Анализ последовательности генома выявил новый фактор устойчивости к противомикробным препаратам

Антибиотики — это средство спасения жизни. Однако из-за их хронического чрезмерного использования микробы эволюционируют и вырабатывают иммунитет против них. В результате некогда эффективные лекарства больше не могут предотвращать инфекции, что усложняет лечение и увеличивает смертность.

Исследование Университета Олбани недавно опубликовано в журнале Природа Коммуникации выявлен новый генетический механизм, который позволяет распространять устойчивость к противомикробным препаратам среди смертельных бактерий.

Бактерия Klebsiella pneumoniae является третьей по значимости причиной инфекций крови в мире. Обычно встречающаяся на слизистых оболочках человека, таких как дыхательная система и желудочно-кишечный тракт, при возможности проникновения бактерия может вызвать пневмонию и серьезные инфекции крови и мочевыводящих путей. Эти инфекции могут вызвать мощный иммунный ответ, который может привести к отказу органов и смерти.

«Мы знаем, что многие важные с медицинской точки зрения бактерии больше не реагируют на антибиотики, а некоторые из них устойчивы к нескольким препаратам», — говорит соавтор Шерил Андам, доцент кафедры биологических наук и Института РНК.

«В этом исследовании, совместно с врачами Медицинского центра Дартмут-Хичкок, мы стремились понять генетические факторы, которые позволяют Klebsiella pneumoniae развивать устойчивость к противомикробным препаратам, путем анализа последовательностей генома бактерий от пациентов с диагностированными инфекциями кровотока. Эта работа дает представление о том, как эти бактерии вырабатывают гены устойчивости и распространяют их в популяции».

Исследование представляет собой новую область, называемую геномной эпидемиологией, в которой ученые отслеживают болезнетворные бактерии во времени и пространстве, используя секвенирование всего генома, чтобы понять, как патоген развивается и распространяется. Это требует идентификации всех генов и генетических вариантов, переносимых отдельными штаммами бактерий в популяции.

Исследователи проанализировали генетические последовательности 136 изолятов K. pneumoniae, собранных у взрослых и детей с инфекциями крови в медицинском центре Дартмут-Хичкок за пятилетний период (2017–2022). Они идентифицировали 94 различные генетические последовательности, что указывает на высокий уровень генетического разнообразия в пределах отобранной популяции K. pneumoniae.

Они также протестировали последовательности генома против 20 различных антибиотиков, чтобы определить, включала ли популяция штаммы, известные как устойчивые. Так и было. Образец включал 64 уникальных гена, кодирующих устойчивость к десяти классам антимикробных препаратов. Среди них были штаммы, известные как гипервирулентные и полирезистентные.

Что особенно важно, команда обнаружила, как K. pneumoniae распространяет гены устойчивости: через плазмиды. Плазмиды — это мобильные генетические структуры, которые могут переносить множественные гены устойчивости и распространять их на другие бактерии. Этот механизм способствует эволюции более сильной и устойчивой популяции бактерий.

«Мы обнаружили, что плазмиды играют важную роль в передаче генов, кодирующих ферменты, которые делают многие антибиотики неэффективными», — сказал Андам. «В частности, мы обнаружили почти генетически идентичные плазмиды, несущие гены, кодирующие устойчивость к нескольким антибиотикам, в K. pneumoniae, выделенных от разных пациентов с разницей в два года.

«Это означает, что эти плазмиды могут сохраняться в течение длительного времени и оставаться эффективными в распространении и возникновении штаммов с множественной лекарственной устойчивостью, которые очень трудно поддаются лечению».

Это новое понимание ляжет в основу стратегий мероприятий в области общественного здравоохранения, направленных на контроль распространения клонов бактерий высокого риска.

«Продолжение наблюдения и дальнейшие геномные эпидемиологические исследования в медицинских учреждениях углубит наше понимание устойчивости к противомикробным препаратам, обусловленной плазмидами, и того, как этот механизм формирует риски для здоровья уязвимых пациентов и общества в целом», — сказал Андам.

«Устойчивость к противомикробным препаратам представляет собой глобальную угрозу, поскольку микробные заболевания, вызываемые бактериями, вирусами, паразитами и грибками, становятся невосприимчивыми к лекарственной терапии и могут вызывать опасные для жизни инфекции», — заявила заслуженный профессор Марлен Белфорт, старший научный сотрудник Института РНК в Университете Олбани.

«Это огромная проблема, поскольку лекарства, которые обычно убивают эти инфекционные организмы, становятся неэффективными. Считается, что устойчивость к противомикробным препаратам представляет собой такую ​​же угрозу человечеству, как изменение климата и голод во всем мире.

«Лаборатория Андама показала, что генетические элементы, называемые плазмидами, являются причиной того, что бактерии клебсиеллы преобразуются в штаммы, устойчивые к нескольким антибиотикам. Эти плазмиды могут перемещаться от одного патогенного микроба к другому, перенося с собой гены, вызывающие устойчивость к антибиотикам.

«Понимание механизмов распространения устойчивости к антибиотикам среди K. pneumoniae является важным шагом на пути к пониманию более широкой проблемы устойчивости к противомикробным препаратам и разработке методов лечения опасных устойчивых штаммов».