米国の病院患者の死因として最も多いのは細菌感染症であり、抗生物質耐性菌は増加し、毎年数万人の命を奪っている。抗生物質がどのように作用するのか、あるいは作用しないのかを正確に理解することは、新たな「スーパーバグ」を標的とするためにも、既存薬を標的に対してより効果的にするためにも、代替治療戦略の開発に欠かせない。
合成生物学の手法を用いて、ハーバード大学のワイス研究所の研究チームは、細菌はペトリ皿の中と体内とでは抗生物質に対してまったく異なる、実際には正反対の反応を示すことを発見した。このことは、抗生物質に関する現在の私たちの前提の一部が誤っている可能性を示唆している。
「多くの臨床医が抱いているイメージでは、抗生物質は活発に分裂している細菌を殺し、分裂していない細菌が治療に抵抗して感染を長引かせます。私は、それが本当に正しいのか、感染の経過とともに分裂中の細菌の割合が変化するのか、そして抗生物質がそれにどう影響するのかを知りたいと思いました」と、研究の筆頭著者で、ワイス研究所およびマサチューセッツ総合病院の臨床フェローであるローラ・サートン氏は述べた。
「合成生物学は、有用な産物を作らせたり、病気を診断させたりするために細菌を改変する手法として広く使われています。私たちは同じ手法を用いて、体内で細菌がどのように振る舞っているかを調べる微生物学のツールを作りました」と同氏は述べた。
この研究は8月31日号のCell Host & Microbeに掲載された。
サートン氏らは、ワイス研究所の中核教員である大腸菌の遺伝子改変株を使用した。この株は数年前に、同研究所の中核教員であるパメラ・シルバー氏の研究室で作製された。細菌のDNAには遺伝子の「トグルスイッチ」が組み込まれており、アンヒドロテトラサイクリン（ATC）という化学物質にさらされると、「オフ」から「オン」に切り替わる。スイッチがオンになると遺伝子に変化が起こり、細菌は糖であるラクトースを分解できるようになるが、スイッチがオフのままの細菌にはそれができない。この仕組みの重要な点は、ATCを加えた時点で細菌が活発に分裂している場合に限り、トグルスイッチが切り替わることだ。分裂していない細菌のスイッチは、ATCが存在していてもオフのままである。したがって、このトグルスイッチによって、ATCにさらされた時点で細菌が活動状態だったのか休眠状態だったのかを示すスナップショットが得られる。
細菌の研究はしばしば試験管内で行われるが、感染は生体内という複雑な環境で起こり、そこはペトリ皿とは大きく異なる。研究者らは細菌を生体内で評価するため、マウスの脚に小さなプラスチック棒を埋め込み、医療機器や人工関節の埋め込み時に人でよく生じる慢性細菌感染を模すため、遺伝子改変した細菌株を脚に接種した。その後、感染の経過中に異なる時点でマウスにATCを注射し、分裂中の細菌細胞のトグルスイッチをオンにした。
マウスから細菌を取り出し、ラクトースを含む特殊な培地で培養したところ、最初の24時間はすべての細菌が活発に分裂していたが、4日目にはその割合が約半分に低下し、感染が続く間その水準を保つことが分かった。これは、体によって殺される細菌の数と、細胞分裂によって新たに生み出される細菌の数が釣り合っていたことを示している。この結果は試験管内での反応とは異なっていた。試験管内では、細菌は環境の収容力に達すると、すべて分裂を停止した。
次に研究者らは、感染が2週間進行するのを待ってから、マウスに抗生物質レボフロキサシンを注射し、細菌の抗生物質に対する反応を生体内で調べた。取り出した細菌を分析したところ、マウス内の細菌総数は減少した一方で、生き残った細菌のうち活発に分裂しているものの割合は実際に増加していた。この結果は、試験管内で観察された抗生物質の作用とは正反対であり、試験管内では分裂中の細胞が、分裂していない細胞よりも多く殺されていた。研究者らは細菌コロニーを調べて抗生物質耐性の有無を確認したが、細菌がレボフロキサシンの殺菌作用によりよく耐えられるよう進化した証拠は見つからず、抗生物質が依然として有効であることが確認された。
「抗生物質の存在下で分裂中の細菌の割合が高くなった理由はいくつか考えられます」とサートン氏は述べた。「最も可能性が高いと考えているのは、抗生物質によって細菌全体の数が減った際に生じる『空きを埋める』ため、休眠細胞が活動状態に切り替わるという説明です。私たちの研究が示すように、感染の間ずっと細菌が活発に分裂し続けるなら、抗生物質の影響を受けやすいはずです。」
実際、研究者らは抗生物質の投与量を増やして感染を治癒させることができた。この結果は、細菌感染症に関する従来の想定に反して、この慢性感染モデルでは、休眠状態で抗生物質に耐える細胞の集団が固定的に存在するわけではないことを示している。
「抗生物質が効かない場合は、分裂していない細菌の砦が原因だと決めつけるのではなく、感染部位により多くの薬を届ける方法を見つけることや、別の耐性機構が働いていないかを特定することに注力すべきです」と、責任著者でワイス研究所の中核教員であるジム・コリンズ氏は述べた。同氏はまた、テレマー医工学・科学教授であり、マサチューセッツ工科大学の生物工学教授でもある。
