Как предсказать чувствительность синегнойной палочки к комбинациям антибиотиков

Синегнойная палочка (Pseudomonas aeruginosa) — возбудитель внутрибольничных инфекций, лечить которые затруднительно из-за крайне высокой устойчивости к антибиотикам. Резистентность во время лечения развивается быстро даже при использовании новых препаратов, и по классификации ВОЗ резистентная к карбапенемам P. aeruginosa входит в число высокоприоритетных патогенов. Препаратом первой линии при такой инфекции является цефтолозан-тазобактам — комбинация цефалоспорина с ингибитором β-лактамаз, — однако и к этому сочетанию у синегнойной палочки развивается устойчивость. Для борьбы с инфекциями требуются новые сочетания препаратов, однако эффективность комбинированного лечения сложно предсказывать. Авторы статьи в The Lancet Microbe разработали модель, которая позволяет прогнозировать ответ на терапию по данным о резистоме — совокупности генов антибиотикорезистентности у конкретного штамма. 

Ученые выбрали три клинических изолята P. aeruginosa, выделенные от разных пациентов в университетской больнице Сон Эспасес (Пальма-де-Майорка, Испания). Они относились к сиквенс-типу 235 (ST235), который характеризуется гипервирулентностью, часто обладает множественной устойчивостью к антибиотикам и связан с особенно высокой смертностью. Исходно все три изолята (ST235-05, ST235-09 и ST235-10) несли мутации в генах oprD, ampR или ampD, nalC или nalD и mexZ, а также обладали повышенной экспрессией ampC, mexB и mexY — это классические механизмы резистентности к β-лактамам. Зато они были чувствительны к цефтолозану-тазобактаму (минимальные ингибирующие концентрации, МИК, составили от 1 до 2 мг/л для разных изолятов) и имели различный уровень устойчивости к меропенему (МИК от 8 до 32 мг/л).

Анализ проводили на in vitro модели инфекции с использованием полых волокон (HFIM) — динамической системе, которая позволяет имитировать фармакокинетику препаратов. В течение 240 часов изоляты обрабатывали цефтолозаном-тазобактамом и меропенемом, как по отдельности, так и в комбинации. 

Почти во всех случаях монотерапия оказалась неэффективной, и доля резистентных бактерий возрастала уже через 48 часов. Только у изолята ST235-10 монотерапия цефтолозаном-тазобактамом не привела к появлению устойчивых колоний. Комбинация препаратов оказывала синергический эффект и сокращала численность бактерий сильнее, чем монотерапия. 

Затем ученые повторно анализировали геномы выживших бактерий и подтвердили, что неуспех монотерапии был связан с появлением мутаций, обеспечивающих резистентность (в гене ampC для цефтолозана-тазобактама и в ftsl для меропенема). 

Наконец, исследователи разработали математическую модель, которая описывала динамику популяции конкретного изолята в присутствии антибиотиков. Эта модель учитывала механизмы резистентности, которые имелись в штамме исходно или возникали за счет мутаций. Она успешно прогнозировала неэффективность монотерапии, связанную с появлением мутантов, и объясняла синергический эффект комбинации препаратов. 

Авторы протестировали модель в симуляции, применив ее к группе из тысячи виртуальных пациентов. В случае монотерапии меропенемом она предсказала повторный рост численности патогена в пределах трех суток более чем у 90% пациентов; аналогичный прогноз был получен для двух изолятов (ST235-05 и ST235-09) при лечении только цефтолозаном-тазобактамом. В случае третьего изолята (ST235-10) повторный рост ожидался примерно у 30% пациентов. Однако прогнозы успеха комбинированной терапии были иными — устойчивое снижение численности более чем у 89% виртуальных пациентов.

Ученые заключают, что в данной модели монотерапия цефтолозаном-тазобактамом или меропенемом оказалась недостаточной для подавления роста опасных клинических изолятов P. aeruginosa. Напротив, комбинация препаратов обладала выраженным эффектом и подавляла появление резистентных бактерий. Разработанная модель, которая учитывает набор генов антибиотикорезистентности и прогнозирует ответ на ту или иную комбинацию препаратов, может ускорить и упростить подбор оптимального лечения. 

Оптимизация потребления антибиотиков может уменьшить распространенность резистентных патогенов на 15–20% за десять лет