Новости

Метаболомика представляет собой перспективный метод, ускоряющий обнаружение изменений микробного метаболизма во время инфекции и при лечении антибиотиками.    Это позволяет исследователям выявлять потенциальные новые лекарственные мишени и стратегии для разработки более эффективных терапевтических мероприятий по борьбе с АМР. В данном обзоре приведено несколько интересных статей, посвященных новым открытиям в этой области.    Wu et al. провели оценку бактериальной метаболомики Staphylococcus aureus при обработке гидрохлоридом берберина (BBR) и обнаружили значительное ингибирование биосинтеза клеточной стенки, нарушение метаболизма шикимата и повышение производства аминосахаров, биосинтеза нуклеиновых кислот и метаболизма нуклеотидных сахаров. Два биомаркера, связанных со стрессоустойчивостью, пиридиндикарбоновые кислоты, были снижены, а уровень окисленных фосфолипидов повышен.    В том же направлении Chen et al. сообщили о противомикробной активности эфирного масла (ЭМ), выделенного из свежей зрелой Litsea cubeba, против Cutibacterium acnes. Метаболомика после обработки ЭМ показала изменение 86 метаболитов, 34 из которых относятся к путям клеточной стенки, биосинтезу аминокислот, производству энергии и углеводному обмену. Уровень АТФ был крайне низким, а активность гликолитических ферментов и цикла Вуда-Веркмана (активность малатдегидрогеназы, пируваткиназы и пируваткарбоксилазы была снижена, а активность гексокиназы - повышена) была значительно нарушена при обработке ЭМ.    Кроме того, Zhu et al. исследовали синергетическое действие полимиксина-B, меропенема и сульбактама против Acinetobacter baumannii с множественной лекарственной резистентностью. Короткая (15 минут) обработка комбинацией всех трех антибиотиков существенно повлияла на уровни метаболитов, участвующих в формировании клеточной стенки, наружного слоя клетки и внешней среды, участвующих в метаболизме клеточной стенки, наружной мембраны клетки, пептидогликана, жирных кислот, липополисахарида, глицерофосфолипидов и нуклеотидов. Интересно, что более длительная (1 ч) обработка двойной и тройной комбинаций значительно нарушала биосинтез аминокислот и нуклеотидов и метаболизм центрального углерода.    Zhou et al. сообщили об интересном примере обнаружения антибиотика-адъюванта на основе метаболитов, сравнив метаболические профили чувствительной к препаратам (SCH-S) и устойчивой к гентамицину Salmonella Choleraesuis (SCH-R). Нецелевая метаболомика выявила обширные нарушения в энергетическом и центральном углеродном обмене наряду с дисрегуляцией биосинтеза аминокислот, производства нуклеотидов, метаболизма витаминов и кофакторов, а также биогенеза жирных кислот. Примечательно, что D-рибоза была наиболее подавленным метаболитом в SCH-R и повышала эффективность гентамицина против SCH-R и клинических штаммов с множественной лекарственной резистентностью. Авторы предположили, что D-рибоза активирует пентозофосфатный путь, гликолиз и цикл трикарбоновых кислот, что повышает уровень NADH, поляризует электронно-транспортную цепь, повышает протонную движущую силу для увеличения поглощения лекарств и уничтожения бактерий.    Исследование Zhang et al. показало возможность применения матрин-хитозановых гидрогелей (MCH) для лечения субклинического мастита - воспаления молочных желез крупного рогатого скота, опосредованного бактериальной инфекцией. С помощью метаболомики и 16S секвенирования они исследовали биологический ответ на MCH у коров, страдающих маститом. Они обнаружили, что относительная численность таких бактериальных сообществ, как Staphylococcus, Aerococcus и Corynebacterium, снизилась после 7 дней лечения MCH. Также было установлено, что инфузия MCH связана с дифференциально выраженными метаболитами в молоке, такими как жирные ацилы, флавоноиды, сфинголипиды и глицерофосфолипиды. Это исследование дает новое представление об иммунорегуляторных механизмах матрина и его роли в борьбе с маститом у молочных коров.    Помимо этого, Singh et al. сравнили различные методы выделения метаболитов, включающие цикл замораживания-оттаивания (FTC) и цикл соникации (SC) по отдельности и в комбинации (FTC+SC). Используя ESI-LC-MS/MS, они обнаружили, что методы FTC и SC были эффективны в выделении АМР-ассоциированных метаболитов S. aureus, в то время как комбинирование этих методов не повышает эффективность. В принципе, каждый метод показал определенный уровень селективности в отношении метаболитов, и выбор подходящего метода должен основываться на возможном классе и типе метаболитов.    Mohammadi et al. разработали Microbial Containment Device (MCD), новую высокопроизводительную 96-луночную систему отбора проб, которая упрощает анализ и фиксирует сложные фенотипы микробного метаболизма. Используя полупроницаемую мембрану, MCD обеспечило диффузию водорастворимых метаболитов из резервуара бактериальной культуры в свободную от бактерий аналитическую лунку. MCD требует минимальной обработки образца и позволяет проводить одноэтапную метаболомику для идентификации различных штаммов бактерий и их реакции на антибиотики. Это может быть очень полезно для крупномасштабных исследований метаболомики, поскольку совместимо с традиционными коммерческими автодозаторами систем ЖХ-МС.    Питательные вещества и условия роста играют решающую роль в метаболизме, особенно при выявлении АМР. Zeng et al. разработали среду Salmonella-Shigella (SS) ceftazidime/avibactam (CZA) для клинического скрининга CZA-резистентных карбапенем-резистентных изолятов Enterobacterales (CRE) из чистой культуры и клинических полимикробных образцов, таких как образцы стула. При 100% специфичности и чувствительности, эффективность скрининга среды SS-CZA оставалась естественной для различных детерминант резистентности, которые были обнаружены у протестированных изолятов.    Mapar et al. сообщили о том, как коммерческие среды, такие как среда Мюллера-Хинтона, могут влиять на метаболические фенотипы in vitro, и сформулировали среду Biomarker Enrichment Medium (BEM), полученную на основе среды Roswell Park Memorial Institute (RPMI)) в качестве альтернативы для метаболомных анализов. Сочетая методы исключения субстратов, изотопного мечения и добавления питательных веществ, они определили специфические питательные вещества, необходимые для производства уникальных биомаркеров патогенными бактериями. Используя эту информацию, они предложили BEM в качестве альтернативы сложным неопределенным средам для экспериментов по метаболомике, клинической диагностике и поиску лекарственных препаратов, где стабильные метаболические профили играют решающую роль.    Обзор Xu et al. обобщил важность азотного метаболизма для микобактерий и показал роль связанных с ним генов и путей в выживании бактерий, их вирулентности, а также предложил направление для разработки новых целевых низкомолекулярных антимикробных препаратов. Авторы проанализировали обширную литературу, чтобы подробно описать роль генов метаболизма азота, таких как glnA1, pknG, groES, groEL2, ansP2, ansA, Rv322c, argB и argF. Кроме того, они описали дальнейшие действия, пробелы и рекомендации по воздействию на азотный метаболизм с помощью специфических ингибиторов для борьбы с появлением АМР микобактерий.    Мы надеемся, что эта подборка поможет читателям понять новые аспекты метаболомики и ее применения для понимания метаболизма бактерий и борьбы с АМР.

Муковисцидоз (МВ) - одно из самых распространенных генетических заболеваний. Этим заболеванием во всем мире страдают около 70 000 человек.    МВ вызывается мутациями в гене трансмембранного регулятора муковисцидоза человека (CFTR). У пациентов с МВ было выявлено более 2000 мутаций. Мутации CFTR вызывают физиологические изменения, которые приводят к хроническим легочным инфекциям, основным виновником которых является необычный фенотип Pseudomonas aeruginosa, называемый "мукоидным".    На протяжении десятилетий хроническая легочная инфекция прямо или косвенно была причиной 70% преждевременных смертей при муковисцидозе. Однако эпохальное открытие гена CFTR в 1989 году привело к разработке малых молекул, которые могут модулировать активность CFTR. Одобрение в 2019 году препарата Трикафта на основе малых молекул дало надежду на увеличение продолжительности жизни пациентам с муковисцидозом . Этот пероральный препарат изменяет активность аберрантных белков CFTR у 90% больных муковисцидозом. Он назначается дважды в день либо в виде гранул для детей 2-6 лет, либо в виде таблеток для детей старше 6 лет. Он хорошо переносится, но может иметь токсичность в отношении печени и широкий спектр лекарственных взаимодействий. Патофизиология заболевания легких при МВ    Эпителий дыхательных путей служит жизненно важным барьером между организмом и внешним миром, защищая от вдыхаемых частиц, химических веществ, аллергенов и патогенов. Вдыхаемые вещества задерживаются в секретируемой слизи и удаляются из дыхательных путей посредством процесса, известного как мукоцилиарный клиренс (МЦК), при котором подвижные реснички координированно движутся, перемещая частицы вверх и наружу из дыхательных путей. Правильное увлажнение эпителия дыхательных путей и вышележащего слоя слизи является ключом к продуктивному МЦК.    Ген CFTR кодирует эпителиальный ионный канал, который проводит хлорид (Cl-) и бикарбонат (HCO3) из эпителиальных клеток в просвет дыхательных путей. Вода следует за этими молекулами, увлажняя поверхностный слой дыхательных путей (ПСД) и слой слизи, покрывающий эпителий дыхательных путей. При МВ отсутствие или дисфункция CFTR приводит к обезвоживанию ПСД и накоплению густой, липкой слизи, которая не может быть перемещена МЦК. Патогены задерживаются в этих аномальных легочных выделениях, что приводит к хронической инфекции и постоянному воспалению.    Основным возбудителем хронической легочной инфекции у пациентов с МВ является мукоидная Pseudomonas aeruginosa (PA), которая разрастается в виде "микроколоний" в дыхательных путях при МВ. Эти микроколонии состоят из грамотрицательных бацилл, заключенных в полисахарид альгинат и объединенных в биопленки. Альгинат придает колониям мукоидный вид.    Мукоидные PA рефрактерны к МЦК, фагоцитозу и антимикробной терапии, что позволяет развиться хронической инфекции, часто приводящей к хроническому воспалению. Эта комбинация вызывает прогрессирующее повреждение легочной архитектуры, что приводит к постоянному ухудшению функции легких. В течение нескольких лет это в конечном итоге приводит либо к трансплантации легких, либо к смерти.     Другие важные патогены, встречающиеся при хронических инфекциях легких при МВ, включают Staphylococcus aureus (особенно метициллин-устойчивые штаммы), бактерии комплекса Burkholderia cepacia, бактерии комплекса Mycobacterium abscessus и грибок Aspergillus fumigatus. Пациенты с муковисцидозом также подвержены острым инфекциям респираторными вирусами, такими как респираторно-синцитиальный вирус и грипп, хотя влияние вирусов на хронические бактериальные инфекции менее очевидно. Интересно, что COVID-19 не был значительной причиной заболеваемости и смертности при муковисцидозе, при этом легкая форма заболевания является нормой. Лечение заболевания легких при МВ Низкомолекулярные модуляторы CFTR    Ландшафт лечения МВ резко изменился с разработкой молекулярных модуляторов CFTR, которые устраняют основную причину заболевания путем коррекции сворачивания белка, его транспортировки, функции или стабильности. Это приводит к улучшению МЦК, ограничению хронической инфекции, особенно из-за мукоидных PA. Первый модулятор CFTR, Kalydeco, был одобрен в 2012 году для лечения пациентов с муковисцидозом, несущих по крайней мере 1 копию варианта G551D. Kalydeco обладает высокой эффективностью, спасая около 11% легочной функции, измеряемой как форсированный объем выдоха за 1 секунду, или FEV1. Тем не менее, только ~4% больных МВ имели возможность такой терапии, исходя из критериев генотипа, которые были установлены изначально.    Следующий большой прорыв произошел в 2015 году, когда препарат Orkambi был одобрен для пациентов с муковисцидозом, имеющих 2 копии варианта F508del. F508del - наиболее распространенный вариант CFTR, поэтому он охватывает около 50% популяции больных МВ. Однако Orkambi оказался менее эффективным, чем Kalydeco, спасая только ~3% легочной функции в клинических испытаниях в 2017 году. Благодаря исследованиям функции CFTR in vitro, право на применение Kalydeco было расширено за счет включения 23 относительно редких вариантов CFTR, что позволило распространить лечение модулятором еще на 6% пациентов.    Затем в 2018 году был одобрен препарат Symdeco, показавший незначительные улучшения по сравнению с Orkambi. И наконец, в 2019 году был одобрен препарат-блокбастер Трикафта для пациентов, несущих хотя бы 1 копию F508del, наиболее часто встречающегося варианта, охватывающего ~80% популяции больных МВ. Более того, Трикафта является самым эффективным модулятором CFTR, разработанным на сегодняшний день, корректируя ~14% легочной функции в ходе испытаний.    В целом модуляторы CFTR оказались чрезвычайно успешными в увеличении продолжительности и улучшении качества жизни 90% больных муковицидозом, но разработка терапии для оставшихся 10% оказалась сложной задачей. В этой группе имеется широкий спектр исключительно редких вариантов CFTR. Фактически, более 1200 вариантов CFTR встречаются у 5% или менее пациентов во всем мире. Для этих пациентов клинические испытания с хорошей эффективностью никогда не будут возможны. В эту группу также входят варианты CFTR, вызывающие преждевременную терминацию кодонов, которые практически не производят белок CFTR и, следовательно, не являются мишенью для лекарственных препаратов. По мере того, как наука переключает свое внимание на длинный список редких, не поддающихся лечению вариантов CFTR, становится ясно, что для распространения лечения, меняющего жизнь, на всех пациентов с муковисцидозе потребуется новый подход к проектированию и разработке лекарств. Мобилизация секрета дыхательных путей    До появления модуляторов CFTR лечение пациентов с МВ было направлено на мобилизацию секрета дыхательных путей, уничтожение бактериальных патогенов и лечение легочных обострений. Поскольку густые слизистые выделения в дыхательных путях при МВ являются идеальной средой обитания для некоторых бактерий, таких как P. aeruginosa и S. aureus, мобилизация и очищение секретов дыхательных путей является важным методом лечения муковисцидозе.    В течение многих лет стандартным методом лечения было перкуссия спины и груди больного муковисцидозе членом семьи для мобилизации густых, липких слизистых выделений. Более современный подход к этому лечению требует, чтобы пациент носил осциллирующий жилет, который мобилизует выделения. После физиотерапии грудной клетки пациент обычно использует небулайзер для введения препаратов, включая ДНКзу и гипертонический солевой раствор, что делает слизь менее липкой, более водянистой и облегчает отхаркивание. Антимикробное уничтожение Pseudomonas aeruginosa    Для предотвращения развития хронической инфекции PA эрадикационная терапия с использованием аэрозольных антимикробных препаратов стала стандартом лечения пациентов с МВ, при этом наиболее часто используемым антимикробным препаратом является тобрамицин. Однако термин "эрадикация" в некоторой степени неверен, поскольку основная цель этой стратегии - отсрочить начало хронической инфекции. Снижение распространенности P. aeruginosa при муковисцидозе предполагает, что этот подход, наряду с генетическими модификаторами, отсрочил развитие инфекции. Терапия легочных обострений    Продолжительность и качество жизни при муковисцидозе зависят от частоты легочных обострений. Это острое проявление хронических легочных инфекций, характеризующееся лихорадкой, усилением кашля, выделения мокроты и частоты дыхания, потерей веса и снижением дыхательной функции, измеряемой с помощью спирометрии. Больные с частыми обострениями, как правило, чаще госпитализируются, имеют более низкое качество жизни и меньшую продолжительность жизни.     Обострения обычно лечат 2-3 внутривенными антимикробными препаратами в течение 14 дней. Эта терапия не "лечит" инфекцию. Скорее, оно уменьшает клинические симптомы и может частично восстановить функцию легких. Однако после развития хронической инфекции повреждение архитектуры легких становится неотвратимым, что в конечном итоге приводит к пересадке легких или смерти в течение нескольких лет или десятилетий. Когда будет найдено лекарство от заболевания легких при МВ?    Обнаружение гена CFTR в 1989 году породило надежду на то, что генная терапия сможет успешно обратить вспять генетический дефект в этом гене. Проведенное в 1995 году клиническое испытание по переносу нормального гена CFTR в клетки носового эпителия с помощью аденовирусного вектора оказалось безуспешным. После этого были проведены многочисленные испытания, но ни одно из них не принесло значительного успеха.    Двойная трансплантация легких является доказанным "лекарством" от болезни легких при МВ. Впервые широко применявшаяся в 1990-х годах, средняя продолжительность жизни реципиентов трансплантатов МВ неуклонно росла и к 2018 году достигла 9,5 лет. Однако, по данным реестра пациентов с МВ в США за 2021 год, осложнения после трансплантации легких уступают в качестве причины смерти только хронической легочной инфекции. С широкой доступностью тройных модуляторов CFTR количество трансплантаций легких при МВ резко сократилось. Очевидно, что модуляторы CFTR являются лучшим вариантом, чем трансплантация легких при МВ, в лечении большинства пациентов с муковисцидозе.    Успех высокоэффективных модуляторов CFTR подчеркивает важность устранения основной причины МВ. Хотя модуляторы действуют на белковом уровне, для долгосрочного излечения потребуется искать генетический дефект на уровне ДНК. Теоретически, это может быть достигнуто одним из трех подходов:    - Редактирование мутантной последовательности CFTR in vivo (т.е. редактирование генов).   - Доставка и интеграция нормальной последовательности CFTR (т.е. генная терапия).   - Доставка и интеграция клеток, несущих нормальную последовательность CFTR (т.е. клеточная терапия).    Самым большим препятствием, с которым сталкивается каждый из трех подходов, является доставка. Эпителий дыхательных путей выполняет жизненно важную защитную роль, не допуская попадания инородных частиц в организм человека. К сожалению, эти механизмы не могут отличить вредные вдыхаемые частицы от тех, которые доставляются с терапевтической целью. Таким образом, слизь дыхательных путей и МЦК представляют собой серьезный барьер для эффективной доставки векторов редактирования генов, генной терапии или клеточной терапии. Для успешной коррекции или замены генов необходимо разработать методы безопасного и длительного преодоления эпителиального барьера дыхательных путей.