Οι μεταβολικές µεταλλάξεις βοηθούν τα βακτήρια να αντισταθούν στη θεραπεία µε φάρμακα

Η μελέτη υποδηλώνει ότι ο εξαναγκασμός των βακτηρίων να κάψουν περισσότερη ενέργεια θα μπορούσε να τα καταστήσει πιο ευαίσθητα στα αντιβιοτικά.

Τα βακτήρια έχουν πολλούς τρόπους να αποφεύγουν τα αντιβιοτικά που χρησιμοποιούμε εναντίον τους. Κάθε χρόνο, τουλάχιστον 2,8 εκατομμύρια άνθρωποι στις Ηνωμένες Πολιτείες αναπτύσσουν μια ανθεκτική στα αντιβιοτικά μόλυνση, και περισσότεροι από 35.000 άνθρωποι πεθαίνουν από τέτοιες λοιμώξεις, σύμφωνα με τα Κέντρα Ελέγχου Νόσων των ΗΠΑ.

  Οι περισσότερες από τις μεταλλάξεις που είναι γνωστό ότι προκαλούν αντοχή εμφανίζονται στα γονίδια που αποτελούν στόχο ενός συγκεκριμένου αντιβιοτικού. Άλλες ανθεκτικές µεταλλάξεις επιτρέπουν στα βακτήρια να διασπάσουν τα αντιβιοτικά ή να τα αντλήσουν µέσω των κυτταρικών τους μεμβρανών.

  Οι ερευνητές του MIT έχουν πλέον εντοπίσει μια άλλη κατηγορία μεταλλάξεων που βοηθά τα βακτήρια να αναπτύξουν αντίσταση. Σε μια μελέτη του βακτηρίου Ε. coli, ανακάλυψαν ότι οι μεταλλάξεις γονιδίων που εμπλέκονται στο μεταβολισμό μπορούν επίσης να βοηθήσουν τα βακτήρια να αποφύγουν τις τοξικές επιδράσεις των αρκετών διαφορετικών αντιβιοτικών. Τα ευρήματα έριξαν φως σε μια θεμελιώδη πτυχή του τρόπου λειτουργίας των αντιβιοτικών και προτείνουν πιθανές νέες οδούς για την ανάπτυξη φαρμάκων που θα μπορούσαν να ενισχύσουν την αποτελεσματικότητα των υπαρχόντων αντιβιοτικών, αναφέρουν οι ερευνητές.

  “Η μελέτη αυτή μας δίνει ιδέες για το πώς μπορούμε να ενισχύσουμε την αποτελεσματικότητα των ήδη υπαρχόντων αντιβιοτικών καθώς τονίζει ότι ο μεταγενέστερος μεταβολισμός διαδραματίζει σημαντικό ρόλο. Συγκεκριμένα, το έργο μας δείχνει ότι η δολοφονική αποτελεσματικότητα ενός αντιβιοτικού μπορεί να ενισχυθεί εάν μπορεί κάποιος μπορεί να αυξήσει τη μεταβολική απόκριση του παθογόνου που έχει υποστεί θεραπεία”, αναφέρει ο James Collins, Καθηγητής Ιατρικής Μηχανικής και Επιστημών στο Ινστιτούτο Ιατρικής Μηχανικής και Επιστημών του ΜΙΤ (IMES) και στο Τμήμα Βιολογικής Μηχανικής.

  Ο Collins είναι ο ανώτερος συγγραφέας της μελέτης, η οποία εμφανίζεται σήμερα στην Επιστήμη. Η βασική συγγραφέας της εφημερίδας είναι η Allison Lopatkin, πρώην μεταδιδακτορική φοιτήτρια στο ΜΙΤ , η οποία είναι πλέον βοηθός καθηγητή υπολογιστικής βιολογίας στο Κολέγιο Μπάρναρντ στο Πανεπιστήμιο Κολούμπια.

Μεταβολικός έλεγχος

Η νέα μελέτη βασίζεται σε προηγούμενες εργασίες του εργαστηρίου του Collins’, οι οποίες δείχνουν ότι όταν θεραπεύονται με αντιβιοτικά, πολλά βακτήρια αναγκάζονται να αυξήσουν το μεταβολισμό τους, οδηγώντας σε συσσώρευση τοξικών υποπροϊόντων. Αυτά τα υποπροϊόντα καταστρέφουν τα κύτταρα και συμβάλλουν στο θάνατό τους.

  Ωστόσο, παρά το ρόλο του υπερδραστικού μεταβολισμού στον κυτταρικό θάνατο, οι επιστήμονες δεν είχαν βρει στοιχεία που να δείχνουν ότι αυτή η μεταβολική πίεση οδηγεί σε μεταλλάξεις που βοηθούν τα βακτήρια να διαφύγουν τα φάρμακα. Ο Collins και ο Lopatkin ξεκίνησαν να δουν αν θα μπορούσαν να βρουν τέτοιες μεταλλάξεις.

  Πρώτον, διεξήγαγαν μελέτη παρόμοια με εκείνη που συνήθως χρησιμοποιείται για την αναζήτηση μεταλλάξεων ανθεκτικότητας στα αντιβιοτικά. Σε αυτόν τον τύπο οθόνης, γνωστή ως προσαρμοστική εξέλιξη, οι ερευνητές ξεκινούν με ένα εργαστηριακό στέλεχος Ε.coli και στη συνέχεια με το να χορηγηθούν στα κύτταρα σταδιακά αυξανόμενες δόσεις ενός συγκεκριμένου αντιβιοτικού. Οι ερευνητές ακολουθούν τα γονιδιώματα των κυττάρων για να δουν τι είδους μεταλλάξεις προέκυψαν κατά τη διάρκεια της θεραπείας. Η προσέγγιση αυτή δεν έχει προηγουμένως προκαλέσει μεταλλάξεις στα γονίδια που εμπλέκονται στον μεταβολισμό, λόγω των περιορισμών στον αριθμό των γονιδίων που θα μπορούσαν να αλληλουχηθούν.

  “Πολλές από τις μελέτες που προηγήθηκαν έχουν εξετάσει κάποιους μεμονωμένους εξελισσόμενους κλώνους, ή αλληλουχούν ίσως μερικά από τα γονίδια όπου αναμένουμε να δούμε μεταλλάξεις επειδή σχετίζονται με το πώς δρα το φάρμακο”, αναφέρει ο Lopatkin . “Αυτό μας δίνει μια πολύ ακριβή εικόνα αυτών των γονιδίων αντίστασης, αλλά περιορίζει την άποψή μας για οτιδήποτε άλλο υπάρχει.”

  Για παράδειγμα, η αντιβιοτική σιπροφλοξασίνη στοχεύει στη DNA γυράση, ένα ένζυμο που εμπλέκεται στην αντιγραφή του DNA, και αναγκάζει το ένζυμο να καταστρέψει το DNA των κυττάρων. Κατά τη θεραπεία µε σιπροφλοξασίνη, τα κύτταρα συχνά αναπτύσσουν µεταλλάξεις στο γονίδιο της DNA γυράσης που τους επιτρέπουν να διαφύγουν από αυτό το μηχανισμό.

  Στην πρώτη τους προσαρμοστική οθόνη εξέλιξης, η ομάδα MIT ανέλυσε περισσότερο E. Coli κύτταρα και πολλά περισσότερα γονίδια από όσα είχαν μελετηθεί στο παρελθόν. Αυτό τους επέτρεψε να αναγνωρίσουν μεταλλάξεις σε 24 μεταβολικά γονίδια, συμπεριλαμβανομένων γονιδίων που σχετίζονται με το μεταβολισμό αμινοξέων και τον κύκλο του άνθρακα — το σύνολο των χημικών αντιδράσεων που επιτρέπουν στα κύτταρα να εξάγουν ενέργεια από τη ζάχαρη, απελευθερώνοντας διοξείδιο του άνθρακα ως υποπροϊόν.

  Για να εξομαλύνουν ακόμα περισσότερο τις μεταλλάξεις που σχετίζονται με το μεταβολισμό, οι ερευνητές διενήργησαν μια δεύτερη οθόνη στην οποία ανάγκασαν τα κύτταρα σε αυξημένη μεταβολική κατάσταση. Σε αυτές τις μελέτες, Ε. coli αντιμετωπιζόταν με υψηλή συγκέντρωση αντιβιοτικού κάθε μέρα, σε αυξανόμενες θερμοκρασίες. Οι μεταβολές της θερμοκρασίας σταδιακά οδήγησαν τα κύτταρα σε μια πολύ ενεργή μεταβολική κατάσταση, και ταυτόχρονα, σταδιακά εξελίσσονταν η αντίσταση στο φάρμακο.

  Οι ερευνητές στη συνέχεια ακολουθούσαν τα γονιδιώματα αυτών των βακτηρίων και βρήκαν κάποιες από τις ίδιες μεταλλάξεις που σχετίζονταν με το μεταβολισμό που είδαν στην πρώτη οθόνη, καθώς και επιπρόσθετες μεταλλάξεις στα γονίδια του μεταβολισμού. Αυτά περιελάμβαναν γονίδια που ενέχονταν στη σύνθεση των αμινοξέων, ιδίως του γλουταμινικού οξέος, καθώς και τα γονίδια του κύκλου του άνθρακα. Στη συνέχεια συνέκριναν τα αποτελέσματά τους με μια βιβλιοθήκη γονιδιωμάτων ανθεκτικών βακτηρίων που απομονώθηκαν από ασθενείς και βρήκαν πολλές από τις ίδιες μεταλλάξεις.

Νέοι στόχοι

Οι ερευνητές στη συνέχεια σχεδίασαν κάποιες από αυτές τις μεταλλάξεις σε τυπικά Ε.coli στελέχη και βρήκαν ότι οι ρυθμοί της κυτταρικής αναπνοής τους μειώθηκε σημαντικά. Κατά τη θεραπεία των κυττάρων αυτών µε αντιβιοτικά, απαιτήθηκαν πολύ µεγαλύτερες δόσεις για τη θανάτωση των βακτηρίων. Αυτό υποδηλώνει ότι µε την µείωση του μεταβολισμού τους µετά από φαρμακευτική αγωγή, τα βακτήρια µπορούν να αποτρέψουν την παραγωγή επιβλαβών υποπροϊόντων.

  Τα ευρήματα αυξάνουν την πιθανότητα ότι η εξαναγκασμός των βακτηρίων σε αυξημένη μεταβολική κατάσταση θα μπορούσε να αυξήσει την αποτελεσματικότητα των υπαρχόντων αντιβιοτικών, αναφέρουν οι ερευνητές. Τώρα σχεδιάζουν να ερευνήσουν περαιτέρω πώς αυτές οι µεταβολικές µεταλλάξεις βοηθούν τα βακτήρια να διαφύγουν τα αντιβιοτικά, µε την ελπίδα ότι θα ανακαλύψουν πιο συγκεκριμένους στόχους για νέα ανοσοενισχυτικά φάρμακα.

  “Πιστεύω ότι τα αποτελέσματα αυτά είναι πραγματικά συναρπαστικά καθώς απελευθερώνει γενετικούς στόχους που θα μπορούσαν να βελτιώσουν την αντιβιοτική αποτελεσματικότητα, οι οποίοι δεν διερευνώνται επί του παρόντος”, λέει ο Lopatkin. “Οι νέοι μηχανισμοί αντίστασης είναι πραγματικά συναρπαστικοί καθώς δίνουν πολλές νέες κατευθύνσεις έρευνας για να παρακολουθήσουν και για να δουν σε ποιο βαθμό πρόκειται να βελτιωθεί η αποτελεσματικότητα για τη θεραπεία κλινικών στελεχών.”

  Η έρευνα χρηματοδοτήθηκε από την Υπηρεσία Αμυντικής Μείωσης Απειλών, τα Εθνικά Ινστιτούτα Υγείας, το Πρόγραμμα Μεταπτυχιακής Ερευνητικής Συνεργασίας του Εθνικού Ιδρύματος Επιστημών, το Ευρύ Ινστιτούτο του ΜΙΤ και του Χάρβαρντ, και ένα δώρο από την Anita και Josh Bekenstein.

Πηγή: https://www.sciencedaily.com/releases/2021/02/210218142742.htm

Materials provided by Massachusetts Institute of Technology. Original written by Anne Trafton. Note: Content may be edited for style and length.