В своей Нобелевской лекции, прочитанной после получения Нобелевской премии по физиологии и медицине в 1945 г., сэр Александр Флеминг сделал удивительно прозорливое предсказание относительно возможных последствий неправильного использования пенициллина.
Он предупредил, что такое неправильное использование неизбежно приведет к возникновению резистентности к антибиотикам и неудачам в лечении. Сегодня, по прошествии нескольких десятилетий, мы сталкиваемся с проблемой нехватки эффективных средств в арсенале антибиотиков при борьбе с многочисленными опасными патогенами. Согласно прогнозам, при сохранении текущей тенденции роста антибиотикорезистентности и отсутствии новых эффективных методов лечения к 2050 г. от инфекций, вызванных супербактериями, может умереть около 10 млн. человек во всем мире.
Эффективное решение этой проблемы требует всестороннего понимания механизмов, лежащих в основе резистентности, а также разработки инновационных стратегий борьбы с устойчивостью к противомикробным препаратам (AMR). Недавние достижения в области методов исследования отдельных клеток позволили получить ценные сведения о гетерогенности микробных популяций и значительно сократить время получения результата (TAT) в современных протоколах клинической диагностики. Это достигается за счет отказа от длительных процессов культивирования, которые могут занимать несколько дней или даже недель для получения окончательных результатов. Методики, основанные на изучении отдельных клеток, значительно ускоряют диагностический процесс, позволяя оперативно проводить вмешательство и целенаправленное лечение.
Среди этих методик особое внимание в рамках данного обзора уделяется спектроскопическим методам для единичных клеток, в частности спектроскопии комбинационного рассеяния и оптической фототермической инфракрасной спектроскопии (O-PTIR). Рамановские и ИК-спектроскопические методы позволяют получать высокоспецифичные "отпечатки пальцев" биомолекул, что дает возможность определить наличие и фенотипическую принадлежность патогенов. Соединив методы спектроскопии с передовыми вычислительными методами, исследователи смогут разгадать сложную взаимосвязь между молекулярными сигнатурами, создав тем самым основу для быстрой идентификации патогенов на уровне одной клетки.
Xu et al. продемонстрировали быструю (пять клеток на образец; время регистрации 2 сек. на клетку) и точную (100%) классификацию 94 клинических изолятов, вызванных грибковыми инфекциями, при этом время анализа образца до получения результата составило 1 час. Lu et al. сообщили об изменении сигнатур в рамановских спектрах 12 видов патогенных бактерий, а также чувствительных и резистентных к антибиотикам штаммов Acinetobacter baumannii, причем у чувствительных штаммов наблюдалось более высокое соотношение нуклеиновой кислоты и белка.
Помимо идентификации патогенов, элегантный подход к измерению метаболизма микроорганизмов под действием антибиотиков с помощью рамановской спектроскопии предполагает культивирование клеток в частично дейтерированной воде. По мере того как метаболически активные клетки включают молекулы дейтерированной воды в новые продукты биосинтеза, в них образуются новые углеродно-дейтериевые (C-D) связи. Этот метод, известный как раман-дейтериевое изотопное профилирование (Raman-DIP), оказался удивительно быстрым: быстрорастущим клеткам требуется менее 20 мин в дейтерированной воде, чтобы проявить активный метаболизм.
В своем исследовании Wang et al. усовершенствовали существующий метод Raman-DIP, включив в него высокую концентрацию ацетата натрия в качестве ингибитора репликации патогенов, сохранив при этом их метаболическую активность. Это позволило провести быстрое количественное определение жизнеспособных бактерий при инфекциях мочевыводящих путей в течение <3 часов.
В отличие от рамановских методов исследования отдельных клеток, исследования с использованием ИК-спектроскопии проводились преимущественно на уровне популяций, в основном из-за ограничений, накладываемых дифракционным пределом при использовании больших длин волн. Недавние достижения в области O-PTIR спектроскопии позволили обойти это ограничение путем исследования фототермических эффектов ИК-излучения. Shams et al. первыми включили DIP в O-PTIR-спектроскопию, продемонстрировав таким образом характерное C-D растяжение при 2 159 см-1 и обнаружив AMR на уровне одной клетки.
Помимо спектроскопических методов, статьи, представленная в данном обзоре, способствует более глубокому пониманию механизмов AMR на одноклеточном уровне. Nordholt et al. синтезировали флуоресцентные аналоги дезинфицирующего активного агента - четвертичных аммониевых соединений и выяснили принцип их действия с помощью проточной цитометрии и флуоресцентной микроскопии.
Статьи, представленные в данном обзоре, подчеркивают мощь и потенциал инструментов для работы с одиночными клетками в борьбе с AMR. Многие из них демонстрируют способность методов, основанных на использовании единичных клеток, революционизировать клиническую микробиологию путем быстрого и точного определения типа и количества патогенов, а также получения профиля чувствительности к антимикробным препаратам, что в конечном итоге приводит к снижению TAT и улучшению исходов лечения пациентов. Представленные достижения в области спектроскопических технологий, машинного обучения и микроскопии дают исследователям и клиницистам мощные инструменты для изучения и борьбы с AMR на уровне отдельных клеток. Мы надеемся, что эти материалы вдохновят на дальнейшие исследования и инновации в этой области, что в конечном итоге приведет к разработке новых мер по борьбе с растущей угрозой AMR.
