Исследователи из Массачусетского технологического института разработали систему защиты микробиома кишечника от воздействия антибиотиков.
В новом исследовании, опубликованном в журнале Nature Biomedical Engineering, сообщается об успешном применении на мышах "живого биотерапевта" - генномодифицированных бактерий, которые производят фермент, расщепляющий антибиотики в кишечнике. "Эта работа показывает, что синтетическая биология может быть использована для создания нового класса инженерных терапевтических средств для снижения негативного воздействия антибиотиков", - говорит профессор Джеймс Коллинз, старший автор статьи.
Исследователи работали со штаммом бактерий Lactococcus lactis, который обычно используется в производстве сыра и считается в целом безопасным для потребления человеком. Они генетически сконструировали штамм L. lactis для производства бета-лактамазы, которая расщепляет бета-лактамные антибиотики. Бета-лактамы - это класс широко используемых антибиотиков, включая пенициллин, ампициллин и амоксициллин и на долю которых сегодня приходится около 60% антибиотиков. Авторы исследования надеялись, что введение их модифицированного L. lactis в кишечник создаст своего рода бета-лактамазный щит, который защитит местный микробиом кишечника от повреждения антибиотиками.
Чтобы проверить это на практике, мышам делали инъекцию ампициллина, а также вводили две пероральные дозы L. lactis. Они показали, что L. lactis успешно вырабатывает бета-лактамазу и разлагает ампициллин в кишечнике мышей, не снижая уровень ампициллина в крови. "Это убедительная демонстрация того, что такой подход может защитить микробиоту кишечника, сохраняя при этом эффективность антибиотика, поскольку вы не изменяете его уровень в крови", - отмечает Коллинз. Исследователи также подтвердили, что у мышей, получавших вместе L. lactis и ампициллин, сохранялось аналогичное бактериальное разнообразие и состав микробиома кишечника. Напротив, у мышей, получавших только ампициллин, наблюдались изменения в микробиоме, включая значительное снижение бактериального разнообразия, которое не восстановилось к концу эксперимента.
Намеренное внедрение в микробиом кишечника механизма резистентности к антибиотикам, например, выработки бета-лактамазы, может показаться безрассудством. А что если внедренные бактерии используют свое преимущество в устойчивости к антибиотикам, чтобы захватить микробиом, или передадут ген бета-лактамазы другому виду, который в дальнейшем будет создавать проблемы? У исследовательской группы был и на этот случай продуманный план. При создании специального штамма L. lactis исследователи разбили ген бета-лактамазы на две части и поместили каждый фрагмент на отдельный участок ДНК. Это означало, что оба фрагмента с очень малой вероятностью могут быть перенесены вместе в другую бактериальную клетку. Вместо этого L. lactis производит оба фрагмента отдельно и экспортирует их за пределы своих клеток, где оба фрагмента могут вновь собраться и образовать функциональный фермент, который защищает все бактериальное сообщество, а не только самих L. lactis.
"Сконструированная система экспрессии β-лактамазы не придает клетке-продуценту резистентность к β-лактамам и кодируется с помощью генетически несвязанной двухгенной стратегии биосинтеза, которая не подвержена распространению путем горизонтального переноса генов.", - поясняет Коллинз. В ходе экспериментов на мышах исследователи обнаружили, что гены резистентности к антибиотикам были более распространены в кишечных бактериях мышей, получавших ампициллин без L. lactis, по сравнению с мышами, получавшими данный штамм бактерий.
"В мышиной модели парентерального лечения ампициллином, пероральное добавление разработанного живого биотерапевта минимизировало дисбиоз кишечника, не влияя на концентрацию ампициллина в сыворотке, предотвратило обогащение генов резистентности к противомикробным препаратам в микробиоме кишечника и предотвратило потерю устойчивости к колонизации против Clostridioides difficile", - говорит Коллинз.
Теперь исследовательская группа надеется разработать вариант L. lactis, который можно будет опробовать на людях - сначала на людях с высоким риском развития заболеваний, усугубляемых лечением антибиотиками, таких как инфекция C. difficile. "Если действие антибиотика не является необходимым в кишечнике, то необходимо защитить микробиоту. Это похоже на то, как когда вам делают рентген, вы надеваете свинцовый фартук, чтобы защитить остальное тело от ионизирующего излучения", - отметил Коллинз. "С помощью нашей новой технологии мы можем сделать антибиотики более безопасными, сохранив полезные микробы кишечника и снизив вероятность появления новых резистентных к антибиотикам вариантов".
Инженерные живые биотерапевтические препараты, которые безопасно разлагают антибиотики в кишечнике, могут представлять собой отличную стратегию для профилактики дисбактериоза и связанных с ним патологий.
