Резистентность бактерии к одному антибиотику приводит к резистентности и к другому
Антибиотики спасают жизни, но их использование также способствует развитию и распространению устойчивых к антибиотикам штаммов. По данным Центров по контролю и профилактике заболеваний, ежегодно в США бактерии, устойчивые к антибиотикам, заражают около 2,8 миллиона человек, убивая более 35 тысяч человек. Инфекции бактериями с множественной лекарственной устойчивостью, которые устойчивы к двум или более антибиотикам, особенно трудно поддаются лечению.
Эксперименты команды показали, что длительное воздействие одного типа антибиотика по существу «загрунтовывает» бактерии. Этот эффект увеличил вероятность того, что бактерии приобретут устойчивость к дополнительным антибиотикам даже в отсутствие дальнейшего воздействия препаратов, он же помогает штамму удерживать эти признаки устойчивости в течение нескольких поколений.
«Воздействие антибиотиков, по-видимому, косвенным образом выбирает более стабильные системы устойчивости к антибиотикам. Более стабильная система в штамме увеличивает вероятность того, приобретется устойчивость к множественным антибиотикам».
Бенджамин Керр, профессор биологии UW
Их результаты также показывают, как воздействие антибиотиков влияет на эволюционную динамику в бактериях. Это может помочь объяснить не только рост множественной лекарственной устойчивости у бактерий, но также и то, как устойчивость к антибиотикам сохраняется и распространяется в окружающей среде: в медицинских учреждениях, в почве из сельскохозяйственных стоков, даже спустя долгое время после прекращения воздействия антибиотиков.
Исследователи проверили общий механизм распространения устойчивости к антибиотикам у плазмид. Это кольцевые цепи ДНК, которые могут содержать много типов генов, включая гены устойчивости к антибиотикам. Бактерии легко обмениваются плазмидами даже между видами. И все же плазмиды имеют свои недостатки, и прошлые исследования показали, что бактерии с готовностью их теряют.
«Несмотря на то, что они могут нести полезные гены, плазмиды могут также вмешиваться во многие типы процессов внутри бактериальной клетки, такие как метаболизм или репликация ДНК. Таким образом, ученые обычно считают плазмиды дорогостоящими и обременительными для клетки-хозяина».
Ханна Джордт, ведущий автор исследования в области биологии
Команда университета работала с клетками E.coli, содержащими плазмиду, устойчивую к тетрациклину, и клетками Klebsiella pneumoniae, содержащими плазмиду, устойчивую к хлорамфениколу. Оба хозяина, которые ранее не выращивались в присутствии антибиотиков, не проявляли большой преданности своим плазмидам. После девяти дней в среде, свободной от антибиотиков, доля клебсиелл, все еще содержащих плазмиду, упала до уровня менее 50%. Для кишечной палочки — менее 20% сохранили свою плазмиду.
Когда исследователи подвергли штаммы антибиотикам, выращивая каждый из них на 400 поколений в своем соответствующем антибиотике, штаммы проявляли большее сродство к своим плазмидам даже после того, как угроза антибиотиками была снята. После девяти дней в среде, не содержащей антибиотиков, более половины клеток E.coli и Klebsiella удерживались с соответствующей плазмидой.
«Конечно, клетки нуждались в своих плазмидах, чтобы помочь им пережить воздействие антибиотиков. Но даже после того, как мы сняли это избирательное давление, оба штамма сохранили свои плазмиды на значительно более высоких уровнях, чем они имели до воздействия антибиотиков».
Ханна Джордт, ведущий автор исследования в области биологии
Кроме того, другие эксперименты показали, что воздействие антибиотиков усиливало возникновение множественной резистентности Клебсиеллы. Даже без воздействия антибиотиков Klebsiella pneumoniae может приобретать несколько плазмид. Например, когда исследователи собрали вместе штаммы, несущие плазмиды, не содержащие антибиотики, клебсиеллы и E. coli , небольшая фракция клебсиелл стала лекарственно устойчивой, сохранив свою плазмиду, устойчивую к хлорамфениколу, и приобрела плазмиду, устойчивую к тетрациклину, из E. coli . Но когда исследователи повторили эксперимент с использованием бактерий, подвергшихся воздействию антибиотиков, они обнаружили примерно в 1000 раз больше антибиотикорезистентных клебсиелл.
Предварительное длительное воздействие только одного антибиотика — хлорамфеникола — увеличивало вероятность того, что устойчивая к хлорамфениколу клебсиелла приобретет резистентную к тетрациклину плазмиду из кишечной палочки в среде, свободной от антибиотиков. Кроме того, эксперименты команды также показали, что, когда клетки устойчивые к антибиотикам выращивались позже в среде без антибиотиков, подвергнутая воздействию хлорамфеникола клебсиелла легче удерживалась обеими резистентными плазмидами.
Исследователи говорят, что эволюция может объяснить как стойкость плазмид, устойчивых к антибиотикам, так и увеличение лекарственной резистентности у клебсиелл: подвергание штаммов их соответствующему антибиотику, отобранному для мутаций в их геномах, чтобы минимизировать конфликт между плазмидой и хозяином, что делает его менее затратным сохранить эту плазмиду так же, как и другие.