Исследователи Северо-Западного университета успешно убедили смертельный патоген уничтожить себя изнутри.
В новом исследовании исследователи модифицировали ДНК бактериофага или «фага», типа вируса, который заражает и размножается внутри бактерий. Затем исследовательская группа поместила ДНК внутрь синегнойная палочка (П. aeruginosa), смертельная бактерия, которая также обладает высокой устойчивостью к антибиотикам. Попав внутрь бактерии, ДНК обходит защитные механизмы патогена и собирается в вирионы, которые проникают в клетку бактерии и убивают ее.
Основываясь на растущем интересе к «фаговой терапии», экспериментальная работа представляет собой важный шаг на пути к разработке дизайнерских вирусов в качестве новых терапевтических средств для уничтожения устойчивых к антибиотикам бактерий. Оно также раскрывает жизненно важную информацию о внутренней работе фагов — малоизученной области биологии.
Исследование будет опубликовано в среду (24 января) в журнале Microbiology Spectrum.
«Устойчивость к противомикробным препаратам иногда называют «тихой пандемией», — сказала Эрика Хартманн из Northwestern, возглавлявшая работу. «Число инфекций и смертей от инфекций растет во всем мире. Это огромная проблема. Фаговая терапия стала неиспользованной альтернативой нашей зависимости от использования противомикробных препаратов. Но во многих отношениях фаги являются «последним рубежом» микробиологии. “Мы мало о них знаем. Чем больше мы узнаем о том, как работают фаги, тем больше вероятность, что мы сможем разработать более эффективные методы лечения. Наш проект является передовым, поскольку мы изучаем биологию фагов в режиме реального времени по мере их разработки. .”
Хартманн, специалист по микробиологии в домашних условиях, является доцентом кафедры гражданского и экологического строительства Инженерной школы Маккормика Северо-Западного университета и членом Центра синтетической биологии.
Острая потребность в альтернативах антибиотикам
В связи с увеличением использования противомикробных препаратов рост резистентности к антибактериальным препаратам представляет собой неотложную и растущую угрозу для населения мира. По данным Центров по контролю и профилактике заболеваний (CDC), только в Соединенных Штатах ежегодно возникает около 3 миллионов инфекций, устойчивых к противомикробным препаратам, в результате чего умирает более 35 000 человек.
Нарастающий кризис побудил исследователей искать альтернативы антибиотикам, которые постоянно теряют эффективность. В последние годы исследователи начали изучать фаговую терапию. Но даже несмотря на то, что существуют миллиарды фагов, ученые знают о них очень мало.
«На каждую существующую бактерию приходится десятки фагов», — сказал Хартманн. «Итак, на Земле существует астрономически большое количество фагов, но мы понимаем лишь немногие из них. У нас не обязательно была мотивация по-настоящему их изучать. Теперь мотивация есть, и мы увеличиваем количество фагов. инструменты, которые мы должны посвятить их изучению».
Лечение без побочных эффектов
Чтобы изучить потенциальную фаговую терапию, исследователи либо выявляют, либо модифицируют существующий вирус, чтобы выборочно воздействовать на бактериальную инфекцию, не нарушая при этом остальную часть тела. В идеале ученые однажды могли бы адаптировать фаговую терапию для заражения конкретной бактерии и разработать «а ля карт» терапию с точными свойствами и характеристиками для лечения отдельных инфекций.
«Что особенного в фаге, так это то, что он может быть очень специфичным, в отличие от антибиотиков», — сказал Хартманн. «Например, если вы принимаете антибиотик при инфекции носовых пазух, он разрушает весь желудочно-кишечный тракт. Фаготерапия может быть разработана так, чтобы воздействовать только на инфекцию».
В то время как другие исследователи изучали фаговую терапию, почти все из них сосредоточились на использовании фагов для заражения. кишечная палочка. Хартманн, однако, решил сосредоточиться на П. aeruginosaодин из пяти самых смертоносных патогенов человека. Особенно опасен для людей с ослабленной иммунной системой, П. aeruginosa является основной причиной госпитальных инфекций, часто поражая пациентов с ожогами или хирургическими ранами, а также легкие у людей с муковисцидозом.
«Это один из наиболее приоритетных патогенов с множественной лекарственной устойчивостью, который действительно беспокоит многих людей», — сказал Хартманн. «Он чрезвычайно устойчив к лекарствам, поэтому существует острая необходимость в разработке альтернативных методов лечения».
Имитация инфекции, обход защиты
В своем исследовании Хартманн и ее команда начали с П. aeruginosa бактерий и очищенную ДНК нескольких фагов. Затем они применили электропорацию — метод, который подает короткие высоковольтные импульсы электричества — чтобы проделать временные отверстия во внешней клетке бактерии. Через эти отверстия ДНК фага проникла в бактерии, имитируя процесс заражения.
В некоторых случаях бактерии распознавали ДНК как инородный объект и уничтожали ДНК, чтобы защитить себя. Но после использования синтетической биологии для оптимизации процесса команда Хартмана смогла вывести из строя механизмы противовирусной самозащиты бактерий. В этих случаях ДНК успешно перенесла информацию в клетку, в результате чего появились вирионы, убившие бактерии.
«Там, где мы добились успеха, на бактериях можно увидеть темные пятна», — сказал Хартманн. «Именно здесь вирусы вырываются из клеток и убивают все бактерии».
После этого успеха команда Хартмана внедрила ДНК еще двух фагов, которые по своей природе неспособны заразить свой штамм. П. aeruginosa. И снова процесс сработал.
Производство фагов в клетке
Фаг не только убивал бактерии, но и бактерии выбрасывали еще миллиарды фагов. Эти фаги затем можно использовать для уничтожения других бактерий, например тех, которые вызывают инфекцию.
Далее Хартманн планирует продолжить модификацию ДНК фага для оптимизации потенциальных методов лечения. На данный момент ее команда изучает фаги, выделенные из П. aeruginosa.
«Это важная часть разработки фаговой терапии», — сказала она. «Мы можем изучить наш фаг, чтобы решить, какие из них развивать, и в конечном итоге массово производить их в качестве терапевтических средств».
Исследование «Подход синтетической биологии для сборки и перезагрузки клинически значимых хвостатых фагов Pseudomonas aeruginosa» было поддержано Фондом Уолдера, Национальным научным фондом и Национальными институтами здравоохранения.
2024-01-31 21:03:33
1706735959
#Инженерные #вирусы #для #уничтожения #смертельных #патогенов