Как микробиом кишечника реагирует на антибиотики: Исследование выявило эволюционные механизмы

Антибиотики влияют на состав и динамику микробиома кишечника. Лечение антибиотиками не только приводит к потере биоразнообразия микроорганизмов, но и часто способствует отбору устойчивых штаммов бактерий. Было неясно, как микробиом реагирует на повторную антибактериальную терапию.

В доклиническом исследовании международная команда учёных под руководством двух исследователей из DZIF с помощью метагеномного и культурального анализа выявила эволюционные механизмы, способствующие устойчивости микробного сообщества после повторного введения антибиотиков. Исследование опубликовано в журнале Cell Host & Microbe.

Микробиом кишечника каждого человека содержит специфическое сообщество микроорганизмов, которое обычно остаётся стабильным в течение многих лет. Однако его баланс могут нарушить такие факторы, как изменения в питании, инфекции или лекарства. Особенно сильное влияние оказывают антибиотики. В ответ микроорганизмы используют различные механизмы устойчивости, а отдельные популяции бактерий эволюционируют за счёт отбора устойчивых вариантов. Однако масштабы и механизмы этих процессов, а также их влияние на экологию микробного сообщества изучены плохо.

В комплексном метагеномном исследовании учёные DZIF проф. Бэрбел Штехер и проф. Алис Макхарди вместе с международной командой изучили эволюцию кишечных бактерий, подвергавшихся повторным нарушениям из-за антибиотиков. Для этого они использовали гнотобиотическую модель мышей — животных, содержавшихся в стерильных условиях и стабильно колонизированных известным консорциумом бактерий. Эта модель позволяет изучать эволюцию отдельных членов сообщества в естественном хозяине в определённых и контролируемых условиях.

Исследователи проанализировали влияние различных классов антибиотиков на микробиом в течение 80 дней. С помощью метагеномного анализа они отслеживали отбор предполагаемых мутаций, способствующих устойчивости к антибиотикам в бактериальных популяциях, а затем анализировали характеристики эволюционировавших бактериальных клонов, выделенных из сообществ.

«Мы смогли проследить, как повторная антибактериальная терапия приводит к отбору устойчивых к антибиотикам комменсальных бактерий, что со временем повышает устойчивость микробного сообщества к определённым антибиотикам, таким как тетрациклины. Помимо адаптации микробиома за счёт эволюции отдельных микроорганизмов, мы также обнаружили свидетельства развития устойчивости отдельных бактерий за счёт замедления роста клеток. Микробиом адаптируется к лечению, так сказать, и становится способен лучше ему противостоять», — говорит Штехер, координатор направления исследований желудочно-кишечных инфекций в Немецком центре исследований инфекций (DZIF).

Кроме того, исследовательская группа наблюдала индукцию профагов, вызванную лечением определёнными антибиотиками. В этом процессе активируются лизогенные бактериофаги — чьи геномы интегрированы в геномы бактерий, — после чего они размножаются и лизируют клетки-хозяева при высвобождении новых вирусных частиц. «Это пример того, как антибиотики могут также косвенно влиять на выживаемость бактерий», — говорит первый автор исследования д-р Филипп Мюнх.

В целом исследование демонстрирует огромное разнообразие реакций микробиома на лечение антибиотиками. Это включает, например, экологические эффекты, такие как ингибирование микроорганизма из-за устранения важной бактерии-«партнёра» в метаболической сети кишечной экосистемы.

«Из-за такой высокой сложности прямых и косвенных ответов трудно предсказать, какие виды будут затронуты лечением антибиотиком, даже в гнотобиотических моделях животных с определённым сообществом микроорганизмов», — говорит проф. Алис Макхарди.