Biofysikere oppdager hvordan små populasjoner av bakterier overlever behandling

Anonim

Små populasjoner av patogene bakterier kan være vanskeligere å drepe enn større populasjoner fordi de reagerer annerledes på antibiotika, en ny studie av Emory University finner.

Tidskriftet eLife publiserte undersøkelsen, og viste at en populasjon av bakterier som inneholder 100 celler eller mindre, reagerer tilfeldig på antibiotika - ikke homogent som en større befolkning.

"Vi har vist at det ikke kan være noe spesielt med bakterieceller som ikke blir drept av medisinering. De overlever ved tilfeldig tilfeldighet, sier lederforfatter Minsu Kim, en assisterende professor ved Institutt for fysikk og et medlem av Emorys antibiotiske Resistance Center.

"Denne tilfeldigheten er et dobbeltkantet sverd, " legger Kim til. "På overflaten gjør det vanskeligere å forutsi et behandlingsresultat. Men vi fant en måte å manipulere denne iboende tilfeldigheten på, slik at en liten bakteriebefolkning er 100 prosent sannsynlig. Ved å justere vekst og dødsrate for bakterier celler, kan du fjerne små populasjoner av selv antibiotikaresistente bakterier ved bruk av lave antibiotika-konsentrasjoner. "

Forskerne utviklet en behandlingsmodell ved hjelp av en cocktail av to forskjellige klasser av antibiotika. De demonstrerte først effekten av modellen i laboratorieeksperimenter på en liten populasjon av E. coli- bakterier uten antibiotikum-resistens. I senere eksperimenter fant de at modellen også jobbet på en liten populasjon av klinisk isolert antibiotikaresistent E. coli .

"Vi håper at modellen vår kan bidra til utvikling av mer sofistikerte antibiotika-protokoller, noe som gjør dem mer effektive ved lavere doser for enkelte infeksjoner, sier Kim. "Det er viktig fordi hvis du behandler en bakteriell infeksjon og ikke klarer å drepe den helt, kan det bidra til antibiotikaresistens."

Antibiotikaresistens forventes å føre til 300 millioner for tidlig dødsfall årlig og en global helsetjenester byrde på $ 100 billioner innen 2050, ifølge 2014 Review on Antimicrobial Resistance. Epidemien er delvis drevet av manglende evne til å utrydde infeksjoner av antibiotika-følsomme bakterier på en pålitelig måte.

I flere tiår var det antatt at bare å redusere befolkningsstørrelsen til bakteriene til noen få hundre celler ville være tilstrekkelig fordi immunsystemet til en smittet person kan fjerne de resterende bakteriene.

"For nylig ble det klart at små populasjoner av bakterier virkelig betyr noe i løpet av en infeksjon, sier Kim. "Den smittsomme dosen - antallet bakterieceller som trengs for å starte en infeksjon - viste seg å være noen få titalls celler for noen bakteriearter, og for andre, så lave som en celle."

Det var imidlertid ikke godt forstått, hvorfor behandling av bakterier med antibiotika noen ganger virket og noen ganger mislyktes. Bidragende faktorer kan omfatte variasjoner i immunresponsene hos infiserte mennesker og mulige mutasjoner av bakterielle celler for å bli mer virulente.

Kim mistenkte at noe mer grunnleggende var en faktor. Forskning har vist uventet behandlingssvikt for antibiotika-mottakelige infeksjoner, selv i en enkel organisme som C. elegans ormen, en vanlig modell for studiet av bakteriell virulens.

Ved å fokusere på små bakteriepopulasjoner, oppdaget Emory-teamet hvordan dynamikken var forskjellig fra de store. Antibiotika induserer konsentrasjonene av bakterielle celler til å svinge. Når vekstraten toppet dødsfrekvensen ved tilfeldig tilfeldighet, klarte ikke godkjenningen av bakteriene.

Forskerne brukte denne kunnskapen til å utvikle en lavdose-cocktailmedikamentbehandling av to forskjellige typer antibiotika. De kombinerte et baktericid (som dræper bakterier) og en bakteriostat (som bremser veksten av bakterier) for å manipulere tilfeldige svingninger i antall celler og øke sannsynligheten for at celledødshastigheten overgår vekstraten.

Ikke alle antibiotika passer til modellen, og mer forskning er nødvendig for å avgrense metoden for applikasjoner i en klinisk setting.

"Vi viste at vellykket behandling av en bakteriell infeksjon med antibiotika er enda mer komplisert enn vi trodde, " sier Kim. "Vi håper denne kunnskapen fører til nye strategier for å bekjempe infeksjoner forårsaket av antibiotikaresistente bakterier."

menu
menu