Рост числа устойчивых к антибиотикам бактерий – растущая проблема в Соединенных Штатах и во всем мире. Новые открытия исследователей в области эволюционной биологии и математики могут помочь врачам лучше решать проблему в клинических условиях.
Биолог Мириам Барлоу из Калифорнийского университета в Мерседе и математик Кристина Крона из Американского университета протестировали и нашли способ вернуть бактерии в предварительно устойчивое состояние. В исследовании, опубликованном в журнале с открытым доступом PLOS ONE, они показывают, как повернуть вспять эволюцию бактерий и проверить варианты лечения для семейства из 15 антибиотиков, используемых для борьбы с распространенными инфекциями, включая пенициллин.
Их работа может иметь серьезные последствия для врачей, пытающихся предотвратить заражение пациентов с помощью "цикл антибиотиков," в котором несколько различных антибиотиков используются поочередно.
"Врачи не применяют упорядоченный подход при смене антибиотиков," Барлоу сказал. "Докторам будет полезна проверенная система ротации. Наша цель состояла в том, чтобы найти точный, упорядоченный график приема антибиотиков, на который врачи могли бы положиться и знать, что в конце концов резистентность будет обращена вспять, и антибиотик подействует."
Опасности устойчивости к антибиотикам
Когда бактерии становятся настолько мощными, что антибиотики перестают работать, это может стать вопросом жизни и смерти. Недавно в Медицинском центре Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе им. Рональда Рейгана два человека погибли и семь получили ранения, когда медицинский зонд, используемый в процедурах для пациентов, содержал устойчивые к лекарствам бактерии. В U.S. По данным Центров по контролю и профилактике заболеваний, ежегодно более 2 миллионов человек заражаются инфекциями, устойчивыми к антибиотикам, и по меньшей мере 23 000 человек умирают в результате.
Устойчивость к антибиотикам является естественной частью эволюции бактерий и неизбежна, учитывая множество типов бактерий и восприимчивость человека-хозяина. Чтобы компенсировать бактериальную эволюцию, врач, борющийся с инфекциями в отделении интенсивной терапии, может сократить, заменить или прекратить прием различных антибиотиков, чтобы они стали эффективными в краткосрочной перспективе.
Исследователи из Калифорнийского университета в Мерседе, Австралийского университета и Калифорнийского университета в Беркли открыли путь к тому, чтобы раскрыть, как обратить вспять резистентность в среде лекарств. Они сделали это, объединив лабораторные работы с математикой и компьютерными технологиями.
"Мы так много узнали о геноме человека, а также о секвенировании бактерий," Крона сказал "У ученых теперь много-много данных, но им нужно понять их. Математика помогает делать интерпретации, находить закономерности и давать представление о медицинских приложениях."
Сложная работа приносит важные результаты
После создания бактерий в лаборатории исследователи подвергли их воздействию 15 различных антибиотиков и измерили скорость их роста. Оттуда они вычислили вероятность мутаций, чтобы вернуть бактерии в безвредное состояние, используя метко названный "Машина времени" программное обеспечение.
Управлять устойчивостью в любой лекарственной среде чрезвычайно сложно, потому что бактерии развиваются очень быстро, становясь очень устойчивыми после многих мутаций. Чтобы найти оптимальные стратегии цикла, исследователи протестировали до шести препаратов по очереди и нашли оптимальные планы по обращению вспять эволюции устойчивых к лекарствам бактерий.
"Это показывает, что цикл антибиотиков работает. В качестве медицинского приложения врачи могут использовать более стратегический подход," Крона сказал. "Поиск оптимальных планов при циклическом использовании антибиотиков представляет собой математическую задачу. Математикам нужно будет создать алгоритмы, которые могут предоставить оптимальные планы для большего количества антибиотиков и бактерий."
Исследователи надеются в следующий раз протестировать способы лечения в клинических условиях, работая с врачами над сменой антибиотиков, чтобы максимизировать их эффективность.
"Эта работа показывает, что надежда на антибиотики еще есть, если мы будем использовать их разумно," Барлоу сказал. "Дополнительные исследования в этой области и большее финансирование исследований позволят изучить варианты более всесторонне."