Эффективность бактериофагов и антибиотиков при ИМП: результаты на моделях уротелия человека.
Эффективность бактериофагов и антибиотиков при ИМП: результаты на моделях уротелия человека.
Инфекции мочевыводящих путей (ИМП) часто рецидивируют, а антибиотикорезистентность становится все более серьезной проблемой. Около 80% ИМП вызываются уропатогенной E. coli (UPEC), которая также является причиной большинства смертей от ИМП. Уротелий - динамичная система, которую сложно моделировать in vitro: окружающая среда влияет на адгезию бактерий, их способность формировать филаменты, проникать в клетки и образовывать биопленки.
Стандартные тесты чувствительности in vitro не отражают всех особенностей мочевыводящих путей, а минимальная ингибирующая концентрация (МИК) не всегда коррелирует с клиническими исходами. Поэтому в современных исследованиях используют органоиды и системы «орган-на-чипе». Британские ученые ранее разработали статичную 3D-модель уротелия человека - 3-dimensional urine-tolerant human urothelial microtissue Transwell model (3D-UHU), позволяющую работать с дифференцированным уротелием и человеческой мочой. В новой работе они использовали 3D-UHU и основанную на ней мезофлюидную систему Plug-Flow Linked Organoid (P-FLO), чтобы оценить эффективность антибиотиков и бактериофагов в условиях, приближенных к ИМП.
МИК обычно определяют в стандартной питательной среде - caMHB. Чтобы приблизить условия к мочевыводящим путям, исследователи заменили 70% среды на человеческую мочу, сохранив при этом условия для роста клеток. В 100%-ной моче бактерии росли плохо, тогда как в смеси рост замедлялся, но его кинетика оставалась близкой к наблюдаемой в caMHB.
Одним из наиболее распространенных антибиотиков для лечения ИМП в Великобритании является нитрофурантоин. Авторы оценили его активность против девяти штаммов E. coli, включая клинические изоляты UPEC, бессимптомные и референсные штаммы. Питательная среда практически не влияла на активность препарата: у всех штаммов, кроме ClinA, МИК составляла 4-16 мкг/мл, причем различий между caMHB и 70%-ной мочой не было. Минимальная бактерицидная концентрация (МБК) также была сопоставимой для большинства штаммов. Таким образом, микросреда мочи вряд ли объясняла несоответствие результатов стандартных тестов и клинической эффективности.
Затем исследователи перешли к более сложной модели 3D-UHU. Уротелий заражали E. coli UTI89 в течение 12 часов, после чего обрабатывали двумя дозами нитрофурантоина. Бактерии, ассоциированные с уротелием, включая прикрепленную и внутриклеточную популяции, хуже поддавались лечению.
Далее оценили фаговый коктейль LCPR1, состоящий из трех бактериофагов к E. coli и шести фагов к K. pneumoniae. В caMHB фаги подавляли рост бактерий до 10 часов, после чего популяция частично восстанавливалась. В 70%-ной моче эффективность значительно снижалась, вероятно, из-за уменьшения стабильности фагов.
В 3D-UHU LCPR1 почти не снижал бактериальную нагрузку. При этом он вызывал умеренную секрецию провоспалительного цитокина TNFα и хемокинов CXCL2 и G-CSF, сохранял жизнеспособность уротелия, подавлял активацию инфламмасом и способствовал притоку нейтрофилов в уротелиальную среду. UPEC способны проникать в уротелий и формировать внутриклеточные сообщества, недоступные антибиотикам. Нитрофурантоин снижал количество бактерий в адгезивном/внутриклеточном компартменте, но не подавлял образование этих сообществ. Фаги, напротив, уменьшали количество внутриклеточных сообществ, хотя измеримого снижения общей бактериальной нагрузки в этом компартменте не наблюдалось. Комбинация фагов и нитрофурантоина была эффективнее каждого подхода по отдельности.
В системе P-FLO исследователи смогли симулировать циклы заполнения и опорожнения мочевого пузыря. Воздействие только фазы заполнения, сопровождавшейся наименьшим напряжением сдвига на стенках, значительно увеличивало адгезию бактерий. Во время циклов заполнения/опорожнения, при более высоком напряжении сдвига, прикрепление бактерий к апикальной поверхности снижалось. Однако со временем бактерии поражали всю систему. При этом E. coli UTI89 заметно удлинялась и формировала филаменты во время циклов заполнения-опорожнения, что редко наблюдалось в статических условиях.
Динамический поток обеспечивает постоянный обмен питательными веществами и создает сдвиговое напряжение на стенках уротелия, что может влиять на фармакодинамику препаратов. Несмотря на увеличение доступа антибиотика к уротелию в условиях потока, его эффективность против взвешенных бактерий снижалась. Фаговый коктейль также не смог уменьшить бактериальную нагрузку, а комбинированная терапия не превзошла эффект одного нитрофурантоина. При этом эффективность лечения в отношении адгезивного/внутриклеточного компартмента сохранялась.
Авторы подчеркивают важность использования физиологически релевантных моделей инфекций при оценке эффективности противомикробных препаратов, что может улучшить эффективность антибактериальной терапии.