תאר לעצמך שאתה מנסה להתמקם בבית חדש תוך כדי תקיפה מתמדת. זה מה החיידק Pseudomonas aeruginosa פנים כאשר הוא מדביק את הריאות, והוא לא יכול גם להתפשט וגם להגן על עצמו מפני אנטיביוטיקה בו זמנית. אף על פי כן, זהו אחד האשמים המובילים בזיהומים שנרכשו בבתי חולים והוא ידוע לשמצה כגורם לזיהומים עמידים לאורך זמן, עמידים לאנטיביוטיקה, וגורם לנזק במיוחד אצל אנשים עם מחלות ריאה כמו סיסטיק פיברוזיס, COPD או ברונכיאקטזיס.
כדי לשרוד תנאים קשים, P. aeruginosa יוצר מושבות הידועות בשם "ביופילמים" – צבירי חיידקים עטופים במטריצה בייצור עצמי המספק להם יתרונות משמעותיים, כולל הגנה מפני אנטיביוטיקה.
אבל לביופילם יש מחיר: החיידקים המקובצים מאבדים גם את היכולת לנוע, למצוא חומרים מזינים ולהתפשט ביעילות. עֲבוּר P. aeruginosa בהדבקה של ריאה, זה מציב דילמה: האם זה צריך להתפשט על פני השטח של הריאה או להדביק למטה כדי להתנגד לאנטיביוטיקה הנכנסת? השגת האיזון הנכון יכולה להיות משמעותה לחיים ומוות עבור הפתוגן – והפרעה שלו יכולה להיות חיים או מוות עבור החולים.
מחקר חדש של קבוצת אלכסנדר פרסט במכון הבריאות העולמי של EPFL חשף כעת כיצד P. aeruginosa מנהל את ההחלפה בין התיישבות לבין הישרדות במהלך זיהום על ידי מעבר בין היווצרות ביופילם להגנה אנטיביוטית לבין מצב נייד יותר, "פלנקטוני" להפצה ולגישה לחומרים מזינים, בהתאם ללחצים הסביבתיים שהם מתמודדים איתם. המחקר פורסם ב מיקרוביולוגיה של הטבע.
חיקוי סביבות זיהום טבעיות כדי לצפות בחיידקים
כדי להבין טוב יותר P. aeruginosaבהתנהגותו, החוקרים גידלו את החיידקים על מודלים של רקמות מכוסות ריר המחקים ריאות אנושיות. מודלים אלו של רקמות, הידועים כ"אורגנואידים", נמצאים בחוד החנית של הביו-הנדסה.
"לאחר מכן השתמשנו בטכניקת סקר בתפוקה גבוהה הנקראת רצף החדרת טרנספוזון (Tn-seq), בשילוב עם מודלים מטבוליים והדמיה חיה, כדי ללמוד כיצד P. aeruginosa מסתגל ליישב את פני הרירית של הריאה ולסבול טיפול אנטיביוטי", אומר לוקאס מאיירלס, שהוביל את המחקר.
הודות לטכניקת Tn-seq, המדענים זיהו אילו גנים חשובים להישרדות החיידק בתנאים שונים: אלו שתרמו לכושר במהלך התיישבות הרירית וכאלה שסייעו לחיידקים לסבול אנטיביוטיקה.
המדענים השתמשו גם במודלים חישוביים כדי לדמות כיצד החיידקים מבצעים חילוף חומרים מזינים בסביבת הריאות, מה שעזר לאתר את המסלולים המטבוליים המדויקים P. aeruginosa מסתמך על במהלך ההדבקה.
מציאת האיזון הנכון
המחקר מצא את זה P. aeruginosa מסתגל לליחה של הריאה על ידי הסתמכות על סוכרים ולקטאט, חומרים מזינים הנמצאים בשפע בריאות נגועות. עם זאת, כדי לשרוד על הריר, החיידק צריך גם לסנתז חומרים מזינים חיוניים אך פחות זמינים, כמו חומצות אמינו. הסתפקות עצמית זו, או "עצמאות מטבולית", עוזרת לחיידק לשגשג בשלבים הראשונים של זיהום בריאות.
מה שהצוות של פרסאט חשף הוא המנגנון מאחורי הדילמה הזו. הם גילו שיצירת ביופילם מטילה "נטל מטבולי", כלומר ייצור המטריצה הדביקה שמחזיקה את הביופילם צורכת משאבים, ומאטה את יכולת ההתפשטות של החיידקים. בניסויים, חיידקים שלא יכלו ליצור סרטי ביו-פילם התפשטו בצורה יעילה יותר אך נותרו פגיעים לאנטיביוטיקה. תובנה חדשה זו לגבי העלויות המטבוליות של יצירת ביופילם מסבירה כיצד החיידק מאזן צמיחה וסבילות לאנטיביוטיקה.
המחקר מדגיש את פעולת האיזון העדינה ש Pseudomonas aeruginosa חייב לבצע במהלך זיהומים. בעוד שהחיידקים צריכים ליישב את הריאה ביעילות, אסטרטגיית ההישרדות הטובה ביותר שלהם – יצירת ביופילם – מגבילה את הגישה שלהם לחומרים מזינים, ולכן, את יכולתם להתפשט. עם זאת, ברגע שמכניסים אנטיביוטיקה, היווצרות ביופילם הופכת ליתרון, מה שמגן על החיידקים מפני חיסול.
חקירת נתיבים חדשים
התגלית פותחת דלת לחקירה של אסטרטגיות טיפול חדשות: אם נוכל למצוא דרך לשבש את יכולת החיידקים ליצור סרטי ביופילם מבלי לתת להם יותר מקום להתפשט, זה עלול להפוך אותם לפגיעים יותר לטיפולים קיימים. וטיפולים המכוונים למסלולים המטבוליים של החיידק עשויים גם להתגלות כיעילים בהחלשות פסאודומונס זיהומים.
באופן רחב יותר, המדענים מאמינים שחקר פתוגנים כמו P. aeruginosa במודלים של זיהומים המשכפלים את הפיזיולוגיה של רקמות אנושיות, הוא חיוני למאבק בעמידות לאנטיביוטיקה.
עמידות לאנטיביוטיקה עומדת להפוך לאחד מאתגרי הבריאות הרציניים ביותר של המאה הזו, וכן P. aeruginosa הוא תורם מרכזי לנושא זה. על ידי שימוש בהנדסת רקמות כדי לשכפל את סביבת דרכי הנשימה במעבדה, אנו שואפים להבין טוב יותר את הפיזיולוגיה של הפתוגן הזה. התקווה שלנו היא שזה יחשוף מטרות שלא היו ידועות בעבר כדי לעזור לנו להילחם בזיהומים הללו ולהתמודד עם עמידות לאנטיביוטיקה".
Lucas Meirelles, Global Health Institute, בית הספר למדעי החיים, EPFL