Инженерные бактерии могут помочь защитить «хорошие» кишечные микробы от антибиотиков

Антибиотики — это лекарства, спасающие жизнь, но они также могут нанести вред полезным микробам, живущим в кишечнике человека. После лечения антибиотиками у некоторых пациентов существует риск развития воспаления или оппортунистических инфекций, таких как Clostridiodes difficile. Неизбирательное использование антибиотиков против кишечных микробов также может способствовать распространению устойчивости к лекарствам.

Стремясь снизить эти риски, инженеры Массачусетского технологического института разработали новый способ защиты естественной флоры пищеварительного тракта человека. Они взяли штамм бактерий, который безопасен для потребления человеком, и разработали его для безопасного производства фермента, расщепляющего класс антибиотиков, называемых бета-лактамами. К ним относятся ампициллин, амоксициллин и другие часто используемые препараты.

Когда это «живое биотерапевтическое средство» дается вместе с антибиотиками, оно защищает микробиоту в кишечнике, но позволяет поддерживать высокий уровень антибиотиков, циркулирующих в кровотоке, как обнаружили исследователи в исследовании на мышах.

«Эта работа показывает, что синтетическую биологию можно использовать для создания нового класса инженерных терапевтических средств для снижения побочных эффектов антибиотиков», — говорит Джеймс Коллинз, профессор медицинской инженерии и науки в Термеере в Институте медицинской инженерии и науки Массачусетского технологического института (IMES). и Департамент биологической инженерии, а также старший автор нового исследования.

Андрес Кубильос-Руис, доктор философии ’15, научный сотрудник IMES и Института биологической инженерии Висса при Гарвардском университете, является ведущим автором статьи, которая опубликована сегодня в Природная биомедицинская инженерия. Среди других авторов – аспиранты Массачусетского технологического института Мигель Алькантар и Пабло Карденас, штатный научный сотрудник Института Висса Нина Донгиа и научный сотрудник Института Броуда Джулиан Авила-Пачеко.

Защита кишечника

Исследования, проведенные за последние два десятилетия, показали, что микробы в кишечнике человека играют важную роль не только в обмене веществ, но и в работе иммунной и нервной систем.

«На протяжении всей вашей жизни эти кишечные микробы собираются в очень разнообразное сообщество, которое выполняет важные функции в вашем теле», — говорит Кубильос-Руис. «Проблема возникает, когда такие вмешательства, как лекарства или определенные виды диет, влияют на состав микробиоты и создают измененное состояние, называемое дисбиозом. Одни микробные группы исчезают, а метаболическая активность других возрастает. Этот дисбаланс может привести к различным проблемам со здоровьем».

Одним из серьезных осложнений, которые могут возникнуть, является инфицирование С. трудный, микроб, который обычно живет в кишечнике, но обычно не причиняет вреда. Когда антибиотики убивают штаммы, конкурирующие с С. трудныйоднако эти бактерии могут взять верх и вызвать диарею и колит. С. трудный ежегодно заражает около 500 000 человек в Соединенных Штатах и ​​вызывает около 15 000 смертей.

Врачи иногда назначают пробиотики (смеси полезных бактерий) людям, принимающим антибиотики, но эти пробиотики обычно также чувствительны к антибиотикам и не полностью воспроизводят нативную микробиоту кишечника.

«Стандартные пробиотики не могут сравниться с разнообразием местных микробов», — говорит Кубильос-Руис. «Они не могут выполнять те же функции, что и родные микробы, которых вы взращивали на протяжении всей своей жизни».

Чтобы защитить микробиоту от антибиотиков, исследователи решили использовать модифицированные бактерии. Они создали штамм бактерий под названием лактококк лактис, который обычно используется в производстве сыра, для доставки фермента, расщепляющего бета-лактамные антибиотики. Эти препараты составляют около 60% антибиотиков, выписываемых в США.

Когда эти бактерии доставляются перорально, они временно заселяют кишечник, где секретируют фермент, называемый бета-лактамазой. Затем этот фермент расщепляет антибиотики, которые достигают кишечного тракта. Когда антибиотики вводятся перорально, лекарства попадают в кровоток в основном из желудка, поэтому они все еще могут циркулировать в организме в больших количествах. Этот подход также можно использовать вместе с антибиотиками, которые вводятся инъекционно и в конечном итоге также попадают в кишечник. После завершения своей работы сконструированные бактерии выводятся из организма через пищеварительный тракт.

Использование сконструированных бактерий, разлагающих антибиотики, предъявляет уникальные требования безопасности: ферменты бета-лактамазы придают устойчивость к антибиотикам клеткам-убежищам, а их гены могут легко распространяться между различными бактериями. Чтобы решить эту проблему, исследователи использовали подход синтетической биологии, чтобы перекодировать способ, которым бактерия синтезирует фермент. Они разделили ген бета-лактамазы на две части, каждая из которых кодирует фрагмент фермента. Эти генные сегменты расположены на разных участках ДНК, что делает крайне маловероятным перенос обоих генных сегментов в другую бактериальную клетку.

Эти фрагменты бета-лактамазы экспортируются за пределы клетки, где они собираются повторно, восстанавливая ферментативную функцию. Поскольку бета-лактамаза теперь может свободно распространяться в окружающей среде, ее активность становится «общественным благом» для кишечных бактериальных сообществ. Это не позволяет сконструированным клеткам получить преимущество перед нативными кишечными микробами.

«Наша стратегия биосдерживания позволяет доставлять ферменты, разлагающие антибиотики, в кишечник без риска горизонтального переноса генов другим бактериям или получения дополнительных конкурентных преимуществ за счет живых биотерапевтических средств», — говорит Кубильос-Руис.

Поддержание микробного разнообразия

Чтобы проверить свой подход, исследователи давали мышам две пероральные дозы сконструированных бактерий на каждую инъекцию ампициллина. Сконструированные бактерии пробились в кишечник и начали выделять бета-лактамазу. У этих мышей исследователи обнаружили, что количество ампициллина, циркулирующего в кровотоке, было таким же высоким, как и у мышей, которые не получали модифицированные бактерии.

В кишечнике мышей, получавших искусственные бактерии, поддерживали гораздо более высокий уровень микробного разнообразия по сравнению с мышами, получавшими только антибиотики. У этих мышей уровень микробного разнообразия резко снизился после того, как они получили ампициллин. Кроме того, ни у одной из мышей, которым вводили сконструированные бактерии, не развились условно-патогенные микроорганизмы. С. трудный инфекций, в то время как у всех мышей, получавших только антибиотики, наблюдался высокий уровень С. трудный в кишечнике.

«Это убедительная демонстрация того, что этот подход может защитить микробиоту кишечника, сохраняя при этом эффективность антибиотика, поскольку вы не изменяете его уровень в кровотоке», — говорит Кубильос-Руис.

Исследователи также обнаружили, что устранение эволюционного давления лечения антибиотиками значительно снижает вероятность того, что кишечные микробы разовьют устойчивость к антибиотикам после лечения. Напротив, они обнаружили много генов устойчивости к антибиотикам у микробов, которые выжили у мышей, получавших антибиотики, но не у сконструированных бактерий. Эти гены могут передаваться вредоносным бактериям, что усугубляет проблему устойчивости к антибиотикам.

В настоящее время исследователи планируют начать разработку версии лечения, которое можно будет протестировать на людях с высоким риском развития острых заболеваний, вызванных дисбиозом кишечника, вызванным антибиотиками, и они надеются, что в конечном итоге его можно будет использовать для защиты всех, кто нуждается в лечении. принимать антибиотики при инфекциях вне кишечника.

«Если действие антибиотика в кишечнике не нужно, то нужно защищать микробиоту. Это похоже на то, как когда вы делаете рентген, вы надеваете свинцовый фартук, чтобы защитить остальную часть тела от ионизирующего излучения», — говорит Кубильос-Руис. «Ни одно предыдущее вмешательство не могло предложить такой уровень защиты. С нашей новой технологией мы можем сделать антибиотики более безопасными, сохранив полезные кишечные микробы и уменьшив вероятность появления новых устойчивых к антибиотикам вариантов».

Исследование финансировалось Агентством по уменьшению угрозы обороны, группой Пола Г. Аллена Frontiers, Институтом Висса и стипендией для выпускников Национального научного фонда.