Приближенная к реальности модель мочевыводящих путей объясняет рецидивы

Инфекции мочевыводящих путей (ИМП) часто сопровождаются рецидивами; все большую проблему представляет собой антибиотикорезистентность. Обычно причиной порядка 80% ИМП является уропатогенная E. coli (UPEC), она же вызывает наибольшее число смертей от ИМП. Уротелий — динамичная система, которую сложно смоделировать. Среда влияет на поведение бактерий — адгезию, способность формировать филаменты, проникновение в клетки и образование биопленок.

Стандартные анализы чувствительности in vitro не отражают всех свойств мочевыводящих путей и зачастую не помогают определить чувствительность к антимикробным препаратам — вычисленная с их помощью минимальная ингибирующая концентрация (МИК) не коррелирует с клиническими исходами. В современных исследованиях используют органоиды и органы на чипе. Британские ученые ране разработали статичную 3D-модель уротелия человека — 3-dimensional urine-tolerant human urothelial microtissue Transwell model (3D-UHU), которая позволяет работать с дифференцированным уротелием и человеческой мочой. В новой работе они использовали 3D-UHU и новую мезофлюидную модель (т.е. работающую в миллиметровом масштабе) на основе 3D-UHU — систему Plug-Flow Linked Organoid (P-FLO), чтобы оценить эффективность бактериофагов и антибиотиков при ИМП в релевантных системах.

МИК оценивают в стандартной питательной среде — caMHB. Исследователи заменили 70% этой среды на человеческую могу, чтобы приблизить систему к условиям в мочевыводящих путях, но при этом поддержать рост клеток. В 100%-ной моче бактерии растут плохо, а в смеси рост хоть и замедлялась, но кинетика роста больше напоминала кинетику, наблюдаемую в caMHB.

Нитрофурантоин — один из самых популярных антибиотиков для лечения ИМП в Великобритании. Авторы оценили его эффективность против девяти штаммов E. coli, включая клинические изоляты UPEC (EC3, EC4, ClinA), бессимптомные штаммы (HM50, COM1, COM2) и референсные штаммы — штамм пиелонефрита (CFT073) и цистита (UTI89), а также лабораторный штамм, не относящийся к UPEC (MG1655). Питательная среда оказывала минимальное влияние на активность нитрофурантоина. У всех протестированных штаммов, кроме одного (ClinA), значения МИК варьировали от 4 до 16 мкг/мл. Различий в значениях МИК нитрофурантоина между caMHB и 70-ной мочой не наблюдалось.

Затем авторы определили минимальную бактерицидную концентрацию (МБК) путем измерения жизнеспособности бактерий. Значения МБК для нитрофурантоина были одинаковыми для всех штаммов, за исключением UTI89. Микросреда мочи вряд ли объясняла несоответствие результатов тестов клиническим результатам.

Далее авторы перешли к более сложной модели — 3D-UHU. Уротелий заражали E. coli UTI89 в течение 12 часов, зачем обрабатывали двумя дозами нитрофурантоина. Бактерии, ассоциированные с уротелием, включая прикрепленные и внутриклеточные бактериальные популяции, хуже поддавались лечению.

Тогда исследователи оценили эффективность фагового коктейля (LCPR1), состоящего из трех бактериофагов к E. coli и шести фагов к K. pneumonia, in vitro. В caMHB фаги подавляли рост бактерий до 10 часов, после этого популяция бактерий частично восстанавливалась. В 70%-ной моче фаги были значительно менее эффективными. Вероятно, это было связано со снижением их стабильности.

В 3D-UHU фаги почти не снижали бактериальную нагрузку. Добавление LCPR1 вызывало умеренную секрецию провоспалительного цитокина TNFα, а также хемокинов CXCL2 и G-CSF. Хотя LCPR1 не обладал бактерицидной активностью в 3D-UHU, он защищал жизнеспособность уротелия, подавлял активацию инфламмасом и способствовал притоку нейтрофилов в уротелиальную среду.

UPEC способны проникать в уротелий и формировать внутри клеток сообщества, недоступные антибиотикам. Авторы показали, что нитрофурантоин снижал количество бактерий в адгезивном/внутриклеточном компартменте, он не подавлял образование этих сообществ. В отличие от него, обработка фагами снижала количество внутриклеточных сообществ, несмотря на отсутствие измеримого влияния на количество бактерий в адгезивном/внутриклеточном компартменте. Вместе эти антибактериальные средства были более эффективными.

Далее авторы перешли на систему P-FLO, которая позволяет симулировать заполнение и опорожнение мочевого пузыря. Воздействие только фазы заполнения, которая связана с наименьшим напряжением сдвига на стенках, привело к значительному увеличению адгезии бактерий. Во время циклов, отражающих опорожнение/заполнение, связанных с более высокими профилями напряжения сдвига на стенках, наблюдалось снижение прикрепления бактерий к апикальной поверхности. Тем не менее, со временем бактерии поражали всю систему.

Одновременно бактерия E. coli UTI89 претерпевала заметное удлинение/филаментацию в циклах наполнения-опорожнения (в статичных условиях это наблюдается редко).

Динамика потока обеспечивает непрерывный обмен питательными веществами и оказывает сдвиговое напряжение на стенки уротелия, что может влиять на фармакодинамику. Несмотря на увеличение доступа антибиотика к уротелию в условиях потока, его эффективность в отношении взвешенных бактерий снизилась. Фаговый коктейль не смог снизить бактериальную нагрузку в условиях потока, как и в статических условиях. Двойное лечение не превзошло антимикробный эффект одного лишь нитрофурантоина. При этом эффективность лечения в адгезивном/внутриклеточном компартменте сохранялась.

Авторы подчеркивают важность использования более физиологически релевантных моделей инфекций для оценки эффективности противомикробных препаратов.

Сенсор на основе бактериофагов определяет возбудителя инфекции мочевыводящих путей