Выводы предлагают несколько изменений в разработке и использовании антибиотиков:
1. Проверять кандидатные антибиотики на предмет непредвиденных побочных эффектов, связанных с истощением энергии.
2. Сочетать существующие препараты с антиэволюционными усилителями, которые блокируют стрессовые пути или убирают лишние кислородсодержащие радикалы.
3. Пересмотреть инстинкт подавлять инфекции максимально возможной дозой. Более ранние исследования и новые данные намекают на то, что экстремальные концентрации могут вызвать тот самый стресс, который защищает бактерии.
«Бактерии превращают нашу атаку в тренировочный лагерь, — сказал Янг. — Если мы сможем отключить питание этого лагеря, мы сможем сохранить эффективность наших антибиотиков дольше».
Ли и Янг планируют протестировать соединения, которые смягчают биоэнергетический стресс, в надежде превратить микробный энергетический кризис обратно в ахиллесову пяту, а не в щит.
Предоставлено:
Rutgers University