Генетическая разница в стафилококке объясняет, почему у некоторых пациентов возникают инфекции от кардиоимплантов
Новое исследование предполагает, что у некоторых пациентов развивается потенциально смертельная инфекция крови от имплантированных кардиоустройств из-за мутаций в генах бактериальных клеток, которые позволяют им прикрепляться к устройствам.
Пациенты с имплантами могут получить инфекцию из-за биоплёнки из стойких бактерий на поверхности устройств. Исследователи обнаружили, что некоторые штаммы бактерии Staphylococcus aureus имеют всего несколько генетических вариантов в поверхностных белках, которые делают их более склонными к образованию таких биоплёнок.
Исследование пытается разгадать медицинский парадокс: устройства, такие как кардиостимуляторы, дефибрилляторы и протезы сердечных клапанов, спасают жизни, но вызывают инфекции примерно у 4% из примерно 1 миллиона пациентов, ежегодно получающих импланты в США. Поскольку биоплёнки устойчивы к антибиотикам, единственное лечение — хирургическое удаление заражённого устройства и установка нового. Это приводит к тысячам операций и более чем $1 миллиарду расходов на здравоохранение ежегодно.
Команда учёных из Университета штата Огайо и Медицинского центра Университета Дьюка использовала атомно-силовую микроскопию и мощные компьютерные симуляции, чтобы определить, как бактерии стафилококка связываются с устройствами в процессе образования биоплёнок. Результаты дают подсказки о потенциальных методах предотвращения инфекций у пациентов, которым эти устройства необходимы для жизни.
Исследование опубликовано в онлайн-версии журнала Proceedings of the National Academy of Sciences.
Используя клетки стафилококка, собранные у пациентов (включая тех, у кого были инфекции, связанные с кардиоустройствами), учёные изучили, как эти бактерии прикрепляются к имплантам. Связь образуется, когда белок на поверхности бактериальной клетки соединяется с обычным человеческим белком крови, покрывающим имплантированное устройство.
Примерно у половины американцев стафилококк живёт в носу, но не у каждого пациента с имплантом развивается инфекция. Почему?
Исследователи обнаружили, что поверхностные белки стафилококка, содержащие три генетических варианта (однонуклеотидных полиморфизма, или SNP), образовывали более прочные связи с человеческими белками, чем белки без этих вариантов. Наличие этих генетических вариантов было связано со штаммами бактерий, вызвавших инфекции кардиоимплантов.
Это первый шаг к предотвращению прикрепления бактерий к устройствам.
Для исследования использовали 80 изолятов стафилококка из трёх групп:
- пациенты с инфекцией крови и подтверждённой инфекцией кардиоустройства,
- пациенты с инфекцией крови, но без инфицированного устройства,
- стафилококк из носа здоровых людей.
С помощью атомно-силового микроскопа исследователи (во главе с постдоком Надей Касильяс-Итуарте) измерили силу связи между отдельными бактериями и белком-зондом, имитируя сердцебиение. Было выполнено более четверти миллиона измерений.
Зонд покрывали фибронектином — обычным белком крови человека, который находится на поверхности имплантов. Бактерии стафилококка могут образовывать биоплёнку, связываясь с этим белком через свой поверхностный белок — фибронектин-связывающий белок А (FnBP-A).
Учёные секвенировали аминокислоты, составляющие FnBP-A в каждом изоляте. Именно здесь они обнаружили SNP, которые чаще встречались в изолятах от пациентов с инфекциями сердечных имплантов.
Для дальнейшей проверки эффекта этих SNP команда использовала суперкомпьютер для симуляции образования связи между бактериальным и человеческим белками. Когда в симуляцию вводили стандартные аминокислотные последовательности, молекулы оставались на расстоянии. Когда последовательность трёх аминокислот в бактериальном белке изменяли, чтобы она соответствовала SNP от пациентов с инфекциями, между белками образовывались водородные связи.
FnBP-A — лишь один из примерно 10 подобных молекул на поверхности стафилококка, которые могут связываться с белками клеток хозяина. Также возможно, что генетические варианты в человеческом белке фибронектине тоже могут способствовать проблеме.
Учёные надеются, что понимание фундаментальных физических законов, управляющих этим прикреплением, может привести к методам профилактики, которые бактерии не смогут обойти эволюционным путём, как они это делают с антибиотиками.