Ученые предложили избавляться от лекарственно-устойчивых и «спящих» форм микобактерий — возбудителей туберкулеза — с помощью желтого света. Неактивные патогены нечувствительны ко всем известным антибиотикам, а потому часто остаются в легких пациентов даже после лечения и вызывают рецидивы заболевания. Эксперименты продемонстрировали, что новый подход позволяет уничтожить 99,99% бактерий всего за 30 минут облучения светом с длиной волны 565 нанометров. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Scientific Reports.
Основные исполнители проекта. Источник: Маргарита Шлеева
Туберкулез — инфекционное заболевание, вызываемое бактерией Mycobacterium tuberculosis, — очень плохо поддается лечению из-за того, что его возбудитель стал устойчивым ко многим современным антибиотикам. Россия занимает третье место в мире по количеству больных лекарственно-устойчивым туберкулезом. Более того, даже после успешного на первый взгляд лечения в легких человека могут остаться неактивные — так называемые «спящие» — формы микобактерий. По данным ВОЗ, Mycobacterium tuberculosis может в таком виде бессимптомно сохраняться у одной четверти пациентов в течение многих лет, вызывая латентную, то есть скрытую форму туберкулеза, которая в 5-10% случаев переходит в активную фазу болезни. Опасность латентного туберкулеза возросла в последние годы в связи с тем, что заражение COVID-19 нередко приводит к «пробуждению» микобактерий, которые в значительной доле случаев оказываются лекарственно-устойчивыми. Поэтому ученые ищут способы бороться с покоящимися и не чувствительными к антибиотикам формами Mycobacterium tuberculosis.
Ученые из Федерального исследовательского центра «Фундаментальные основы биотехнологии» РАН (Москва) и Центрального научно-исследовательского института туберкулеза (Москва) выяснили, что для этой цели хорошо подходит облучение бактерий желтым светом, имеющим длину волны 565 нанометров. Дело в том, что покоящиеся клетки Mycobacterium tuberculosis синтезируют и накапливают большое количество порфиринов — азотсодержащих пигментов, наличие которых было доказано современными методами молекулярного анализа. Эти соединения высокочувствительны к свету и при его воздействии генерируют активные формы кислорода — частицы, способные повреждать белки и ДНК. Поэтому авторы предположили, что порфирины, которые накапливаются в клетках микобактерий, можно использовать в качестве молекулярного «оружия» против самих бактерий.
Чтобы проверить эту гипотезу, исследователи в лабораторных условиях получили покоящиеся формы Mycobacterium tuberculosis и измерили количество порфиринов в их клетках. Оказалось, что уровень этих молекул в шесть раз превышал показатели, характерные для активных бактерий. Когда же ученые добавили в среду, на которой росли микобактерии, 5-аминолевулиновую кислоту — вещество-предшественник порфиринов, — количество порфиринов в покоящихся клетках возросло в 85 раз.
Затем авторы получили экстракты из клеток Mycobacterium tuberculosis и определили длины волн, при которых раствор поглощает максимальное количество света. Среди нескольких выявленных максимумов оказались длины волн, на которых поглощают свет порфирины. Ученые выбрали значение 565 нанометров, соответствующее наиболее чувствительному к свету цинк-порфирину, — и облучили светом с такой длиной волны покоящиеся культуры микобактерий.
В результате 30-минутного эксперимента 99,99% патогенов погибло, чего невозможно достичь применением любых антибиотиков, даже в случае активно растущих микобактерий. Авторы объясняют это тем, что вырабатываемые порфиринами на свету активные формы кислорода нарушили у бактерий дыхательную цепь — комплекс белков, отвечающих за обеспечение клеток энергией. При этом такое же воздействие на активные формы бактерий не дало эффекта, поскольку они практически не накапливают порфирины. Однако авторы разработали подход, с помощью которого можно стимулировать накопление порфиринов как в спящих, так и в активно размножающихся микобактериях. Для этого ученые предложили предварительно обрабатывать клетки 5-аминолевулиновой кислотой. Это вещество безопасно для человека и уже используется в медицине при диагностике рака, поэтому в рамках предлагаемого подхода пациенты смогут его принимать, просто запивая водой.
Кроме того, чтобы смоделировать реальные условия заболевания, авторы поставили такой же эксперимент на активно размножающихся и «спящих» бактериях, которых поглотили макрофаги — клетки иммунной системы, участвующие в защите человеческого организма от болезнетворных микроорганизмов, в том числе возбудителя туберкулеза. При выдерживании макрофагов с микобактериями в среде с 5-аминолевулиновой кислотой такие «съеденные», но не разрушенные макрофагами микобактерии оказались еще более чувствительными к свету, чем свободно растущие микобактерии — как «спящие», так и активные. Это объясняется тем, что внутриклеточная среда макрофагов неблагоприятна для бактерий и снижает их устойчивость к дополнительным разрушающим воздействиям.
Разработанный подход можно будет применять в клинической практике для лечения туберкулеза, доставляя свет нужной длины волны в очаги заболевания с помощью световодов. В частности, для этой цели можно будет использовать волоконно-оптический бронхоскоп — гибкую тонкую трубку, которая практически безболезненно для пациента позволяет врачу рассмотреть очаги туберкулеза в легких. В то же время интересным может оказаться подход, основанный на использовании гибких органических светоизлучающих диодов в качестве источников света.
«Эксперименты доказали, что эффективность предложенного подхода достигает 99,99%, поэтому потенциально его можно будет использовать в клинической практике для уничтожения как неактивных очагов туберкулеза в легких человека, так и возбудителя туберкулеза с множественной лекарственной устойчивостью. Однако нам еще предстоит проверить этот метод на лабораторных животных», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Маргарита Шлеева, доктор биологических наук, заведующая лабораторией биохимии стрессов микроорганизмов ФИЦ «Фундаментальные основы биотехнологии» РАН.
Информация и фото предоставлены пресс-службой Российского научного фонда