Биологи изменили геном бактерии Lactococcus lactis так, что она стала синтезировать β-лактамазу — фермент, расщепляющий β-лактамные антибиотики.
Этот штамм сводит к минимуму возможный дисбактериоз, обычный при приеме антибиотиков. Об этом авторы рассказали в статье, опубликованной в журнале Nature Biomedical Engineering.
Антибиотики применяются при лечении бактериальных инфекций, однако их прием ведет к некоторым побочным эффектам. Один из них — это развитие дисбактериоза, состояния, при котором нарушается баланс кишечной микрофлоры. Это приводит к тому, что патогенные бактерии начинают преобладать над непатогенными из-за чего развиваются другие заболевания. Например, в Европе от диареи и колита, вызванных кишечной бактерией Clostridioides difficile, ежегодно погибают более 13.000 человек.
Другой побочный эффект — возникновение резистентности к антибиотикам. Это состояние может развиваться из-за неправильной дозировки и приема лекарства, а также наличия устойчивых к нему бактерий. В результате этого устойчивые микроорганизмы, которые имели механизмы защиты, после курса антибиотиков выживают. После освобождения среды, они начинают активно делиться, тем самым формируя, резистентное к антибиотикам, бактериальное сообщество.
Чтобы устранить побочные эффекты антибиотиков, врачи могут назначить прием пробиотиков. Это живые бактерии, которые призваны предотвратить потерю видов кишечной микрофлоры или же взять на себя выполнение их функций, тем самым улучшив здоровье человека. Однако на данный момент нет убедительных доказательств того, что пробиотики действительно помогают при дисбактериозе.
Чтобы выживать при действии антибиотиков, бактерии развили различные механизмы устойчивости к ним. Самый распространенный из них — синтез β-лактамазы. Этот фермент спасает бактерию, расщепляя молекулу β-лактамного антибиотика до того, как она связывается с клеточной стенкой бактерии и убивает ее.
Андрес Кубильо-Руиз (Andres Cubillos-Ruiz) из Массачусетского технологического института вместе с коллегами из Института Броуда, применив методы биоинженерии, изучили возможность использования β-лактамазы как средства предотвращения дисбактериоза кишечной микрофлоры, вызванного приемом антибиотиков.
В качестве бактерии-носителя фермента исследователи выбрали Lactococcus lactis из-за нескольких особенностей. Эта бактерия на протяжении тысячелетий используется в производстве кисломолочных продуктов и безопасно употребляется в высоких концентрациях. Также было показано, что Lactococcus lactis не задерживается в толстом кишечнике и не влияет на видовой состав микрофлоры.
Кроме выбора бактерии-носителя, биологи решили другую проблему, связанную с горизонтальным переносом генов. Из-за этого механизма патогенные бактерии в кишечнике могут получить гены β-лактамазы и приобрести резистентность к антибиотикам. Чтобы не допустить этого, исследователи разбили ген фермента на два фрагмента и разместили их в разных участках ДНК, каждый из которых кодирует лишь часть β-лактамазы. В свою очередь для того, чтобы она стала активной, оба ее фрагмента должны соединиться во внешней среде. Благодаря этому ферменты расщепляют антибиотики в просвете кишечника, защищая всю микрофлору, а не отдельных ее представителей. Кроме этого, шанс получить горизонтальным переносом оба гена β-лактамазы у патогенных бактерий снижается, тем самым снижая риск возникновения резистентных патогенных бактерий.
Чтобы проверить метод, исследователи взяли две группы мышей (N=10). Обе группы инъецировали ампициллинном, но первой перорально вводили модифицированные бактерии Lactococcus lactis на каждый прием антибиотика. В процессе изучения концентрации лекарства в крови авторы обнаружили, что она высокая у обеих групп. Исследователи выявили отличия после исследования кишечной микрофлоры: у мышей, которые наряду с антибиотиком получали бактерии Lactoccus lactis, она лучше сохранила свое видовое разнообразие.
Биологи также решили проверить, как повлияет прием антибиотиков на уровень патогенной микрофлоры. Для этого они использовали две другие группы мышей, одной из которых (N=12) вводили модифицированные Lactococcus lactis, а второй группе (N=12) штамм, который не несет какого-либо вектора. Затем исследователи заражали всех мышей спорами Clostridioides difficile каждый раз, как вводили ампициллин.
После изучения состава микрофлоры кишечника мышей из первой группы исследователи пришли к выводу, что устойчивость к колонизации патогенными бактериями сохранилась. Обратная ситуация наблюдалась во второй группе — степень заселения кишечника Clostridioides difficile была высокой, несмотря на присутствие пробиотических бактерий. Основываясь на этих данных, исследователи пришли к выводу, что простого присутствия каких-либо бактерий в кишечнике недостаточно для формирования устойчивости к патогенным бактериям.
Авторы статьи считают, что разработанная ими стратегия может продвинуть использование β-лактамаз для защиты кишечной микробиоты в силу двух причин. Первая — приготовление модифицированной бактерии Lactococcus lactis намного дешевле, чем производство и очистка ферментов для клинического применения, а вторая причина заключается в том, что ферменты более эффективно выделяются на всем просвете кишечника.
Кроме разработки методов защиты кишечной микрофлоры ведется полноценный поиск новых классов антибиотиков из-за постепенного приобретения бактериями резистентности. Подробнее об этом мы писали в материале «Конец прекрасной эпохи».
Автор: Исмаил Юнусов