Odkrycie potencjalnego „konia trojańskiego” do leczenia uporczywych infekcji bakteryjnych

Odkrycie dokonane przez naukowców z Washington State University może pewnego dnia zostać wykorzystane jako alternatywa dla antybiotyków w leczeniu trudnych infekcji. Relacja w czasopiśmie pt. BiofilmNaukowcy wykorzystali przekaźniki, które nazwali zewnątrzkomórkowymi pęcherzykami śmierci (D-EV), aby w eksperymentach laboratoryjnych ograniczyć rozwój społeczności bakteryjnych nawet o 99,99%.

„Dodając martwe pęcherzyki zewnątrzkomórkowe do środowiska bakteryjnego, w pewnym sensie oszukujemy komórki bakteryjne” – powiedziała Maura Jamal Saad, pierwsza autorka artykułu i absolwentka Szkoły Chemii i Bioinżynierii Gene and Linda Voiland na WSU. „Komórki nie wiedzą, jakiego typu są komórkami elektrycznymi, ale je wychwytują, ponieważ są przyzwyczajone do pobierania ich ze swojego otoczenia, w związku z czym sygnały fizjologiczne w komórkach zmieniają się od wzrostu do śmierci”.

Oporność bakterii jest coraz większym problemem na całym świecie. Według Amerykańskiego Centrum Kontroli Chorób w Stanach Zjednoczonych co roku co najmniej 2 miliony infekcji i 23 000 zgonów przypisuje się bakteriom opornym na antybiotyki. Kiedy lekarze stosują antybiotyki w celu leczenia infekcji bakteryjnej, niektóre bakterie mogą ukryć się w swoich lepkich, nieprzeniknionych domach zwanych biofilmami. Te oporne podzbiory komórek mogą przetrwać leczenie oraz są w stanie rosnąć i namnażać się, co prowadzi do przewlekłych infekcji.

„Są odporni, ponieważ mają bardzo zaawansowany i dobrze zorganizowany system adaptacyjny” – powiedział Saad. „Gdy nastąpi zmiana w środowisku, mogą bardzo szybko dostosować swoje szlaki wewnątrzkomórkowe i zmienić je tak, aby były odporne na antybiotyki”.

W nowym badaniu naukowcy odkryli, że pęcherzyki zewnątrzkomórkowe odgrywają kluczową rolę w zarządzaniu wzrostem biofilmów ochronnych. Pęcherzyki to maleńkie pęcherzyki o wielkości od 30 do 50 nanometrów, czyli około 2000 razy mniejsze od pasma włosów, które transportują cząsteczki z komórek, przedostają się do sąsiednich komórek, a następnie przeprogramowują je i działają jak system komunikacji między komórkami.

W ramach tego badania naukowcy pobrali pęcherzyki z jednego rodzaju bakterii wywołujących zapalenie płuc i inne poważne infekcje. Ustalili, że bakterie początkowo wydzielają pęcherzyki, zwane EV wzrostu, z instrukcjami dotyczącymi wzrostu własnego biofilmu, a następnie, w zależności od dostępnych składników odżywczych, dostępności tlenu i innych czynników, wysyłają EV z nowymi instrukcjami zatrzymania wzrostu biofilmu.

Naukowcom udało się okiełznać pęcherzyki z instrukcjami zatrzymania wzrostu i wykorzystać je do nakłonienia bakterii do zabicia biofilmu na wszystkich etapach ich wzrostu. Nawet gdy biofilmy były zdrowe i szybko rosły, postępowały zgodnie z nowymi instrukcjami śmiercionośnych pojazdów elektrycznych i ginęły. Umierające pojazdy elektryczne mogą z łatwością przenikać przez biofilmy, ponieważ są naturalnymi produktami wydzielanymi przez bakterie i mają tę samą strukturę ściany komórkowej, dzięki czemu komórki nie rozpoznają w nich obcego wroga.

„Oszukując bakterie za pomocą tych śmiercionośnych pojazdów elektrycznych, możemy kontrolować ich zachowanie, nie dając im możliwości rozwinięcia odporności” – powiedział Saad. „Zachowanie biofilmów zmieniło się od wzrostu do śmierci”.

Profesor WSU i autor korespondent Wen-Ji Dong, który od kilku lat bada pęcherzyki, początkowo sądził, że wszystkie pęcherzyki wydzielane przez bakterie będą sprzyjać wzrostowi komórek. Naukowcy ze zdziwieniem odkryli, że starożytne biofilmy zawierają instrukcje dotyczące zamykania się.

„Dlatego teraz zwracamy uwagę na pęcherzyki zewnątrzkomórkowe wydzielane przez starożytne biofilmy, ponieważ mają one potencjał terapeutyczny” – powiedział.

Naukowcy ubiegają się o fundusze na badania od Narodowego Instytutu Zdrowia w celu dalszego zbadania działania przekaźników i skuteczności tego procesu w przypadku innych gatunków bakterii i grzybów. Współpracują z biurem marketingowym WSU i złożyli wniosek o tymczasowy patent.