În 2021, un bărbat în vârstă de 50 de ani a fost transferat la unitatea de terapie intensivă de la Spitalul Universitar Emory din Atlanta. El a fost în șoc septic din cauza unei infecții bacteriene care se răspândise în sângele lui. Vinovatul? Klebsiella pneumoniaecare a fost rezistent la majoritatea antibioticelor.
În cele din urmă, a apărut speranța: un curs de două săptămâni cu un antibiotic numit cefiderocol părea că a curățat infecția. Dar la doar 10 zile mai târziu, bărbatul a fost dus înapoi la UTI, unde medicii au descoperit o masă plină de puroi care îi acoperea ficatul. Aceeași bacterii se întorseseră cu răzbunare.
Medicii au trimis proba de sânge a pacientului la David Weissmicrobiolog la Centrul de rezistență la antibiotice Emory. Weiss a descoperit că bacteriile erau acum foarte rezistente la cefiderocol.
A anunțat rapid medicii. Dar chiar și după ce a schimbat antibioticele, bărbatul a murit.
Cazul bărbatului evidențiază o strategie evazivă pe care bacteriile o folosesc în cursa înarmărilor împotriva antibioticelor – un tip ascuns de rezistență care poate fi activată aproape instantaneu, dar nu lasă urme genetice. Și poate fi aproape imposibil de detectat folosind teste de laborator standard. Cercetătorii recunosc din ce în ce mai mult că această strategie bacteriană, numită „heterorezistență”, poate juca un rol semnificativ în eșecul antibioticelor. Recunoașterea acestei strategii bacteriene, spun experții, este primul pas în combaterea ei.
„Deși acesta este un fenomen îngrijorător pe care îl studiem acum, în imagine de ansamblu și în viitor, cred că vom putea folosi aceste cunoștințe pentru a ajuta foarte mult pacienții”, a spus Weiss pentru Live Science.
LEGATE: Superbacterii sunt în creștere. Cum putem preveni ca antibioticele să devină învechite?
Un nou tip de rezistență
Timp de decenii, microbiologi precum Weiss au considerat rezistența la antibiotice ca pe ceva ce o specie bacteriană avea sau nu. Dar „acum, ne dăm seama că nu este întotdeauna cazul”, a spus el.
În mod normal, genele determină modul în care bacteriile rezistă anumitor antibiotice. De exemplu, bacteriile ar putea obține o mutație genetică care le permite să dezactiveze chimic antibioticele. În alte cazuri, genele pot codifica proteinele care împiedică medicamentele să traverseze pereții celulari bacterieni. Dar asta este nu este cazul bacteriilor heterorezistente; ei înving medicamentele menite să-i omoare fără gene de rezistență de bună credință. Când nu sunt expuși la un antibiotic, aceste bacterii Uite ca orice alte bacterii.
Când bacteriile tipice rezistente la antibiotice se propagă, ele transmit genele de rezistență generației următoare, creând o legiune de populații rezistente la antibiotice care contracarează colectiv tratamentul. În schimb, bacteriile dintr-o populație heterorezistentă sunt sensibil la antibiotice. Dar, la anumite doze de antibiotic, o mică parte din această populație – cât 1 dintr-un milion – poate deveni rezistentă și poate supraviețui medicamentelor, în timp ce restul populației încetează să crească și moare.
Deoarece aceste celule rezistente sunt intercalate cu celule sensibile la antibiotice, este dificil pentru microbiologi să detectează-le pe cele rezistente.
Oamenii de știință de pe tot globul au petrecut ani de zile investigand de ce și cum se dezvoltă heterorezistența, astfel încât să poată deveni mai buni la detectarea acestor bacterii. Acum, în sfârșit, încep să apară noi indicii.
Față în față cu bacterii necinstite
Karin HjortPrima întâlnire a lui cu heterorezistența a avut loc întâmplător. Cu aproximativ 10 ani în urmă, Hjort, un microbiolog la Universitatea Uppsala din Suedia, cultiva bacterii. Tulpină cu tulpină, ea a administrat doze letale de antibiotice, etichetând orice supraviețuitor drept „rezistenți” și înghețându-i. Când i-a dezghețat pe supraviețuitori, a căutat modificări genetice, sau mutații, care de obicei stau la baza capacității lor de a înșela moartea.
Dar de data aceasta, când a scos tulpinile aparent rezistente, ea „le-a secvențiat și le-a secvențiat” și „nu a găsit nicio mutație”, Hjort Live Science.
Hjort nu-și putea da seama ce se întâmpla. Părea că aceste bacterii și-au pierdut rezistența la îngheț. Dar apoi a descoperit o vechi de zeci de ani lucrare de cercetare descriind un fenomen denumit de oamenii de știință de la Universitatea din California, Davis, „heterorezistență”, în care o populație de bacterii rezistente la antibiotice ar putea apărea într-un ritm neobișnuit de rapid dintr-o populație aparent susceptibilă.
LEGATE: Cât de repede poate evolua rezistența la antibiotice?
De fapt, „heterorezistența” a fost prima menționat încă în anii 1940. Dar fenomenul este foarte dificil de studiat și, fără o definiție clară, oamenii de știință se chinuie să-și compare observațiile.
„Toată lumea a spus „heterorezistent” în moduri diferite – nu exista niciun standard la care să se uite”, Omar El-Halfawyun microbiolog de la Universitatea din Regina din Canada, a declarat pentru Live Science. Unii oameni utilizați termenul pentru a descrie o situație în care mai multe tipuri de bacterii cu niveluri diferite de toleranță la antibiotice coinfectează o persoană. Alții îl folosesc pentru a descrie un scenariu în care două teste diferite de sensibilitate la antibiotice dau rezultate diferite.
Hotărât să rezolve problema, în 2015 El-Halfawy revizuit fiecare studiu pe care l-a putut găsi care descria heterorezistența. În cele din urmă, a decis el, heterorezistența apare atunci când o anumită fracțiune a unei populații de cultură bacteriană poate rezista la o concentrație de antibiotic mult mai mare decât restul populației. Oamenii de știință au adoptat această definiție în 2015, iar numărul de publicații evaluate de colegi despre heterorezistență a dublat.
Păcălirea testului
Fracția de bacterii rezistente într-o populație heterorezistentă poate fi de la 1 la 1 milion până la 1 la 10.000. Este atât de rar încât testele standard de microbiologie clinică sunt ușor de efectuat dor.
„În esență, ceea ce încerci să faci este să detectezi un ac rezistent într-un car de fân susceptibil de celule”, a spus Weiss.
În timp ce bacteriile trec adesea de la a fi sensibile la antibiotice la rezistente la antibiotice, această tranziție are loc de obicei în trepte mici și timp de cel puțin câteva zile. Cu heterorezistență, tranziția este aproape imediat.
Comutare între sensibil la rezistent și apoi înapoi confundă analizele de test.
„De fiecare dată când crești o tulpină, aceasta va crește puțin diferit”, a spus Weiss. „Într-o zi, s-ar putea să devină rezistentă, în ziua următoare, ar putea fi susceptibilă.
Standardul test de sensibilitate la antibiotice merge astfel: O populație de bacterii, la o densitate fixă de aproximativ 10.000 până la 100.000 de celule într-un mililitru de bulion, este dozată cu diferite concentrații de antibiotic până când încetează să se înmulțească sau mor.
Dar, potrivit lui Hjort, acest proces nu este conceput pentru a identifica heterorezistența. Deoarece aceste teste standard detectează doar comportamentul la nivelul populației, fenomenele extrem de rare, cum ar fi heterorezistența, vor fi ratate. „Eroarea este uriașă, chiar dacă folosim mai multe bacterii”, a spus ea.
Până acum, se numește singura metodă pentru identificarea heterorezistenței profilarea analizei populației (PAP). Pentru a efectua acest test, microbiologii cresc bacterii peste noapte, le așează pe o serie de plăci Petri care conțin diferite concentrații de antibiotice și monitorizează creșterea bacteriilor. Deoarece PAP acoperă o gamă largă de densități bacteriene, testul poate detecta modele care nu sunt detectate în mod normal de testele standard.
Dar metoda este laborioasă, a spus Hjort. Atunci când variabile suplimentare – cum ar fi tipul de antibiotic sau densitățile celulare – sunt adăugate la ecuație, numărul de feluri de mâncare se triplează sau se multiplică de patru ori, a spus Sofia Jonssonun student absolvent la Universitatea Uppsala care lucrează cu Hjort.
„Dacă faci un experiment mare, pot fi numărate 200 de plăci”, iar fiecare placă poate avea sute de colonii bacteriene de numărat, a spus Jonsson pentru Live Science. Deoarece este atât de obositor, PAP nu se face în mod obișnuit într-un cadru clinic.
Weiss a speculat că, pentru a detecta heterorezistența, testele viitoare ar trebui să monitorizeze bacteriile la nivel de o singură celulă și să aibă o rezoluție de celulă de 1 la 1 milion. Unele cercetare face deja pași în această direcție, a spus el, dar niciuna dintre aceste evoluții nu a ajuns încă la clinică.
Acest lucru este crucial, deoarece cu un test rapid, pacienților cu infecții bacteriene heterorezistente li se pot administra medicamentele potrivite de la început, mai degrabă decât ca boala să se agraveze cu zile sau săptămâni înainte ca medicii să încerce medicamente care funcționează.
Spărgând cazul
Deoarece heterorezistența are loc fără mutații genetice permanente, echipa lui Hjort a vrut să știe dacă au existat modificări temporare la genomul bacterian care ar putea explica fenomenul.
Din observația lui Hjort, două grupuri de bacterii ar putea avea cel puțin un diferenta de opt ori în toleranța la antibiotice în cadrul unei populații heterorezistente. Ca să-mi dau seama de ce, ea testat o mână de tulpini de bacterii multirezistente precum Escherichia coli, Salmonella enterica, K. pneumoniae şi Acinetobacter baumannii împotriva a 28 de antibiotice. Aceste bacterii „gram-negative”. au o membrană exterioară care îi ferește de substanțele toxice. Nici o singură nouă clasă de antibiotice care să țintească bacteriile gram-negative nu a fost aprobată în ultimii 50 de ani.
Folosind o tehnică de secvențiere a întregului genom, Hjort și colegii săi au descoperit că unele bacterii au devenit heterorezistente deoarece au făcut temporar copii ale genelor existente care le-au ajutat. evita antibioticele.
La începutul acestui an, ei a extins studiul să includă bacteria gram-pozitivă Staphylococcus aureus care provoacă infecții comune ale pielii. Aceste bacterii nu au membrane exterioareiar mecanismele lor de rezistență sunt în general diferite de cele ale tulpinilor gram-negative.
Hjort și echipa ei testat pentru rezistența la antibiotice față de 40 de probe de pacient care conțin S. aureus care au fost izolați de pacienții din spital din Danemarca, Norvegia, Spania și Suedia. Testele standard au sugerat că toate bacteriile ar putea fi tratate cu toate cele șase antibiotice.
Cu toate acestea, rezultatul PAP a evidențiat heterorezistență la mai mult de jumătate dintre aceste antibiotice. Aceste bacterii lipseau tipice toate genele de rezistență la antibiotice și nu făcuseră copii spontane ale genelor care erau protectoare ca bacteriile gram-negative.
În schimb, heterorezistența s-a corelat cu mutațiile cromozomiale punctuale – modificări ale perechilor de baze unice pe diferite gene – care ar putea fi inversate dacă ar avea loc o altă mutație. Încă nu este clar ce fac aceste mutații și de ce heterorezistența părea să apară numai împotriva anumitor medicamente.
Dar variabilitatea modului în care apare heterorezistența, în funcție de medicament și de speciile implicate, sugerează că abordările de tratament vor trebui să fie diferite, a spus Hjort.
Căutarea continuă
Oamenii de știință au raportat acum heterorezistența bacteriană împotriva aproape fiecarei clase de antibiotice. Hjort crede că este nevoie de un set de date clinice mult mai mare pentru a înțelege pe deplin legătura dintre heterorezistență și rezultatele pacientului.
O modalitate bună de a începe, a spus ea, este cu o înțelegere adecvată a modului în care aceste bacterii își dezvoltă heterorezistența în primul rând.
Weiss a fost de acord.
Cunoscând mecanismul de acțiune, „s-ar putea să putem dezvolta noi medicamente care pot inversa heterorezistența și pot face bacteriile susceptibile la medicamentul original”, a spus el. „Este întotdeauna mai bine să-ți cunoști inamicul”.