Zobrazování s vysokým rozlišením odhaluje, jak polymyxiny spouští rychlé uvolňování bakteriálního brnění

Tým vedený UCL (University College London) a Imperial College London Researchers poprvé ukázal, jak antibiotika zachraňující život polymyxiny propíchne brnění škodlivých bakterií.

Zjištění, zveřejněná v časopise Přírodní mikrobiologieMohlo by to vést k nové léčbě bakteriálních infekcí-zejména naléhavé, protože infekce odolné vůči drogám již zabíjejí více než milion lidí ročně.

Polymyxiny byly objeveny před více než 80 lety a používají se jako léčba posledních resortu pro infekce způsobené bakteriemi „gram negativních“. Tyto bakterie mají vnější povrchovou vrstvu, která působí jako brnění a zabraňuje určitým antibiotikům v pronikání do buňky. Je známo, že polymyxiny cílí na tuto vnější vrstvu, ale jak ji narušují a poté zabíjejí bakterie, stále nerozumí.

V nové studii výzkumný tým odhalil na obrázcích s vysokým rozlišením a biochemické experimenty, jak antibiotikum polymyxin B rychle způsobil, že se na povrchu vypukly hrboly a vyboulení na povrchu E. coli bakteriální buňka.

Po těchto výčnělcích, které se objevily během několika minut, následovala bakterie, která rychle uvolňovala její vnější brnění.

Na závěr vědci spustili antibiotikum, že buňku spustilo, aby produkovala a zbavila její brnění. Čím více se buňka pokusila vyrobit nový Amour, tím více ztratila amour, který vyráběl, a to tak, že v jeho obraně zanechala mezery, což umožnilo antibiotiku vstoupit do buňky a zabít ji.

Tým však zjistil, že k tomuto procesu – vystoupení, rychlá produkce a uvolňování brnění a buněčná smrt – došlo pouze tehdy, když byla buňka aktivní. U spících (spících) bakterií je výroba brnění vypnutá, což je antibiotika neúčinná.

Autor, který senior Dr. Andrew Edwards z Imperial, řekl: „Po celá desetiletí jsme předpokládali, že antibiotika, která se zaměřují na bakteriální brnění, byla schopna zabít mikroby v jakémkoli stavu, ať už se aktivně replikují nebo byli spící. Ale to není případ.

Prostřednictvím zachycení těchto neuvěřitelných obrazů jednotlivých buněk jsme dokázali ukázat, že tato třída antibiotik pracuje pouze s pomocí bakterie, a pokud buňky přecházejí do stavu podobného hibernaci, léky již nefungují – což je velmi překvapivé. “

Dr. Andrew Edwards, Imperial College London

Stát se spící umožňuje bakteriím přežít nepříznivé podmínky, jako je nedostatek jídla. Mohou zůstat spící po mnoho let a „probudit se“, když se podmínky stanou příznivějšími. To může například umožnit bakteriím přežít proti antibiotikům a znovu probudit, aby způsobily opakující se infekce v těle.

Spolu-seniorský autor profesor Bart Hoogenboom se sídlem v Londýně pro nanotechnologii na UCL uvedl: „Polymyxiny jsou důležitou obrannou linií proti gramnegativním bakteriím, které způsobují mnoho smrtelných infekcí odolných proti drogám. Je důležité, abychom rozuměli tomu, jak fungují.

„Naší další výzvou je použít tato zjištění k zefektivnění antibiotik. Jednou strategií může být kombinování léčby polymyxinu – kontraintuitivně – s léčbou, která podporuje produkci brnění a/nebo probudí„ spící “bakterie, aby tyto buňky mohly být také eliminovány.

„Naše práce také ukazuje, že musíme vzít v úvahu, v jakých státních bakteriích jsou, když hodnotíme účinnost antibiotik.“

The E. coli Buňky byly zobrazovány v Londýně Centrum pro nanotechnologii na UCL. Přes bakteriální buňka byla vedena malá jehla, jen několik nanometrů široké, „pocit“, aby vytvořil obraz (technika zvaná mikroskopie atomové síly) v mnohem vyšším rozlišení, než by bylo možné pomocí světla.

Co-author Carolina Borrelli, a PhD student at the London Centre for Nanotechnology at UCL, said: „It was incredible seeing the effect of the antibiotic at the bacterial surface in real-time. Our images of the bacteria directly show how much polymyxins can compromise the bacterial armor. It is as if the cell is forced to produce ‚bricks‘ for its outer wall at such a rate that this wall becomes disrupted, allowing Antibiotika k infiltru. “

Tým porovnával, jak aktivní (rostoucí) a neaktivní E. coli Buňky reagovaly na polymyxin B v laboratoři a zjistily, že antibiotikum účinně eliminovalo aktivní buňky, ale nezabíjely spící buňky.

Testovali také E. coli Reakce buněk s přístupem k cukru a bez ní (zdroj potravy, který probudí spící buňky). Když byl přítomen cukr, antibiotikum zabilo dříve spící buňky, ale teprve po zpoždění 15 minut – čas potřebný k tomu, aby bakterie konzumovaly cukr a obnovily produkci vnějšího brnění.

V podmínkách, kdy bylo antibiotikum účinné, zjistili vědci více brnění z bakterií. Pozorovali také boule, které se vyskytují přes povrch buňky.

V podmínkách, kdy to bylo neúčinné, se antibiotikum vázá na vnější membránu, ale způsobilo malé poškození.

Spoluautor Dr. Ed Douglas z Imperial řekl: „Zjistili jsme, že k narušení nejvzdálenějšího brnění bakterií došlo pouze tehdy, když bakterie konzumovaly cukr. Jakmile jsme to věděli, můžeme rychle zjistit, co se děje.“

Spoluautor profesor Boyan Bonev z University of Nottingham řekl: „Spolupráce nám poskytla jedinečné poznatky o bakteriální fyziologii a morfologii pod stresem, které zůstaly skryté po celá desetiletí. Nyní chápeme lépe slabé body bakterií.“