Математическая модель предсказывает влияние мутаций бактерий на успех антибиотикотерапии

Ученые разработали математическую модель, предсказывающую, как количество и эффект бактериальных мутаций, приводящих к лекарственной устойчивости, повлияют на успех лечения антибиотиками.

Их модель, описанная в журнале eLife, дает новое понимание возникновения лекарственной устойчивости в клинических условиях и указывает на способы разработки новых стратегий лечения, помогающих избежать ее появления.

Устойчивость к антибиотикам — серьезная проблема для общественного здравоохранения, вызванная изменениями в бактериальных клетках, позволяющими им выживать под действием лекарств. Часто устойчивость возникает из-за новых мутаций, появляющихся во время лечения инфекции. Понимание того, как она возникает и распространяется в бактериальных популяциях, важно для предотвращения неудач лечения.

«Математические модели — ключевой инструмент для изучения результатов лекарственной терапии и оценки риска эволюции устойчивости к антибиотикам, — объясняет первый автор Клаудия Иглер, постдокторант ETH Zurich. — Эти модели обычно рассматривают одну мутацию, приводящую к полной устойчивости, но у бактерий могут возникать множественные мутации, повышающие устойчивость. Некоторые мутации сами по себе обеспечивают высокий уровень устойчивости, а другие дают низкий уровень, но могут накапливаться, обеспечивая высокую устойчивость».

Для своего исследования Иглер и ее команда собрали экспериментальные данные, показывающие, что эволюция устойчивости следует двум паттернам: одиночная мутация и множественные мутации. Затем они использовали эту информацию для создания модели, предсказывающей эволюцию «одношаговой» и «многошаговой» устойчивости в бактериальных клетках в ответ на тип препарата, его фармакокинетику (как лекарство распадается в организме) и стратегии лечения. Они исследовали, как меняется риск неудачи лечения при учете множественных мутационных шагов вместо одного, и сколько различных бактериальных линий (бактерий с разными мутациями) возникнет в период лечения.

Используя модель, команда обнаружила, что эволюция лекарственной устойчивости существенно ограничена, если бактериям требуется более двух мутаций. Кроме того, степень этого ограничения, а значит, и вероятность неудачи лечения, сильно зависит от комбинации типа препарата и пути его введения (перорально или внутривенно).

«Наша работа — важный шаг в понимании возникновения устойчивости к антибиотикам в клинически значимых условиях лечения, — говорит старший автор Роланд Регоес, руководитель группы в ETH Zurich. — Наши результаты подчеркивают важность измерения уровня устойчивости, обеспечиваемого отдельными мутациями, для разработки эффективных стратегий противомикробной терапии».