Как кишечный микробиом реагирует на антибиотики: исследование выявляет эволюционные механизмы.
Антибиотики влияют на состав и динамику микробиома кишечника. Лечение антибиотиками не только приводит к потере биоразнообразия микроорганизмов, но и нередко способствует селекции резистентных штаммов бактерий. Пока неясно, как микробиом реагирует на повторную антибактериальную терапию.
В доклиническом исследовании международная исследовательская группа под руководством двух ученых DZIF использовала анализ метагенома и культивирования для выявления эволюционных механизмов , которые способствуют устойчивости микробного сообщества после повторного введения антибиотиков. Исследование опубликовано в журнале Cell Host & Microbe.
Микробиом кишечника каждого человека содержит определенное сообщество микроорганизмов, которое обычно остается стабильным в течение многих лет. Тем не менее, это может быть нарушено такими факторами, как диетические изменения, инфекции или лекарства. В частности, антибиотики оказывают сильное влияние на микробиом. В ответ микроорганизмы используют различные механизмы резистентности, при этом отдельные бактериальные популяции развиваются путем отбора устойчивых к антибиотикам вариантов. Однако масштабы и механизмы этих процессов и их влияние на экологию микробного сообщества изучены недостаточно.
В комплексном метагеномном исследовании ученые DZIF профессор Бербель Штехер и профессор Элис МакХарди вместе с международной исследовательской группой исследовали эволюцию кишечных бактерий, подвергавшихся неоднократному воздействию антибиотиков . Для этой цели они использовали модель гнотобиотических мышей, т.е. мышей содержали без микробов и стабильно колонизировали известным консорциумом бактерий. Эта модель позволяет проводить эволюционные исследования отдельных членов сообщества в естественном хозяине в четко определенных и контролируемых условиях.
Затем исследователи проанализировали влияние различных классов антибиотиков на микробиом в течение 80 дней. Используя метагеномный анализ, они отследили отбор предполагаемых мутаций, способствующих устойчивости к антибиотикам, в бактериальных популяциях, а затем проанализировали характеристики эволюционировавших бактериальных клонов, выделенных из сообществ.
«Мы смогли проследить, как повторная антибиотикотерапия приводит к отбору устойчивых к антибиотикам комменсальных бактерий, что через некоторое время повышает устойчивость микробного сообщества к определенным антибиотикам, таким как тетрациклины. Помимо адаптации микробиома посредством эволюции отдельных микроорганизмов, мы также нашли доказательства развития резистентности отдельных бактерий за счет замедления роста клеток. Микробиом, так сказать, адаптируется к лечению и лучше выдерживает его», — говорит Стечер, координатор направления исследований желудочно-кишечных инфекций в Немецкий центр инфекционных исследований (DZIF) и профессор медицинской микробиологии и гигиены в Институте Макса фон Петтенкофера Мюнхенского университета Людвига-Максимилиана (LMU).
Кроме того, исследовательская группа наблюдала индукцию профагов, вызванную лечением некоторыми антибиотиками. В этом процессе активируются лизогенные бактериофаги, чьи геномы интегрированы в бактериальные геномы , после чего они размножаются и лизируют клетки-хозяева при высвобождении новых вирусных частиц. «Это пример того, как антибиотики могут косвенно влиять на выживаемость бактерий», — говорит доктор Филипп Мюнх, первый автор исследования.
В целом исследование показывает огромное разнообразие реакции микробиома на лечение антибиотиками. Это включает, например, экологические эффекты, такие как ингибирование микроорганизма путем элиминации важной бактерии-«партнера» в метаболической сети экосистемы кишечника.
«Из-за такой высокой сложности прямых и непрямых реакций трудно предсказать, на какие виды повлияет лечение антибиотиком, даже на гнотобиотических моделях животных с определенным сообществом микроорганизмов», — говорит профессор Элис Макхарди, заместитель координатора по биоинформатике. и машинного обучения в DZIF и руководитель отдела вычислительной биологии для исследования инфекций в Центре исследований инфекций им. Гельмгольца, организации-члене DZIF.
