Антибиотик из почвенных бактерий подавил инфекцию и почти не затронул микробиом

Аргирин B показал высокую активность против Clostridioides difficile. Но главная особенность экспериментального вещества — его избирательное действие на кишечные бактерии

Как лечение антибиотиками может привести к новой инфекции

Антибиотики уничтожают бактерии, вызывающие заболевания. Однако многие препараты одновременно воздействуют на микроорганизмы, которые постоянно живут в кишечнике и помогают защищать его от инфекций.

Иногда последствия такого лечения оказываются неожиданными: после уничтожения одних бактерий начинают активно размножаться другие.

Именно так нередко развивается инфекция Clostridioides difficile, сокращённо C. difficile.

Эта бактерия встречается в окружающей среде и может присутствовать в кишечнике человека, не вызывая заболевания. Здоровая микробиота сдерживает её размножение: микроорганизмы конкурируют за питательные вещества, занимают доступное пространство и поддерживают защитные механизмы кишечника.

После курса антибиотиков часть этих защитных бактерий погибает. Освободившиеся условия позволяют C. difficile размножаться значительно активнее.

Особенно опасны штаммы, производящие два токсина — A и B. Они повреждают клетки слизистой оболочки толстой кишки, вызывают воспаление и диарею. В тяжёлых случаях заболевание может сопровождаться обезвоживанием, серьёзным повреждением кишечника и угрожать жизни.

Проблема заключается не только в первоначальной инфекции.

Даже после успешного лечения заболевание иногда возвращается. Одной из причин считается то, что кишечная микробиота ещё не восстановила способность противостоять повторному размножению возбудителя.

Возникает своеобразный терапевтический парадокс: антибиотик помогает справиться с инфекцией, но его воздействие на остальные бактерии способно затруднить восстановление естественной защиты кишечника.

Из 259 природных соединений исследователи выделили перспективную молекулу

Учёные из Германии, работающие в Институте фармацевтических исследований Саарланда имени Гельмгольца (HIPS), Ганноверской медицинской школе и других научных учреждениях, решили исследовать природные антибактериальные вещества.

Их внимание привлекли миксобактерии — почвенные микроорганизмы, способные производить разнообразные биологически активные соединения.

Некоторые миксобактерии используют такие вещества для подавления других микроорганизмов, которые затем могут служить им источником питательных веществ.

Исследователи проверили библиотеку из 259 очищенных природных соединений. Среди перспективных кандидатов оказались аргирины — семейство небольших циклических пептидов, состоящих из восьми аминокислотных остатков.

Особый интерес вызвал аргирин B (argyrin B).

Вещество проверили на 51 клиническом изоляте C. difficile, включая штаммы, связанные с тяжёлыми инфекциями.

Результаты оказались впечатляющими: для подавления роста бактерий требовались очень небольшие концентрации препарата.

Минимальная подавляющая концентрация, или MIC, — это количество вещества, необходимое для прекращения видимого роста бактерий в лабораторном эксперименте.

Для 90% исследованных изолятов C. difficile этот показатель составлял не более 25 нанограммов на миллилитр.

Однако высокая активность против возбудителя была лишь одной частью открытия.

Почему аргирин B почти не затрагивает другие кишечные бактерии

Исследователи отдельно проверили, как вещество действует на микроорганизмы, обычно присутствующие в кишечнике.

В лабораторные эксперименты включили представителей нескольких бактериальных групп, в том числе Bacteroides, Bifidobacterium и Clostridium.

Оказалось, что аргирин B не подавлял рост шести протестированных видов кишечных анаэробных бактерий даже при концентрациях, значительно превышающих необходимые для воздействия на C. difficile.

Это принципиально отличает его действие от антибиотиков с широким спектром активности.

Но каким образом вещество может так избирательно действовать на бактерии?

Аргирин B воздействует на белок, называемый фактором элонгации G, или EF-G.

Чтобы понять его роль, нужно вспомнить, как бактериальная клетка производит белки.

Внутри клетки находятся рибосомы — молекулярные комплексы, которые считывают генетические инструкции и последовательно соединяют аминокислоты в белковые цепочки.

EF-G помогает рибосоме перемещаться по матричной РНК от одного участка инструкции к следующему.

Без этого перемещения нормальная сборка белка невозможна.

Аргирин B связывается с EF-G и нарушает его работу. В результате процесс синтеза белка блокируется, и бактерия теряет способность нормально функционировать.

Механизм действия аргиринов был известен по предыдущим исследованиям других бактерий. Новая работа подтвердила, что EF-G является их мишенью и у C. difficile.

Здесь возникает ещё один интересный вопрос.

Фактор EF-G присутствует у множества бактерий. Почему же аргирин B настолько эффективен против C. difficile и значительно слабее действует на многие другие кишечные микроорганизмы?

Окончательного ответа пока нет.

Авторы предполагают, что значение могут иметь небольшие различия в строении белка, способности вещества проникать внутрь бактериальной клетки и механизмах его выведения.

Понимание этих различий может помочь создавать антибиотики, избирательно воздействующие на конкретных возбудителей.

Эксперимент на мышах выявил главное преимущество аргирина B

Лабораторная активность вещества ещё не означает, что оно будет эффективно при настоящей инфекции.

Поэтому учёные перешли к экспериментам на животных.

Сначала мышам вводили клиндамицин — антибиотик, нарушающий кишечную микробиоту и повышающий восприимчивость к C. difficile.

Затем животных заражали спорами возбудителя.

После заражения мышей распределили по группам. Одни получали аргирин B в дозах 1 или 5 мг/кг, другие — ванкомицин в дозе 50 мг/кг. Контрольной группе вводили раствор без действующего вещества.

Лечение продолжалось три дня.

Аргирин B значительно уменьшал количество C. difficile в кишечнике по сравнению с контрольной группой. По этому показателю его действие было сопоставимо с ванкомицином.

На второй день после заражения у животных, получавших аргирин B, также наблюдалось снижение уровня липокалина-2 — биологического маркера кишечного воспаления.

Но наиболее интересные результаты появились при анализе микробиоты.

Исследователи сравнили разнообразие и состав бактериальных сообществ до воздействия антибиотиков, после клиндамицина и после экспериментального лечения.

У мышей, получавших ванкомицин, микробиота оставалась сильно нарушенной.

В частности, снижалась представленность некоторых групп обычных кишечных бактерий, включая Bacteroides и Bifidobacterium.

У животных, получавших аргирин B, ситуация была другой.

Их микробное сообщество восстанавливалось после воздействия клиндамицина, а по составу и разнообразию приближалось к состоянию до антибиотикотерапии.

Сходное восстановление наблюдалось и у контрольных животных, не получавших дополнительного антибиотика.

Это важное уточнение: эксперимент показал прежде всего, что аргирин B почти не мешал естественному восстановлению микробиоты, тогда как ванкомицин продолжал её нарушать.

Таким образом, исследователям удалось продемонстрировать сочетание двух свойств: подавления возбудителя и сравнительно щадящего воздействия на остальное бактериальное сообщество.

При этом состав микробиоты определяли главным образом методом анализа бактериальной ДНК. Прямого доказательства полного восстановления всех её защитных функций исследование не предоставило.

Почему вещество остаётся преимущественно в кишечнике

Ещё одно важное свойство аргирина B обнаружилось при изучении его распределения в организме.

После введения мышам через рот вещество очень слабо всасывалось в кровоток.

Основная его часть оставалась в кишечнике, а значительные количества действующего соединения обнаруживались в кале даже спустя сутки после введения.

Для лечения кишечной инфекции такая особенность потенциально полезна.

Если возбудитель находится преимущественно в просвете толстой кишки, лекарству необязательно создавать высокую концентрацию в крови. Желательно, чтобы оно действовало непосредственно в месте инфекции.

Это позволяет рассчитывать на ограниченное воздействие препарата на другие органы и ткани.

Однако низкое всасывание само по себе ещё не доказывает безопасность вещества. Для этого необходимы отдельные токсикологические исследования, в том числе оценка возможного воздействия на слизистую кишечника.

Почему аргирин B пока нельзя считать готовым лекарством

Несмотря на перспективные результаты, исследование находится на доклинической стадии.

Опыты проводились на бактериальных культурах и мышах. У людей аргирин B пока не проверяли.

Существуют и другие ограничения.

Во-первых, использованная модель инфекции не полностью воспроизводит течение заболевания у человека.

Даже у животных, не получавших лечение, количество C. difficile со временем самостоятельно снижалось.

Поэтому эксперимент не позволяет уверенно судить об эффективности вещества при длительной, тяжёлой или рецидивирующей инфекции.

Во-вторых, исследователи пока не доказали, что сохранение микробиоты действительно уменьшает вероятность повторного заболевания.

Это логичное предположение, но для его подтверждения потребуются отдельные эксперименты.

В-третьих, необходимо учитывать устойчивость бактерий.

В лаборатории исследователям удалось получить мутантные варианты C. difficile, устойчивые к аргирину B.

Такие варианты возникали редко — с частотой около 4,6 случая на миллиард бактериальных клеток при использованных условиях отбора.

Устойчивость была связана с изменениями гена fusA2, кодирующего фактор EF-G.

Интересно, что некоторые устойчивые мутанты производили меньше токсинов, чем исходная бактерия, а другие — больше.

Пока неизвестно, как подобные изменения могут повлиять на течение инфекции у человека.

Наконец, ещё предстоит определить оптимальную дозировку, продолжительность лечения, переносимость и возможные нежелательные эффекты.

Чем новый кандидат отличается от уже существующих препаратов

Сегодня для лечения инфекции C. difficile применяются прежде всего ванкомицин и фидаксомицин.

Причём идея сохранения кишечной микробиоты не является совершенно новой.

Фидаксомицин уже обладает сравнительно узким спектром антибактериальной активности и меньше нарушает кишечное бактериальное сообщество, чем ванкомицин.

В клинических рекомендациях IDSA и SHEA ему отдают предпочтение при многих случаях первоначальной и повторной инфекции C. difficile, хотя доступность и стоимость лечения могут ограничивать его применение.

Поэтому принципиально важно, что аргирин B в рассматриваемом исследовании сравнивали с ванкомицином, но не с фидаксомицином.

Пока нет оснований утверждать, что новый кандидат лучше существующей наиболее избирательной терапии.

Тем не менее у аргирина B есть потенциальное преимущество: он действует на другую молекулярную мишень.

Фидаксомицин подавляет бактериальную РНК-полимеразу, а аргирин B воздействует на фактор EF-G, участвующий в синтезе белка.

Различие механизмов может оказаться полезным при дальнейшем поиске вариантов терапии, особенно если у возбудителя развивается устойчивость к применяемым препаратам.

При многократных рецидивах C. difficile существует и другой подход — восстановление кишечной микробиоты с помощью микробиотных препаратов или трансплантации фекальной микробиоты.

В США регулятор FDA уже одобрил специализированные препараты для профилактики повторной инфекции после антибиотикотерапии, включая средства в форме капсул для приёма внутрь.

Однако это отдельное направление лечения. Оно не отменяет необходимости эффективно подавлять возбудителя при активной инфекции.

Перспектива аргирина B заключается именно в возможности объединить эти задачи: уменьшить количество C. difficile, не создавая дополнительных препятствий для восстановления собственной микробиоты пациента.

Что исследователям предстоит выяснить дальше

Следующим этапом станут эксперименты, позволяющие точнее определить эффективные и безопасные дозы вещества.

Особенно важны модели повторной инфекции, в которых можно оценить не только подавление C. difficile, но и способность терапии предотвращать рецидивы.

Потребуются также более подробные исследования токсичности, механизмов бактериальной устойчивости и взаимодействия препарата с кишечной микробиотой.

Только после получения достаточных доклинических данных можно будет рассматривать переход к испытаниям на людях.

В случае успешной разработки наиболее очевидными потенциальными получателями новой терапии станут пациенты с инфекцией C. difficile, особенно те, кто сталкивается с повторными эпизодами заболевания.

Но пока практический вывод остаётся прежним.

Диарея после антибиотикотерапии не всегда вызвана C. difficile. Однако при выраженных или сохраняющихся симптомах, особенно при лихорадке, боли в животе и признаках обезвоживания, необходимо обратиться к врачу.

Для выбора лечения требуется установить причину заболевания, а экспериментальные результаты пока не меняют существующие клинические рекомендации.