Живой защитник микрофлоры
Антибиотикотерапия уничтожает не только патогенные бактерии, вызывающие инфекцию, но и триллионы «хороших» бактерий, составляющих микробиом, приводя к дисбиозу – изменению бактериального состава кишечника. У 35% пациентов это сопровождается диареей, и для ее устранения могут потребоваться месяцы приема добавок и коррекция диеты. У некоторых пациентов микробиом так и не восстанавливается, что грозит развитием целого ряда аутоиммунных, метаболических и неврологических заболеваний.
Это связано с тем, что человек и бактерии в его кишечнике сформировали симбиотические (взаимовыгодные) отношения, фактически превратившись в «суперорганизм», в котором человек как хозяин корректирует состав микробиома с помощью кишечной среды, пищевых и других привычек. В свою очередь, микроорганизмы производят разнообразные соединения, которые влияют на переваривание пищи, использование энергии и работу иммунной системы. Несмотря на важность микробиома для здоровья человека, до сих пор не существует эффективного лечения дисбиоза, вызванного приемом антибиотиков.
Исследовательская группа из Института биоинженерии Висса при Гарвардском университете и Массачусетского технологического института, сконструировала живой биопрепарат (engineered live biotherapeutic product, eLBP), который при введении вместе с β-лактамными антибиотиками (производными пенициллина) защищает микробиом кишечника от антибиотиков.
При разработке биопрепарата исследователи использовали безвредные для человека бактерии Lactococcus lactis, которые секретируют фермент β-лактамазу, разрушающий β-лактамы.
Обычно β-лактамаза кодируется одним геном, который может передаваться между бактериями с помощью горизонтального переноса генов. Сам фермент находится внутри клеточной стенки бактерий. Это не только защищает бактерии от определенных антибиотиков, которые атакуют внешние оболочки, но и позволяет их устойчивости распространяться на другие бактерии в микробной популяции кишечника. Исследователи разработали блоки регуляции в системе экспрессии β-лактамазы. По сути, они расщепили специфический ген, кодирующий β-лактамазу, на две генетически не связанные половины и поместили их в разные части бактериальной ДНК таким образом, чтобы фрагменты секретировались из клетки-продуцента и связывались друг с другом с высоким сродством, образуя функциональный фермент во внешней среде.
Затем исследователи показали эффективность eLBP на мышах, получавших антибиотик ампициллин перорально: биопрепарат минимизировал изменения микробиоты в кишечнике каждого животного. Секвенировав часть бактериального генома 16S рДНК, которая представляет собой генетический штрих-код для идентификации видов и семейств бактерий, они обнаружили, что eLBP значительно ослабляет распад микробных популяций и позволяет им полностью восстановить свое первоначальное разнообразие и состав через три дня после окончания лечения антибиотиками. Мыши из контрольной группы, получавшие только ампициллин, демонстрировали гораздо бОльшую потерю бактериального разнообразия, которое не восстанавливалось в течение всего эксперимента.
Важно отметить, что за время пребывания в пищеварительном тракте eLBP защищал микробиом, не изменяя концентрации ампициллина, циркулирующего в крови, а также замедлил распространение различных генов устойчивости к антибиотикам в микробном сообществе, что обычно происходит на фоне антибиотикотерапии.
Основным последствием дисбиоза является захват освободившейся кишечной территории «плохими» бактериями, такими как Clostridioides difficile. Это оппортунистические бактерии, которые в небольшом количестве существуют в кишечнике многих людей и, когда появляется возможность бесконтрольно делиться, вызывают воспаление и диарею. Группа смоделировала инфицирование, заражая получавших ампициллин мышей спорами C.difficile. eLBP успешно предотвращал колонизацию ими кишечника.
В настоящее время авторы разрабатывают эффективное, короткое и недорогое клиническое исследование. Они также намерены исследовать применение eLBP в качестве терапии заболеваний, в основе которых лежит дисбиоз кишечника.
Статья A.Cubillos-Ruiz et al. An engineered live biotherapeutic for the prevention of antibiotic-induced dysbiosis опубликована в журнале Nature Biomedical Engineering.
Аминат Аджиева, портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru по материалам Wyss Institute: Protecting the human intestinal microbiome with synthetic biology.