Антибиотики стали жертвой собственного успеха, поскольку появление бактерий, резистентных к антибиотикам, угрожает здоровью населения во всем мире.
Это привело не только к увеличению смертности, но и к росту расходов на здравоохранение. Еще больше осложняет проблему медленный темп разработки ранее не известных антибиотических и неантибиотических подходов к лечению инфекций. Соответственно, необходимо понять механизмы, с помощью которых бактерии противостоят существующим антибиотикам, чтобы продлить срок их использования.
Большинство исследований, направленных на понимание резистентности к антибиотикам, было сосредоточено на поведении отдельных бактерий. Однако растет понимание того, что динамика бактериальной популяции также может обуславливать резистентность. К ним относятся, например, распространение конъюгативных плазмид, придающих резистентность к антибиотикам и инактивация антибиотиков посредством коллективной деградации. Общее понимание того, как бактериальные популяции сопротивляются антибиотикам, имеет отношение к эволюции самой резистентности, к тому, как механизмы резистентности формируют микробную экологию в неклинических условиях и к лечению инфекционных заболеваний.
Одним из широко наблюдаемых механизмов, который популяция бактерий может использовать для обеспечения устойчивости к антибиотикам, является эффект инокулята (ЭИ). В этом случае начальная плотность бактериальной популяции определяет ее минимальную ингибирующую концентрацию (МИК). Для данной концентрации антибиотика популяция, возникшая при достаточно высокой плотности, будет расти и выживать. В противном случае, при той же концентрации антибиотика, если начальная плотность популяции слишком низкая, популяция не будет расти.
ЭИ наблюдается практически для всех бактерий и антибиотиков, может возникать лишь при небольших различиях в начальной плотности популяции и может возникать в отсутствие генетически закодированных механизмов резистентности. В клинических условиях сообщалось об резистентности к антибиотикам, вызванной ЭИ. Повышение концентрации антибиотиков для борьбы с ЭИ может быть нецелесообразным, поскольку высокие концентрации антибиотиков могут иметь негативные последствия для здоровья. Лечение инфекций высокой плотности стандартными концентрациями антибиотиков может привести к появлению дополнительных механизмов резистентности. Необходима разработка подходов к лечению бактериальных инфекций высокой плотности.
Большинство механизмов, которые использовались для объяснения ЭИ, основываются на динамике роста или соотношении антибиотика и мишени. Также было предложено несколько антибиотикоспецифических механизмов для объяснения ЭИ, включая индуцированную деградацию мишени антибиотика бактериальными протеазами, дифференциальную скорость роста и коллективную инактивацию антибиотиков. Однако эти механизмы не могут объяснить ЭИ для различных классов антибиотиков, многие из них еще предстоит проверить экспериментально, и они в целом не дают информации о стратегиях рационального снижения или устранения ЭИ. Для разработки стратегий по снижению или устранению ЭИ важно обнаружить механизм, который может объяснить ЭИ для всех классов антибиотиков.
Хотя скорость роста бактерий изначально считалась предиктором эффективности антибиотиков, недавно было показано, что состояние метаболизма бактерий лучше предсказывает эффективность антибиотиков; при неизменной скорости роста увеличение концентрации АТФ в клетке увеличивает бактерицидную летальность антибиотиков. Этот вывод имеет непосредственное отношение к ЭИ, поскольку плотность бактерий и концентрация АТФ взаимосвязаны.
В закрытой системе высокоплотные популяции, например, находящиеся в стационарной фазе, имеют пониженную концентрацию АТФ из-за истощения питательных веществ. Популяции с более быстрыми темпами роста, например, находящиеся в лог-фазе, имеют повышенную концентрацию АТФ. В контексте ЭИ средняя концентрация АТФ в популяции в значительной степени определяется ее начальной плотностью. Бактерии, заселенные с высокой плотностью, будут испытывать короткий период роста до вступления в стационарную фазу, что приведет к снижению концентрации АТФ и, следовательно, к снижению эффективности антибиотиков.
При одинаковой несущей способности бактерии, инициированные с более низкой плотности, имеют более длительный период роста в лог-фазе перед переходом в стационарную фазу. Это увеличивает время, в течение которого концентрация АТФ в клетке высока, что усиливает летальность антибиотиков. Хотя рост и использование энергии могут положительно коррелировать, они не являются строго связанными, и их взаимосвязь зависит от среды роста (например, питательных веществ, температуры и т.д.). Например, быстрый рост может совпадать с уменьшением выработки АТФ, а медленный рост - с увеличением выработки АТФ.
Хотя взаимодействие между плотностью клеток и производством АТФ может объяснить ЭИ для бактерицидных антибиотиков, большинство существующих механизмов, объясняющих ЭИ, не учитывают изменения в энергетическом статусе бактерий). Соответственно, мы задались вопросом, может ли взаимодействие между скоростью роста и концентрацией АТФ объяснить ЭИ для бактерицидных антибиотиков. Ответ на этот вопрос может позволить разработать протоколы для более эффективного лечения бактериальных инфекций высокой плотности.
В данном исследовании мы показали, что продуктивность роста, комбинированный эффект роста и метаболизма, может объяснить ЭИ для нескольких бактерицидных антибиотиков и видов бактерий. Руководствуясь анализом баланса потоков и моделированием всего генома, мы продемонстрировали, что источник углерода, поставляемый в ростовую среду, определяет продуктивность роста. Если продуктивность роста достаточно высока, ЭИ устраняется. Наши результаты могут привести к разработке подходов к снижению ЭИ в клинике, помочь стандартизировать анализ антибиотиков и углубить наше понимание того, как бактерии развивают резистентность.
