Ингибиторы синтеза жирных кислот преодолевают резистентность к колистину

Канадские ученые продемонстрировали терапевтический эффект ингибиторов синтеза биотина и жирных кислот против бактерий, устойчивых к антибиотикам полимиксинам. Эти соединения подавляют биосинтез фосфолипидов, что изменяет липидный состав и физико-химические свойства мембран. Исследования проводили in vitro и на мышах. По мнению авторов, их результаты можно использовать для лечения инфекций, вызванных колистинрезистентными бактериями.

Credit:
123rf.com

В клинической практике все чаще встречается резистентность грамотрицательных бактерий к полимиксинам — антибиотикам «последней надежды», к которым относится колистин. Этот класс антибиотиков воздействует на липид А, входящий в состав бактериального липополисахарида (ЛПС), вызывая нарушение целостности клетки и лизис. Резистентность к полимиксинам в основном связана с присутствием на хромосомах или плазмидах трансфераз EptA и ArnT, которые ковалентно присоединяют катионные остатки фосфоэтаноламина (PEtN) и (или) 4-амино-4-дезокси-L-арабиноз (L-Ara4N) к липиду А, что снижает аффинность антибиотика к ЛПС и предотвращает гибель бактерий. Ученые из Канады предположили, что нарушение синтеза жирных кислот (FAS) и биотина, входящих в состав фосфолипидов бактериальных оболочек, может способствовать снижению устойчивости грамотрицательных бактерий к полимиксинам.

Ранее было показано, что гены биосинтеза биотина в Escherichia coli и Acinetobacter baumannii активируются в ответ на лечение колистином, что указывает на вовлеченность биотина в ответ на повреждение мембраны. Поэтому авторы исследовали потенциал комбинации ингибитора биосинтеза биотина MAC13772 и колистина против колистинрезистентных и колистинчувствительных штаммов E. coli. При использовании «метода шахматной доски» MAC13772 и колистин продемонстрировали синергический эффект против E. coli, экспрессирующих ген mcr-1 (гомолог eptA). Сочетание колистина и MAC13772 оказалось эффективным против различных клинически значимых mcr-1-экспрессирующих бактерий семейства Enterobacteriaceae Enterobacter cloacae, Klebsiella aerogenes, Klebsiella pneumoniae и Salmonella enterica sv. Typhimurium. Использование MAC13772 снижает минимальную ингибирующую концентрацию (MIC) колистина до 2 мкг/мл.

Ученые дополнительно выяснили, что в среде, содержащей катионы магния, синергического действия не было. Кроме того, увеличенная чувствительность к колистину (32-кратная) была показана при нокауте гена биотинового оперона bioA.

Ученые предположили, что ингибирование FAS в сочетании в колистином также может оказывает синергическое действие на колистин-резистентные изоляты A. baumannii, E. coli, K. pneumoniae, Serratia marcescens и Staphylococcus aureus. Комбинация церуленина и триклозана (ингибиторы FabB и FabI соответственно) с колистином была токсичной для большинства из этих бактерий. Так, их восприимчивость к антибиотику повышалась в 16–256 раз в зависимости от вида и изолята. Сочетание ингибиторов FAS и колистина не действовало на Staphylococcus aureus, потому что грамположительный золотистый стафилококк не имеет ЛПС в составе клеточной оболочки.

Далее авторы установили, чем обусловлена устойчивость к колистину у K. pneumoniae, одной из наиболее опасных бактерий. Для этого они проанализировали транспозонную библиотеку. Было найдено 96 генов, мутации в которых повышали чувствительность к антибиотику, в том числе гены, участвующие в модификации липида A, делении клеток и биосинтезе энтеробактина (бактериальный сидерофор, использующийся для захвата железа из окружающей среды). Авторы установили, что выключение генов, ответственных за биосинтез и трансфер L-Ara4N на липид A, повысило чувствительность к колистину в 800 раз, в то время как модификация PEtN не оказывала влияния на устойчивость к колистину.

Авторы изучили молекулярный механизм действия ингибиторов FAS и колистина на грамотрицательные бактерии. Они показали, что колистин не увеличивает проницаемость внешней мембраны для улучшения проникновения ингибиторов FAS внутрь бактериальных клеток. Исследователи также не обнаружили взаимодействия с внутренней мембраной ингибиторов FAS. Они не усиливали действие других классов антибиотиков, таких как макролиды, ингибиторы трансляции и β-лактамы. Это говорит о селективности ингибиторов FAS.

Исследователи предположили, что MAC13772 восстанавливает аффинность липидов мембраны бактерий, удаляя PEtN и L-Ara4N, а колистин действует как литический компонент. Исследователи культивировали E. coli, которые экспрессировали трансферазу mcr-1, в присутствии ингибиторов FAS. Затем они оценили модификации липида А с помощью MALDI-TOF масс-спектрометрии и детектировали PEtN-модификации среди тех бактерий, которые обладали mcr-1. В присутствии церуленина, MAC13772 и триклозана модификация также сохранялась.

Для изучения физиологического ответа E. coli на экспрессию mcr-1 и обработку MAC13772, авторы провели секвенирование РНК и выяснили, что эти факторы вызывают стресс клеточной мембраны. Однако оставалось неизвестным, формируется ли ответ на стресс со стороны внешней или цитоплазматической мембраны. Авторы создали штамм E. coli, который содержал мембранную пору (имитирующую действие антибиотика), позволяющую проникать комбинации MAC13772 и колистина, и их синергическое действие сохранялось. Затем исследователи показали, что добавление экзогенных насыщенных и ненасыщенные кислот, которые встречаются в мембранах бактерий, привело к подавлению терапевтического эффекта комбинации препаратов. Это позволяет предположить, что MAC13772 влияет на биосинтез фосфолипидов.

Для проверки этой гипотезы ученые показали, что при обработке mcr-1-содержащих E. coli ингибиторами биосинтеза липидов (церуленином или MAC13772) текучесть мембраны снижалась. При проведении липидомного анализа исследователи пришли к выводу, что применение MAC13772 значительно изменяло общий липидный состав. Наиболее заметным было уменьшение содержания фосфатидилэтаноламина (ФЭ) на 16%. Эта же тенденция была выявлена и среди mcr-1-негативных E. coli, однако она не была значительной.

Поскольку снижение концентрации ФЭ было наиболее заметным, авторы проанализировали его влияние на развитие резистентности к колистину. С помощью системы CRISPR они создали штаммы бактерий с нокаутами по pssA, psd, pgsA и cdsA — генам биосинтеза фосфолипидов. Ученые заметили, что индукция нокаута pssA, psd и cdsA сенсибилизировала mcr-1-экспрессирующие штаммы E. coli к колистину, но не влияла на E. coli без mcr-1. Генетическое вмешательство в биосинтез ФЭ имитировало фенотипы, наблюдаемые при использовании MAC13772, и демонстрировала тот же результат, что и нокаут генов bioA, fabB и fabI. Исследователи заключили, что ингибиторы FAS уменьшают набор жирных кислот, которые способны встраиваться в мембранные липиды, что изменяет липидный состав бактериальных оболочек.

Для оценки эффективности комбинации колистина и ингибитора FAS in vivo, ученые провели серию экспериментов на мышах, зараженных резистентными штаммами бактерий. В качестве ингибитора FabI был выбран препарат Debio1452-NH3, находящийся в фазе 2 клинических испытаний. Авторы наблюдали синергическое действие Debio1452-NH3 с колистином против mcr-1-экспрессирующих бактерий семейства Enterobacteriaceae. Особенно активно комбинация действовала на K. pneumoniae и E. coli.

Таким образом, авторы продемонстрировали высокий терапевтический потенциал ингибиторов биосинтеза биотина и FAS в комбинации с колистином. Ингибирование FAS индуцирует мембранный стресс, изменяя состав фосфолипидов и физико-химические свойства мембран, что, в свою очередь, восстанавливает чувствительность резистентных к антибиотику штаммов бактерий.

Генотоксин клебсиеллы придает другим патогенам кишечника резистентность к антибиотикам

Источник:

Carfrae L.A., et al. Inhibiting fatty acid synthesis overcomes colistin resistance. // Nature Microbiology (2023). May 1, 2023. DOI: 10.1038/s41564-023-01369-z

Добавить в избранное