Резистентность к антибиотикам становится особенно проблематичной, когда патогенные клетки растут в виде биопленок. Приблизительно 80% резистентных бактериальных инфекций в организме человека вызваны биопленками, а бактерии в этих биопленках могут повышать свою резистентность к антибиотикам до 1000 раз.
Развитие биопленки включает в себя несколько стадий, в том числе прикрепление, адаптацию с последующим экспоненциальным ростом, созревание, стационарный рост и рассеивание, приводящее к образованию новой биопленки. На эти этапы может влиять культуральная среда: некоторые стрессы или неблагоприятные условия культивирования заставляют бактериальную биопленку переходить в фазу клеточной смерти/выживания, в которой бактериальные популяции могут постоянно переключаться между ростом, выживанием и гибелью. Каждая из этих стадий развития жестко регулируется активной коммуникацией между клетками посредством различных сигнальных медиаторов, включая внеклеточные везикулы (EVs) для координации клеточных процессов.
Внеклеточные везикулы - это мембраносвязанные наночастицы диаметром 30-400 нм, которые могут секретироваться всеми типами клеток. Они переносят липиды, белки, мРНК и микроРНК из родительских клеток в другие клетки, тем самым изменяя поведение клеток-мишеней, что делает внеклеточные везикулы важными посредниками межклеточной коммуникации. Межклеточная коммуникация на основе внеклеточных везикул была широко изучена во многих биологических и патологических процессах, особенно в контексте рака, и в настоящее время она признана неотъемлемой чертой всех живых клеток.
В последние годы было признано, что секреция внеклеточных везикул является консервативным процессом как у грамотрицательных, так и у грамположительных бактерий. Например, человеческий патоген Pseudomonas aeruginosa, важная грамотрицательная бактерия и основная причина инфекционного кератита, использует EVs как часть своей системы транспортировки сигналов, чтобы опосредовать клеточно-клеточные коммуникации внутри бактериального сообщества и координировать групповое поведение бактериальной популяции. Другие исследования показывают, что бактериальные EV также участвуют в регулировании основных клеточных процессов жизненного цикла бактерий, включая деление клеток, формирование и поддержание биопленок и передачу ДНК другим бактериям, имеющим гены, связанные с резистентностью к антибиотикам. Мы предположили, что роль бактериальных EVs в развитии биопленок зависит от состояния культуры, т.е. что EVs, секретируемые биопленками в фазе экспоненциального роста и в фазе выживания/гибели, будут способствовать росту биопленок и подавлять их рост/формирование, соответственно.
Чтобы проверить нашу гипотезу, мы исследовали, можно ли использовать EVs, полученные из грамотрицательных биопленок P. aeruginosa (PAO1) на разных стадиях развития, для контроля формирования и развития биопленки. Эти EV, зависящие от стадии развития, называются условными бактериальными внеклеточными везикулами. Кратко говоря, мы выделили EV, выделяемые биопленками PAO1 на стадии экспоненциального роста (G-EVs) и на стадии выживания/смерти (D-EVs), соответственно. Затем мы изучили, как эти условные EV контролируют рост биопленки PAO1 в различных условиях.
В целом, наше исследование убедительно доказало важность бактериальных внеклеточных везикул в регуляции роста биопленки. Регуляторная роль бактериальных внеклеточных везикул зависит от стадии роста биопленки, на которой происходит секреция внеклеточных везикул. Кроме того, мы обнаружили двойную роль D-EV в контроле роста биопленок: 1) способствовать выживанию бактерий в условиях недостатка питания и 2) восстанавливать биопленки P. aeruginosa PAO1 в присутствии ионов Fe3+. Выявление факта гибели бактерий в результате ферроптоза, активируемого D-EV, может иметь важное значение для предотвращения резистентности к антибиотикам в биопленках.
Наше открытие одновременно радует и заставляет задуматься. Вызывает интерес то, что наши находки, особенно Fe3+-усиленная ингибирующая способность D-EVs, представляют собой альтернативу для разработки новых методов лечения лекарственно-устойчивых бактериальных инфекций. Сложность заключается в том, что наши результаты поднимают множество фундаментальных вопросов.
Например, как экологические сигналы/условия на каждом этапе развития бактериальной биопленки влияют на биогенез EV? Обладают ли внеклеточные везикулы, выделяемые другими видами бактерий, такими же свойствами и используют ли они аналогичный механизм для ингибирования роста биопленки? Существуют ли другие механизмы? Какова роль компонентов ДНК/РНК внеклеточных везикул в этих механизмах, и как они различаются, когда внеклеточные везикулы секретируются бактериями на разных стадиях развития?
Ответы на эти вопросы прольют свет на регуляторные роли и детальные механизмы бактериальных внеклеточных везикул в росте биопленки, а также на то, как эти роли меняются от одной стадии к другой. Кроме того, наши данные позволяют предположить, что ингибирование роста биопленки D-EVs связано с производством реактивных форм кислорода. Однако природа видов реактивных форм кислорода, участвующих в ингибировании, неизвестна. Ответ на этот вопрос поможет нам определить внутриклеточный механизм клеточной гибели, вызванной D-EV. Кроме того, возможно ли, что наблюдаемая зависимая от условий регуляторная роль бактериальных внеклеточных везикул может быть применена к другим клеточным системам? Ответ на этот вопрос может помочь решить проблемы, возникающие при клиническом применении терапии на основе внеклеточных везикул.
