Ученые используют фермент из коровьего кишечника для разрушения бактериальных биопленок
Болезнетворные бактерии часто выделяют вокруг себя матриксоподобные слои — биопленки. Они служат толстым барьером, ограничивающим проникновение лекарств и способствующим развитию устойчивости к антибиотикам.
Ученые из Индийского института науки (IISc) нашли способ разрушить этот барьер с помощью фермента из пищеварительного тракта коровы. Результаты опубликованы в npj Biofilms and Microbes.
Проблема: Klebsiella pneumoniae
Klebsiella pneumoniae — оппортунистическая бактерия, вызывающая внутрибольничные инфекции: пневмонию, инфекции мочевыводящих путей, менингит. У пациентов с диабетом она инфицирует раны, замедляя их заживление, что иногда приводит к ампутации конечности.
Бактерия выделяет прочную биопленку, состоящую в основном из сахаров, жиров, белков и ДНК. Цепочки молекул сахара образуют полисахариды, которые играют ключевую роль в укреплении биопленки.
Решение: фермент из коровьего желудка
Команда решила разработать биосовместимую стратегию для разрушения этих полисахаридов. Поскольку полисахариды в биопленках очень похожи на целлюлозные, ученые обратились к пищеварительной системе коровы, где микробные ферменты расщепляют сложные полисахариды (целлюлозу, гемицеллюлозу) из растительной пищи.
Исследователи сосредоточились на ферментах класса гликозидгидролаз (GH). Проанализировав их белковые структуры, они выбрали один фермент — GH-B2, обнаруженный в рубце (самом большом отделе желудка), и искусственно синтезировали его в лаборатории.
Результаты испытаний
- Фермент успешно разрушил биопленки у четырех различных штаммов K. pneumoniae, выделенных у пациентов больниц. "Такая широкая активность фермента удивительна, поскольку штаммы имели разные серотипы", — отмечает Дебасис Дас, доцент кафедры неорганической и физической химии (IPC).
- Обработка зрелой биопленки ферментом сделала бактерии в 15 раз более восприимчивыми к антибиотику меропенему широкого спектра действия.
- Добавление фермента в начале формирования биопленки предотвратило ее развитие и повысило восприимчивость бактерий к антибиотику в 250 раз.
- Разрушение биопленки также сделало K. pneumoniae более уязвимой для атаки иммунных клеток мышей и человека.
- В экспериментах на мышах с инфицированными ранами комбинированное лечение ферментом и меропенемом полностью очистило раны от биопленок.
Преимущества и перспективы
"Шансы развития [у бактерий] устойчивости гораздо ниже, потому что наш фермент не вредит бактериям напрямую; он лишь разрушает матрикс", — объясняет Решма Рамакришнан, аспирант лаборатории Даса. "Это будет комбинированная терапия — мы можем использовать фермент плюс антибиотик для лечения инфекций, связанных с биопленками K. pneumoniae".
Планы на будущее:
- Интеграция в перевязочные материалы: "Для местных инфекций, особенно кожных инфекций у людей с диабетом, это может быть очень перспективно", — говорит Дипшикха Чакраварти, профессор кафедры микробиологии и клеточной биологии (MCB).
- Покрытие для медицинских устройств: Фермент можно использовать в качестве покрытия для предотвращения образования биопленок.
"Нам нужны новые стратегии, чтобы нарушить образ жизни бактерий. Нам важно постоянно искать такие мощные ферменты для борьбы с инфекционными заболеваниями, которые в настоящее время представляют угрозу", — заключает Чакраварти.