Наноколебания помогли разглядеть резистентных бактерий под микроскопом

Биологи из Бельгии и Швейцарии придумали, как с помощью оптического микроскопа оценить чувствительность бактерий к антибиотикам всего за два часа. Для этого ученые проанализировали нанодвижения бактерий в присутствии антибиотика — резистентные бактерии продолжали двигаться как раньше, а интенсивность движений чувствительных бактерий снижалась. Результаты исследования опубликованы в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Сегодня врачам, чтобы справиться с бактериальными инфекциями, все чаще нужно определять их чувствительность к антибиотикам — ведь все больше бактерий становятся резистентными. Традиционные способы это сделать, основанные на размножении бактерий, занимают слишком много времени: примерно 1-2 дня, а в некоторых случаях — несколько недель. За это время пациент с серьезной инфекцией может умереть. Более современные методы определения чувствительности к антибиотикам справляются с подобными задачами за несколько часов, но они дороги и требуют специального оборудования.

Сандор Касас (Sandor Kasas) из Федеральной политехнической школы Лозанны и его коллеги придумали, как можно ускорить анализ резистентности бактерий, при этом не усложняя и не удорожая его. Ученые предложили следить за нанометровыми движениями бактерий с помощью оптического микроскопа и камеры мобильного телефона и смотреть, как эти движения меняются после воздействия антибиотиков.

Некоторые исследователи, включая авторов работы, считают, что нанодвижения живых клеток — один из показателей протекающих в них метаболических процессов. Поскольку движения очень мелкие, то даже на что именно реагирует датчик — не до конца понятно. Однако биологи научились измерять наноколебания и даже делать по этим измерениям какие-то выводы о состоянии клеток.

Сначала такие нанодвижения отслеживали с помощью кантилевера атомно-силового микроскопа. Для этого на поверхность кантилевера сажали несколько клеток и смотрели, как при этом меняются его колебания. В частности, таким способом команде Касаса удалось проверить чувствительность бактерий к антибиотикам. Позднее с помощью обычного светового микроскопа и кросс-корреляционного анализа ученые разглядели нанодвижения дрожжей. Для этого оказалось достаточно всего нескольких клеток, то есть не нужно было тратить время на культивирование.

Теперь Касас с коллегами изучили нанодвижения четырех видов бактерий: кишечной палочки (Escherichia coli), стафилококка (Staphylococcus aureus), лакто- (Lactobacillus rhamnosus) и микобактерий (Mycobacterium smegmatis). Сначала биологи проверили, как на подвижность бактерий влияют изменения количества питательных веществ в среде. Выяснилось, что если из среды полностью убрать питательные вещества, то интенсивность нанодвижений сократится и у подвижной E. coli, и у неподвижной L. rhamnosus.

При повышении концентрации глюкозы в среде с 0 до 4 процентов, нанодвижения E. coli увеличились на 350 процентов. Но дальнейшее увеличение концентрации привело к снижению бактериальных движений. Подвижность L. rhamnosus тоже увеличилась при добавлении глюкозы. Для сравнения вместо глюкозы в среду добавляли глутаральдегид, в результате чего микобактерии M. smegmatis гибли, а интенсивность их нанодвижений предсказуемо уменьшалась.

Финальным экспериментом стала проверка реакции бактерий на антибиотики. Оказалось, что средняя наноподвижность чувствительного к антибиотику штамма E. coli снижается примерно на 40 процентов после двух часов воздействия ампициллина, в то время как устойчивый штамм не страдает. Другой антибиотик, доксициклин, за те же два часа уменьшил наноподвижность чувствительных E. coli, ванкомицин вызвал снижение наноколебаний бактерий S. aureus, а бактерии M. smegmatis стали менее подвижными после пятичасовой инкубации со стрептомицином.

Авторы отмечают, что предложенный ими способ определения чувствительности значительно быстрее и доступнее других — это важно не только для пациентов, которым нужна помощь здесь и сейчас, но также поможет затормозить распространение резистентных бактерий.

Можно изобретать новые способы, а можно — улучшать старые. Ранее мы рассказывали, как американские биоинженеры усовершенствовали и ускорили существующий электрохимический метод определения эффективности клеточного дыхания бактерий — с его помощью тоже определяют устойчивость бактерий к антибиотикам.