Продуктивность роста бактерий влияет на устойчивость к антибиотикам

Серьезная проблема для современного здравоохранения — бактерии, резистентные к антибиотикам. Большая часть исследований резистентности сфокусировано на свойствах отдельной бактериальной клетки (в первую очередь на генах устойчивости). Однако на устойчивость к антибиотикам могут влиять свойства бактериальной популяции в целом. Примером такого влияния служит эффект инокулята (ЭИ): эффективность антибиотиков снижается по мере увеличения плотности бактериальной популяции. В этом случае минимальная ингибирующая концентрация препарата (МИК), то есть наименьшая концентрация, которая останавливает рост, зависит от начальной плотность популяции бактерий: популяция с высокой плотностью будет расти и выживать при концентрации антибиотика, которая способна остановить рост менее плотной популяции. Это опасно, так как рост в присутствии антибиотика способствует отбору устойчивых штаммах.

До сих пор не было ясно, как работает эффект инокулята, хотя он был описан еще в 1960-е годы. Предполагалось, в частности, что причиной может быть низкое соотношение антибиотика и его мишени или деградация антибиотика бактериальными протеазами. Но пока еще не предложено ни универсального объяснения для разных классов антибиотиков, ни способов снижения ЭИ. Исследователи из Юго-Восточного университета Нова (США) показали для нескольких видов бактерий и разных антибиотиков, что ключевым может быть показатель, который они назвали «продуктивность роста». Статья опубликована в Science Advances.

Авторы продемонстрировали в своей предыдущей работе, что бактерии более чувствительны к антибиотикам при высоких концентрациях АТФ в клетках. При этом известно, что плотность клеток и концентрация АТФ взаимосвязаны: плотные популяции в стационарной фазе имеют пониженные концентрации АТФ из-за нехватки питательных веществ, а популяции в логарифмической фазе богаты АТФ. Средняя концентрация АТФ в популяции будет в значительной степени определяться ее начальной плотностью. Если она высока, то период роста будет коротким, это снизит концентрацию АТФ и эффективность антибиотиков. В популяции с низкой начальной плотностью клеток картина будет обратной. Таким образом, объяснение ЭИ может быть связано с содержанием АТФ в клетке, иначе говоря, с ее уровнем метаболизма.

Очевидно, что активный рост коррелирует с активным метаболизмом, но не все так просто: на их взаимосвязь влияют и другие факторы — доступность питательных веществ, температуры и пр. Бактерии могут быстро расти и при этом снижать производство АТФ или, напротив, активизировать его на фоне замедления роста. Поэтому необходимо учитывать взаимодействие между этими факторами, чтобы объяснить ЭИ.

В предыдущей работе авторы измеряли скорость роста и метаболизм бактерий в разных условиях, чтобы определить вклады того и другого фактора в устойчивость к антибиотикам. Они показали, что связь между ростом и метаболизмом в определенных условиях может ослабевать, и в таком случае определяющим является метаболизм. Существует критический уровень метаболизма, ниже которого смертность от антибиотиков незначительна. Эти результаты воспроизводились для девяти антибактериальных препаратов и широкого спектра грамположительных и грамотрицательных видов бактерий.

В новом исследовании авторы разработали метрику для оценки взаимосвязи между скоростью роста бактерий в той или иной среде и концентрацией АТФ, которую назвали «продуктивность роста»: изменение концентрации АТФ во время логарифмической фазы в зависимости от изменения максимальной скорости роста на данной среде. Рост концентрации АТФ говорит о росте метаболизма; если она растет при постоянной скорости роста или увеличивается быстрее, чем скорость роста, продуктивность роста высокая, в обратном случае продуктивность роста низкая.

Продуктивность роста определили для бактерий E. coli, выращенных на средах с различным содержанием глюкозы (источник углерода) и казаминовых кислот (источник азота). Для E. coli, у которых не было генетической устойчивости к антибиотику, продуктивность роста была минимальной при 0,04% глюкозы в среде и максимальной при 0,00004% глюкозы. (Интересно, что в среде 0,4% глюкозы она тоже возрастала.)

Затем авторы убедились, что на МИК антибиотика канамицина для E. coli влияла не только исходная плотность популяции (для высокой плотности МИК ожидаемо была выше), но и концентрация глюкозы в среде. Изменение МИК в зависимости от плотности культуры — иными словами, сила, с которой проявляется эффект инокулята — было максимальным для среды с 0,04% глюкозы, то есть при минимальной продуктивности роста. Кроме того, разница между МИК для различных плотностей возрастала с увеличением процентного содержания казаминовых кислот в среде. Аналогичные эксперименты авторы провели с антибиотиками, имеющими разные механизмы действия (стрептомицином, карбенициллином, ципрофлоксацином), и во всех случаях эффект инокулята был максимально выражен при минимальной продуктивности роста.

Затем авторы подтвердили, что для других видов бактерий продуктивность роста подобным же образом влияет на эффект инокулята, однако зависимость самой продуктивности роста от концентрации глюкозы может быть иной, чем у кишечной палочки. Интересно, что для синегнойной палочки Pseudomonas aeruginosa предпочтительный источник углерода — не глюкоза, а ацетат. На среде с ацетатом ее продуктивность роста увеличивается, а ЭИ снижается. А когда кишечную палочку выращивали на средах с различными источниками роста, ЭИ был максимальным с глюкозой и минимальным — с менее предпочитаемыми урацилом или ацетатом.

Таким образом, эффект инокулята зависит от продуктивности роста в конкретной среде. Бактерии, которые начинают расти с высоких концентраций, быстрее достигают стационарной фазы и имеют сниженные концентрации АТФ. Но если у бактерии относительно низкая концентрация АТФ при высокой скорости роста, это снижает гибель клеток от антибиотиков. Авторы выдвигают предположение, что метаболиты, способствующие продукции АТФ, можно использовать в качестве адъювантов антибиотиков. Правда, отмечают они, неясно, может ли продуктивность роста объяснить ЭИ в открытой системе.

Исследование более 12 тысяч изолятов возбудителя туберкулеза выявило новые гены резистентности

Новый механизм лекарственной устойчивости найден у стрептококка группы А