Ученые имитировали микросреды человеческого организма, чтобы преодолеть основное препятствие для практического использования фаговой терапии.
Фаговая терапия - это концепция использования вирусов (известных как фаги) для уничтожения бактерий вместо применения антибиотиков. Бактериофаги в отличие от других вирусов не могут причинить вред человеку и представляют собой перспективную альтернативу антибиотикам. Впервые фаговая терапия была применена в 1919 году, когда парижский микробиолог Феликс д'Эрель дал фаговый коктейль 12-летнему мальчику, что, по-видимому, излечило его от тяжелой дизентерии. Однако, несмотря на первые надежды, в 40-х годах прошлого века исследования прекратились, так как мир начал использовать антибиотики. Сейчас исследования фагов возрождаются как часть решения проблемы резистентности к антибиотикам.
Однако, несмотря на некоторые замечательные примеры применения фаговой терапии у людей, исследования наталкиваются на ряд препятствий. Среди них - проблема воссоздания поведения вирусов в организме в лабораторных условиях. В лабораторных условиях бактерии взаимодействуют друг с другом и быстро эволюционируют - их ДНК изменяется и они тоже становятся устойчивыми к фагам. Лабораторные эксперименты не могут воспроизвести работу бактерий в таких органах, как например легкие, где они существуют в "микросредах", таких как капилляры или альвеолы.
Исследователи из Эксетерского университета разработали новый способ имитации этих микросред, в которой одна бактерия колонизирует определенную область. Вместо того чтобы смешиваться с множеством других бактерий, фаг вводился в каждую из этих микросред по очереди. Используя данный метод, специалисты обнаружили, что в этих микросредах Escherichia coli не становится генетически резистентной к фагу, и большинство бактерий погибает от его воздействия. Стефано Пальяра, биофизик возглавлявший это исследование сказал: "Наше исследование помогло преодолеть некоторые препятствия, имитируя поведение бактерий в микросредах нашего тела. Если фаговая терапия сможет однажды стать хотя бы небольшой частью рутинного лечения, она поможет спасти тысячи жизней".
Исследование, опубликованное в журнале PLoS Biology, закладывает основу для понимания того, как среда влияет на взаимодействие между бактериями и фагом, что имеет первостепенное значение для разработки успешной фаговой терапии для преодоления текущего кризиса резистентности к противомикробным препаратам.
Специалисты также обнаружили, что некоторые клетки Escherichia coli в этих микросредах могут выживать при воздействии фага, не приобретая генетической устойчивости, так как на них было меньше фаговых рецепторов и фаг имел меньший доступ к этим клеткам по сравнению с остальной популяцией бактерий.
Соавтор работы профессор Эдзе Вестре из Эксетерского университета отмечает: "Ключевым аспектом того, может ли фаг убить бактерии, является количество фаговых рецепторов у бактерий. Больше рецепторов - больше шансов, что фаг победит бактерию. Наше исследование показывает, что если мы сможем найти новые способы стимулирования производства фаговых рецепторов у бактерий, мы сможем улучшить перспективы фаговой терапии в качестве жизнеспособной альтернативы антибиотикам".
Erin L. Attrill et al. Индивидуальные бактерии в структурированных средах полагаются на фенотипическую резистентность к фагам (аннотация).
Бактериофаги представляют собой один из путей преодоления нынешнего кризиса резистентности к антибиотикам, однако эволюция генетической устойчивости к фагам остается предметом беспокойства. In vitro бактерии развивают генетическую резистентность, предотвращая адсорбцию фага или разрушая фаговую ДНК. В естественных условиях эволюция резистентности ниже, возможно, потому что пространственная неоднородность в биопленках, микроколониях или пристенных популяциях благоприятствует фенотипическому выживанию для литических фагов. Однако также возможно, что сохранение генетически чувствительных бактерий связано с менее эффективной амплификацией фагов в естественной среде, существованием убежищ, где бактерии могут прятаться, и меньшим распространением резистентных генотипов.
В данном исследовании мы проследили за взаимодействием между отдельными планктонными бактериями, изолированными в эфемерных убежищах, и бактериофагами, отслеживая выживание отдельных клеток. Мы обнаружили, что в этих переходных пространственных убежищах фенотипическая устойчивость, обусловленная снижением экспрессии фаговых рецепторов, является ключевым фактором выживания бактерий. Эта стратегия выживания контрастирует с появлением генетической резистентности в отсутствие эфемерных убежищ в условиях хорошо смешивающихся сред. Предсказания, полученные с помощью математического моделирования для отслеживания реакции бактерий на фаги, показывают, что наличие пространственных убежищ приводит к принципиально иной динамике популяции, которую необходимо учитывать для прогнозирования и управления эволюционной и экологической динамикой взаимодействия бактерий и фагов в естественно структурированных средах.
