Cercetătorii dezvoltă o nouă metodă de combatere a bacteriilor rezistente la antibiotice folosind bacteriofagi

Un studiu realizat ce cercetători de la University of California - San Diego și publicat în Nature Communications a analizat, pe o perioadă de 30 de zile de evoluție experimentală, relația dintre bacteriofagii antrenați prin coevoluție și capacitatea lor de a suprima dezvoltarea rezistenței la Klebsiella pneumoniae, incluzând forme multirezistente și extrem de rezistente.
Creșterea globală a rezistenței la antibiotice reprezintă una dintre cele mai grave provocări ale medicinei moderne. Utilizarea excesivă a antibioticelor în medicină și agricultură, precum și similaritatea mecanismelor de acțiune între antibioticele din aceeași clasă, facilitează apariția rezistenței încrucișate. Astfel, expunerea bacteriilor la antibiotice utilizate la animale poate favoriza rezistența la antibiotice critice pentru oameni.

În paralel cu dezvoltarea unor noi molecule antimicrobiene și cu identificarea unor compuși inovatori, cercetătorii au revenit la o strategie veche de peste un secol: utilizarea bacteriofagilor. Acești viruși specifici pentru bacterii prezintă avantajul de a nu afecta celulele umane, însă în trecut au fost dezavantajați de spectrul restrâns de acțiune, dificultăți tehnologice și cunoștințe limitate privind farmacocinetica și farmacodinamica lor.

Odată cu proliferarea infecțiilor provocate de patogeni precum Enterococcus faecium, Staphylococcus aureus, Klebsiella pneumoniae, Acinetobacter baumannii sau Pseudomonas aeruginosa, interesul pentru terapiile cu bacteriofagi a crescut. Klebsiella pneumoniae este un agent patogen deosebit de problematic, datorită capacității sale de a dezvolta rezistență la antibiotice și a învelișului mucoid protectiv, care limitează accesul medicamentelor.

Despre studiu

Lucrarea a avut ca obiectiv evoluția experimentală a unor bacteriofagi capabili să infecteze și să omoare tulpini de Klebsiella pneumoniae, incluzând izolate multirezistente (MDR) și extrem de rezistente (XDR). Cercetătorii au pornit de la o colecție de 11 bacteriofagi izolați din diverse surse de mediu din SUA, aparținând la patru familii virale diferite. Genomurile lor au variat între 37,9 Kbp și 177,7 Kbp și au prezentat similarități ridicate cu fagii descriși în bazele de date publice.

Morfologia fiecărui fag a fost caracterizată prin microscopie electronică, fiind identificate structuri caracteristice pentru familiile Myoviridae, Podoviridae și Siphoviridae, demonstrând diversitatea materialului viral utilizat.

Înainte de procesul de evoluție, cei 11 fagi au fost testați pe 59 de izolate clinice de Klebsiella spp., provenite din sânge, urină, tract respirator și alte localizări. Dintre acestea, 39 prezentau beta-lactamaze cu spectru extins, iar o parte erau rezistente la carbapeneme.

Pentru faza de evoluție, cercetătorii au selectat doi fagi cu activitate limitată – Ace și APV – cu scopul de a le extinde spectrul de acțiune. Bacteriile și fagii au fost menținuți în co-cultură timp de 30 de zile, cu transferuri zilnice în mediu proaspăt, pentru a permite o coevoluție continuă.

Rezultate

Izolarea și caracterizarea bacteriofagilor

Colecția inițială de 11 fagi a inclus patru clade filogenetice distincte. Dintre aceștia, unii (LK3, LK2, Chai) au prezentat activitate redusă asupra izoletelor studiate, în timp ce alții (KL35, Turmeric, Rec, QTY, APV, Ace, Beam) au prezentat activitate variabilă.

Expansiunea gamei de gazde

Înainte de evoluție, fagul APV putea liză circa 27,12% dintre izolate, iar fagul Ace 42,37%. După 30 de zile:

• fagii APV evoluați au prezentat activitate între 16,95% și 61,02% dintre izolate;
• fagii Ace evoluați au prezentat activitate între 30,51% și 59,32% dintre izolate;
• extinderea gamei de gazde a fost observată în majoritatea experimentelor, incluzând serotipuri O-antigenice și tipuri capsulare inaccesibile fagilor inițiali.

Atât APV, cât și Ace au dobândit capacitatea de a infecta clade întregi pe care fagii ancestrali nu le puteau ataca.

Inhibarea creșterii bacteriene

Testele dinamice pe culturi în bulion au arătat că fagii evoluați au avut o capacitate superioară de a inhiba creșterea bacteriană pe parcursul a 72 de ore. În:

• 10 din 12 cazuri, fagii evoluați au depășit eficiența fagilor ancestrali;
• în 58% dintre testele efectuate, analiza ariei de sub curbă a confirmat supresia semnificativă a creșterii bacteriene.

Activitatea împotriva tulpinilor MDR și XDR

În testele pe izolate MDR și XDR, fagii antrenați Ace și APV s-au dovedit superiori formelor ancestrale în toate cazurile. Analiza statistică a evidențiat că:

• 75% dintre izolatele MDR și XDR au fost suprimate semnificativ pe parcursul a 72 de ore;
• efectele s-au extins și asupra unor izolate rezistente la carbapeneme.

Modificări genetice ale fagilor

Secvențierea fagilor evoluați a arătat că modificările genetice au fost modeste ca proporție globală, dar extrem de semnificative prin localizare. Majoritatea mutațiilor s-au acumulat în:

• proteinele fibrelor caudale, responsabile de recunoașterea și atașarea la celula gazdă;
• structurile bazei cozii implicate în ancorare;
• unele variante (ex.: ACE.3) au prezentat deleții în regiuni intergenice.

Aceste modificări sunt în concordanță cu extinderea spectrului de gazde și îmbunătățirea performanței fagilor evoluați.