BRC researcher demonstrates effectiveness of antibiotic mixtures is often lower than that of individual antibiotics alone

News

With tests conducted using a new procedure she herself developed, Viktória Lázár, researcher at the ELKH Biological Research Centre (BRC) has demonstrated that unexpected, unfavorable interactions often occur during the use of antibiotic mixtures, which is why the effectiveness of the mixtures is often orders of magnitude lower than that of antimicrobial agents used independently. An article presenting the findings has been published in the prestigious journal Nature.

Kep1

Az egyes gyógyszerkeverékek baktériumölő hatása nagyságrendekkel gyengébb, mint a csak egyetlen hatóanyagot tartalmazó kezeléseknek önmagukban (Az illusztrációt Koliger Enikő készítette) 

Az igen gyakori, kölcsönösen gátló hatásúreciprokális szupresszív antibiotikum-kombinációk eddig ismeretlenek voltak a kutatók előtt, mert az antimikrobiális kezeléseket csekély számban, de hosszan túlélő, úgynevezett perzisztens baktériumok nem vizsgálhatók könnyen felskálázható, standard optikai sejtsűrűségmérésekkel. A perzisztens baktériumok képesek az antibiotikum-kezeléseket hosszú távon túlélni, de nem tudnak az antibiotikum-kezelések alatt osztódni, mint az antibiotikumokkal szemben ellenálló úgynevezett rezisztens baktériumok. A kezelések után viszont újra elszaporodhatnak, kiújuló fertőzéseket okozva. A perzisztáló baktériumok mennyiségi meghatározása a mikrobiológiai laboratóriumokban rutinszerűen alkalmazott vizsgálati módszerekkel rendkívül alacsony hatékonyságú és lassú, ezért ezzel a módszerrel lehetetlen szisztematikusan feltérképezni a nagyszámú antibiotikum-kombinációk baktériumölő hatékonyságát. 

Kep2

A nagy áteresztőképességű gyógyszer-kombinációs tesztek során eltérően jelölt antibiotikumra ellenálló (piros fluoreszcens fehérjével jelölt) és érzékeny (zöld fluoreszcens fehérjével jelölt) baktériumtörzseket kevernek össze 1:1 arányban. A kezeléseket követően meghatározzák, mely antibiotikum-kombinációk pusztítják nagyságrendekkel hatékonyabban az antibiotikumokkal szemben ellenálló baktériumokat, mint az azokra érzékenyeket. Így az eltérően szelektív gyógyszer-kombinációk alkalmazásával lassítani tudják az antibiotikum-rezisztencia terjedését.

Ebben a kutatásban Lázár Viktória a Technion – Izraeli Műszaki Egyetemen egy nagy áteresztőképességű eljárást dolgozott ki az antimikrobiális anyagok baktériumölő hatásának pontos mérésére. Az eljárás lényege, hogy a kutatók fluoreszcens fehérjékkel jelölték meg a patogén baktériumsejteket, ezáltal fénnyel gerjesztve láthatóvá tették a szilárd táptalajon növekvő baktérium-mikrokolóniákat, amelyeket egy kamerával rögzítettek. Így az alkalmazott szer hatását túlélő, perzisztáló sejtek számát egy automata képelemző szoftverrel meg tudták határozni, ami pontos becslést ad egy antibiotikum vagy antibiotikum-kombináció hosszú távú baktériumölő hatásosságáról.

Kep3

A klinikai baktériumok életképességének meghatározása során az antimikrobiális kezelést túlélő baktériumsejteket a szilárd táptalajon felnövő baktériumkolóniák száma alapján becslik meg egy automatizált képfeldolgozási eljárással 

A tanulmányban tesztelt baktérium a Staphylococcus aureus volt, amely egy különösen veszélyes patogén, melynek különböző változatai számos antibiotikummal szemben ellenállóak és egyben a nozokomiális (kórházi vagy klinikai) fertőzések jelentős részéért is felelősek. Ezen patogén részletes vizsgálatait a kutatók kontrollált laboratóriumi körülmények között és állatmodellben is elvégezték, amely során a méhészetekben is kárt okozó molylepke lárváját használták alanyként. A lárvák immunrendszerében és az emlősök ősi, veleszületett immunválaszában részt vevő elemek nagyon hasonlítanak, ezért ezek az egyszerű modellorganizmusok jól használhatók nagyszámú különböző antibiotikum-keverék hatékonyságának gyors tesztelésére, ami összehasonlítható eredményt ad azzal, mint amit emlős modellekben is látnak a kutatók. 

Számos fertőző betegség – például tuberkulózis, Enterococcus, polimikrobás és ismeretlen eredetű szeptikus állapotok – esetében a kombinációs terápia a javasolt eljárás. Az antibiotikum-keverékekkel a kezelések fő célja, hogy az antibiotikumok felerősítsék egymás hatását, és alacsonyabb dózis ellenére is nagyobb hatékonyságot érjenek el velük, miközben ezzel párhuzamosan sokféle baktérium ellen is hatásosak maradnak. Lázár Viktória legújabb felfedezése azonban arra hívja fel a figyelmet, hogy számos antibiotikum-kombináció hosszú távon éppen az ellenkező, kölcsönösen gátló kölcsönhatást mutatja azáltal, hogy együttes alkalmazásukkal megnő a kezeléseket hosszan túlélő, perzisztáló baktériumok száma. A kutatók azt is megfigyelték, hogy vannak bizonyos antimikrobiális anyagok, amelyek ezeket a perzisztáló baktériumokat is el tudják pusztítani, ráadásul más szerekkel együttesen alkalmazva felerősítik a kezelés hatékonyságát. 

Bár ezeknek az egymás hatását kölcsönösen gátló antibiotikum-pároknak a kerülése lenne javasolt a klinikai kezelések során, a kutatók megfigyelték, hogy még ha a baktériumok ellenállóvá is válnak e gyógyszerpárok egyik vagy másik hatóanyagával szemben, együttesen alkalmazva mégis nagyságrendekkel hatékonyabban pusztítják el a rezisztens baktériumokat az antibiotikumokra érzékeny változatukhoz képest. Ez még az egészségügyi intézményekben terjedő rendkívül ellenálló és veszélyes MRSA-baktériumra is igaz. Ezek az antibiotikumoknak ellenálló baktériumokat célzottan kiirtó, eltérően szelektív antibiotikum-kombinációk igen ígéretesek, eddig mégis csak néhány ilyet fedeztek fel. Felmerül a kérdés, hogy miért olyan fontosak ezek az újonnan felfedezett, eltérően szelektív gyógyszer-kombinációk, és hogyan lehetne hasznosítani őket a klinikai kezelések során? Először is, alkalmazásukkal lassítani lehet az antibiotikum-rezisztencia térhódításában alapvető szerepet játszó mobilis genetikai elemek terjedését, és ezáltal a klinikai patogének evolúciós alkalmazkodóképességét. Másodsorban, lehetőséget nyithatnak egy kétfázisú kezelési stratégia alkalmazására, melyben az első fázis során a gyógyszer-kombináció használatával célzottan történik a rezisztens kórokozók pusztítása, majd a korábban hatástalan kezelés újra alkalmazhatóvá válik a második fázisban.

Kep4

Lázár Viktória  

Lázár Viktória tudást és tapasztalatot hozott haza a Technion – Izraeli Műszaki Egyetemről. Jelenleg az SZBK Biokémiai Intézetén belül működő Szintetikus és Rendszerbiológiai Egység új kutatócsoportját vezeti, és újabb felfedezésekre törekszik. A feladat nagyságrendjét érzékelteti, hogy eddig 19-féle antibiotikum több száz kombinációját vizsgálta, azonban ezernél is több további gyógyszer létezik. Munkájának célja, hogy a rendkívül költséges újabb és újabb antibiotikum-fejlesztések helyett a már meglévő szerek kombinációinak vizsgálatára kerüljön a hangsúly. 

Lázár Viktória szakmai pályájáról 

Biológiát és egyidejűleg informatikát tanult a Debreceni Egyetemen. Doktori diplomáját is itt szerezte meg 2013-ban, kutatómunkája a rákos sejtek genetikai eltérésének vizsgálatára fókuszált. 2014-ben kutatási témát váltott, és csatlakozott a SZBK-ban működő, Pál Csaba vezette Szintetikus és Rendszerbiológiai Egység Lendület Kísérleti Evolúcióbiológiai Csoporthoz. Ott a Magyar Tudományos Akadémia posztdoktori ösztöndíjasaként az antibiotikum-rezisztens baktériumok gyenge pontjait kereste, célzott terápiák kidolgozására törekedve. Azt igyekezett megérteni, hogy az adott antibiotikummal szembeni rezisztencia evolúciója hogyan csökkenti vagy növeli az érzékenységet más gyógyszerekkel szemben. Ezt az időszakot három rangos folyóiratban megjelent elsőszerzős cikkel zárta. A Human Frontier Science Program (HFSP) nemzetközi posztdoktori ösztöndíjasaként 2017-ben nyerte el a lehetőséget, hogy a Technion ‒ Izraeli Műszaki Egyetemen Roy Kishony professzor mellett folytassa vizsgálatait. Több mint 20 tudományos munkát publikált, köztük olyan nívós szakmai folyóiratok hasábjain, mint a Nature, a Nature Microbiology, a Nature Communications, és a PNAS. Kutatómunkáját a Magyar Tudományos Akadémia és a New York-i magyar kutatók Szent Györgyi Albert fiatal kutatói díjjal ismerték el.  

Mikrobiom-kímélő antibiotikum-kombinációk feltárására fókuszáló témájával Lázár Viktória 2022-ben elnyerte a Magyar Tudományos Akadémia Lendület programjának támogatását, ezzel elindíthatta az MTA-SZBK Lendület Antibiotikum Hatások Rendszerbiológiája Kutatócsoportot az SZBK Biokémiai Intézetén belül. Innovatív megközelítésű kutatómunkáját az SZBK és a Magyar Molekuláris Orvostudományi Kiválósági Központ (HCEMM) egyaránt támogatja.