Нацеливание на ключевую молекулу бактерий может снизить потребность в антибиотиках

Исследователи из Стэнфорда показали, что бактерии, вызывающие инфекции мочевыводящих путей (ИМП), используют новую химическую форму молекулы целлюлозы для прикрепления к клеткам мочевого пузыря.

Это открытие, опубликованное в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, может привести к новым способам лечения ИМП и других инфекций без антибиотиков.

Злоупотребление антибиотиками может привести к резистентности и повлиять на естественные бактерии нашего организма — микробиом, — сказала соавтор исследования Линетт Сегельски, доцент химии. «Существует много способов воздействовать на болезнь, и если вы нацелитесь только на стратегии вирулентности конкретной бактерии, вы все равно сможете предотвратить инфекцию и избежать общего удара по вашему микробиому», — добавила она.

Целлюлоза, производимая растениями, водорослями и некоторыми бактериями, является самым распространенным органическим полимером на Земле. Это также один из наиболее изученных полимеров, поскольку он используется для производства всего — от бумаги до этанолового топлива. Поэтому было удивительно, когда команда Сегельски ранее в этом году объявила об открытии химически уникальной формы целлюлозы, названной pEtN (по химической группе фосфоэтаноламина), у бактерий E. coli.

Тот результат, опубликованный в Science, показал, что pEtN-целлюлоза является ключевым компонентом биопленки бактерий — слизистого секрета, который бактерии используют для обмена питательными веществами и защиты от антибиотиков и атак иммунной системы хозяина.

В новом исследовании группа Сегельски показала, что pEtN также играет важную роль в ИМП. ИМП — одно из самых распространенных инфекционных заболеваний в мире, и E. coli — один из главных виновников.

«Наши эксперименты раскрывают конкретную функцию целлюлозы, в которой она играет роль, подобную раствору, усиливая силу адгезии бактерий к клеткам эпителия мочевого пузыря», — сказал соавтор исследования Джеральд Фуллер.

Помощь из неожиданного источника

Открытие стало результатом случайной встречи на мероприятии в Стэнфорде, где Фуллер узнал, что группа Сегельски ищет способ измерить, насколько прочно слой бактерий E. coli прилипает к слою изолированных клеток мочевого пузыря. «О, я могу вам помочь», — предложил Фуллер.

Несколькими годами ранее Фуллер разработал прибор под названием Live-Cell Monolayer Rheometer (LCMR) для исследования адгезии контактных линз к клеткам роговицы. «Мы хотели узнать, прилипают ли клетки вашего глаза к нижней поверхности контактных линз, когда вы их снимаете, и обнаружили, что да, прилипают», — сказал Фуллер.

LCMR был разработан для того, чтобы приводить стеклянную пластину в контакт с одним тонким слоем живых клеток, а затем поддерживать постоянное давление между ними. Прикрепленный микроскоп позволяет ученым наблюдать за клетками во время экспериментов, а нагреваемая нижняя пластина помогает поддерживать клетки живыми.

Ученые поняли, что с небольшими доработками прибор Фуллера может сделать то, что задумала Сегельски. «Для этих экспериментов мы улучшили микроскопию, чтобы лучше визуализировать контакт между бактериями и слоем клеток мочевого пузыря во время измерений», — сказала первый автор исследования Эмили Холленбек. «Это была важная проверка, чтобы убедиться, что мы всегда измеряем силы адгезии между этими очень тонкими слоями».

Выращивание бактерий в виде одного слоя также оказалось сложной задачей, и Холленбек потребовалось несколько попыток, прежде чем ей это удалось. «Создание однородных слоев бактерий и клеток мочевого пузыря было чрезвычайно важно для получения воспроизводимых измерений на LCMR», — сказала Холленбек. «Особенно сложно было создать эти однородные слои из материалов, которые постоянно растут и адаптируются к своей среде».

Разрыв цикла инфекции

Предыдущие исследования уже отмечали, что pEtN-целлюлоза и поверхностные волокна, называемые curli, сплетаются вместе, образуя биопленки E. coli. А curli были замешаны в инфекциях почек и сепсисе. «Чем тяжелее были инфекции, тем больше вероятность, что эти бактерии продуцировали curli», — сказала Сегельски.

Сегельски хотела понять относительный вклад pEtN и curli в адгезию бактерий к клеткам хозяина и как они работают вместе во время инфекции. Чтобы ответить на эти вопросы, ее группа разработала серию экспериментов для проверки силы адгезии curli и целлюлозы по отдельности, а также вместе.

В одном эксперименте они прикрепили E. coli, чьи биопленки содержали и целлюлозу, и curli, к верхней пластине LCMR, а затем привели ее в контакт с нижней пластиной, содержащей клетки мочевого пузыря. Затем ученые быстро сдвинули верхнюю пластину горизонтально на крошечное расстояние, и результирующий уровень адгезивного напряжения дал им количественную меру «липкости» бактерий.

Они повторили эксперимент с генетически модифицированной E. coli, чьи биопленки содержали только целлюлозу, и снова с верхней пластиной, содержащей только curli и никаких бактерий.

Они обнаружили, что бактерии, продуцирующие и curli, и целлюлозу, демонстрировали наибольшую силу адгезии, за ними следовали только curli, и, наконец, только целлюлоза. «Без целлюлозы клетки очень легко отделяются от бактерий», — сказал Фуллер. «Целлюлоза действует как клей, который действительно помогает удерживать все вместе».

Это открытие предполагает, что возможен подход к лечению ИМП, не связанный с антибиотиками. «Атака на целлюлозу может стать отличной альтернативой традиционным антибиотикам, поскольку предотвращение бактериальной адгезии может помочь разорвать цикл инфекции», — сказала Холленбек. «Такой тип лечения также избегает давления "жизни или смерти" со стороны традиционных антибиотиков, которое приводит к лекарственно-устойчивым мутациям».