Исследование проливает свет на создание лучших бактериофаговых терапий

Исследователи обнаружили, что подмножество бактериофагов, названных "суперраспространителями", потенциально играет важную роль в передаче антимикробной резистентности. Исследование, опубликованное на этой неделе в журнале mBio, даёт ответ на давний биологический вопрос и может помочь учёным лучше подбирать конкретные бактериофаги для терапевтического использования.

"Наша работа предполагает, что фаги-суперраспространители могут способствовать эволюции бактерий в естественных средах, но не подходят для использования в медицине", — сказал ведущий автор исследования Эрик Кин. "Мы думаем, что наши выводы — это то, о чём должны знать клиницисты и исследователи, потому что разные фаги, по-видимому, распространяют гены устойчивости к антибиотикам с разной скоростью. Очевидно, мы не хотим разрабатывать терапии с использованием фагов, которые эффективно распространяют гены устойчивости к антибиотикам по бактериальному сообществу".

Бактериофаги, вирусы, поражающие бактерии, являются самыми многочисленными микроорганизмами на планете. Они убивают огромное количество бактерий в естественных средах, а в нескольких странах, таких как Грузия и Польша, бактериофаги используются для лечения бактериальных инфекций. С ростом антимикробной резистентности возобновился интерес к использованию бактериофаговой терапии в США и Европе.

Хотя учёным известно, что многие бактерии несут плазмиды — внехромосомные элементы ДНК, часто кодирующие устойчивость к антибиотикам, — ранее никто не изучал, что происходит с этими плазмидами, когда вторгающийся бактериофаг разрушает бактериальную клетку. "Не было известно, разрушаются ли плазмиды во время фаговой инфекции или высвобождаются в интактном состоянии при фаговом лизе, после чего их закодированная резистентность может быть приобретена другими бактериями", — сказал г-н Кин.

Чтобы восполнить этот пробел в знаниях, исследователи из Университета Майами и NCI собрали библиотеку изолятов фагов из окружающей среды, включая образцы почвы из Мэриленда и воды каналов во Флориде. Они заразили штаммы Escherichia coli, устойчивые к антибиотику ампициллину, 20 различными изолятами фагов, а затем измерили количество интактной плазмидной ДНК, высвобождаемой при фаговом лизе.

Исследователи обнаружили, что два из 20 бактериофагов способствовали переносу плазмид в 50 раз больше, чем остальные 18 фагов, и что эти два фага могли эффективно высвобождать несколько различных плазмид, каждая из которых несла свой ген устойчивости к антибиотикам. Исследователи назвали эти два бактериофага SUSP1 и SUSP2, сокращённо от superspreader. "Мы придумали это название, потому что думали, что то, что мы наблюдаем, напоминает явление в эпидемиологии, при котором происходит непропорционально большое распространение относительно небольшим процентом общей популяции", — сказал г-н Кин.

Дополнительные эксперименты показали, что SUSP2 способствует передаче устойчивости к антибиотикам сообществам почвенных бактерий из Мэриленда и Вайоминга. Добавление SUSP2 в совместные культуры устойчивых к канамицину E. coli и чувствительных к канамицину бактерий Bacillus привело к появлению примерно в 1000 раз больше устойчивых к канамицину бактерий Bacillus, чем в контроле без фага. Это говорит о том, что этот фаг может передавать гены устойчивости к антибиотикам бактериям, отличным от E. coli, и в более естественных условиях.

Исследователи охарактеризовали биологию двух фагов с помощью электронной микроскопии и секвенирования генома. "Основываясь на нашей работе с рядом различных мутантов хорошо охарактеризованных фагов, мы предполагаем, что причина, по которой эти два фага особенные, заключается в том, что им не хватает гидролитических эндонуклеаз, которые другие фаги используют для очень эффективного расщепления ДНК во время инфекции", — сказал г-н Кин. "Мы думаем, что у суперраспространителей отсутствуют эти ферменты, и в результате ДНК переживает их инфекцию практически неповреждённой".

Он сказал, что исследователям следует избегать "суперраспространителей" при разработке бактериофаговых терапий, отметив, что большинство протестированных фагов были гораздо менее эффективны в стимулировании передачи устойчивости к антибиотикам. Будущие направления исследований включают более всестороннюю оценку конкретных основных механизмов суперраспространителей и оценку распространённости этого явления в естественных средах, включая организм человека.