Широкое применение антибиотиков породило множество устойчивых штаммов бактерий, которые вызывают трудно излечимые инфекции. Среди них муковисцидозные гипервирулентные штаммы Klebsiella pneumoniae (hvKp). Ученые МФТИ с соавторами из Египта использовали для борьбы с клебсиеллами экстракт личинок мухи черная львинка, богатый свободными жирными кислотами. Он успешно разрушил биопленки, в которых «укрылись» бактерии, и снизил их патогенность. Результаты опубликованы в журнале «Биохимия».
Бактерии, проявляющие множественную резистентность к антибактериальным агентам, становятся суперпатогенами, вызывающими тяжелые внутрибольничные инфекции.
Согласно прогнозам, к 2050 году число смертей от инфекций, вызванных патогенами с множественной устойчивостью, может приблизиться к 5 млн. Это превышает смертность от онкологических заболеваний.
Особое беспокойство вызывает гипервирулентный слизистый штамм K. pneumoniae hvKp — опасный патоген, который чаще всего поражает пациентов в больницах, заметно увеличивая смертность даже среди молодых людей. Уничтожение hvKp обычными методами затруднено из-за быстрого приобретения ими резистентности к антибиотикам, а также повышенной адгезивности клеток и образования K. pneumoniae биопленок.
Биопленки — это химически и физически устойчивые слизистые выделения, в которых обитают патогены. Под их защитой бактерии защищены от действия антибиотиков и других антимикробных препаратов. Микробы даже могут создать целое сообщество из разных родов и штаммов под защитой биопленки.
Поэтому необходимы альтернативные подходы к терапии против инфекции K. pneumoniae, которые таргетируют биопленки и уничтожают бактериальный патоген.
Решению этой проблемы посвящено новое исследование ученых МФТИ и Института защиты растений (Египет), которые впервые протестировали антимикробные свойства экстракта, насыщенного жирными кислотами. Они получили его из личинок мухи черная львинка (Hermetia illucens) по разработанной ими инновационной биотехнологии.
Чёрная львинка (Hermetia illucens). Фото: Hectonichus, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons
Личинки насекомого находят широкое применение для компостирования отходов и получения богатого белком корма для рыб и животных. На сей раз экстракт львинки проверили на эффективность против биопленок высокопатогенной K. pneumoniae с устойчивостью ко многим антибиотикам.
Ранее было показано, что экстракт личинок черной львинки состоит из жиров на 15–49% и служит ценным источником липидов. Экстракт продемонстрировал эффективность на штаммах K. pneumoniae, вызывающих инфекции у растений и рыб с множественной лекарственной устойчивостью.
В новом исследовании ученые более детально рассмотрели действие экстракта черной львинки на способность клебсиеллы формировать биопленки и заражать человека. Изучались три штамма K. pneumoniae: создающий слизистые выделения и изолированный из окружающей среды KPM9, еще более «слизистый» штамм KPi1627, а также устойчивые к антимикробным препаратам штаммы KP ATCC BAA-2473. Все бактерии были получены в российских больницах в 2011–2016 годах.
Формирование биопленок визуализировали с помощью анилинового красителя кристаллический фиолетовый — оно было отмечено у всех трех изученных штаммов. Показано, что под действием экстракта личинок черной львинки в концентрации 500 мкг/мл у всех протестированных штаммов клебсиеллы существенно повышается проницаемость клеточной бактериальной мембраны.
Далее использовали бромистый этидий — краситель, который способен связывается с ДНК, проникая также только через поврежденные мембраны. Оказалось, что после обработки бактерий тестируемым экстрактом содержание красителя в клетках выросло на 40% или даже 70% (по сравнению с контрольными необработанными бактериями).
Добавление экстракта заметно изменило состав фосфолипидов клеточной мембраны, увеличивая концентрации в них кристаллического фиолетового и бромистого этидия на 70% и 80% соответственно по сравнению с контролем.
Бактерицидное действие экстракта черной львинки также наблюдали через сканирующий электронный микроскоп (SEM). Оказалось, что под действием экстракта бактериальные клетки слипались и наблюдалась деструкция многослойных биопленок. Число прикрепленных к биопленкам бактерий заметно снизилось. Поверхность клеток стала неровной, клеточные стенки сморщились и приобрели поры. Также после обработки экстрактом львинки были обнаружены разрушенные клетки, остатки клеточных стенок и пустые мембраны.
Микрофотографии биопленок K. pneumoniae ATCC BAA-2473 под сканирующим электронным микроскопом (СЭМ), полученных на предметном стекле, инкубировали в течение 24 часов при температуре 37°C. Необработанная биопленка при различном увеличении (a, b, c); биопленки обрабатывали AWME3 в следующих концентрациях: 0,25 мг/мл (d); 0,5 мг/мл (e) и 1,0 мг/мл (f). На всех рисунках показаны СЭМ-изображения с увеличением в диапазоне от 5490× до 55700×. Источник: журнал «Биохимия»
Исследование ученых МФТИ показало, что экстракт черной львинки эффективно разрушает биопленки, в которых обитают опасные штаммы клебсиеллы. Тем самым препарат снижает способность патогена заражать человека. Механизм его действия связан с антимикробным действием свободных жирных кислот, являющихся основными компонентами экстракта.
Таким образом, использование нового антимикробного средства на основе этого экстракта сможет помочь справиться с растущей проблемой устойчивых к антибиотикам суперпатогенов.
«Под действием жирных кислот тестируемого экстракта поверхность мембраны становится грубой и морщинистой, внутри цитоплазмы клетки были обнаружены обломки клеточной стенки и „клетки-призраки”, а сама мембрана становится однослойной. Таким образом, результаты подтверждают возможность контролировать и замедлять распространение устойчивости к антибиотикам патогенных Klebsiella pneumoniae (hvKp) с помощью обработки бактерии экстрактом из жира личинки мухи черная львинка»,— отметила Елена Марусич, научный руководитель проекта, старший научный сотрудник лаборатории персонализированной химиолучевой терапии МФТИ.
Научная публикация: Marusich, E. I., Mohamed, H. Biofilms of MDR K. pneumoniae (hvKp) Strains Can be Destroyed by Free Fatty Acids Interactions with Bacterial Cell Wall Membranes. Biochem. Moscow Suppl. Ser. A 19, 456–464 (2025). https://doi.org/10.1134/S1990747825700448
