Oporność na antybiotyki występująca u mikroorganizmów to poważne globalne zagrożenie w dzisiejszych czasach gdyż utrudnia nam ona kontrolowanie infekcji. Fenomen ten odbywa się z reguły naturalnie, jednak niepoprawne używanie antybiotyków/substancji przeciwdrobnoustrojowych znacznie zwiększa jego częstotliwość. Z tego powodu łatwo uleczalne infekcje, takie jak zapalenie płuc, stają się dużo trudniejsze do zwalczenia przez brak efektywności antybiotyków. Według ostatnich badań, w 2019 roku bakterie oporne na antybiotyki zabiły 1.2 miliona ludzi, a także przyczyniły się do kolejnych 5 milionów śmierci na całym świecie [1]. Ten fenomenon jest zazwyczaj spowodowany rozwojem lub nabywaniem pewnych mechanizmów przez mikroorganizmy z powodu ich ekspozycji na różne środki przeciwdrobnoustrojowe co ułatwia ewolucje atybiotykooporności.
W medycynie, substancje przeciwdrobnoustrojowe mogą być także używane jako powłoki na powierzchniach biomedycznych takich jak wenflony lub implanty. Po wprowadzeniu ich do ciała, przestrzenie te mogą zostać skolonizowane przez bakterie formułujące ciężkie do usunięcia biofilmy [2].
Czym są biofilmy?
Mówiąc prosto, biofilmy to zbiory jednego lub wielu typów mikroorganizmów, które mogą rosnąć na wielu różnych powierzchniach [3]. Te mikroorganizmy są osadzone pośród międzykomórkowego matriksu, który uprzednio wyprodukowały. Warto dodać, że wspomniany matriks, złożony jest z wielu różnych polimerów, m. in. długołańcuchowych węglowodanów. [2]. Biofilmy produkowane przez bakterie mają im wiele do zaoferowania: społeczną współpracę, ułatwione przechwytywanie zasobów oraz lepszą odporność na substancje przeciwdrobnoustrojowe [3]. To wszystko sprawia, że biofilmy są niezwykle atrakcyjną opcją dla wolno żyjących bakterii. Aby ułatwić zrozumienie idei biofilmów, bardzo popularnym ich przykładem są osady nazębne – cienkie warstwy stale formułujące się na płytce nazębnej.
Największy problem dotyczący biofilmów zaobserwować można gdy zaczynają się one formułować na powierzchniach biomedycznych (wspomnianych wcześniej wenflonach lub implantach) i bardzo trudno jest je usunąć. Niedawno zostało wykazane, że infekcje powiązane z bakteryjnymi biofilmami stanowią większość chronicznych infekcji bakteryjnych [2]. Niestety, nasza obecna wiedza jest dość ograniczona w tym temacie, co sprawia, że jeszcze trudniej jest zwalczyć problem antybiotykoopornych biofilmów [2].
Projekt BEAT-AMR
Projekt BEAT-AMR – Antybiotykooporność w biofilmach – został powołany do życia aby zbadać różnice pomiędzy reakcjami opornych oraz wrażliwych na antybiotyki bakterii na powierzchnie pokryte różnymi substancjami przeciwdrobnoustrojowymi. Był to projekt badawczy stworzony w 2017 roku, który miał na celu ulepszenie fundamentalej wiedzy dotyczącej oddziaływań pomiędzy powłokami na powierzchniach biomedycznych, formułowaniem się bakteryjnych biofilmów oraz ewolucją antybiotykooporności w biofilmach [2].
Sposób, w jaki projekt starał się osiągnąć zamierzony cel, obejmował przeprowadzenie serii laboratoryjnych eksperymentów na popularnym szczepie bakterii tworzącej biofilmy – Pseudomonas aeruginosa. Pseudomonas aeruginosa jest bakterią najczęściej znajdującą się w glebie lub wodzie, która może powodować infekcje u ludzi takie jak infekcje krwi, zapalenie płuc czy też infekcje innych części ciała po operacji [4]. Infekcje te, najczęściej leczone z pomocą antybiotyków, z czasem stają się coraz trudniejsze do wyleczenia z powodu rosnącej oporności na antybiotyki obecnej w szczególności u pacjentów hospitalizowanych [4].
Podczas projektu BEAT-AMR, biofilmy Pseudomonas aeruginosa były hodowane na wielu testowanych powierzchniach oraz analizowane z pomocą technologii obrazowania (mikroskopu sił automowych i skanującego lasererem mikroskopu konfokalnego) oraz współczesnych technologii sekwencjonowania w tym metagenomiki i metatranskryptomiki. Odpowiednie hipotezy były testowane klinicznie w finalnych etapach projektu, aby umożliwić zdefiniowanie określonych kombinacji substancji przeciwdrobnoustrojowych, stosowanych na powierzchniach biomedycznych oraz antybiotyków, tak aby obniżyć rozpowszechnianie się i ewolucję antybiotykooporności [2].
Podejście oparte na współpracy
Projekt BEAT-AMR był przeprowadzony w kolaboracji z czterema partnerami Europejskimi: Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung – BAM (Niemcy), Szwajcarskimi Federalnymi Laboratoriami (Szwajcaria), Uniwersytetem w Southamptom (UK) oraz Uniwersytetem w Groningen (Holandia). Michał Ciok, doktorant na Uniwersytecie w Bayreuth, wtedy student piszący pracę Magisterską w BAM, brał udział w tym projekcie. Wspomniany zespół badawczy miał na celu zidentyfikowanie kombinacji substancji przeciwdrobnoustrojowej i antybiotyku, które selekcjonowałyby za i przeciw antybiotykooporności oraz określić dynamikę populacji opornych szczepów bakteryjnych [5].
W wyniku zapobiegawczych i terapeutycznych sposobów stosowanych w środowiskach klinicznych (używania wielu różnych antybiotyków w tym substancji znajdujących się na powierzchniach przedmiotów biomedycznych oraz antybiotyków administrowanych np. doustnie), bakterie powodujące infekcje są narażone na działanie przeróżnych środków medycznych podczas formowania biofilmu [5]. W rezultacie, biofilmy tworzone przez oporne bakterie są znacznie trudniejsze do wyleczenia, niż te tworzone przez bakterie podatne na antybiotyki. Co interesujące, badania wykazały, że działanie na wrażliwe jak i oporne na antybiotyki bakterie różnymi kombinacjami toksycznych substancji może doprowadzić do selektywnego przetrwania jednego lub drugiego typu bakterii [5]. Zatem za sprawą badań laboratoryjnych, Michał Ciok wraz z innymi naukowcami z BAM, zidentyfikowali kombinacje substancji przeciwdrobnoustrojowej i antybiotyku, które wspólnie wzmacniają swoją skuteczność przeciwko drobnoustrojom, a także takie, które tłumią swoje efekty [6]. Aby określić podstawy tego jakie kombinacje antybiotyków powinny zostać zastosowane podczas leczenia (tak aby zapobiec infekcjom bakterii antybiotykoopornych), naukowcy studiowali populacje zawierające oporne jak i wrażliwe na antybiotyki szczepy bakterii w obecności wielu różnych kombinacji. Dzięki temu, zespół badawczy zdołał określić kombinacje substancji przeciwdrobnoustrojowych i antybiotyków, które albo umożliwiały albo utrudniały przeżycie bakterii w zależności od ich antybiotykooporności [5]. Kombinacje, które selekcjonują wrażliwe na antybiotyki bakterie są preferowane, gdyż mogą one zatrzymać namnażanie się opornych szczepów oraz znacznie spowolnić ewolucję antybiotykooporności.
Warto zaznaczyć, że w kontekście polskiego rynku farmaceutycznego oraz rozwoju badań naukowych, zagadnienia związane z opornością bakterii na antybiotyki stanowią niezwykle istotny problem.
Bibliografia:
- Murray CJ, Ikuta KS, Swetschinski L, Robles Aguilar G, Gray A, Han C, et al. Obciążenie globalne spowodowane antybiotykoopornością w 2019 roku: systematyczna analiza. 2022 Luty 12;399(10325):629–55. Dostęp: https://dx.doi.org/10.1016/S0140-6736(21)02724-0
- Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM). BEAT-AMR – Antybiotykooporność w biofilmach [Internet]. 2022. (www.bam.de). Dostęp: https://www.bam.de/Content/EN/Projects/Beat-Amr/beat-amr.html
- Flemming H-C, Wingender J, Szewzyk U, Steinberg P, Rice SA, Kjelleberg S. Biofilmy: kształtująca się forma życia bakterii. 2016 Września 1;14(9):563–75. Dostęp: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/27510863
- Centrum Kontroli i Prewencji Chorób. Pseudomonas aeruginosa w środowiskach opieki zdrowotnej [Internet]. 2019. (www.cdc.gov). Dostęp: https://www.cdc.gov/hai/organisms/pseudomonas.html
- Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM). Dynamika populacji podczas formacji biofilmów na powierzchniach pokrytych substancjami przeciwdrobnoustrojowymi [Internet]. 2022. Dostęp: https://www.bam.de/Content/EN/Projects/Beat-Amr/beat-amr-bam.html
- Pietsch F, Heidrich G, Nordholt N, Schreiber F. Rozpowszechniona Strategia i Antagonizm Pośród Antybiotyków i Biocydów w Pseudomonas aeruginosa. 2021 Feb 4;11:615618. Dostęp: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/33613467
Wiktoria Bulik