Бактерии, проявляющие множественную резистентность к антибактериальным агентам, становятся суперпатогенами, вызывающими тяжелые внутрибольничные инфекции. Согласно прогнозам, к 2050 году число смертей от инфекций, вызванных патогенами с множественной устойчивостью, может приблизиться к 5 миллионам. Это превышает смертность от онкологических заболеваний.
Особое беспокойство вызывает гипервирулентный слизистый штамм K. pneumoniae hvKp — опасный патоген, который чаще всего поражает пациентов в больницах, заметно увеличивая смертность даже среди молодых людей. Уничтожение hvKp обычными методами затруднено из-за быстрого приобретения ими резистентности к антибиотикам, а также повышенной адгезивности клеток и образования K. pneumoniae биопленок.
Биопленки — это химически и физически устойчивые слизистые выделения, в которых обитают патогены. Под их защитой бактерии защищены от действия антибиотиков и других антимикробных препаратов. Микробы даже могут создать целое сообщество из разных родов и штаммов под защитой биопленки.
Поэтому необходимы альтернативные подходы к терапии против инфекции K. pneumoniae, которые таргетируют биопленки и уничтожают бактериальный патоген.
Решению этой проблемы посвящено новое исследование ученых МФТИ и Института защиты растений (Египет), которые впервые протестировали антимикробные свойства экстракта, насыщенного жирными кислотами. Они получили его из личинок мухи черная львинка (Hermetia illucens) по разработанной ими инновационной биотехнологии. Результаты опубликованы в журнале «Биохимия».
Личинки насекомого находят широкое применение для компостирования отходов и получения богатого белком корма для рыб и животных. На сей раз экстракт львинки проверили на эффективность против биопленок высокопатогенной K. pneumoniae с устойчивостью ко многим антибиотикам.
Ранее было показано, что экстракт личинок черной львинки состоит из жиров на 15–49% и служит ценным источником липидов. Экстракт продемонстрировал эффективность на штаммах K. pneumoniae, вызывающих инфекции у растений и рыб с множественной лекарственной устойчивостью.
В новом исследовании ученые более детально рассмотрели действие экстракта черной львинки на способность клебсиеллы формировать биопленки и заражать человека. Изучались три штамма K. pneumoniae: создающий слизистые выделения и изолированный из окружающей среды KPM9, еще более «слизистый» штамм KPi1627, а также устойчивые к антимикробным препаратам штаммы KP ATCC BAA-2473. Все бактерии были получены в российских больницах в 2011–2016 годах.
Формирование биопленок визуализировали с помощью анилинового красителя кристаллический фиолетовый — оно было отмечено у всех трех изученных штаммов. Показано, что под действием экстракта личинок черной львинки в концентрации 500 мкг/мл у всех протестированных штаммов клебсиеллы существенно повышается проницаемость клеточной бактериальной мембраны.
Далее использовали бромистый этидий — краситель, который способен связывается с ДНК, проникая также только через поврежденные мембраны. Оказалось, что после обработки бактерий тестируемым экстрактом содержание красителя в клетках выросло на 40% или даже 70% (по сравнению с контрольными необработанными бактериями).
Добавление экстракта заметно изменило состав фосфолипидов клеточной мембраны, увеличивая концентрации в них кристаллического фиолетового и бромистого этидия на 70% и 80% соответственно по сравнению с контролем.
Бактерицидное действие экстракта черной львинки также наблюдали через сканирующий электронный микроскоп (SEM). Оказалось, что под действием экстракта бактериальные клетки слипались и наблюдалась деструкция многослойных биопленок. Число прикрепленных к биопленкам бактерий заметно снизилось. Поверхность клеток стала неровной, клеточные стенки сморщились и приобрели поры. Также после обработки экстрактом львинки были обнаружены разрушенные клетки, остатки клеточных стенок и пустые мембраны.
Исследование ученых МФТИ показало, что экстракт черной львинки эффективно разрушает биопленки, в которых обитают опасные штаммы клебсиеллы. Тем самым препарат снижает способность патогена заражать человека. Механизм его действия связан с антимикробным действием свободных жирных кислот, являющихся основными компонентами экстракта.
Таким образом, использование нового антимикробного средства на основе этого экстракта сможет помочь справиться с растущей проблемой устойчивых к антибиотикам суперпатогенов.
«Под действием жирных кислот тестируемого экстракта поверхность мембраны становится грубой и морщинистой, внутри цитоплазмы клетки были обнаружены обломки клеточной стенки и „клетки-призраки”, а сама мембрана становится однослойной. Таким образом, результаты подтверждают возможность контролировать и замедлять распространение устойчивости к антибиотикам патогенных Klebsiella pneumoniae (hvKp) с помощью обработки бактерии экстрактом из жира личинки мухи черная львинка», — отметила Елена Марусич, научный руководитель проекта, старший научный сотрудник лаборатории персонализированной химиолучевой терапии МФТИ.