Чрезмерное использование антибиотиков привело к появлению большого числа бактерий, устойчивых к ним, что вызывает инфекции, поддающиеся сложному лечению. К ним относятся и гипервирулентные штаммы, встречающиеся у пациентов с муковисцидозом Klebsiella pneumoniae (hvKp). Специалисты из Московского физико-технического института совместно с коллегами из Египта применили для противодействия клебсиеллам экстракт личинок мухи черной львинки, содержащий большое количество свободных жирных кислот. Этот экстракт эффективно разрушил биопленки, служащие убежищем для бактерий, и уменьшил их способность вызывать заболевания. Результаты опубликованы в журнале «Биохимия».
Микроорганизмы, устойчивые к воздействию нескольких антибактериальных препаратов, трансформируются в суперпатогены, провоцирующие серьезные инфекционные процессы в стационарных условиях.
Ожидается, что к 2050 году количество летальных исходов, связанных с инфекциями, спровоцированными микроорганизмами, обладающими устойчивостью к нескольким препаратам, может достичь отметки в 5 миллионов. Этот показатель окажется выше, чем смертность от онкологических заболеваний.
Особую тревогу вызывает штамм слизистой, обладающий повышенной вирулентностью K. pneumoniae hvKp — опасный патоген, который чаще всего поражает пациентов в больницах, заметно увеличивая смертность даже среди молодых людей. Уничтожение hvKp обычными методами затруднено из-за быстрого приобретения ими резистентности к антибиотикам, а также повышенной адгезивности клеток и образования K. pneumoniae биопленок.
Биопленки представляют собой устойчивые слизистые образования, в составе которых присутствуют патогенные микроорганизмы. Благодаря защитным свойствам биопленки, бактерии становятся менее восприимчивы к антибиотикам и другим средствам, подавляющим рост микробов. Внутри биопленки может формироваться сложное сообщество, включающее различные виды и подвиды микроорганизмов.
В связи с этим требуются иные методы лечения, направленные на борьбу с инфекцией K. pneumoniae, нацеленные на биопленки и уничтожающие бактериальные патогены.
Новое исследование, проведенное учеными из МФТИ и Института защиты растений (Египет), посвящено поиску решения этой задачи. Впервые был проведен анализ антимикробных характеристик экстракта, богатого жирными кислотами, полученного из личинок мухи черная львинка ( Hermetia illucens) по разработанной ими инновационной биотехнологии.
Личинок насекомых широко используют для переработки отходов и производства кормов, богатых белком, для рыб и животных. В этот раз экстракт личинки был протестирован на его способность подавлять биопленки, образованные высокопатогенными K. pneumoniae с устойчивостью ко многим антибиотикам.
Как было установлено ранее, экстракт, полученный из личинок черной львинки, содержит от 15% до 49% жиров и представляет собой значимый источник липидов. Этот экстракт показал свою эффективность при работе со штаммами K. pneumoniae, что приводит к возникновению инфекций у растений и рыб, устойчивых к ряду лекарственных препаратов.
Новое исследование позволило ученым глубже понять, как экстракт черной львинки влияет на способность бактерии клебсиеллы образовывать биопленки и вызывать инфекции у людей. В работе были задействованы три штамма K. pneumoniae: обнаружены штаммы, производящие слизистые выделения, такие как KPM9 и еще более «слизистый» штамм KPi1627, а также штаммы KP ATCC BAA-2473, демонстрирующие устойчивость к антимикробным препаратам. Все эти бактерии были выделены из образцов, полученных в российских больницах в период с 2011 по 2016 год.
Образование биопленок было зафиксировано с использованием анилинового красителя гематогенина при исследовании всех трех штаммов. Установлено, что обработка экстрактом личинок черной львинки в концентрации 500 мкг/мл приводит к значительному увеличению проницаемости клеточной мембраны бактерий у всех протестированных штаммов клебсиеллы.
Затем применили бромистый этидий — краситель, взаимодействующий с ДНК и проникающий внутрь клеток исключительно через поврежденные мембраны. В результате обработки бактерий исследуемым экстрактом концентрация красителя внутри клеток увеличилась на 40% или даже до 70%, если сравнивать с контрольными образцами, не подвергавшимися обработке).
Включение экстракта привело к существенной модификации состава фосфолипидов клеточной мембраны, вызвав увеличение концентраций кристаллического фиолетового и бромистого этидия на 70% и 80% соответственно, если сравнивать с контрольной группой.
При исследовании с помощью сканирующего электронного микроскопа (SEM) было зафиксировано бактерицидное действие экстракта черной львинки. Под воздействием экстракта бактериальные клетки агрегировались, и наблюдалось разрушение многослойных биопленок. Количество бактерий, прикрепленных к биопленкам, значительно уменьшилось. Поверхность клеток стала шероховатой, клеточные стенки сморщились и образовали поры. Кроме того, после обработки экстрактом львинки были выявлены разрушенные клетки, фрагменты клеточных стенок и пустые мембраны.
Согласно результатам исследования, проведенного учеными МФТИ, экстракт черной львинки демонстрирует способность к разрушению биопленок, служащих средой обитания для агрессивных штаммов клебсиеллы. Это позволяет препарату уменьшить вероятность инфицирования человека. Эффективность обусловлена антимикробными свойствами свободных жирных кислот, которые составляют основу данного экстракта.
Применение разработанного антимикробного препарата, созданного на основе данного экстракта, может оказаться эффективным решением в борьбе с возрастающей угрозой, связанной с появлением бактерий-суперпатогенов, устойчивых к антибиотикам.
«Под воздействием жирных кислот поверхность мембраны тестируемого экстракта утолщается и образует складки, внутри цитоплазмы клетки были выявлены фрагменты клеточной стенки и так называемые «клетки-призраки», а структура мембраны претерпевает изменения, становясь однослойной. Следовательно, полученные данные указывают на потенциальную возможность регулирования и снижения распространения антибиотикоустойчивости у патогенных Klebsiella pneumoniae (процесс включает в себя воздействие на бактерии экстрактом, полученным из жира личинки чёрной львинки», – заявила Елена Марусич, научный руководитель проекта и старший научный сотрудник лаборатории персонализированной химиолучевой терапии МФТИ.
Научная статья: Марусич Е.И., Мохамед Х.; Биопленки штаммов MDR K. pneumoniae (hvKp) могут быть разрушены благодаря взаимодействию свободных жирных кислот с мембранами клеточных стенок бактерий; Биохимия. Дополнения. Серия А, том 19, 2025; doi.org/10.1134/S1990747825700448
Материалы подготовлены Центром научной коммуникации Московского физико-технического института