Исследователи из Оксфордского университета и Университета Лестера создали выращенный в лаборатории микропузырь, который, по их данным, объясняет, почему инфекции мочевыводящих путей так часто возвращаются. Работа опубликована в Nature Communications.
Исследование, опубликованное в Nature Communications, показывает, что фаговая терапия — использование крошечных вирусов для уничтожения бактерий без вреда для людей — может помочь уменьшить рецидивирующие инфекции, которые происходят, когда бактерии, ответственные за ИМП, «прячутся» в ткани мочевого пузыря.
ИМП являются одной из самых распространенных инфекций в мире, с примерно 400 миллионами случаев каждый год. Они могут быть болезненными и разрушительными, и для многих людей инфекция может вернуться после курса антибиотиков.
Исследователи попытались понять, почему это происходит, спроектировав новую модель человеческого 3D-микро мочевого пузыря, которая включает в себя текущую мочу, имитирующую окружающую среду, обнаруженную в мочевом пузыре человека.
Исследование, проведенное в рамках более крупной программы Beyond Antibiotics Program Grant и финансируемое Советом по исследованиям в области инженерных и физических наук (EPSRC), использовало эту модель мочевого пузыря для тестирования фаговой терапии на бактериях ИМП. Команда обнаружила, что эта терапия может уничтожить бактерии, скрытые глубоко внутри стенки мочевого пузыря, в том, что исследователи называют «резервуарами», к которым обычные антибиотики не могут прикоснуться.
Старший автор исследования, профессор Дженнифер Рон (отделение медицины UCL), сказала: «Рецидивирующие ИМП невероятно расстраивают пациентов, потому что бактерии могут пережить антибиотики, отступая в защищенные резервуары внутри стенки мочевого пузыря.
«Создание микро-лезвия позволило нам имитировать реальные условия в мочевыводящих путях и понять, почему антибиотики, которые выглядят мощными в стандартных лабораторных тестах, часто не дотягивают».
Почему антибиотики не всегда справляются с ИМП?
Команда сосредоточилась на уропатогенной Escherichia coli (UPEC), штамме E. coli, адаптированном для заражения мочевыводящих путей и причины большинства ИМП. В больницах бактерии из мочи пациента могут быть проверены, чтобы увидеть, какие антибиотики останавливают их рост, но эти тесты обычно проводятся в неподвижной, богатой питательными веществами жидкости.
Настоящий мочевой пузырь ведет себя по-другому: моча постоянно движется и бактерии взаимодействуют с подкладкой мочевого пузыря.
Реалистичные модели мочевого пузыря трудно работать с обычными лабораторными протоколами, поскольку они могут быть очень сложными. Чтобы решить эту проблему, доктор Рамон Гарсия Масет и его коллеги из Оксфордского университета разработали устройство, которое может работать с типичными клеточными культурами для воссоздания условий потока мочевых циклов.
При введении UPEC в микро-пузырь ученые обнаружили, что бактерии стали лучше прилипать к поверхности мочевого пузыря и с большей вероятностью вторгаются в слизистую оболочку мочевого пузыря и создают защищенные резервуары бактерий, скрытые внутри клеток мочевого пузыря, где их труднее достичь.
Затем команда протестировала нитрофурантоин (обычно используемый антибиотик для ИМП). В стандартных лабораторных тестах это лечение работает хорошо, но в микро-лезвии он изо всех сил пытался полностью очистить инфекцию.
Что произойдет, если добавить фаги к антибиотикам?
Исследователи также протестировали коктейль из фагов или вирусов, которые заражают и уничтожают бактерии. Сам по себе фаговый коктейль также затрудняет очистку бактерий в проточной среде. Однако, когда ученые объединили фаги с антибиотиком, результаты улучшились, предполагая, что двухсторонний подход может быть более эффективным, чем одно только лечение.
Одним из важных открытий было то, что в отличие от антибиотиков, лечение фагом позволило уменьшить количество защищенных бактериальных резервуаров внутри стенки мочевого пузыря. Поскольку эти резервуары могут действовать как питательная среда для будущей инфекции, их сокращение может стать важным шагом на пути предотвращения повторного возвращения ИМП.
Ведущий автор доктор Гарсия Масет сказал: «Особенно многообещающим является то, что фаговая терапия смогла достичь этих скрытых резервуаров бактерий, искореняя причину инфекции».
«Мы также обнаружили, что поток мочи существенно изменяет поведение бактерий и реагирует на лечение, предполагая, что во многих обычных лабораторных тестах могут отсутствовать важные аспекты инфекционного процесса».
Какие еще преимущества дает фаговая терапия?
Исследование представило еще одно потенциальное преимущество: фаги, по-видимому, усиливают собственную раннюю защитную реакцию ткани мочевого пузыря. Исследователи увидели признаки повышенной иммунной сигнализации, включая цитокины и хемокины (белки-посланники, которые помогают организму координировать воспаление и доставлять иммунные клетки к месту инфекции).
Профессор Марта Клоки, директор Центра исследований фагов Бекки Майер в Университете Лестера, сказала: «Это исследование показывает, почему так важно тестировать фаги в условиях, которые действительно отражают человеческое тело.
«Объединив реалистичную модель протекания микропузырей с фагом и лечением антибиотиками, мы можем начать понимать, как лучше использовать фаги вместе с существующими лекарствами для достижения лучших результатов для пациентов».
Фаговая терапия еще не является обычным лечением ИМП, и потребуются дополнительные исследования, чтобы подтвердить, насколько хорошо она работает, как лучше всего ее доставить и какие пациенты, скорее всего, выиграют. Тем не менее, это исследование предлагает многообещающий путь к более длительному облегчению для людей, живущих с повторными ИМП.
Инструменты проектирования устройств и анализа изображений, используемые в этом исследовании, были предоставлены в свободном доступе, чтобы способствовать более широкому внедрению в лабораториях, с надеждой, что они могут найти более широкое применение в исследованиях, посвященных влиянию опосредованной потоком механостимуляции на биологические системы.
Вопросы и ответы
Почему антибиотики не всегда эффективны против ИМП в реальных условиях?
В стандартных лабораторных тестах антибиотики, такие как нитрофурантоин, выглядят эффективными, но в микро-пузыре с текущей мочой они не могли полностью очистить инфекцию. Поток мочи изменяет поведение бактерий, позволяя им создавать защищенные резервуары внутри стенки мочевого пузыря, недоступные для антибиотиков.
Что показало объединение фагов с антибиотиками в исследовании?
Когда фаги (вирусы, уничтожающие бактерии) объединили с антибиотиком, результаты улучшились. В отличие от антибиотиков, фаговая терапия уменьшала количество защищенных бактериальных резервуаров, которые могут вызывать рецидивы, что делает комбинированный подход потенциально более эффективным.
Какие дополнительные преимущества фаговой терапии обнаружили исследователи?
Фаги усиливали раннюю защитную реакцию ткани мочевого пузыря, повышая иммунную сигнализацию через цитокины и хемокины. Эти белки помогают координировать воспаление и доставлять иммунные клетки к месту инфекции, что может способствовать более эффективному иммунному ответу.
