Слайд 1 - Институт химической физики им. Н.Н. Семенова РАН
advertisement
«ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА - МЕДИЦИНЕ» Россия, Москва, 7 ноября 2013 г ИХФ им. Н.Н. Семёнова РАН Устойчивость бактерий к антибиотикам Эль-Регистан Г.И. УЧРЕЖДЕНИЕ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК ИНСТИТУТ МИКРОБИОЛОГИИ ИМ. С.Н. ВИНОГРАДСКОГО РАН Состояние вопроса • Растущее распространение антибиотикорезистентности (АР) микроорганизмов. • Инфекционные осложнения у иммунокомпрометирометированных пациентов (у онкобольных - до 80%) • Обнаружение детерминант АР и переживающих клеток (морфотипов) в вечной мерзлоте (сотни тыс.- млн. лет). Эволюционные направления развития резистетности бактерий к антибиотикам (токсикантам) Изменение фенотипа Изменение генотипа прекращение деления - персистеры (П) - стационарные клетки (СК) - покоящиеся формы (ПФ) развитие генотипов с детерминантами устойчивости (клоны) - изменение рецепторов (мишеней) - активный выброс из клетки - изменение антибиотика механизм изменение экспрессии белков, обусловливающих прекращение роста - внутригеномные перестройки - горизонтальный перенос генов АУ - локальные мутации выживание в присутствии антибиотиков рост в присутствии антибиотиков антибиотикотолерантность антибиотикоустойчивость Фенотипы антибиотикорезистнтности (образуются всегда в цикле развития любой микробной культуры) пролиферативный покой выход из клеточного цикла - клетки-персистеры (П) - стационарные клетки (СК) П СК 0.001-1.0% 100% ПФ 0.001-1.0% метаболический покой гипометаболическое или анабиотическое состояние покоящиеся формы (ПФ): - цистоподобные покоящиеся клетки (ЦПК) - некультивируемые клетки (НК) - ультрамелкие покоящиеся клетки (УМП) П, СК, ПФ Полиморфизм цистоподобных клеток Pseudomonas aurantiaca Вид покоящихся клеток в вечной мерзлоте 30-40 тыс. лет 2 млн. лет 7-10 тыс. лет 30-40 тыс. лет Масштабная метка 0.2 мкм Генотипы устойчивости (выщепление и развитие внутрипопуляционных диссоциантов - клонов, вариантов, в том числе - антибиотикоустойчивых) Колониально-морфологическая диссоциация при прорастании ПФ P.aurantiaca и P.fluorescens S S R Sm R M Mm Таким образом, - Клетки с фенотипом АР воспроизводят в новом цикле развития такую же популяцию, - существующую как многоклеточный самоорганизующийся организм, - выживание которого при (антибиотическом) стрессе обусловлено изначально предсуществующей гетерогенностью популяции (по фенотипам и генотипам) - Вывод – полностью уничтожить микробную популяцию фармакологическими средствами невозможно, т.к. в любом случае останутся клетки, предназначенные для сохранения вида. - Поэтому бороться с антибиотикоустойчивотью бактерий целесообразно, регулируя образование и «консервацию» персистеров и покоящихся форм, а также выщепление АУ клонов Уровни организации АР бактериальных популяций Молекулярный Клеточный экспрессия и активность белков - стрессовых генов (молекулярных шаперонов, антиоксидантных систем, репарации ДНК) - регуляторных (на уровне транскрипции) - структурных и функциональных прекращение деления (П и СК) прорастание Популяционный прекращение метаболизма (ПФ) прорастание диссоциация популяции (АУ клоны) реверсия к другим типам развитие популяции как единого многоклеточного организма с помощью низкомолекулярных регуляторов межклеточной коммуникации. - микробных - растительных - животных Основные свойства регуляторов - низкомолекулярные соединения - низкая метаболизируемость - перемещаются между клеткой и средой без участия мембранных транспортных систем - обладают дозозависимым эффектом - зависимость концентрации от клеточной плотности продуцента - чувствительность (компетентность) клетокреципиентов влияют фенотип, физиологический возраст и гетерогенность популяции Участники регуляторного контроля развития микробных популяций - ацилированные ГСЛ – плотностные регуляторы - Rрf-белки – реактиваторы ПФ - ненасыщенные жирные кислоты – реактиваторы ПФ - Rf-белки – протекторы - SH-содержащие пептиды - биологические амины - регуляторы адгезии - алкилоксибензолы – регуляторы полимодальные АОБ Свойства и функциональная активность АОБ Реакционная способность – Н…Н; гидрофобные и электростатические взаимодействия Амфифильность Изменение спектра изомеров и гомологов АОБ в цикле развития Мембранотропное действие (изменение функциональной активности мембран, изменение направления ионных потоков) Регуляция (де)гидратации клеток Модификация структуры белков: стабилизация ферментов, модуляция их активности, изменение субстратной специфичности Стабилизация и изменение топологии ДНК Антиоксидантная активность Индукция стрессовых генов (регулонов rpoS и SOS-ответа) Регуляция экспрессии генов (пилей 1 типа, К-М вариантов, физиологических диссоциантов) Функции АОБ в регуляции АУ бактерий Функция стрессовые гены генотип. вариаб-ть образование П образование СК образование ПФ: индукция созревание сохранение прорастание ПФ Длинноцепочечные АОБ (С5-С18) (Н...Н, эл-стат, г-фоб) индукция повышение ??? ускорение Короткоцепочечные АОБ (С1-С2) (Н...Н, эл-стат) протекция снижение ??? ускорение ??? ??? развитие анабиотического состояния как результат суммы физико-химических процессов запрещение, переход в микромумии все эффекты дозо-зависимы стимуляция Нежизнеспособные мумифицированные клетки КС Свойства: фЦПМ КС ПЦ • сильная рефрактерность и сохранение внешней формы; ПП 0.5 мкм • полная утрата жизнеспособности; а M. luteus 0.5 мкм б S. aureus ф НМ • деструкция клеточных мембран СВ 0.5 мкм 0.5 мкм P. aurantiacaг в л 0.5 мкм Микомумия дрожжей 0.5 мкм КС л Микрофоссилии в керитах (1.85 млн.лет) [Gorlenko et al., 2000] Л КС 0.5 мкм д Л S.е cerevisiae 0.2 мкм Функционирование алкилоксибензолов в качестве структурных модификаторов и стабилизаторов белков Активность, % 120 100 80 60 40 20 0 0 а Активность,% 180 б 160 140 120 100 80 0,03 0,05 0,25 0,5 С12-АОБ, мМ 1 1,5 2 0 2 4 6 8 10 12 С7-АОБ, мМ Влияние прединкубации трипсина с С12-АОБ (а) и С1-АОБ (б) на его протеолитическую активность. Расположение С1-АОБ вокруг молекулы лизоцима. Стэкингвзаимодействия (пояснение). Возможные пути регуляции (снижения) антибиотикорезистентности бактерий Тип устойчивости Персистеры Цель воздействия Методы и агенты достижения цели стрессопротекторы, антиснижение численности оксиданты перевод в делящееся состояние мембранотропные в-ва (НЖК и др.) С6-С18 АОБ ингибирование метаболизма ПФ снижение численности прорастание («тиндализация») перевод в микромумии стрессопротекторы НЖК, затем антибиотики С6-С18 АОБ АУ клоны снижение численности видоспецифичные адаптогены стрессопротекторы, антиоксиданты ингибирование образования ПФ Таким образом, внеклеточные (ауто)регуляторы разной химической природы контролируют поэтапный скоординированный ответ популяции на воздействия стрессоров, в том числе, антибиотиков. Поэтому перспективно использовать регуляторы для контроля антибиотикорезистентности бактерий. Ничто не стоит так дешево и не ценится так дорого, как… общение.
