Tasarlanmış Bakteriler, “iyi” Bağırsak Mikroplarını Antibiyotiklerden Korumaya Yardımcı Olabilir

Tasarlanmış Bakteriler Antibiyotikler hayat kurtaran ilaçlardır, ancak insan bağırsağında yaşayan faydalı mikroplara da zarar verebilirler. Antibiyotik tedavisini takiben, bazı hastalarda inflamasyon veya Clostridiodes difficile gibi fırsatçı enfeksiyonlar geliştirme riski vardır . Bağırsak mikropları üzerinde gelişigüzel antibiyotik kullanımı da ilaçlara direncin yayılmasına katkıda bulunabilir.

Bu riskleri azaltmak amacıyla MIT mühendisleri, insan sindirim sisteminin doğal florasını korumaya yardımcı olacak yeni bir yol geliştirdiler. İnsan tüketimi için güvenli olan bir bakteri türünü aldılar ve beta-laktam adı verilen bir antibiyotik sınıfını parçalayan bir enzimi güvenli bir şekilde üretecek şekilde tasarladılar. Bunlara ampisilin, amoksisilin ve yaygın olarak kullanılan diğer ilaçlar dahildir.

Araştırmacılar, fareler üzerinde yaptıkları bir çalışmada, bu “canlı biyoterapötik” antibiyotiklerle birlikte verildiğinde, bağırsaktaki mikrobiyotayı korur, ancak kan dolaşımında dolaşan antibiyotik seviyelerinin yüksek kalmasına izin verir.

MIT Tıp Mühendisliği ve Bilimi Enstitüsü’nde (IMES) Termeer Tıp Mühendisliği ve Bilim Profesörü James Collins, “Bu çalışma, antibiyotiklerin olumsuz etkilerini azaltmak için tasarlanmış yeni bir terapötik sınıf oluşturmak için sentetik biyolojiden yararlanılabileceğini gösteriyor” diyor. ve Biyoloji Mühendisliği Bölümü ve yeni çalışmanın kıdemli yazarı.

IMES’te ve Harvard Üniversitesi’ndeki Wyss Biyolojiden Esinlenilmiş Mühendislik Enstitüsü’nde araştırma bilimcisi olan Andres Cubillos-Ruiz PhD ’15, bugün Nature Biomedical Engineering’de yayınlanan makalenin baş yazarıdır . Diğer yazarlar arasında MIT yüksek lisans öğrencileri Miguel Alcantar ve Pablo Cardenas, Wyss Enstitüsü personel bilimcisi Nina Donghia ve Geniş Enstitüsü araştırma bilimcisi Julian Avila-Pacheco yer alıyor.

Bağırsakları korumak

Son yirmi yılda yapılan araştırmalar, insan bağırsağındaki mikropların sadece metabolizmada değil, aynı zamanda bağışıklık işlevinde ve sinir sistemi işlevinde de önemli roller oynadığını ortaya koydu.

Cubillos-Ruiz, “Hayatınız boyunca bu bağırsak mikropları, vücudunuzda önemli işlevleri yerine getiren çok çeşitli bir toplulukta bir araya geliyor” diyor. “Sorun, ilaçlar veya belirli diyet türleri gibi müdahaleler mikrobiyotanın bileşimini etkilediğinde ve disbiyoz adı verilen değiştirilmiş bir durum yarattığında ortaya çıkar. Bazı mikrobiyal gruplar kaybolur ve diğerlerinin metabolik aktivitesi artar. Bu dengesizlik çeşitli sağlık sorunlarına yol açabilir.”

Oluşabilecek önemli bir komplikasyon, genellikle bağırsakta yaşayan ancak genellikle zarar vermeyen bir mikrop olan C. difficile enfeksiyonudur. Bununla birlikte, antibiyotikler C. difficile ile rekabet eden suşları öldürdüğünde , bu bakteriler durumu ele geçirebilir ve ishale ve kolite neden olabilir. C. difficile , Amerika Birleşik Devletleri’nde her yıl yaklaşık 500.000 kişiyi enfekte etmekte ve yaklaşık 15.000 ölüme neden olmaktadır.

Doktorlar bazen antibiyotik alan kişilere probiyotikler (yararlı bakteri karışımları) reçete eder, ancak bu probiyotikler genellikle antibiyotiklere karşı hassastır ve bağırsakta bulunan doğal mikrobiyotayı tam olarak kopyalamazlar.

Cubillos-Ruiz, “Standart probiyotikler, yerli mikropların sahip olduğu çeşitlilikle karşılaştırılamaz” diyor. “Hayatınız boyunca beslediğiniz yerli mikroplarla aynı işlevleri yerine getiremezler.”

Mikrobiyotayı antibiyotiklerden korumak için araştırmacılar modifiye edilmiş bakterileri kullanmaya karar verdiler. Beta-laktam antibiyotikleri parçalayan bir enzim vermek için normalde peynir üretiminde kullanılan Lactococcus lactis adlı bir bakteri türü tasarladılar . Bu ilaçlar, Amerika Birleşik Devletleri’nde reçete edilen antibiyotiklerin yaklaşık yüzde 60’ını oluşturuyor.

Bu bakteriler oral yolla verildiğinde, beta-laktamaz adı verilen enzimi salgıladıkları bağırsakları geçici olarak doldururlar. Bu enzim daha sonra bağırsak yoluna ulaşan antibiyotikleri parçalar. Antibiyotikler ağızdan verildiğinde, ilaçlar kan dolaşımına öncelikle mideden girer, böylece ilaçlar vücutta hala yüksek seviyelerde dolaşabilir. Bu yaklaşım, aynı zamanda, bağırsaklara ulaşan, enjekte edilen antibiyotiklerle birlikte de kullanılabilir. İşleri bittikten sonra, tasarlanmış bakteriler sindirim sistemi yoluyla atılır.

Antibiyotikleri parçalayan mühendislik ürünü bakterilerin kullanılması benzersiz güvenlik gereksinimleri ortaya çıkarır: Beta-laktamaz enzimleri, barınan hücrelere antibiyotik direnci verir ve genleri farklı bakteriler arasında kolayca yayılabilir. Bunu ele almak için araştırmacılar, bakterinin enzimi sentezleme şeklini yeniden kodlamak için sentetik bir biyoloji yaklaşımı kullandılar. Beta-laktamaz genini, her biri enzimin bir parçasını kodlayan iki parçaya ayırdılar. Bu gen segmentleri, farklı DNA parçaları üzerinde yer alır, bu da her iki gen segmentinin de başka bir bakteri hücresine aktarılmasını pek olası kılmaz.

Bu beta-laktamaz fragmanları, enzimatik işlevi geri yükleyerek yeniden birleştikleri hücrenin dışına ihraç edilir. Beta-laktamaz artık çevreye yayılmakta serbest olduğundan, aktivitesi bağırsak bakteri toplulukları için bir “kamu malı” haline gelir. Bu, tasarlanmış hücrelerin doğal bağırsak mikroplarına karşı bir avantaj kazanmasını önler.

Cubillos-Ruiz, “Biyo-muhafaza etme stratejimiz, diğer bakterilere yatay gen transferi veya canlı biyoterapötik tarafından ilave bir rekabet avantajı elde etme riski olmaksızın, antibiyotik bozunduran enzimlerin bağırsağa verilmesini sağlıyor” diyor.

Mikrobiyal çeşitliliğin korunması

Yaklaşımlarını test etmek için, araştırmacılar farelere her ampisilin enjeksiyonu için tasarlanmış bakteriden iki oral doz verdi. Tasarlanmış bakteriler bağırsağa doğru yol aldı ve beta-laktamaz salmaya başladı. Bu farelerde, araştırmacılar, kan dolaşımında dolaşan ampisilin miktarının, tasarlanmış bakterileri almayan farelerdeki kadar yüksek olduğunu buldular.

Bağırsakta, mühendislik ürünü bakteri alan fareler, yalnızca antibiyotik alan farelere kıyasla çok daha yüksek bir mikrobiyal çeşitlilik seviyesini korudu. Bu farelerde, ampisilin aldıktan sonra mikrobiyal çeşitlilik seviyeleri önemli ölçüde düştü. Ayrıca, tasarlanmış bakterileri alan farelerin hiçbiri fırsatçı C. difficile enfeksiyonları geliştirmezken, yalnızca antibiyotik alan tüm farelerin bağırsaklarında yüksek seviyelerde C. difficile görüldü.

Cubillos-Ruiz, “Bu, kan dolaşımındaki seviyeleri değiştirmediğiniz için antibiyotiğin etkinliğini korurken, bu yaklaşımın bağırsak mikrobiyotasını koruyabildiğinin güçlü bir göstergesidir” diyor.

Araştırmacılar ayrıca, antibiyotik tedavisinin evrimsel baskısını ortadan kaldırmanın, bağırsaktaki mikropların tedaviden sonra antibiyotik direnci geliştirmesini çok daha az olası hale getirdiğini buldular. Buna karşılık, antibiyotik alan ancak tasarlanmış bakterileri almayan farelerde hayatta kalan mikroplarda antibiyotik direnci için birçok gen buldular. Bu genler zararlı bakterilere geçebilir ve antibiyotik direnci sorununu kötüleştirebilir.

Araştırmacılar şimdi, antibiyotiğe bağlı bağırsak disbiyozundan kaynaklanan akut hastalıklar geliştirme riski yüksek olan kişilerde test edilebilecek tedavinin bir versiyonunu geliştirmeye başlamayı planlıyorlar ve sonunda, ihtiyacı olan herkesi korumak için kullanılabileceğini umuyorlar. bağırsak dışındaki enfeksiyonlar için antibiyotik alın.

“Bağırsakta antibiyotik etkisi gerekmiyorsa, mikrobiyotayı korumanız gerekir. Cubillos-Ruiz, “Bu, bir röntgen aldığınızda vücudunuzun geri kalanını iyonlaştırıcı radyasyondan korumak için kurşun önlük giymenize benzer” diyor. “Daha önceki hiçbir müdahale bu düzeyde bir koruma sağlayamazdı. Yeni teknolojimizle faydalı bağırsak mikroplarını koruyarak ve yeni antibiyotiğe dirençli varyantların ortaya çıkma şansını azaltarak antibiyotikleri daha güvenli hale getirebiliriz.”

Araştırma, Savunma Tehditlerini Azaltma Ajansı, Paul G. Allen Frontiers Group, Wyss Enstitüsü ve Ulusal Bilim Vakfı lisansüstü araştırma bursu tarafından finanse edildi.