Nanociała i molekularna wędka, czyli precyzyjny połów bakterii opornych na antybiotyki

Szybkie wykrywanie bakterii może znacznie usprawnić leczenie antybiotykami. Wspierana przez Szwajcarski Narodowy Fundusz Nauki (SNF) grupa badawcza z Uniwersytetu w Zurychu opracowała cząsteczki, które rozpoznają i „łapią” określone bakterie.

Odkrycie antybiotyków w XX wieku zrewolucjonizowało medycynę i uratowało życie niezliczonym osobom. Jednak już wkrótce pojawiło się nowe wyzwanie – bakterie oporne na te leki. Kluczem w walce z tym niepokojącym zjawiskiem jest szybkie i precyzyjne rozpoznanie bakterii wywołującej infekcję, co umożliwia celowane i skuteczne leczenie. Zmniejsza to ryzyko powstawania nowych mechanizmów oporności.

Zespół naukowców przy wsparciu SNF opracował cząsteczki, które wykrywają określone bakterie szybciej niż dotychczas dostępne metody. Wyniki badań zostały niedawno opublikowane w czasopiśmie Communications Biology. Otwierają one drogę do przyspieszenia metod diagnostycznych, zwłaszcza w przypadkach posocznicy. „Nowo opracowane cząsteczki są już wykorzystywane we współpracy z zuryskim start-upem Rqmicro, który opracowuje narzędzia do monitorowania jakości wody” – mówi biochemik Markus Seeger, który kierował badaniami w Instytucie Mikrobiologii Medycznej Uniwersytetu w Zurychu.

Szybsza diagnostyka

„W wyścigu między pojawianiem się oporności a opracowywaniem nowych antybiotyków jesteśmy bez szans” – twierdzi badacz. „Bakterie od milionów lat toczą wojnę z wirusami i potrafią się szybko adaptować do nowych zagrożeń.” Jedyną obecnie skuteczną strategią jest rozważne stosowanie antybiotyków, tak by bakterie jak najrzadziej stykały się z ich śladowymi ilościami i były na nie nieprzygotowane podczas właściwej terapii. To jednak wymaga możliwie szybkiej i precyzyjnej diagnostyki medycznej.

Obecnie stosowane metody są czasochłonne – bakterie z próbek pobranych od pacjentów muszą być namnażane aż do osiągnięcia wystarczającej liczby do szczegółowej analizy. U niektórych gatunków trwa to około 12 godzin, u innych dłużej. Sama analiza zajmuje kolejne dwie godziny.

Zespół Markusa Seegera próbuje ten proces przyspieszyć: „Chcemy wykrywać bakterie wcześniej, nawet jeśli występują w małych ilościach, poprzez ich barwienie. Dodatkowo staramy się je wyłapywać bezpośrednio z krwi, co pozwala szybciej przeanalizować większą liczbę komórek.” Choć metoda nie zapewnia pełnej diagnozy, pozwala szybciej potwierdzić lub wykluczyć obecność określonych patogenów, co jest szczególnie cenne w przypadkach posocznicy, gdzie nie można czekać dzień lub dwa na wyniki.

Grupa badawcza skupiła się na wykrywaniu pałeczek okrężnicy Escherichia coli (E. coli), bakterii odpowiedzialnej za liczne infekcje układu moczowego oraz przypadki sepsy. W Szwajcarii częstość występowania szczepów E. coli opornych na antybiotyki wzrosła w latach 2004–2024, w niektórych klasach antybiotyków nawet pięciokrotnie. „Sama informacja, czy mamy do czynienia z E. coli, czy innym drobnoustrojem, jest już bardzo cenna przy podejmowaniu decyzji terapeutycznych” – mówi Seeger. Opracowane przez jego zespół narzędzia mogą skrócić czas diagnostyki z około 12 do 6 godzin.

Przez cukrową dżunglę

Aby skutecznie wyłapywać bakterie E. coli, naukowcy musieli pokonać dwa problemy. Po pierwsze, należało znaleźć na bakterii specyficzne miejsce, do którego można by przyczepić „haczyk”. Po drugie, trzeba było pokonać tzw. „cukrową dżunglę” – gęsty płaszcz z długich łańcuchów cukrowych, który otacza bakterie i stanowi barierę dla większych cząsteczek.

Badacze zdecydowali się więc na użycie nanociał – miniaturowych przeciwciał, które dzięki swoim niewielkim rozmiarom mogą przenikać przez „cukrową dżunglę”. Nanociała są również bardziej stabilne niż klasyczne przeciwciała i nie wymagają stałego chłodzenia, co ułatwia ich transport i przechowywanie.

W poszukiwaniu odpowiedniego punktu uchwytu badacze przeanalizowali bazy danych genomów bakterii, w tym szczepów izolowanych w szwajcarskich szpitalach. Zidentyfikowali białko OmpA, którego specyficzna forma występuje wyłącznie u E. coli. Na tej podstawie opracowali nanociała, które precyzyjnie rozpoznają tę wersję OmpA u ponad 90% szczepów E. coli – skuteczny „haczyk” na bakterie.

Efektem prac jest gotowe do użycia narzędzie do barwienia bakterii. Ale samo barwienie to nie wszystko: „Do wykrywania E. coli wystarczą drobne barwniki, które można łatwo przyłączyć do nanociał. Ale do fizycznego wyłapywania bakterii potrzebujemy większych magnetycznych kulek, które nie są w stanie przebić się przez warstwę cukrową” – wyjaśnia Seeger. Z tego powodu naukowcy stworzyli „molekularną linkę”, która łączy nanociała (haczyk) z magnetycznymi kulkami (wędką). „Teraz mamy kompletne narzędzie wędkarskie – możemy wykrywać i wyławiać E. coli. Mam nadzieję, że uda się wprowadzić tę technologię także do diagnostyki klinicznej. Już dziś jest ona stosowana w analizach środowiskowych” – podsumowuje badacz.

Narodowy program badawczy „Oporność na środki przeciwdrobnoustrojowe” (NFP 72)

Wobec narastającego problemu oporności na antybiotyki Szwajcarski Narodowy Fundusz Nauki uruchomił w 2015 roku na zlecenie rządu federalnego Narodowy Program Badawczy NFP 72. Program został zaplanowany w koordynacji z narodową strategią walki z opornością na antybiotyki StAR.

W ramach NFP 72 zrealizowano 45 projektów – 33 na szwajcarskich uczelniach oraz 12 międzynarodowych w ramach Europejskiej Inicjatywy Wspólnego Programowania JPIAMR. Budżet programu wyniósł 20 milionów franków szwajcarskich.

Do współpracy zaproszono ekspertów z zakresu medycyny człowieka i zwierząt, biologii oraz nauk o środowisku. Wspólnie poszukiwali oni nowych rozwiązań spowalniających rozprzestrzenianie się oporności i usprawniających leczenie infekcji.

Źródło: Schweizerischer Nationalfonds SNF (Szwajcarska Fundacja Narodowa SNF)