Открытие антибиотиков произвело революцию в медицине XX века, спасая бесчисленное количество жизней. Однако появление устойчивых бактерий быстро стало новой проблемой. Одним из ключевых факторов в решении этой проблемы является возможность точно определить бактерии, вызывающие инфекцию. Это позволило бы медицинским работникам использовать целенаправленные и эффективные антибиотики и снизить риск развития новых форм устойчивости.
Учёные из Цюрихского университета разработали молекулы для более быстрого обнаружения определённых бактерий. Эти молекулы открывают путь для ускоренных методов медицинской диагностики, особенно — но не только — в случаях инфекций кровотока.
Марк Сегер, биохимик, возглавлявший исследование в Институте медицинской микробиологии Цюрихского университета, сообщил, что разработанные молекулы уже используются в партнёрстве со стартапом Rqmicro из Цюриха, который предоставляет инструменты для мониторинга качества воды. Их исследование недавно было опубликовано в журнале Communications Biology.
«В гонке между эволюцией устойчивых бактерий и разработкой новых антибиотиков у нас нет шансов. Бактерии ведут войну с вирусами миллионы лет и привыкли эволюционировать, чтобы избежать новых опасностей», — говорит исследователь. Единственным решением, которое у нас есть на данный момент, является эффективное и экономное использование антибиотиков. Это предотвращает постоянное воздействие бактерий на остатки или следы антибиотиков в окружающей среде, чтобы при лечении антибиотики по-прежнему эффективно уничтожали бактерии.
Традиционные методы идентификации занимают время
Традиционные методы идентификации включают сбор бактерий у пациента и их выращивание до тех пор, пока их количество не станет достаточным для проведения детального анализа. Фаза роста может занимать до 12 часов для некоторых видов, иногда и больше. Затем анализы занимают ещё два часа.
Сегер и его команда стремятся ускорить этот процесс: «Наша идея — более быстро обнаруживать определённые бактерии, даже в небольших количествах, придавая им определённые цвета. Мы стремимся захватывать их непосредственно в крови, чтобы увеличить их плотность и ускорить анализ».
Этот подход не даёт окончательного диагноза, но позволяет учёным быстрее, чем при использовании традиционных методов, подтвердить наличие определённых бактерий. Это экономит драгоценное время, особенно в случаях инфекций кровотока, когда ожидание детального анализа в течение одного или двух дней может быть неприемлемым.
Обнаружение Escherichia coli (E. coli)
Команда Сегера сосредоточилась на обнаружении бактерий Escherichia coli (E. coli), обычно связанных с инфекциями мочевыводящих путей и инфекциями кровотока. Кроме того, уровень устойчивости этого вида бактерий в Швейцарии увеличился между 2004 и 2024 годами, четырёхкратно возрос для определённых классов антибиотиков.
«Знание того, связана ли инфекция с Escherichia coli или с чем-то другим, уже является хорошей основой для принятия первоначального решения о том, какое лечение применять», — говорит биохимик. Инструменты, разработанные его командой, позволили бы сэкономить около шести часов из 12, необходимых для традиционной диагностики.
Сегер и его команда должны были решить две задачи: с одной стороны, им нужно было найти правильную приманку, то есть специфический элемент, общий для всех бактерий Escherichia coli. С другой стороны, исследователь признаёт, что он «недооценил сложность „джунглей“ сахаров, действующих как барьер вокруг бактерий».
В качестве приманки учёные выбрали миниатюрные антитела, известные как нанотела. Их небольшой размер позволяет им легко проходить между сахарными ветвями. Они также более стабильны, чем обычные антитела, что означает, что они остаются функциональными в течение более длительных периодов при комнатной температуре. Это ключевой элемент для получения инструментов обнаружения, которые можно транспортировать и хранить, не беспокоясь о холодовой цепи.
Команда провела поиск в международной базе данных и реестре бактерий, обнаруженных в швейцарских больницах. Анализируя геном зарегистрированных бактерий типа Escherichia coli, был идентифицирован белок — OmpA, специфическая форма которого встречается только у Escherichia coli. Впоследствии группа разработала нанотела, способные обнаруживать эту версию OmpA более чем у 90% представителей вида.
Это решение означает, что бактерии можно окрасить, но не захватить. Как объясняет Сегер: «Для обнаружения Escherichia coli это работает хорошо. Мы можем прикрепить крошечные молекулы красителя к нанотелам без значительного увеличения их размера. Однако для захвата бактерий мы используем более крупные магнитные шарики, и они не могут проникнуть через „джунгли“ сахаров, которые окружают бактерии».
Учёные создали своего рода удочку для своего набора для обнаружения — молекулярную нить, разработанную для соединения нанотел (крючка) с магнитными шариками, заблокированными сахарами (ручкой).
«Теперь у нас есть инструмент для обнаружения и захвата Escherichia coli. Я надеюсь, что мы сможем успешно внедрить его в клиническую диагностику. Мы уже используем его для экологического анализа», — говорит Сегер.
Предоставлено Швейцарским национальным научным фондом.