Поведение бактерий в организме человека отличается от лабораторных условий

Большая часть современных знаний о смертельно опасных бактериях, таких как Pseudomonas aeruginosa, получена в лабораторных исследованиях. Работа, опубликованная 14 мая в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, показывает, что эти лабораторные данные могут иметь серьёзные ограничения для прогнозирования поведения бактерий после вторжения в организм человека.

Среди различий — повышенная экспрессия генов, ответственных за устойчивость к антибиотикам, что является основной проблемой для препаратов, используемых для лечения широкого спектра инфекций. Новое исследование может помочь учёным понять, как делать более точные выводы из лабораторных работ, и предоставить врачам лучшую информацию для лечения бактериальных инфекций.

"Бактерии в человеческих инфекциях часто толерантны к антибиотикам, но когда мы культивируем их вне организма человека, они становятся высокочувствительными", — сказал Марвин Уайтли, профессор Школы биологических наук Технологического института Джорджии. — "В этой статье мы показываем, что несколько генов, важных для антибиотикоустойчивости, значительно активнее экспрессируются у людей по сравнению с нашими лабораторными системами и моделями на мышах. Похоже, в организме человека есть что-то уникальное, что способствует резистентности".

Причина этих различий остаётся загадкой, хотя известно, что на бактерии влияет окружающая среда. Понимание того, как гены бактерий и уровни их экспрессии отличаются у людей, может позволить исследователям искать лабораторные условия, которые лучше имитируют человеческие, и давать более точные рекомендации по применению антибиотиков.

"Понимание того, какие гены устойчивости к антибиотикам активно экспрессируются у людей, может повлиять на наши терапевтические решения по использованию антибиотиков", — отметил Уайтли.

Исследование поддержали Национальные институты здравоохранения (NIH), Фонд муковисцидоза и Фонд Лундбека. В команду вошли учёные из нескольких университетов и клинических организаций в США и Дании.

Pseudomonas aeruginosa — важный патоген, угрожающий людям с ослабленным иммунитетом, включая пациентов с муковисцидозом, диабетом и ожирением. Это одна из основных внутрибольничных инфекций, а CDC характеризует её мультирезистентные штаммы как серьёзную угрозу.

В исследовании учёные проанализировали данные РНК-секвенирования как из клинических инфекций человека, так и из лабораторных экспериментов. Образцы от пациентов сразу помещались в химический стабилизатор для сохранения РНК. Лабораторные эксперименты изучали разные штаммы бактерии в различных условиях роста — от обработки антибиотиками до конкуренции с другими бактериями.

Исследователи также включили ранее опубликованные данные экспериментов in vitro и на мышах. Для анализа данных использовался машинный подход Support Vector Machines, чтобы различать профили экспрессии генов в образцах из человеческих и лабораторных источников.

"Мы наблюдали высокую экспрессию нескольких генов, печально известных своей ролью в устойчивости к антибиотикам, включая гены, кодирующие эффлюксные насосы, которые выводят антибиотики из клетки, а также фермент, расщепляющий определённые антибиотики, такие как ампициллин", — сказал Дэниел Корнфорт, первый автор статьи. — "Были и менее изученные гены устойчивости, включая три, связанных с транспортом цинка, которые наша предыдущая работа определила как критические детерминанты резистентности, и они также активно экспрессировались у пациентов".

Хотя исследование было сосредоточено только на одном проблемном патогене, Уайтли считает, что результаты могут иметь более широкое значение. "Мы на самом деле очень мало знаем о поведении бактерий во время инфекции у человека, и большинство модельных систем не могут воспроизвести большинство аспектов человеческой инфекции. Я ожидаю, что эта работа будет обобщаемой для других бактерий".

Определив, как бактерии ведут себя по-разному в организме человека по сравнению со стандартными лабораторными условиями, эта работа может стать основой для дополнительных исследований с большим количеством образцов и разными типами инфекций.

"Ключевой вывод этой работы в том, что теперь микробиологи могут проводить транскриптомный анализ бактериальных популяций в различных человеческих инфекциях, чтобы лучше понять, что бактерии на самом деле делают в этих клинических условиях", — сказал Корнфорт. — "Мы также можем определить, где наши лабораторные модели успешны, а где терпят неудачу в имитации этих сред инфекции".