药物耐药性的电影方法镰状细胞病的基因治疗通过关键的临床前试验镰状细胞病的基因治疗通过关键的临床前试验

受好莱坞魔法的启发,哈佛医学院和以色列理工学院的科学家们设计了一种简单的方法来观察细菌在药物作用下是如何运动的。

9月9日出版的《科学》(Science)杂志上描述的这些实验,被认为是首次大规模地观察了细菌的活动,因为它们遇到的抗生素剂量越来越高,并适应在其中生存和繁衍。

为了做到这一点,研究小组建造了一个2×4英尺的培养皿,并在培养皿中装满了14升琼脂。琼脂是一种从海藻中提取的胶状物质,在实验室中常用来滋养生长中的有机体。

为了观察大肠杆菌是如何适应越来越高剂量的抗生素的,研究人员将这道菜分成几部分,并在其中加入不同剂量的药物。这道菜最外层的边缘没有任何毒品。下一节含有少量的抗生素——刚好超过杀死细菌所需的最低剂量——随后的每一节都表示剂量增加了10倍,盘子中央含有的抗生素是最低剂量区域的1000倍。

在两个多星期的时间里,安装在盘子上方天花板上的一台相机定期拍摄快照,研究人员将这些照片拼接成一个延时蒙太奇。结果呢?一种对细菌运动、死亡和生存的强有力的、不加修饰的可视化;进化在起作用,肉眼可见。

研究人员称,这一设备被称为“微生物进化与生长舞台”(MEGA),它是一个简单、更现实的平台,可以探索空间和进化挑战之间的相互作用,这些挑战迫使生物体改变或死亡。

“我们对细菌用来躲避抗生素的内部防御机制有相当多的了解,但我们真的不太了解它们在太空中的物理运动,因为它们要适应不同的环境才能生存,”该研究的第一作者、HMS系统生物学研究员迈克尔·贝姆(Michael Baym)说。

研究人员警告说,他们的巨型培养皿并不是为了完美地反映细菌在现实世界和医院环境中是如何适应和繁衍的,但它确实比传统的实验室培养物更能模拟真实的环境。研究人员说,这是因为在细菌进化过程中,空间、大小和地理位置都很重要。与传统的实验室实验相比,在不同抗生素强度的环境中移动对生物体构成了不同的挑战。传统的实验室实验使用的是含有均匀混合剂量药物的微型培养皿。

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电影灵感

这项发明是出于教学的需要,以一种视觉上吸引人的方式教授进化给HMS研究生课程的学生。研究人员借鉴了好莱坞的一个想法。

HMS和Technion的高级研究员罗伊·基松尼(Roy Kishony)看到了2011年的电影《传染病》(Contagion)的数字广告牌,该片讲述了一场致命的病毒大流行。这个营销工具是用一个巨大的实验室培养皿制作的,它展示了一大群涂了颜料的发光微生物在黑暗的背景下缓慢爬行,拼出了电影的名字。

Kishony说:“这个项目自始至终都充满了乐趣。”“看到细菌第一次传播是一件令人兴奋的事。我们的巨型板块采用了进化中复杂的、通常是模糊的概念,比如突变选择、谱系、平行进化和克隆干扰,并为这些模糊的概念提供了一种视觉的、“见即是信”的演示。这也有力地说明了细菌对抗生素产生抗药性是多么容易。”

研究人员之一塔米·利伯曼说,这些照片激发了外行人和专业观众的好奇心。

利伯曼说:“这是微生物进化速度的惊人证明。”利伯曼当时是Kishony实验室的研究生,现在是麻省理工学院的博士后研究员。当播放这段视频时,进化生物学家会立即识别出他们抽象思考过的概念,而非专业人士则会立即提出非常好的问题。
细菌在移动

除了提供一种上镜的方式来展示进化之外,该设备还对暴露在不断增加的药物剂量下的细菌的行为产生了一些关键的洞见。其中一些是:

  • 细菌会扩散,直到达到无法再生长的浓度(抗生素剂量)。
  • 在每个浓度水平上,都有一小群细菌适应并存活下来。抗性是通过遗传变化的连续积累而产生的。随着耐药突变体的出现,它们的后代迁移到抗生素浓度更高的地区。突变体的多个谱系竞争同一个空间。获胜的菌株随着药物剂量的增加进入该区域,直到达到无法存活的药物浓度。
  • 通过不断增加抗生素剂量,低耐药性突变体产生中等耐药性突变体,最终产生能够抵御最高剂量抗生素的高耐药性菌株。
  • 最终,在获得性耐药的戏剧性演示中,细菌传播到了药物浓度最高的地方。在10天的时间里,细菌产生了变异菌株,其存活能力是杀死其祖先的细菌的1000倍。当研究人员使用另一种抗生素环丙沙星时,细菌对初始剂量产生了10万倍的耐药性。
  • 最初的突变导致生长缓慢——这一发现表明,适应抗生素的细菌在发生突变时无法以最佳速度生长。一旦完全耐药,这些细菌就会恢复正常的生长速度。
  • 适者生存,最具抵抗力的突变体并不总是最快的。他们有时会留在较弱的菌株后面,而这些菌株勇敢地面对抗生素剂量较高的前线。
  • 经典的假设是,在浓度最高的环境下存活下来的突变体是最具抵抗力的,但研究小组的观察结果却表明情况并非如此。

贝姆说:“我们所看到的情况表明,进化并不总是由最具抵抗力的突变体主导。”“有时候,第一个到达那里的人更受欢迎。事实上,最强大的突变体往往在更脆弱的菌株后面移动。谁先到达那里可能取决于接近程度,而不是突变强度。”

联合调查人员包括Eric Kelsic、Remy Chait、Rotem Gross和Idan Yelin。

这项工作得到了美国国立卫生研究院(National Institutes of Health)和欧洲研究理事会(European Research Council)的资助。

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