Для большинства из нас «вирулентный» означает «агрессивный» или просто «плохой», но для микробиолога это имеет более конкретное значение. Вирулентные штаммы бактерий — это те, которые производят «факторы вирулентности», небольшие молекулы и белки, которые превращают доброкачественные бактерии в патогены.
Они делают разницу между E. coli, которые являются полезными членами нашего кишечного микробиома, а E. coli O157: H7, ответственный за вспышку болезни типа "Джек из коробки".
Факторы вирулентности позволяют бактериям уклоняться от иммунной системы человека, инфицировать ткани и клетки и закрепляться в организме. Без них бактерии были бы быстро удалены иммунной системой и не смогли бы заразить инфекцию.
Тим Венцевич, доктор философии, доцент кафедры химии в области искусств и наук Вашингтонского университета в Санкт-Петербурге. Луис, считает, что нам следует искать агенты, которые блокируют факторы вирулентности, а не продолжать поиск агентов, способных убить бактерии. По его мнению, антивирулентные антибиотики заменят неэффективные бактерицидные.
"Нужно ли нам искать молекулы, которые убивают бактерии, чтобы бороться с бактериальными инфекциями??," он спрашивает. "Это действительно то, что мы должны делать??"
По его словам, традиционные антибиотики несут в себе семена собственного разрушения. Мегадозы антибиотиков широкого спектра действия, которые часто назначают пациентам в клинической медицине, оказывают огромное избирательное давление на бактериальные сообщества, создавая широкие возможности для устойчивых штаммов за счет устранения всех восприимчивых.
«Антивирулентные антибиотики будут оказывать гораздо меньшее избирательное давление», — сказал Венцевич. "Если вы обработаете бактерии в пробирке антивирулентным антибиотиком, бактерии будут расти так, как будто там антибиотика нет. Но если вы лечите бактерии в организме человека, рост бактерий будет подавлен. Антивирулентный антибиотик ведет себя как традиционный бактериостатический антибиотик, подавляя рост патогена, пока иммунная система не успеет распознать и очистить его.
«Мы могли бы давать антивирулентные антибиотики людям со здоровой иммунной системой, которые смогли бы вылечить инфекции с этой помощью, — сказал он, — а традиционные антибиотики в сочетании с антивирулентной терапией людям с ослабленной иммунной системой, которые действительно в них нуждаются."
В онлайн-выпуске февральского номера журнала ACS Infectious Diseases Венцевич описывает одну возможную мишень для лекарственного средства: молекулу, ищущую железо, секретируемую бактерией Acinetobacter baumannii. Теперь, когда сложная биохимия этого фактора вирулентности лучше изучена, он планирует начать поиск агентов, блокирующих его синтез или активность.
Знай своего врага
Бактерия, которую изучал Венсевич, показывает, насколько быстро и эффектно традиционные антибиотики могут потерпеть неудачу.
А. baumannii, иногда называемый «Иракибактером», возник в качестве патогена на поле боя во время войн на Ближнем Востоке. «Люди получат травмы, попадут в больницу с открытой раной и заразятся инфекцией Actinetobacter», — сказал Венцевич. "Врачи пытались лечить эти инфекции всеми имеющимися в их распоряжении лекарствами и обнаружили, что они устойчивы почти ко всем антибиотикам, одобренным FDA.
Ничего не помогло против этих инфекций."
Резистентные бактерии вскоре распространились по всему миру и просочились из больниц в сообщества.
А. baumannii — плохой патоген не из-за количества инфекций, которые он вызывает — Staphylococcus aureus вызывает гораздо больше, — а потому, что его отличительной чертой является множественная лекарственная устойчивость.
Грамотрицательная бактерия, у нее двойная клеточная стенка, поэтому она по своей природе устойчива к большинству классов антибиотиков. «Тот факт, что он грамотрицательный, исключает множество антибиотиков, которые будут работать против грамположительного стафилококка», — сказал Венцевич.
"Итак, вы начинаете с меньшего набора антибиотиков, но A. baumannii также часто устойчивы к ним, потому что они обмениваются генами устойчивости ", — сказал Венцевич. По его словам, штамм, вызвавший вспышку в Китае в 2008 году, несет «массивную» плазмиду или мобильный элемент ДНК, который включает 45 генов устойчивости.
Если у пациента резистентный A. baumannii, стандарт лечения — вернуться к полимиксинам, соединениям, разработанным в 1950-х годах, от которых отказались в 1950-х годах, поскольку они настолько токсичны для почек, сказал он. Теперь в больницах находят штаммы, устойчивые к полимиксинам.
«Учитывая скорость, с которой патогены, устойчивые к бактерицидным антибиотикам, взяли верх, когда мы выбрали для них антибиотики широкого спектра действия, мы должны разработать новое поколение лекарств с учетом эволюции бактерий», — сказал он.
Морить их голодом
Один из классов факторов вирулентности, общих для многих патогенов, — это сидерофоры, небольшие молекулы, работа которых заключается в поиске железа в окружающей среде, обертывании его и возвращении в бактериальную клетку.
"Когда вы заражаетесь инфекцией, ваше тело в первую очередь заставляет голодать захватчика.
Вы скрываете все свои питательные вещества: вы сбрасываете аминокислоты в почки и истощаете все запасы питательных веществ в крови ", — сказал Венцевич.
Это особенно эффективная стратегия в случае железа, потому что железа изначально не хватает.
Концентрация железа в крови может составлять 10-24 молярных (один йоктомоль или примерно один атом железа на 1 моль).6 литров крови). По словам Венцевича, живым существам для выживания необходимо около 10-6 молярных концентраций железа (микромолей).
«Бактерии должны бороться с этим огромным градиентом концентрации, чтобы захватить достаточно железа для размножения», — сказал он.
А. baumannii производит три сидерофоров, которые работают совместно, создавая градиент хелатирования железа, который доставляет металл обратно в бактериальную клетку. Но в этом исследовании он сосредоточился на ацетинтобактине, сидерофоре, обнаруженном в каждом клиническом изоляте A. Baumannii.
Патоген рыб дает ключ к разгадке
Структура ацинетобактина была опубликована в 1994 году, а к 1997 году ученые обнаружили, что она была создана путем перегруппировки (изомеризации) молекулы-предшественника, называемой пре-ацинетобактином.
Венцевич знал, что возбудитель рыб Vibrio anguillarum производит аналогичное соединение, называемое пре-ангибактином, но пре-ангибактин заблокирован в «предварительной» форме и не изомеризуется. Так что в данном случае, казалось, «пре» форма является функциональным сидерофором.
Он задавался вопросом, какая из двух форм ацинетобактина является настоящим сидерофором: преацинетобактин, ацинетобактин — или обе.
Он также знал из литературы, что А. baumannii может процветать в широком диапазоне pH, но большинство очагов инфекции являются кислыми.
Фактически, A. baumannii может вызывать лактоацидоз, понижая pH окружающей среды, превращая глюкозу в молочную кислоту и выделяя кислоту.
Поэтому в качестве первого шага его лаборатория измерила скорость изомеризации преацинобактина в диапазоне pH от 5 до 5%.От 5 до 8.0 (примерно от pH Pepto Bismol до pH пищевой соды).
«Мы обнаружили, что преацинетобацин стабилен при слабокислом pH 5, но при более щелочном pH 8 он быстро изомеризуется в акнетобактин», — сказал Венцевич.
Почему этот сидерофор чувствителен к pH? "Предположим, что A. baumannii зарекомендовал себя в слегка кислой открытой ране, — сказал Венцевич, — но истощает там ресурсы.
Чтобы получить доступ к большему количеству питательных веществ, он попадает в кровоток, но pH крови равен 7.4 не 5. Когда pH окружающей среды бактерии изменяется, преацинетобактин превращается в ацинетобактин, который лучше работает при новом pH."
Короче говоря, А. baumannii развил сидерофор два к одному, превращение которого из одной формы в другую запускается изменением pH.
По словам Венцевича, эта стратегия окупается, потому что производство сидерофоров требует больших затрат на метаболизм. Если бактерии могут производить одну конвертируемую молекулу, им не нужно создавать и поддерживать два отдельных пути для двух сидерофоров.
«Мы думаем, что это может быть общая стратегия, — сказал он, — потому что существуют другие классы сидерофоров, которые также изомеризуются.
«Теперь, когда мы знаем, как работает этот сидерофор, мы можем правильно сформулировать методы, чтобы блокировать его», — сказал он. "Например, мы могли бы прикрепить что-то громоздкое к сидерофору, чтобы, когда он стыкуется с рецептором бацерция, он закупоривал его, не позволяя сидерофору переносить железо внутрь."
Венцевич не недооценивает огромную дистанцию между потенциальной мишенью и безопасным и эффективным клиническим лекарством.
Но, учитывая быструю эволюцию бактерий, он считает, что нам не следует перебирать каждый камень в поисках новых бактерицидных соединений, которые были бы такими же хрупкими, как и те, которые уже потерпели неудачу.
Вместо этого мы должны искать антибиотики, которые, если не без эволюции, то по крайней мере оказывают гораздо менее избирательное давление на бактериальные сообщества, чтобы развить устойчивость.