Chorzy na mukowiscydozę przez całe życie borykają się z licznymi infekcjami, zaostrzeniami, co wiąże się z przewlekłymi antybiotykoterapiami. Długotrwałe stosowanie antybiotyków u chorych na CF powoduje szybkie uodpornienie bakterii, także na te najmocniejsze antybiotyki. Naukowcy z University of California San Diego School of Medicine i Skaggs School of Pharmacy odkryli, że takie czynniki w płucach, jak równowaga pH i odpowiedni poziom tlenu mogą pomóc w walce z opornymi na antybiotyki bakteriami.
Schematy leczenia antybiotykami przeciwko zakażeniom wielobakteryjnym są ukierunkowane na patogeny wyhodowane z próbek klinicznych. Takie podejście jest dość naiwne z tego powodu, że te patogeny są tylko niewielką częścią złożonej społeczności, a wyniki leczenia komplikują się w wyniku interakcji między gatunkami bakterii oraz z powodu warunków chemicznych panujących w płucach pacjenta z mukowiscydozą.
Z powodu defektu genetycznego (mutacji CFTR), który leży u podstaw mukowiscydozy, w płucach pacjentów z mukowiscydozą gromadzi się gęsty, lepki śluz, który pomaga mikroorganizmom dobrze się rozwijać (zwłaszcza takim bakteriom jak pałeczka ropy błękitnej Pseudomonas aeruginosa).
Naukowcy stworzyli system doświadczalny o nazwie WinCF, nazwany po części dla XIX-wiecznego mikrobiologa Siergieja Winogradskiego. Winogradski wynalazł system gradientowy do badania drobnoustrojów w glebie.
Analiza próbek plwociny od 18 pacjentów z mukowiscydozą wykazała, że gradienty pH i poziomu tlenu dzieliły mikrobiom płuc pacjentów na dwie wzajemnie wykluczające się i zasadniczo różne społeczności mikrobiologiczne: zróżnicowaną społeczność fermentacyjnych beztlenowców preferujących niższe pH i anoksję (deficyt tlenowy) oraz niefermentacyjną grupę klasycznych patogenów preferujących wysokie pH i wysoki poziom tlenu.
Symulowane w warunkach eksperymentalnego systemu WinCF leczenie antybiotykiem (tobramycyną) radykalnie zmieniło strukturę społeczności drobnoustrojów. Lek zabił w górnych, “tlenowych” warstwach bakterie Pseudomonas, ale co zaskakujące, antybiotyk wywołał również rozwój antybiotykoopornych bakterii Stenotrophomonas maltophilia i grzybów Aspergillus. Doświadczenie pokazuje, że antybiotyk mający na celu zabicie bakteryjnych patogenów może mieć niepożądane konsekwencje, w tym wpływać na wzrost innych bardziej opornych patogenów i grzybów.
Naturalna stratyfikacja mikrobiomu CF indukowana przez tlen miała bezpośredni wpływ na odpowiedź na antybiotyk. Wiele anaerobów, w tym Prevotella i Streptococcus, przeżyło, ale tylko w głębszych, beztlenowych warstwach śluzu, ponieważ antybiotyk nie był w stanie skutecznie zadziałać na takiej “głębokości”.
Wyniki te pokazują, że z powodu stratyfikacji tlenu w społeczności drobnoustrojów w płucach, leczenie antybiotykami przeciw patogenom bakteryjnym może mieć złożone i potencjalnie niepożądane konsekwencje. Konsekwencje te obejmują wzrost bakterii bardziej opornych, przetrwanie gatunków beztlenowych, rozwój unikalnych mechanizmów oporności i wzrost grzybów, które zastępują niszę wcześniej zajmowaną przez inne patogeny.
Obniżenie pH w modelu doświadczalnym bardzo mocno zmieniło strukturę społeczności drobnoustrojów i większy rozwój bakterii fermentacyjnych w głębszych warstwach śluzu, co utrudniało rozwój bakterii Pseudomonas w tych warstwach.
Na podst.: wyników badań “Niche partitioning of a pathogenic microbiome driven by chemical gradients”.
