Российские ученые смоделировали реакцию микрофлоры кишечника на антибиотики

Подпись: Схематическое представление различных механизмов обратной связи между бактериями разных типов и кишечной стенкой. Источник: пресс-служба МФТИ

Специалисты из Центра физико-химической медицины, МФТИ, компании M&S Decisions и исследовательского подразделения «Яндекса» построили компьютерную модель взаимодействия бактерий как между собой, так и с кишечной стенкой. Это позволило объяснить появление и распространение устойчивых к антибиотикам микробов.

«В нашей работе мы воссоздали при помощи простого метода моделирования процессы, происходящие в кишечнике при участии бактерий, и объяснили некоторые интересные эффекты при возникновении резистентности», — пояснил заместитель заведующего лабораторией системной биологии МФТИ и ведущий автор исследования Дмитрий Алексеев.

Кишечник, лекарство, две бактерии: модель ученых

Исследователи построили модель взаимодействия между двумя видами бактерий и кишечником и рассчитали, что происходит при приеме антибиотиков, убивающих значительную часть микроорганизмов. Во-первых, они задались вопросом о том, с какой скоростью восстанавливается численность бактерий после антибиотикотерапии. Во-вторых, интерес представляла доля бактерий, на которых антибиотики не действуют, и, наконец, новая модель детально описывала взаимодействие бактерий с кишечной стенкой, которая активно поглощает и выделяет различные вещества, влияющие на численность микробов.

Схематическое представление различных механизмов обратной связи между бактериями разных типов и кишечной стенкой. Источник: пресс-служба МФТИ


В результате ученые показали, что даже после антибиотикотерапии уязвимых к действию антибиотика бактерий может оказаться больше, чем тех, которые к лекарству устойчивы. Этот вывод может показаться противоречивым, но объясняется все просто: дело в том, что устойчивость к антибиотикам дается микроорганизмам дорогой ценой. Меняя свои биохимические процессы или тратя ресурсы на дополнительные химические реакции, бактерии неизбежно проигрывают в эффективности: медленнее потребляют «пищу», медленнее делятся, и поэтому далеко не факт, что такие микробы вытеснят обычных.

Кроме того, модель позволяла отслеживать численность бактерий в разных точках кишечника, что помогло ученым объяснить все-таки частые выигрыши устойчивых, но «медленных» бактерий. Дальнейшие работы в этом направлении, по мнению исследователей, окажутся полезными для понимания фундаментальных причин появления антибиотикорезистентных бактерий и для разработки лекарственных средств, направленных против патогенных бактерий.

Что общего между микробами и интернетом

По словам одного из авторов исследования — заведующего кафедрой дискретной математики МФТИ и руководителя отдела теоретических и прикладных исследований «Яндекса» Андрея Райгородского, математики взялись за эту работу, поскольку в ней нужна была экспертиза в области теории графов, которой они как раз активно занимаются. «Математики заинтересованы в применении наших методов к задачам биологии и медицины. Вообще, «сложные сети», которыми активно занимаются мои исследовательские подразделения в МФТИ и «Яндексе», встречаются очень часто и в природе, и в человеческом обществе. Это и социальные сети, и собственно интернет, и сети в экономике, и вот как раз сети в биологии. Я рад, что наше взаимодействие привело к содержательной публикации, и надеюсь на его дальнейшее развитие».

Напомним, что в кишечнике человека живут триллионы различных бактерий, совокупность которых называется микробиотой. Они защищают человека от вредных микроорганизмов, производят пищеварительные ферменты и способствуют нормальной работе иммунной системы. Одновременно многие заболевания, такие как ожирение, болезнь Крона, рак толстой кишки и другие воспалительные процессы, связаны с нарушением работы этих бактерий. Подробнее о влиянии микрофлоры на здоровье человека читайте в большом интервью с Дмитрием Алексеевым.

Исследование ученых опубликовано в журнале PLoS One.
Теги: