Температурная зависимость скорости мутаций в отношении резистентности к антибиотикам (аннотация)Температурная зависимость скорости мутаций в отношении резистентности к антибиотикам
Возникновение резистентности к антибиотикам по своей сути является эволюционным процессом.
Недавние исследования показали, что резистентность к антибиотикам может развиться у пациента всего за 3 дня. Более конкретно, это можно рассматривать как процесс "эволюционного спасения"; когда начинается лечение, популяция бактерий должна быстро выработать резистентность, прежде чем она будет уничтожена в результате воздействия антибиотиков. Вероятность того, что популяция бактерий выработает резистентность, зависит от скорости появления мутаций - чем выше скорость мутаций в сторону резистентности, тем больше вероятность того, что лечение антибиотиками окажется безуспешным из-за возникновения резистентности.
Скорость мутаций у бактерий не постоянна, а зависит от условий окружающей среды, таких как температура. Большинство биохимических процессов увеличивается с ростом температуры, поэтому было предположено, что скорость мутаций будет положительно связана с температурой. Кроме того, скорость мутаций бактерий можно регулировать, чтобы она повышалась в стрессовых условиях - это явление известно как стресс-индуцированный мутагенез. Поэтому патогенные бактерии могут проявлять другую скорость мутации, когда их хозяин (человек) реагирует на инфекцию лихорадкой - повышением температуры тела выше 38°C, что может создать мягкие стрессовые условия для популяции бактерий-инфекторов.
Это приводит к вопросу, который, насколько нам известно, ранее не рассматривался: как повышение температуры, связанное с лихорадкой, влияет на скорость мутации в сторону антибиотикорезистентности? Если скорость мутаций в сторону резистентности повышается при лихорадке, то подавление лихорадки (с помощью жаропонижающих препаратов) может стать успешной тактикой для снижения скорости мутаций и, таким образом, борьбы с возникновением резистентности.
Поэтому мы изучили температурную зависимость скорости мутаций в направлении резистентности к антибиотикам у Escherichia coli. Мы оценивали скорость мутаций при двух температурах: 37°C (нормальная температура тела) и 40°C (температура лихорадки). Мы использовали метод флуктуационного теста для определения скорости мутаций в направлении антибиотикорезистентности для трех различных антибиотиков, каждый из которых имеет свой способ действия: ципрофлоксацин (ингибитор топоизомеразы и ДНК-гиразы), рифампицин (ингибитор ДНК-зависимой РНК-полимеразы) и ампициллин (ингибитор пептидогликан-транспептидазы).
Мы обнаружили, что скорость мутаций в сторону антибиотикорезистентности зависит от температуры. Изменение температуры на 3°C изменяло скорость появления резистентных мутантов почти на порядок для всех трех рассматриваемых антибиотиков. При прочих равных условиях более высокая скорость появления мутантов с резистентным фенотипом делает эволюционное спасение более вероятным. Таким образом, повышается вероятность того, что популяция бактерий успешно разовьет резистентность, что может привести к неэффективности терапии. Кроме того, сроки развития резистентности будут короче. Эти эффекты должны быть особенно выражены, если постоянная генетическая вариабельность в начале инфекции низкая, как можно было бы ожидать из-за обычно небольшого размера начального инокулята. Помимо скорости мутаций, температура может влиять и на другие параметры, определяющие вероятность эволюционного спасения, такие как скорость распада популяции, и этот вопрос требует дальнейшего изучения.
Для ципрофлоксацина и рифампицина мы обнаружили, что повышение температуры приводит к увеличению скорости мутаций. Эти результаты согласуются с общим выводом о том, что частота мутаций выше в неоптимальных условиях. Однако для рифампицина может существовать альтернативное объяснение, так как некоторые мутации, придающие резистентность к рифампицину, также передают адаптацию к повышенным температурам. Мутагенез, вызванный стрессом, может быть эволюционной реакцией, способствующей эволюционному спасению в стрессовых условиях, но может быть и побочным эффектом того факта, что все биохимические процессы (включая те, которые приводят к мутациям) ускоряются при более высоких температурах. Независимо от механизма, при прочих равных условиях резистентность к этим антибиотикам с большей вероятностью будет развиваться при повышенной температуре.
Для ампициллина, вопреки нашим ожиданиям, повышение температуры привело к снижению скорости мутаций в сторону резистентности. Этот результат был воспроизведен в двух разных лабораториях, что свидетельствует о его надежности. Наблюдаемый эффект влияния температуры на скорость мутаций (т.е. скорость появления резистентных фенотипов) может быть обусловлен разницей в скорости появления мутаций в геноме (скорость геномных мутаций) или разницей в доле геномных мутаций, передающих резистентность.
Доля мутаций, передающих резистентность, может зависеть от температуры, если эффективность антибиотика зависит от температуры (т.е. мутации, передающие резистентность при одной температуре, не передают ее при другой). Поэтому мы провели эксперимент, который показал увеличение эффективности ампициллина при 40°C, включая результаты для ципрофлоксацина и рифампицина). Повышение эффективности ампициллина при более высоких температурах дает вероятное объяснение удивительным результатам для ампициллина: некоторые мутации, передающие резистентность при 37°C, не передают ее при 40°C, что приводит к снижению частоты появления резистентных мутантов.
Исследование Cruz-Loya et al. также выявило признаки зависимости эффективности ампициллина от температуры. Авторы предположили, что это может быть связано с синергетическим эффектом между повреждением клеточной стенки, вызванным антибиотиком, и повышенной проницаемостью мембраны, которая возникает при более высоких температурах. Независимо от точного механизма температурной зависимости, наши эксперименты показывают, что скорость появления мутантов, резистентных к ампициллину, зависит от температуры, возможно, из-за температурно-зависимой эффективности антибиотика. Поэтому, при прочих равных условиях, развитие резистентности к ампициллину менее вероятно при повышенной температуре.
Разница в скорости мутаций, наблюдаемая при 37°C и 40°C, согласуется между различными повторами одного и того же эксперимента, а для ампициллина даже показана воспроизводимость в разных лабораториях. Однако для всех антибиотиков оценки скорости мутаций значительно отличались между повторными экспериментами. Мы предполагаем, что эти различия являются следствием небольших вариаций в условиях окружающей среды в лаборатории или небольших различий в физиологическом состоянии клеток прекультуры, из которых была приготовлена суспензия.
В будущем было бы целесообразно изучить, как результаты in vitro переносятся в условия in vivo, поскольку лихорадка оказывает более широкое воздействие, чем просто повышение температуры (например, стимулирует иммунную функцию). Уже были проведены рандомизированные контролируемые исследования, оценивающие влияние подавления лихорадки у пациентов отделения интенсивной терапии, получающих антимикробную терапию, но наши результаты показывают, что в будущем такие исследования должны учитывать конкретный тип применяемого антибиотика. Будущие исследования также должны оценить, как результаты соотносятся с различными антибиотиками и видами бактерий. Наконец, рассматриваемые концентрации антибиотиков были выбраны для максимального обнаружения изменений в скорости мутаций и поэтому ниже тех, которые используются в клинических условиях; будущие исследования должны выявить, сохраняется ли эта закономерность при более высоких, клинически значимых концентрациях.
Данное исследование показывает, что на скорость мутации резистентности к антибиотикам влияет изменение температуры, например, связанное с лихорадкой. Это открывает новые возможности для смягчения возникновения резистентности к антибиотикам путем согласования выбора антибиотика с решением о том, нужно ли подавлять температуру при лечении пациента. Таким образом, оптимизированные комбинации антибиотиков и стратегий подавления лихорадки могут стать новым оружием в борьбе с антибиотикорезистентностью.
