Ученые из Швейцарии обнаружили, что за антибиотикорезистентность синегнойной палочки отвечает механизм, который снижает способность этого патогена колонизировать слизистые оболочки хозяина. Полисахаридный слой, который могут продуцировать клетки бактерий, защищает их от воздействия антибиотика, но также ограничивает подвижность и доступ к питательным веществам.
Изображение:
Pseudomonas aeruginosa (оранжевый) растет на слое слизи в дыхательных путях (эпителиальные клетки дыхательных путей отмечены фиолетовым).
Credit:
Lucas Meirelles (EPFL) | пресс-релиз
Синегнойная палочка (Pseudomonas aeruginosa) — один из возможных возбудителей пневмонии, причем зачастую устойчивой к лечению антибиотиками. Однако механизмы адаптации этого патогена при инфекциях человека пока не до конца изучены. Коллектив исследователей из Швейцарии проанализировал, как синегнойная палочка растет и приобретает устойчивость к антибиотикам в тканях дыхательных путей.
Чтобы охарактеризовать адаптацию P. aeruginosa на поверхности слизистой оболочки, авторы секвенировали транспозонные вставки популяций бактерии, растущих на поверхности культур бронхиального эпителия. Такие культуры вырастили из клеток, полученных от здорового донора. Секвенирование выявило 620 генов, мутации в которых затрагивали приспособленность P. aeruginosa на поверхности слизистой оболочки по сравнению с использованным для заражения инокулятом (549 из них понижали приспособленность и 71 повышал). В основном эти гены были связаны с метаболизмом, а также с формированием биопленок и цикло-диГМФ-сигналингом.
Нарушения приспособленности были вызваны мутациями в генах, участвующих в биосинтезе аминокислот и нуклеотидов, указывая на то, что синегнойная палочка остро нуждается в этих соединениях. Также снижалась выживаемость мутантов, дефектных по генам утилизации глюкозы и лактата. По-видимому, они служат предпочтительными источниками углерода при колонизации слизистой оболочки.
Что интересно, в данных обнаружились также мутации, препятствующие образованию биопленок P. aeruginosa, хотя эти биопленки часто ассоциируют с хроническим поражением легких. При этом такие мутации повышали приспособленность бактерий. Отбору, в частности, подверглись гены, регулирующие продукцию циклического диГМФ (цдГМФ), уровень которого связан с выработкой полисахаридов и прочих компонентов внеклеточного матрикса. Мутанты с низким уровнем цдГМФ были более приспособлены к жизни на слизистой оболочке, чем к жидкой культуре.
Обитание в биопленках ограничивает подвижность бактериальных клеток. Авторы работы предположили, что это негативно влияет на рост P. aeruginosa на поверхности слизистой оболочки, поскольку локально истощает запасы питательных веществ и препятствует их поиску. Чтобы это проверить, колонизацию слизистой оболочки проследили с разрешением в одну бактерию. Синегнойная палочка, в клетках которой была постоянно повышена продукция цдГМФ, формировала биопленки и колонизировала поверхность медленнее, чем дикий тип, клетки которого распределялись равномерно. При этом бактерии дикого типа быстро убивали эпителиальные клетки, которые затем подвергались лизису. Биопленки мутантной синегнойной палочки лизировали эпителиальные клетки в меньшей степени, хотя и проявляли цитотоксическую активность в отношении тех клеток эпителия, которые находились в непосредственной близости от скопления бактерий. Авторы заключили, что, хотя образование биопленки ограничивает рост P. aeruginosa во время колонизации слизистой оболочки, оно, вероятно, минимизирует ущерб, наносимый тканям хозяина.
Следующим шагом стал анализ антибиотикорезистентности. Авторы работы провели секвенирование транспозоновых вставок популяций P. aeruginosa, которые росли на поверхности слизистой оболочки в присутствии ципрофлоксацина или тобрамицина. Они искали вставки, влияющие на чувствительность по сравнению с необработанным контролем — как толерантность к препарату, так и способность к восстановлению после его воздействия. Мутации в 45 генах влияли на чувствительность к ципрофлоксацину и в 235 генах — к тобрамицину. При этом мутации в 24 генах приводили к повышению приспособленности в ответ на обработку обоими антибиотиками. Здесь сильному отбору также подвергались варианты, связанные с продукцией цдГМФ, причем те мутации, которые повышали уровень этого соединения, увеличивали приспособленность бактерий, и наоборот.
Авторы приходят к выводу, что устойчивость P. aeruginosa к антибиотикам опосредована способностью формировать биопленки, а не альтернативными механизмами резистентности. Это вынуждает бактерию «искать компромисс» между способностью к агрессивной колонизации тканей и антибиотикорезистентностью, поскольку один и тот же механизм ослабляет первый признак и усиливает второй.
Источник
Meirelles, L.A., et al. Pseudomonas aeruginosa faces a fitness trade-off between mucosal colonization and antibiotic tolerance during airway infection. // Nat Microbiol (2024). DOI: 10.1038/s41564-024-01842-3