Время — ключ к выживанию бактерий под действием антибиотиков

Для бактерий, столкнувшихся с дозой антибиотиков, время может быть ключом к избежанию уничтожения. Исследователи из Принстона в серии экспериментов обнаружили, что клетки, которые восстанавливали повреждённую антибиотиками ДНК перед возобновлением роста, имели гораздо больше шансов выжить после лечения.

Когда антибиотики воздействуют на популяцию бактерий, часто небольшая фракция «персистирующих» клеток выживает, создавая угрозу повторной инфекции. В отличие от бактерий с генетической устойчивостью, данные свидетельствуют, что персистеры остаются живы отчасти за счёт остановки клеточных процессов, на которые нацелены препараты.

В новом исследовании учёные изучили класс антибиотиков, нацеленных на бактериальную ДНК. В популяциях некоторые клетки восстанавливают повреждённую ДНК до возобновления роста, а другие сначала возобновляют рост. Исследователи обнаружили, что те, кто сначала ремонтируют ДНК, как правило, и выживают в качестве персистеров. Работа способствует долгосрочной цели повышения эффективности антибиотикотерапии.

В результатах, опубликованных 18 июня в Proceedings of the National Academy of Sciences, постдокторант Венди Мок и доцент Марк Бринилдсен проанализировали реакцию бактерий E. coli на офлоксацин — антибиотик, вызывающий повреждение ДНК, блокируя ферменты, необходимые для её репликации и транскрипции РНК. Их работа опиралась на предыдущие результаты лаборатории Бринилдсена, показавшие, что персистерам к офлоксацину для выживания необходим аппарат репарации ДНК.

«Но это не гарантирует, что они обязательно выживут, — сказала Мок. — Мы предположили, что время репарации ДНК и возобновления связанных с ростом процессов, таких как синтез ДНК, может влиять на выживание персистеров после лечения».

Для проверки гипотезы исследователи использовали штамм E. coli, генетически модифицированный для контроля роста клеток. С его помощью создали однородную популяцию клеток с остановленным ростом, толерантных к офлоксацину.

Эти нерастущие клетки испытывали аналогичное повреждение ДНК, но демонстрировали задержку в возобновлении синтеза и репарации ДНК после лечения.

Контролируя активность ключевого белка репарации RecA, учёные проверили эффект дальнейшей задержки ремонта ДНК до после возобновления её синтеза. Это привело к семикратному снижению выживаемости по сравнению с клетками, непрерывно продуцирующими RecA. Это доказало, что персистенция к офлоксацину зависит от ремонта повреждений ДНК до синтеза новой ДНК, необходимой для роста.

Затем исследователи изучили персистенцию у нормальных клеток, помещённых в низко-питательную среду для остановки роста, имитируя условие, часто встречающееся в инфицированном организме. Действительно, после обработки офлоксацином, если клетки лишали источников углерода минимум на три часа, наблюдалась почти полная толерантность к антибиотику. Эта толерантность зависела от эффективных процессов репарации ДНК. Усиленную персистенцию к офлоксацину при депривации питательных веществ после лечения также наблюдали у клеток, растущих в биоплёнках, которые ответственны за большинство внутрибольничных инфекций.

Профессор Ян Михилс назвал исследование «элегантной моделью» для изучения механизмов персистенции и «знаковым открытием, дающим новое фундаментальное понимание того, как клетки-персистеры избегают гибели».

Офлоксацин и подобные антибиотики входят в Примерный перечень основных лекарственных средств ВОЗ. Подавление бактериальной персистенции может стать перспективным путём повышения эффективности этих препаратов против инфекций мочевыводящих путей, стафилококка и других заболеваний.

«Голодание по питательным веществам — это стресс, с которым бактерии регулярно сталкиваются в очаге инфекции, — сказала Мок. — Наши результаты показывают, что в период после антибиотикотерапии можно рассмотреть возможность воздействия на некоторые из этих процессов репарации ДНК, чтобы улучшить исход лечения». Один из контр-интуитивных подходов может заключаться в ускорении роста бактерий после лечения, обрекая клетки на опережение их репарационных механизмов и гибель. Однако исследователи отметили, что другие подходы, вероятно, будут лучше, чем стимулирование роста патогена в пациенте.

Группа Бринилдсена и другие заинтересованы в поиске потенциальных соединений, которые могут нарушать репарацию ДНК у бактерий, а также в изучении связи между толерантностью к антибиотикам и генетической резистентностью.