Sekwencyjne podawanie antybiotyków może osłabiać Pseudomonas aeruginosa i ograniczać rozwój oporności

Odpowiednio zaplanowana kolejność podawania antybiotyków może ujawniać fizjologiczną słabość bakterii Pseudomonas aeruginosa. Naukowcy wykazali, że wcześniejsza ekspozycja drobnoustroju na antybiotyk beta-laktamowy wywołuje stres osłony komórkowej i zwiększa skuteczność podanego następnie aminoglikozydu. Mechanizm ten może nie tylko ułatwiać eliminację bakterii, lecz także ograniczać ich zdolność adaptacji i rozwój oporności.

W artykule:

• Dlaczego narastająca oporność na antybiotyki stanowi zagrożenie dla zdrowia publicznego
• Na czym polega zjawisko ujemnej histerezy antybiotykowej
• Jak beta-laktamy zwiększają wrażliwość bakterii na aminoglikozydy
• Dlaczego zakażenia Pseudomonas aeruginosa są szczególnie trudne w leczeniu
• Jak stres osłony komórkowej wpływa na przenikanie drugiego antybiotyku
• Czy sekwencyjna antybiotykoterapia może ograniczać ewolucję oporności

Nowy sposób celowanego osłabiania niebezpiecznych patogenów bakteryjnych

Zespół badawczy z Christian-Albrechts-Universität zu Kiel wykazał, jakie swoiste mechanizmy komórkowe mogą prowadzić do kontrolowanego osłabienia bakteryjnych czynników chorobotwórczych, zwiększając tym samym skuteczność antybiotykoterapii.

Patogeny oporne na antybiotyki stanowią obecnie jedno z największych zagrożeń dla zdrowia publicznego. W wyniku niewłaściwego i nadmiernego stosowania leków przeciwbakteryjnych w ostatnich dziesięcioleciach liczne drobnoustroje chorobotwórcze utraciły wrażliwość na antybiotyki. Problem dotyczy również wielu leków ostatniej szansy, stosowanych w leczeniu szczególnie ciężkich zakażeń.

Podstawą globalnego kryzysu antybiotykowego jest gwałtowny wzrost częstości występowania oporności przeciwdrobnoustrojowej, określanej skrótem AMR. W uproszczeniu oznacza to, że coraz więcej bakterii przestaje reagować na leczenie, podczas gdy dostępny arsenał niezawodnie skutecznych antybiotyków systematycznie się kurczy. W przyszłości może to doprowadzić do nadejścia ery postantybiotykowej, w której nawet pozornie niegroźne zakażenia ponownie staną się trudne lub niemożliwe do skutecznego leczenia.

Organizacje ochrony zdrowia oraz zespoły naukowe na całym świecie pracują nad różnymi strategiami przeciwdziałania narastającemu kryzysowi. Obejmują one między innymi bardziej racjonalne wykorzystywanie dostępnych leków, opracowywanie nowych substancji przeciwbakteryjnych oraz projektowanie takich schematów terapii, które utrudnią bakteriom przystosowanie się do działania antybiotyków.

Naukowcy z Christian-Albrechts-Universität zu Kiel badają w tym kontekście podstawowe mechanizmy ewolucji oporności, a więc genetyczne i niegenetyczne procesy umożliwiające patogenom przystosowanie się do działania różnych leków. Celem tych prac jest opracowanie racjonalnych sposobów łączenia już dostępnych antybiotyków, pozwalających zachować ich skuteczność i ograniczyć powstawanie oporności.

Beta-laktam przygotowuje bakterie na działanie aminoglikozydu

W najnowszej pracy badacze kierowani przez profesora Hinricha Schulenburga z grupy Evolutionsökologie und Genetik na Christian-Albrechts-Universität zu Kiel przeanalizowali na przykładzie ludzkiego patogenu Pseudomonas aeruginosa, w jaki sposób podanie jednego antybiotyku może osłabić bakterie na tyle, by kolejny lek działał na nie znacznie skuteczniej.

Naukowcy wykazali, że wcześniejsza ekspozycja bakterii na antybiotyk beta-laktamowy powodowała ich szczególne uwrażliwienie na podany następnie antybiotyk aminoglikozydowy. Zjawisko to określa się mianem ujemnej histerezy. Jego podłożem jest indukcja stresu osłony komórkowej bakterii, który zwiększa możliwość wnikania drugiego leku do komórki.

Skutkiem takiej sekwencji jest nie tylko bardziej niezawodne zabijanie bakterii. Mechanizm ten może również ograniczać zdolność drobnoustrojów do adaptacji do leczenia, a tym samym hamować ewolucję oporności. Wyniki badań przeprowadzonych przez naukowców z Kilonii we współpracy z międzynarodowymi partnerami opublikowano w czasopiśmie Nature Communications.

Zakażenia Pseudomonas aeruginosa stają się coraz większym problemem

Pseudomonas aeruginosa jest Gram-ujemną bakterią i oportunistycznym patogenem człowieka. Może wywoływać ostre oraz przewlekłe zakażenia, zwłaszcza u pacjentów hospitalizowanych, osób z obniżoną odpornością, chorych na mukowiscydozę oraz pacjentów z przewlekłą obturacyjną chorobą płuc.

Szczególnym problemem jest naturalnie ograniczona wrażliwość tej bakterii na wiele antybiotyków, a także jej zdolność do szybkiego przystosowywania się do leczenia nowo wprowadzanymi lekami. Coraz więcej szczepów P. aeruginosa wykazuje wielolekooporność, co istotnie ogranicza dostępne możliwości terapeutyczne i zwiększa ryzyko niepowodzenia leczenia.

„World Health Organization klasyfikuje P. aeruginosa jako patogen o wysokim priorytecie, w przypadku którego pilnie potrzebne są nowe możliwości leczenia. W naszej grupie od wielu lat badamy mechanizmy ewolucji oporności tego drobnoustroju. Chcemy w szczególności rozwijać potencjalne strategie terapeutyczne oparte na zasadzie ujemnej histerezy” – powiedział dr Florian Buchholz, pierwszy autor badania i członek zespołu Schulenburga.

Ujemna histereza może ujawniać uniwersalną słabość bakterii

Buchholz i współautorzy przeprowadzili badania w ramach finansowanego przez Deutsche Forschungsgemeinschaft Graduiertenkolleg TransEvo na Christian-Albrechts-Universität zu Kiel. Naukowcy wykazali, że podany jako pierwszy antybiotyk beta-laktamowy wywołuje w bakteriach zmianę fizjologiczną, która zwiększa przepuszczalność osłony komórkowej dla drugiego antybiotyku.

Dotychczas nie było jasne, w jaki dokładnie sposób zachodzi ta niegenetyczna zmiana oraz czy można ją niezawodnie wywoływać w różnych szczepach P. aeruginosa. Wyniki nowego badania wskazują, że mechanizm ten nie jest ograniczony wyłącznie do pojedynczych wariantów bakterii.

„Nasze analizy wykazały, że ujemna histereza stanowi ogólną słabość problematycznego patogenu P. aeruginosa i może zostać wywołana już przez niewielkie dawki antybiotyku uwrażliwiającego. Dochodzi wówczas do uszkodzenia osłony komórkowej, co sprzyja działaniu drugiego leku” – wyjaśnił dr Roderich Roemhild, współautor korespondujący badania, wcześniej pracujący w grupie Schulenburga, a obecnie związany z Institute of Science and Technology Austria w Klosterneuburgu.

Eksperymenty wykazały ponadto dużą odporność tego zjawiska na zróżnicowanie genetyczne P. aeruginosa. Efekt uwrażliwienia obserwowano pomimo różnic występujących między poszczególnymi szczepami bakterii. Ma to szczególne znaczenie z perspektywy przyszłego wykorzystania klinicznego, ponieważ potencjalna strategia terapeutyczna powinna być skuteczna wobec zróżnicowanych izolatów patogenu, a nie jedynie wobec wybranych szczepów laboratoryjnych.

Stres osłony komórkowej zwiększa podatność bakterii na leczenie

Antybiotyki beta-laktamowe zaburzają syntezę peptydoglikanu, który jest jednym z kluczowych elementów bakteryjnej ściany komórkowej. W przypadku bakterii Gram-ujemnych ściana komórkowa stanowi część bardziej złożonej osłony komórkowej, obejmującej między innymi błonę wewnętrzną, cienką warstwę peptydoglikanu oraz błonę zewnętrzną.

Uszkodzenie tej struktury może prowadzić do stresu komórkowego i zmiany właściwości barierowych bakterii. W badanym modelu konsekwencją było zwiększenie możliwości wnikania aminoglikozydu do wnętrza komórki. Aminoglikozydy oddziałują na rybosomy bakteryjne i zaburzają syntezę białek, jednak ich skuteczność zależy między innymi od zdolności leku do przedostania się przez osłonę komórkową.

Wcześniejsze zastosowanie beta-laktamu nie pełniło zatem wyłącznie funkcji bezpośrednio przeciwbakteryjnej. Powodowało ono również przejściową zmianę stanu fizjologicznego bakterii, która zwiększała podatność drobnoustroju na kolejny lek. Jest to przykład efektu zależnego od historii ekspozycji komórki na antybiotyki: odpowiedź na drugi lek zależy od tego, z jaką substancją bakteria zetknęła się wcześniej.

Znaczenie kolejności podawania leków

Nowe wyniki potwierdzają potencjał ujemnej histerezy jako podstawy przyszłych strategii przeciwdrobnoustrojowych. Odpowiednio dobrane, następujące po sobie podawanie określonych klas antybiotyków może umożliwić skuteczniejszą eliminację także tych patogenów, które stanowią szczególnie duże wyzwanie kliniczne.

„Wykazaliśmy, że zastosowanie właściwej sekwencji leków może sprzyjać eliminacji patogenów, ograniczać ich zdolność adaptacji i w ten sposób hamować ewolucję oporności u P. aeruginosa” – podsumował profesor Hinrich Schulenburg, rzecznik Kiel Evolution Center działającego w ramach obszaru badawczego Kiel Life Science.

Z punktu widzenia medycyny ewolucyjnej kolejność stosowania leków może być równie istotna jak ich dawka, czas podawania i farmakokinetyka. Dwa antybiotyki podane w różnej kolejności nie muszą wywoływać takiego samego efektu. Pierwszy lek może bowiem zmieniać fizjologię bakterii w sposób zwiększający albo zmniejszający podatność na kolejną substancję.

W badanym przypadku wcześniejsze zastosowanie beta-laktamu wprowadzało komórki P. aeruginosa w stan zwiększonej wrażliwości na aminoglikozyd. Tego rodzaju zależności mogą być wykorzystywane podczas projektowania terapii sekwencyjnych oraz schematów naprzemiennego podawania antybiotyków.

Możliwość ograniczenia ewolucji oporności

Kluczowym elementem proponowanej strategii jest nie tylko zwiększenie bezpośredniej skuteczności bakteriobójczej, ale także ograniczenie możliwości przystosowania się patogenu. W tradycyjnej antybiotykoterapii populacja bakterii znajduje się pod presją selekcyjną, która może sprzyjać przeżyciu wariantów opornych lub bardziej tolerancyjnych.

Jeżeli jednak pierwszy lek wywoła stan fizjologiczny zwiększający skuteczność kolejnego antybiotyku, może dojść do szybszej eliminacji populacji i zmniejszenia prawdopodobieństwa pojawienia się skutecznej odpowiedzi adaptacyjnej. Ujemna histereza może być zatem wykorzystywana do tworzenia schematów terapii, które nie tylko zwalczają aktualne zakażenie, ale również ograniczają ryzyko dalszej ewolucji oporności.

Nie oznacza to jednak, że opisany schemat może zostać bezpośrednio zastosowany u wszystkich pacjentów z zakażeniem P. aeruginosa. Dobór antybiotyków musi uwzględniać miejsce i charakter zakażenia, profil wrażliwości izolatu, farmakokinetykę i farmakodynamikę leków, funkcję nerek, ryzyko nefrotoksyczności i ototoksyczności aminoglikozydów oraz obowiązujące zalecenia terapeutyczne.

Wyniki badania mają przede wszystkim znaczenie mechanistyczne i przedkliniczne. Stanowią jednak podstawę do dalszych badań nad wykorzystaniem zjawiska ujemnej histerezy w racjonalnie projektowanych schematach antybiotykoterapii.

Interdyscyplinarne badania nad kryzysem antybiotykowym

Naukowcy chcą wykorzystywać te i kolejne wyniki do tworzenia biologicznych podstaw nowych, opartych na ewolucji strategii trwałego leczenia zakażeń bakteryjnych oraz zapobiegania powstawaniu oporności.

Badacze mogą korzystać z szerokiej interdyscyplinarnej sieci współpracy w zakresie stosowanej biologii ewolucyjnej, rozwijanej pod auspicjami Kiel Evolution Center. Obejmuje ona między innymi współpracę z Max-Planck-Institut für Evolutionsbiologie w Plön, Leibniz WissenschaftsCampus „AMR-PLAS”, zajmującym się badaniami nad opornością na antybiotyki, oraz Graduiertenkolleg TransEvo.

„Dzięki wymianie naukowej z instytucjami partnerskimi w ostatnich latach powstało wyjątkowo dynamiczne środowisko badawcze, które dostarcza istotnych impulsów do naszych prac nad ewolucją oporności. Obecne badanie jest przykładem szczególnie owocnej współpracy z międzynarodowymi i lokalnymi naukowcami z Klosterneuburga w Austrii, Uppsali w Szwecji, a także z Lubeki, Großhansdorf, Borstel, Hamburga i oczywiście Kilonii. Opierając się na tych sieciach współpracy, mamy nadzieję, że w kolejnych latach dostarczymy podstawowych elementów niezbędnych do przeciwdziałania globalnemu kryzysowi antybiotykowemu” – podkreślił Schulenburg.

Źródło: Nature Communications, „Robust antibiotic sensitization of pathogenic Pseudomonas aeruginosa via negative hysteresis in the cell envelope”.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-026-71178-5