Uczeni z PAN odkryli, dlaczego ostatnia linia obrony przed bakteriami czasem zawodzi

Wraz z rozpowszechnieniem antybiotyków do zwalczania wielu infekcji bakterie uruchomiły swój naturalny mechanizm obronny stawiając czoła nawet najskuteczniejszym lekom. Tym samym, jeśli odporna na nie bakteria zaatakuje organizm, próżno i darmo stosować antybiotyki. Choć walka z tak groźnym i podstępnym przeciwnikiem jest trudna, to na szczęście jest sposób na ich przezwyciężenie.

Z pomocą przychodzi terapia ostatniej szansy opierająca się na stosowaniu wyspecjalizowanych wirusów zwanych fagami, będąca ciężkim działem wymierzonym w podstępne i jakże wytrzymałe bakterie. Jej skuteczność zależy jednak od wielu czynników, a niektóre z nich choć nieoczywiste, mają ogromne znaczenie dla powodzenia terapii.

Ostatnio naukowcy z Instytutu Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk kierowani przez dr Jana Paczesnego i prof. Roberta Hołysta wyjaśnili dlaczego w niektórych przypadkach terapia ostatniej szansy zawodzi. Wykazali bowiem, że przyczyną zmniejszenia skuteczności fagów jest materiał z jakiego wykonany jest pojemnik do ich przechowywania.

Antybiotyki, od chwili pojawienia się w medycynie, znajdują zastosowanie do leczenia wielu infekcji, zarówno tych mniej, jak i bardziej groźnych dla zdrowia. Dzięki nim wiele chorób szybko odchodzi w niepamięć pacjenta, lecz coraz częściej nie pozostaje obojętne dla bakterii prowadząc do nabycia przez nie naturalnej oporności. W efekcie, niektóre szczepy są odporne na wszystkie znane nam antybiotyki.

Antybiotykoopornych bakterii nie pokona nawet najmocniejszy z nich – wankomycyna, lecz gdy już dojdzie do zarażenia śmiertelnym przeciwnikiem pomocy można szukać w terapii opierającej się na bakteriofagach. Terapia ostatniej szansy to nic innego niż użycie wyspecjalizowanych wirusów zwanych także fagami lub bakteriofagami, które są groźne dla określonych szczepów bakterii. Fagi są niezwykle skuteczne w leczeniu np. chronicznych chorób układu moczowego. Niestety, zdarza się, że roztwory do iniekcji nie są sobie równe gdyż ilość fagów w przed podaniem nagle spada, a to przekłada się na pogorszenie skuteczności terapii.

Przyczynę nagłego spadku ilości aktywnych fagów w roztworze rozwikłali badacze w Instytutu Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk. Zespoły naukowców dr Jana Paczesnego i prof. Roberta Hołysta udowodniły, że ilość fagów w roztworze zależy od rodzaju opakowania w jakim są przechowywane. Zaskakujące okazało się, że to czy fag znajduje się w cieczy czy “osiada” na stałe na powierzchni ścianek naczynia zależy od hydrofobowości. To właśnie ta cecha powoduje, że ich ilość w roztworze może drastycznie spaść nawet o kilka rzędów wielkości. W niniejszej pracy badacze przetestowali wiele rodzajów pojemników z powszechnie stosowanego polipropylenu dedykowanego do przechowywania próbek laboratoryjnych. I choć wydaje się, że opakowania pozyskane u jednego producenta są jednakowe, to jak się okazuje, mogą się różnić właściwościami powierzchni. Wszystko za sprawą dodatków do tworzyw sztucznych polepszających elastyczność opakowań.

Dr Paczesny zauważa, Zweryfikowaliśmy, czy za obserwowany efekt malejącej  liczby aktywnych fagów roztworach umieszczonych w pojemnikach polipropylenowych odpowiadają substancje, które wypłukiwane są z tworzywa sztucznego. Rozważaliśmy możliwość, że substancje wymywane z tworzywa mogą dezaktywować fagi lub chronić je przed czynnikami zewnętrznymi takimi jak temperatura. Następnie zbadaliśmy ich adsorpcję na ściankach pojemników polipropylenowych jako czynnik stojący za spadkiem ich liczebności w roztworze. Tym samym zaobserwowaliśmy niekontrolowaną adsorpcja fagów i ich późniejsze zniknięcie z roztworu, które może podawać poważne błędy i niepowtarzalne wyniki podczas wykonywania analiz laboratoryjnych. Jest to niezwykle ważne w przypadku terapii fagowych, gdzie liczebność aktywnych fagów pełni kluczową rolę.

Badacze przetestowali różne pojemniki stosując standardowe procedury laboratoryjne, takie jak mieszanie, podgrzewanie lub przedłużone przechowywanie aktywnych fagów. Ich badania wykazały, że spadek liczby bakteriofagów w cieczy zależy głównie od właściwości powierzchniowych danego materiału, takich jak zwilżalność. Komplementarnie, zbadano również wpływ właściwości samych fagów, w tym właściwości elektrostatyczne ich powierzchni. Jednak, wyniki wyraźnie wskazują, że choć ilość ładunku elektrycznego na ich powierzchni nieznacznie wpływach na adsorpcję na powierzchni, za to głównym czynnikiem odpowiadającym za zjawisko „znikania” fagów z roztworu jest hydrofobowość tworzywa.

Celem potwierdzenia hipotezy naukowcy zaproponowali konkretne procedury dla pojemników o specyficznych właściwościach, takich jak traktowanie powierzchni tworzywa określonym środkiem powierzchniowo czynnym ograniczając adsorpcję faga na powierzchni polipropylenu. Rozwiązanie to pozwoliło na dokładne poznanie mechanizmu adsorpcji fagów. Co najważniejsze, naukowcy wyjaśnili, dlaczego fagi mają tendencję do przylegania na niektórych powierzchniach ścianek pojemników. Okazało się, że im bardziej hydrofobowa powierzchnia, tym układ, którym jest ciecz zawierająca fagi dąży do obniżenia energii. Zatem, agregacja fagów na hydrofobowych ściankach pojemnika polipropylenowego jest bardziej opłacalna energetycznie niż ich przebywanie w głębi roztworu. Dzięki temu gdy ścianki są pokryte fagami, woda ma ograniczony kontakt z hydrofobowym materiałem.

Nasze odkrycia mają kluczowe znaczenie nie tylko dla badań z użyciem fagów do terapii. Naukowcy mogą nawet nie zdawać sobie sprawy, że producent pojemników polipropylenowych może dostarczać pozornie ten sam produkt, który tak naprawdę znacznie różni się właściwościami powierzchni w zależności choćby od partii. To z kolei pozostaje nieobojętne dla wyników badań prowadzonych z użyciem różniącego się tworzywa i może prowadzić do fałszywych wniosków z badań. Co gorsza, jak w przypadku fagów – może nieść nieskuteczność terapii spowodowane tylko i wyłącznie użyciem pojemnika z innej partii lub materiału – donosi dr. Paczesny.

Badania naukowców przedstawione zostały w prestiżowym czasopiśmie Scientific Reports z 1 kwietnia 2021 prezentując ważne zagadnienie dotyczące skuteczności terapii ostatniej szansy opartej na działaniu bakteriofagów. W przypadku nagłej potrzeby jej zastosowania, wybór pojemnika przez osobę podającą pacjentowi ciecz z fagami zdaje się mieć małe znaczenie, jednak nic bardziej mylnego. Okazuje się, że rodzaj tworzywa sztucznego ma diametralny wpływ na ilość aktywnych fagów w roztworze i tym samym na powodzenie terapii.

W starciu ze śmiercionośnymi, antybiotykoopornymi bakteriami ilość fagów, które są jedyną bronią zredukowana przez właściwości tworzywa użytego to wytworzenia pojemnika może zaważyć o losach pacjenta. Dzięki badaczom z IChF PAN przedstawione dane i proponowane rozwiązania z pewnością przyczynią się nie tylko do poprawy badań w zakresie stosowania bakteriofagów, ale z także w innych dziedzinach, gdzie ilość substancji zawieszonej w roztworze ma znaczenie biologiczne.

fagi antybiotykooporne bakterie pojemnik