Используя специальный микроскоп, ученым удалось наблюдать взаимодействие антибиотика и бактерии Escherichia coli. Полученные изображения высокого разрешения продемонстрировали, как лекарственное средство повреждает защитные оболочки микроорганизма. Это открытие может указать на перспективные методы борьбы с устойчивыми к лекарствам бактериями, которые плохо поддаются обычному лечению из-за сниженной скорости метаболизма.
Борьба с бактериями все больше походит на гонку вооружений: исследователи разрабатывают новые антибиотики, а микроорганизмы — новые методы сопротивления. Затруднения возникают в основном при противостоянии с так называемыми грамотрицательными бактериями. В эту группу входят возбудители пневмонии, менингита, брюшного тифа и ряда других серьезных заболеваний.
Их ключевое преимущество заключается в особом строении клеточной стенки, представляющей собой прочную защиту. Внутри бактерии находится основная цитоплазматическая мембрана, а снаружи ее заключает дополнительный, весьма надежный барьер — внешняя мембрана. Основными компонентами этой мембраны являются макромолекулы липополисахаридов. Эти структуры расположены близко друг к другу, формируя практически непроницаемый барьер для большинства лекарственных препаратов. Благодаря этой защите грамотрицательные бактерии демонстрируют высокую устойчивость.
Когда стандартные антибиотики оказываются неэффективными, специалисты прибегают к более сильным препаратам — препараты группы полимиксинов. Их применяют в крайних случаях, когда другие методы неэффективны. Ученые уже давно знали, что полимиксины воздействуют на внешнюю мембрану бактерий, не имеющих грамположительной окраски, однако конкретные детали этого воздействия оставались неясными. Специалисты не имели полного представления о способе уничтожения бактерий и не могли объяснить, почему даже эти сильные лекарства иногда оказываются бесполезными.
Группа британских ученых во главе с биологом Эндрю Эдвардсом провела исследование, в ходе которого ( Andrew Edwards) из Имперского колледжа Лондона предприняли попытку детально изучить этот вопрос. Результаты своей работы ученые представили в журнале Nature Microbiology.
Эдвардс и его соавторы использовали сочетание биохимических подходов и сканирующей атомно-силовой микроскопии. Данный метод микроскопии позволяет идентифицировать объекты, размеры которых составляют несколько нанометров. Микроскопическая игла, подобно чрезвычайно чувствительному пальцу, исследует клеточную поверхность и формирует ее детализированное трехмерное представление.
Этот мощный инструмент был использован исследователями для изучения кишечной палочки Escherichia coli — классическую грамотрицательную бактерию. Они обработали ее полимиксином B (один из двух основных полимиксинов, применяемых в клинической практике, наряду с колистином).
Наблюдая за клеткой под микроскопом, исследователи заметили, что на ее ровной поверхности стали формироваться необычные выпуклости и вздутия. Эти образования напоминали пузыри, которые лопались, высвобождая содержимое. Вскоре после их возникновения бактерия начала быстро терять свои защитные липополисахариды. Ученые непосредственно зафиксировали присутствие этих молекул в питательной среде, где находилась бактерия.
Анализ показал, что антибиотик не оказывает мгновенного разрушительного воздействия на клеточную стенку, а действует по принципу «саперской операции». Его присутствие дезориентирует бактерию. Чувствуя угрозу своей защите, микроорганизм в состоянии тревоги пытается укрепить ее, поспешно наращивая слой липополисахаридов.
Именно здесь заключается сложность. В условиях цейтнота бактерия утрачивает управление над ходом событий. Пока она добавляет новые элементы в одну область структуры, она же теряет старые из других участков. В ее надежной защите появляются кратковременные уязвимости.
«Действие антибиотика можно сравнить с использованием лома. Он способствует отслоению этих структур от внутренней оболочки. Внешняя мембрана при этом не разрушается полностью; напротив, в ней формируются отдельные дефекты — отверстия, через которые антибиотик проникает к внутренней мембране и наносит ей решающий урон», — объяснил Эдвардс.
В этой истории также есть и вторая, более значимая часть. Исследователи, наконец, выяснили, почему полимиксин В в некоторых случаях оказывается неэффективным. По их данным, вышеописанный механизм действует исключительно против бактерий, находящихся в фазе активного роста.
Микроорганизмы — сложные и коварные существа. В неблагоприятных условиях, таких как отсутствие питательных веществ, они способны переходить в состояние покоя, напоминающее спячку. В таком состоянии их обмен веществ значительно снижается, они прекращают рост и размножение, но при этом остаются живыми, ожидая более благоприятных обстоятельств.
Исследование, проведенное Эдвардсом и его соавторами, показало, что бактерии, находящиеся в состоянии покоя, прекращают синтез своей защитной оболочки. В связи с этим, полимиксин B теряет свою эффективность, поскольку у него не остается структуры для воздействия. Таким образом, бактерия в спящем состоянии становится неуязвимой для данного препарата.
И ученые разработали способ противодействия этому приему. Эксперты попытались «активировать» находящиеся в состоянии покоя E. coli, добавление сахара, который является лёгким источником питания, позволило пробудить бактерии. Эксперимент оказался успешным: микроорганизмы вышли из состояния покоя и за 15 минут возобновили синтез липополисахаридов. Одновременно с этим полимиксин B вновь продемонстрировал свою эффективность и уничтожил их.
Авторы научной работы полагают, что, в теории, возможно стимулировать активность спящих бактерий в организме пациента с помощью определенных сахаров, а затем уничтожить их полимиксином. Однако такая стратегия сопряжена с риском. Стимуляция спящих патогенов сахарами может спровоцировать их стремительное размножение и привести к внезапному ухудшению состояния.
Наиболее многообещающим представляется применение полученных сведений для создания комбинированной терапии. Возможно создание лекарственных средств, которые будут воздействовать на бактерию сразу по нескольким направлениям. Некоторые препараты позволят обходить состояние покоя, не активизируя микроорганизмы, в то время как другие нанесут точечный удар, используя механизм, который теперь полностью понятен ученым. Вероятно, подобная стратегия позволит победить даже самые стойкие возбудители.