Te przełomowe odkrycia mogą zrewolucjonizować strategie zdrowia publicznego, dając nam narzędzia do walki z antybiotykoopornością zanim stanie się ona globalnym kryzysem – podaje Uniwersytet Jagielloński informując o wynikach badań z udziałem swoich naukowców.
O tym, że antybiotykooporność (AMR) jest coraz większym problemem w leczeniu różnego rodzaju infekcji mówi się nie od dziś. Tylko w 2019 roku przyczyniła się ona do ponad miliona zgonów na świecie, a w miarę jak bakterie, wirusy, grzyby i pasożyty ewoluują, kiedyś łatwe do wyleczenia infekcje dziś mogą już stanowić zagrożenie życia.
Sytuację pogarsza nadużywanie antybiotyków oraz niewłaściwe oczyszczanie ścieków, prowadzące do zanieczyszczania środowiska drobnoustrojami odpornymi na leki. Naukowcy i lekarze od lat zastanawiają się nad skutecznymi metodami walki z tym wyzwaniem, teraz dużym krokiem do przodu mogą się okazać wyniki nowatorskich badań, opublikowanych w czasopiśmie „Frontiers” przez Rodolfa Brizolę Toscana wraz z zespołami z Małopolskiego Centrum Biotechnologii Uniwersytetu Jagiellońskiego oraz Wydziału Informatyki Uniwersytetu w Białymstoku, we współpracy z CAMDA (Critical Assessment of Massive Data Analysis) i projektem MetaSUB, Integrując uczenie maszynowe, metagenomikę oraz analizę oporności, naukowcy odkrywają, jak geny oporności przemieszczają się między przestrzeniami miejskimi a szpitalami.
Superbakterie
O co w tym wszystkim chodzi? Jak tłumaczą naukowcy, geny odpowiedzialne za oporność na środki przeciwdrobnoustrojowe (ARG – antibiotic resistance genes) nie tylko rozprzestrzeniają się podczas rozmnażania bakterii, ale także poprzez wymianę DNA na trzy różne sposoby: transformację (wchłanianie materiału genetycznego ze środowiska), koniugację (bezpośredni transfer między bakteriami) i transdukcję (za pośrednictwem wirusów). Ta „ukryta” wymiana genów przyspiesza powstawanie odpornych superbakterii.
Kluczowe znaczenie mają mieć mobilne elementy genetyczne (MGE – mobile genetic elements), sprawiając, że oporność na środki przeciwdrobnoustrojowe jest jak ruchomy cel, który ewoluuje nie tylko dzięki rozmnażaniu bakterii, ale także dzięki wspomnianym mechanizmom wymiany. Zrozumienie tych procesów ma być niezbędne w walce z infekcjami opornymi na leki.
Śledząc bakterie w miastach
Naukowcy śledzą ogniska oporności na leki w takich miejscach jak oczyszczalnie ścieków, szpitale, zakłady przetwórstwa mięsnego i miasta, gdzie działalność człowieka sprzyja rozprzestrzenianiu się genów oporności. Światowy rezystom, czyli zbiór wszystkich genów oporności, jest intensywnie badany. Projekty takie jak MetaSUB zajmują się sekwencjonowaniem DNA z przestrzeni publicznych, takich jak stacje metra czy przystanki autobusowe, pokazując, jak oporność na leki przenosi się w miejskim środowisku. Jak podkreślają badacze, zrozumienie tych mechanizmów jest kluczowe dla kontrolowania rozwoju infekcji lekoopornych.
Założone w 2015 roku Konsorcjum MetaSUB skupia klinicystów, naukowców, bioinformatyków i inżynierów z ponad 100 krajów na całym świecie. Zespół nieustannie zbiera próbki środowiskowe z różnych miejsc – miast, wsi, transportu publicznego, metra, kolei oraz systemów kanalizacyjnych. Inicjatorem i koordynatorem krakowskiej edycji tej kampanii jest dr hab. inż. Paweł Łabaj, kierownik Grupy Badawczej Bioinformatyki w Małopolskim Centrum Biotechnologii Uniwersytetu Jagiellońskiego oraz współzałożyciel stowarzyszenia MetaSUB Europe.
W badaniu opisanym na łamach „Frontiers” przeanalizowano 143 próbki środowiskowe pobrane z miast oraz 145 izolatów bakterii wyizolowanych w szpitalach, sprawdzając ich oporność na leki antybakteryjne. Izolaty, wyhodowane z próbek klinicznych, reprezentują kluczowe patogeny, takie jak Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae i Enterobacter hormaechei. Porównując markery oporności w bakteriach występujących w szpitalach i w środowisku miejskim, naukowcy ocenili dostępne narzędzia do wykrywania oporności, która ma znaczenie kliniczne. Jak podaje UJ, te odkrycia mogą pomóc wypełnić lukę między nadzorem środowiskowym a infekcjami szpitalnymi, poprawiając wczesne wykrywanie i opracowywanie strategii reagowania.
AI i badania w USA
W ramach badania wykorzystano dane metagenomiczne oraz dane dotyczące oporności klinicznej udostępnione przez CAMDA (2023), które posłużyły do opracowania mapy oporności na środki przeciwdrobnoustrojowe w miastach USA. Próbki, które zostały zebrane w ramach projektu MetaSUB, pochodziły z sześciu miast. Dzięki tym badaniom naukowcy mogli przeanalizować rezystom (geny oporności na antybiotyki), wirusom (wirusy) i mobilom (mobilne elementy genetyczne) za pomocą różnych technik. Uzyskane dane pomagają w śledzeniu, jak oporność na leki rozprzestrzenia się w miejskim środowisku.
Korzystając z uczenia maszynowego i modelowania statystycznego, naukowcy przeanalizowali dane metagenomiczne, aby zbadać, jak oporność na środki przeciwdrobnoustrojowe rozwija się w środowiskach miejskich. Wykorzystując klasyfikatory lasu losowego (Random Forest) oraz narzędzia selekcji cech, takie jak Boruta i MDFS (opracowane przez część autorów publikacji), udało się zidentyfikować kluczowe markery oporności na antybiotyki.
– Te techniki oparte na sztucznej inteligencji pomogły lepiej zrozumieć dynamikę AMR w miastach, poprawiając precyzję narzędzi służących do profilowania oporności – podaje Uniwersytet Jagielloński. – Badanie podkreśla kluczową rolę mobilnych elementów genetycznych w rozprzestrzenianiu się oporności, oferując nowe perspektywy dla przyszłych badań i interwencji w dziedzinie zdrowia publicznego.
