Антибиотики, вызывающие энергетический кризис, ускоряют развитие устойчивости у бактерий

Новое исследование Rutgers Health показывает, что антибиотик ципрофлоксацин, используемый для лечения инфекций мочевыводящих путей, вызывает у Escherichia coli (E. coli) энергетический кризис. Это не только спасает многие клетки от гибели, но и ускоряет эволюцию полной устойчивости к препарату.

Исследователи сфокусировались на аденозинтрифосфате (ATP) — молекулярном топливе клеток. Падение уровня ATP вызывает «биоэнергетический стресс».

Чтобы смоделировать такой стресс, команда создала штаммы E. coli с генетическими «утечками», постоянно расходующими ATP или его «кузена» — никотинамидадениндинуклеотид (NADH). Затем они подвергли как модифицированные, так и обычные бактерии воздействию ципрофлоксацина.

Результаты удивили:

• Препарат и генетические «утечки» резко снижали уровень ATP.
• В ответ бактерии не замедляли, а ускоряли метаболизм. Дыхание усиливалось, клетки вырабатывали высокореактивные формы кислорода, повреждающие ДНК.

Это привело к двум тревожным последствиям.

1. Повышение выживаемости бактерий

В тестах на время гибели в 10 раз больше клеток, испытывающих стресс, пережили летальную дозу ципрофлоксацина по сравнению с контрольной группой. Эти выносливые клетки-«персистеры» впадают в спячку, а после отмены препарата вызывают рецидив инфекции.

«Мы увидели обратное ожидаемому. Клетки ускоряют метаболизм, чтобы пополнить запасы энергии, и это включает стрессовые ответы, которые замедляют гибель», — сказал Барри Ли, первый автор статьи в Nature Communications.

Последующие эксперименты связали эту защиту со «строгим ответом» — бактериальной системой тревоги, которая перепрограммирует клетку в условиях стресса.

2. Ускоренное развитие устойчивости

Пока персистеры поддерживают тлеющую инфекцию, генетическая устойчивость может сделать препарат бесполезным. При циклировании E. coli через возрастающие дозы ципрофлоксацина стрессированные клетки достигали порога устойчивости на четыре раунда раньше обычных. Секвенирование ДНК и классические тесты указали на окислительное повреждение и подверженную ошибкам репарацию как на причину.

«Изменения в метаболизме заставляют антибиотики работать хуже и помогают бактериям эволюционировать в сторону устойчивости», — сказал старший автор Джейсон Янг.

Предварительные измерения показывают, что гентамицин и ампициллин также истощают ATP, как и ципрофлоксацин. Эффект стресса может распространяться на разных возбудителей, включая Mycobacterium tuberculosis, высокочувствительную к колебаниям ATP.

Последствия и новые стратегии

Открытие проливает новый свет на глобальную угрозу устойчивости к антибиотикам, которая уже является причиной 1.27 миллиона смертей в год.

Предлагаемые изменения в разработке и применении антибиотиков:

1. Скрининг кандидатов на непреднамеренные побочные эффекты, истощающие энергию.
2. Комбинирование существующих препаратов с «антиэволюционными» бустерами, блокирующими пути стресса или нейтрализующими активные формы кислорода.
3. Пересмотр подхода к применению максимально возможных доз. Предыдущие и новые данные указывают, что экстремальные концентрации могут запускать тот самый защитный стресс.

«Бактерии превращают нашу атаку в тренировочный лагерь. Если мы сможем отключить в нём электричество, наши антибиотики проработают дольше», — сказал Янг.

Исследователи планируют тестировать соединения, смягчающие биоэнергетический стресс, чтобы превратить энергетический кризис микробов из щита обратно в ахиллесову пяту.