Металлы, антидепрессанты, изменение климата: химик UB Дайана Ага возглавляет грант NSF в размере 3 миллионов долларов на поиск других причин устойчивости к противомикробным препаратам

БУФФАЛО, НЬЮ-ЙОРК. Химик из Университета Буффало Дайана Ага долгое время исследовала, как неконтролируемые антибиотики в сточных водах способствуют развитию устойчивости к противомикробным препаратам (УПП).

Водоочистные сооружения не полностью удаляют антибиотики из сточных вод перед их попаданием в водные пути, а это означает, что бактерии окружающей среды и другие микроорганизмы постоянно подвергаются воздействию остатков антибиотиков и в конечном итоге вырабатывают устойчивость к тем самым лекарствам, которые были разработаны для их уничтожения.

Но, задается вопросом Ага, и растущий объем научных данных предполагает, что, если в этом виноваты и другие химические вещества?

«Очевидно, что выброс антибиотиков в окружающую среду играет важную роль в развитии резистентности. Однако важны и другие факторы, в том числе наличие других лекарств, таких как антидепрессанты, а также металлы и пестициды», — говорит она. «Все они оказывают эволюционное давление на бактерии. Чтобы бороться с УПП, нам нужно лучше понять совокупное влияние этих взаимодействий».

Ага, доктор философии, директор Института UB RENEW и заведующий кафедрой химии Генри М. Вудберна в Колледже искусств и наук Университета Нью-Йорка, является главным исследователем гранта в размере 3 миллионов долларов от Национального научного фонда (NSF) для изучения химических веществ, попадающих в окружающую среду и усугубить появление и распространение УПП.

Финансирование, из которого UB получит 1,4 миллиона долларов, является наградой NSF «Использование правил жизни для решения социальных проблем» (URoL:ASC). Программа поддерживает исследования, в которых применяются установленные научные принципы — в случае Аги, бактериальная эволюция — в широком спектре живых систем для решения насущных социальных проблем.

«Понимание факторов, способствующих устойчивости к антибиотикам, имеет важное значение для сохранения эффективности лечения и решения проблемы здравоохранения во всем мире», — сказал конгрессмен Брайан Хиггинс. «Я уже давно поддерживаю эти инвестиции Национального научного фонда в Конгресс — это важная работа, и я рад видеть, что исследователи Университета в Буффало выделяются».

В то время как фармацевтическая наука стремится разработать новые антибиотики для замены тех, которые стали неэффективными, Ага говорит, что другим ученым также крайне важно выяснить, как вообще возникает УПП.

«Поначалу новые лекарства могут отлично работать, но потом у бактерий выработается устойчивость и к ним», — говорит она. «Итак, нам нужно понять механизмы контроля, которые мы можем использовать, чтобы смягчить или предотвратить полностью бактериальную эволюцию, которая завершается появлением устойчивых к противомикробным препаратам организмов».

Всемирная организация здравоохранения объявила УПП одной из 10 главных глобальных угроз общественному здоровью. По данным Центров по контролю и профилактике заболеваний, бактериальные «супербактерии», которые выживают в присутствии антибиотиков, были связаны с более чем 5 миллионами смертей во всем мире в 2019 году.

«Это серьезная угроза общественному здравоохранению, потому что у нас заканчиваются лекарства для лечения людей, инфицированных патогенными бактериями», — говорит Ага, почетный профессор Университета штата Нью-Йорк.

Как ни странно, антибиотики способствуют устойчивости к противомикробным препаратам. Хотя антибиотики имеют решающее значение для уничтожения бактерий и лечения инфекций у людей и других животных, бактерии, которые выживают после такого лечения, размножаются и распространяют гены устойчивости на другие бактерии.

Чтобы защититься от этого, ученым необходимо знать минимальную ингибирующую концентрацию, то есть наименьшее количество антибиотика, необходимое для остановки роста определенных бактерий. Тем не менее, Ага говорит, что некоторые бактерии мутируют при воздействии антибиотиков намного ниже этих уровней.

“Почему? Вот в чем вопрос, и ученые изучают различные механизмы, чтобы понять, как «супербактерии» развиваются и распространяются в окружающей среде», — говорит Ага.

Ага предполагает, что это связано с тем, что другие химические вещества также заставляют бактерии мутировать. Гены, устойчивые к этим химическим веществам, могут быть теми же генами, которые устойчивы к антибиотикам, или располагаться на одних и тех же мобильных генетических элементах.

Одним из классов химических веществ, которые будет исследовать команда Аги, являются тяжелые металлы. Предыдущие исследования связывали загрязнение металлами с высоким уровнем устойчивости к антибиотикам. Один из наиболее распространенных примеров загрязнения металлами – загрязнение свинцом – может быть вызван коррозией водопроводных сетей.

Еще одним виновником могут быть антидепрессанты, которые, по данным CDC, принимают 13% взрослых в США. Как и антибиотики, водоочистные сооружения обычно не удаляют антидепрессанты из сточных вод. Ага ранее задокументировал накопление антидепрессантов в мозгу рыб Великих озер.

Пестициды являются еще одним потенциальным фактором. Ага ранее обнаруженный Загрязнение пестицидами в водах Бангладеш.

В дополнение к химическим веществам команда также исследует, какую роль играет изменение климата в развитии устойчивости к противомикробным препаратам. Нарушения в экосистемах могут оказывать дополнительное давление на бактерии, в то время как высокие температуры связаны с усилением роста бактерий.

«Изменение климата определенно играет роль в УПП, — говорит Ага. «Однако нам необходимо количественно оценить влияние погодных сбоев на бактериальную мутацию, чтобы разработать решения, основанные на данных».

Очистные сооружения предназначены для удаления человеческих экскрементов и избыточных питательных веществ, таких как азот и фосфор, но они не предназначены для удаления остатков антибиотиков.

Еще до того, как вода, наполненная антибиотиками, попадет в водные пути, устойчивость к противомикробным препаратам может возникнуть на самом предприятии, поскольку бактерии и антибиотики смешиваются с неочищенными сточными водами.

Ага ранее проводил исследования, чтобы понять, как можно спроектировать очистные сооружения для удаления антибиотиков.

«Одним из результатов, которые мы хотим получить от этого текущего проекта, является возможность сообщать очистным сооружениям безопасные уровни остатков химических веществ, которые могут быть сброшены в водные пути, а также лучший диапазон температур для ограничения распространения устойчивости к противомикробным препаратам на очистных сооружениях. ,” она говорит.

Соисследователь Шеннон Сенека, новый доцент кафедры изучения коренных народов Университета Нью-Йорка и дочерняя компания RENEW, изучит, будут ли результаты лабораторных экспериментов широко применяться на очистных сооружениях.

В Университете штата Айова Адина Хоу, профессор сельскохозяйственной и биосистемной инженерии, и Лаура Джарбо, профессор химической инженерии, будут изучать устойчивые гены бактерий, выделенных из сточных вод. Лицин Чжан, профессор биоинформатики в Технологическом институте Вирджинии, будет использовать машинное обучение и науку о данных для создания моделей, которые будут предсказывать условия окружающей среды, когда у бактерий разовьется резистентность.

Исследование группы основано на работе Аги с RENEW, междисциплинарным исследовательским институтом, специализирующимся на сложных энергетических и экологических проблемах.

«RENEW использует сильные стороны различных дисциплин для решения постоянных глобальных проблем, таких как устойчивость к противомикробным препаратам, и связанных с ними проблем экологической справедливости», — говорит Лиза Вахапоглу, доктор философии, директор RENEW по образованию и работе с общественностью. «Благодаря своим исследованиям и деятельности институт также стремится продвигать проекты, имеющие отношение к нашим партнерам по сообществу, и создавать пути высшего образования для людей, недостаточно представленных в дисциплинах STEM. Эти приоритеты проявляются в проекте «NSF Using Rules of Life». Диана и ее команда объединят науку о данных, аналитическую химию, микробиологию и экологическую инженерию, чтобы понять сложные факторы, способствующие развитию устойчивости к антибиотикам в окружающей среде, и превратить эти результаты в полезные инструменты для заинтересованных сторон. Это именно тот тип конвергентного командного исследования с влиянием на сообщество, который RENEW стремится продвигать».