Составное изображение кишечной палочки (Escherichia coli), подвергшейся воздействию антибиотика полимиксина. Изображения показывают изменения внешнего слоя защиты бактерий с течением времени. Слева направо: бактерия без лечения; бактерия через 15 минут; через 30 минут; через 60 минут; через 90 минут. Белая шкала — 250 нанометров. Источник: Carolina Borrelli, Edward Douglas et al. / Nature Microbiology.
Исследователи использовали метод визуализации, основанный на прикосновении, а не на свете, чтобы показать, как антибиотик последнего поколения вызывает образование пузырьков, искажение и отслоение внешнего слоя защиты бактерий.
Результаты могут помочь повысить эффективность полимиксинов — средства последней инстанции для лечения инфекций, вызванных грамотрицательными бактериями.
«Полимиксины — важная линия защиты от грамотрицательных бактерий, которые вызывают множество смертельных инфекций, устойчивых к лекарствам. Важно, чтобы мы понимали, как они работают», — говорит профессор Барт Хугенбум из Университетского колледжа Лондона, соавтор статьи, опубликованной в журнале Nature Microbiology.
Грамотрицательные бактерии, такие как кишечная палочка, имеют внешнюю мембрану, которая действует как защитный барьер, препятствующий проникновению антибиотиков.
Команда использовала атомно-силовую микроскопию для получения изображений в реальном времени, показывающих, как активная и спящая E. coli реагирует на полимиксин В.
В этом методе кончик иглы шириной в несколько нанометров используется для «ощупывания» поверхности образца. Высокие и низкие точки поверхности отклоняют кончик вверх и вниз, и эта информация используется для создания трёхмерной топографии образца.
«В течение десятилетий мы полагали, что антибиотики, нацеленные на бактериальную защиту, способны убивать микробы в любом состоянии, независимо от того, активно они размножаются или находятся в спящем состоянии. Но это не так», — говорит соавтор исследования доктор Эндрю Эдвардс из Имперского колледжа Лондона в Великобритании.
«Благодаря получению этих невероятных изображений отдельных клеток мы смогли показать, что этот класс антибиотиков работает только с помощью бактерий. Если клетки переходят в состояние, похожее на спячку, лекарства перестают действовать — это очень удивительно».
Они обнаружили, что антибиотик заставляет грамотрицательные бактериальные клетки производить больше своей внешней мембраны, а затем сбрасывать её. Это оставляло пробелы в их защите, позволяя антибиотикам проникнуть и уничтожить их. Однако этого не происходило, когда клетки находились в спящем состоянии.
Бактерии переходят в такое состояние, чтобы выжить в неблагоприятных условиях, например, при нехватке пищи, а затем «просыпаются» позже. Это позволяет им пережить воздействие антибиотиков и вызвать повторные инфекции.
Полимиксин В смог убить спящие клетки, но только через 15 минут после того, как им был предоставлен источник пищи — сахар. Этого времени было достаточно, чтобы употребить его и возобновить производство внешней мембраны.
«Наша следующая задача — использовать эти результаты для повышения эффективности антибиотиков», — говорит Хугенбум.
«Одной из стратегий может быть сочетание лечения полимиксином — парадоксально — с лечением, которое способствует выработке защиты и/или пробуждению «спящих» бактерий, чтобы можно было уничтожить и эти клетки.
«Наша работа также показывает, что мы должны учитывать состояние бактерий при оценке эффективности антибиотиков».