Понимание взаимосвязи между использованием антибиотиков и развитием резистентности к противомикробным препаратам жизненно важно для эффективного управления антибиотиками.
Однако животные модели и эксперименты in vitro плохо воспроизводят реальные условия. Чтобы объяснить, как резистентность развивается в естественных условиях, исследователи Стэнфордского университета провели серию экспериментов на добровольцах и сообщили, что прием ципрофлоксацина вызывает стойкую устойчивость к антибиотикам у бактерий кишечника человека, причем эта резистентность возникает независимо у разных видов и сохраняется в течение более 10 недель.
В исследовании, опубликованном в журнале Nature, ученые подвергли 60 человек воздействию ципрофлоксацина и использовали анализ образцов кала и новый вычислительный метод для сборки геномов 5 665 популяций комменсальных видов бактерий у участников. Шестьдесят здоровых взрослых людей принимали ципрофлоксацин по 500 мг дважды в день в течение пяти дней. В течение 20 недель испытуемые сдали по 16 образцов кала, что позволило получить 960 образцов для анализа. Все образцы были подвергнуты метагеномному секвенированию, в результате чего было получено в среднем 18,8 миллиона чтений на образец. Для выявления появления истинных полиморфных участков во времени был разработан вычислительный метод PolyPanner.
Исследователи реконструировали 5 665 геномов, представляющих популяции комменсальных бактерий, и выявили 2,3 миллиона генетических вариантов. Среди них 513 популяций демонстрировали признаки адаптивной эволюции. Высокая концентрация мутаций произошла в гене gyrA, кодирующим ДНК-гиразу, ассоциированной с устойчивостью к фторхинолонам. Шестьдесят три популяции от 34 участников демонстрировали мутации gyrA, которые, как правило, возникали независимо друг от друга. Почти 10% изначально чувствительных популяций бактерий приобрели резистентность благодаря этим мутациям. После появления мутации gyrA сохранялись в течение 10 недель и оставались обнаруживаемыми до года. Дополнительные мутации, связанные с резистентностью, происходили и в других генах, хотя эти события были менее распространены и встречались у меньшего числа видов.
Вероятность возникновения резистентности была выше в бактериальных популяциях, которые были более многочисленны до проведения курса лечения и значительно сократились во время воздействия, что свидетельствует о наличии условий, коррелирующих с высокой вероятностью эволюционных изменений. Мутации резистентности не сопровождались ухудшением приспособленности бактерий, что позволяло резистентным штаммам сохранять доминирующую популяцию после окончания лечения. Целевое секвенирование не выявило признаков реверсии резистентности. Мутации в gyrA объясняли лишь часть наблюдаемой резистентности, что позволяет предположить наличие дополнительных механизмов.
Судя по полученным результатам, даже кратковременное применение антибиотиков может привести к возникновению мутаций резистентности, которые сохраняются в кишечнике человека в течение нескольких месяцев после окончания лечения. Мутации возникают независимо у разных видов бактерий и не влекут за собой ощутимых затрат на поддержание жизнеспособности, что позволяет резистентным штаммам оставаться распространенными.
Таким образом, комменсальные популяции могут выступать в качестве резервуаров для признаков резистентности, которые могут передаваться патогенным бактериям посредством горизонтального переноса генов.
Поскольку резистентность развивается предсказуемо в зависимости от размера популяции, это дает возможность прогнозировать результаты резистентности, если исходная популяция известна заранее, до начала лечения. Для полного расширения возможностей такого предсказательного моделирования необходимы эксперименты с различными сочетаниями исходных популяций и схем антибиотикотерапии. Мониторинг микробного состава и численности до и во время лечения может помочь в более точном использовании антибиотиков, снизить долгосрочные риски, связанные с резистентностью, и улучшить общее управление использованием антибиотиков.
Исследование подчеркивает способность бактерий кишечника человека способствовать эволюции резистентности и выявляет ключевые геномные и экологические факторы, определяющие адаптацию бактерий in vivo.
