Thuốc kháng sinh là thuốc cứu mạng nhưng cũng có thể gây hại cho các vi khuẩn có lợi sống trong đường ruột con người. Sau khi điều trị bằng kháng sinh, một số bệnh nhân có nguy cơ bị viêm hoặc nhiễm trùng cơ hội như Clostridiodes difficile. Việc sử dụng kháng sinh bừa bãi đối với vi khuẩn đường ruột cũng có thể góp phần vào sự lây lan của tình trạng kháng thuốc.
Trong nỗ lực giảm thiểu những rủi ro đó, các kỹ sư của MIT đã phát triển một phương pháp mới giúp bảo vệ hệ thực vật tự nhiên trong đường tiêu hóa của con người. Họ đã lấy một dòng vi khuẩn an toàn cho con người và biến đổi nó để tạo ra một loại enzyme phá vỡ một loại kháng sinh gọi là beta-lactam một cách an toàn. Chúng bao gồm ampicillin, amoxicillin và các loại thuốc thường được sử dụng khác.
>> Tham khảo: Mô hình AI mới có thể giúp ngăn chặn các vi phạm dữ liệu gây thiệt hại và tốn kém.
Khi “liệu pháp sinh học sống” này được sử dụng cùng với thuốc kháng sinh, nó sẽ bảo vệ hệ vi sinh vật trong ruột nhưng cho phép mức độ kháng sinh lưu thông trong máu vẫn ở mức cao, các nhà nghiên cứu nhận thấy trong một nghiên cứu trên chuột.
James Collins, Giáo sư Khoa học và Kỹ thuật Y tế Termeer tại Viện Khoa học và Kỹ thuật Y tế (IMES) của MIT cho biết: “Công trình này cho thấy sinh học tổng hợp có thể được khai thác để tạo ra một loại phương pháp trị liệu kỹ thuật mới giúp giảm tác dụng phụ của thuốc kháng sinh”. và Khoa Kỹ thuật Sinh học, đồng thời là tác giả chính của nghiên cứu mới.
Tiến sĩ Andres Cubillos-Ruiz ’15, một nhà khoa học nghiên cứu tại IMES và Viện Kỹ thuật lấy cảm hứng từ sinh học Wyss tại Đại học Harvard, là tác giả chính của bài báo, xuất hiện hôm nay trên tạp chí Nature Biomedical Engineering. Các tác giả khác bao gồm các sinh viên tốt nghiệp MIT Miguel Alcantar và Pablo Cardenas, nhà khoa học nhân viên Viện Wyss Nina Donghia, và nhà khoa học nghiên cứu của Viện Broad Julian Avila-Pacheco.
Bảo vệ ruột
Trong hai thập kỷ qua, nghiên cứu đã tiết lộ rằng các vi khuẩn trong ruột người đóng vai trò quan trọng không chỉ trong quá trình trao đổi chất mà còn trong chức năng miễn dịch và chức năng của hệ thần kinh.
Cubillos-Ruiz nói: “Trong suốt cuộc đời của bạn, những vi khuẩn đường ruột này tập hợp thành một cộng đồng rất đa dạng để hoàn thành các chức năng quan trọng trong cơ thể bạn. “Vấn đề xảy ra khi các biện pháp can thiệp như dùng thuốc hoặc các loại chế độ ăn uống cụ thể ảnh hưởng đến thành phần của hệ vi sinh vật và tạo ra một trạng thái thay đổi, được gọi là rối loạn vi khuẩn. Một số nhóm vi sinh vật biến mất và hoạt động trao đổi chất của những nhóm khác tăng lên. Sự mất cân bằng này có thể dẫn đến nhiều vấn đề sức khỏe khác nhau .”
>> Tham khảo: Phương pháp mới cực nhanh để sản xuất các thiết bị nhiệt điện hiệu suất cao.
Một biến chứng chính có thể xảy ra là nhiễm C. difficile, một loại vi khuẩn thường sống trong ruột nhưng thường không gây hại. Tuy nhiên, khi thuốc kháng sinh tiêu diệt các chủng cạnh tranh với C. difficile, những vi khuẩn này có thể tiếp quản và gây tiêu chảy và viêm đại tràng. C. difficile lây nhiễm cho khoảng 500.000 người mỗi năm ở Hoa Kỳ và gây ra khoảng 15.000 ca tử vong.
Các bác sĩ đôi khi kê đơn men vi sinh (hỗn hợp vi khuẩn có lợi) cho những người dùng thuốc kháng sinh, nhưng những loại men vi sinh đó thường cũng dễ bị kháng sinh và chúng không tái tạo hoàn toàn hệ vi sinh vật tự nhiên có trong ruột.
Cubillos-Ruiz nói: “Các chế phẩm sinh học tiêu chuẩn không thể so sánh với sự đa dạng mà các vi khuẩn bản địa có. “Chúng không thể hoàn thành các chức năng giống như các vi khuẩn bản địa mà bạn đã nuôi dưỡng trong suốt cuộc đời mình.”
Để bảo vệ hệ vi sinh vật khỏi thuốc kháng sinh, các nhà nghiên cứu đã quyết định sử dụng vi khuẩn biến đổi. Họ đã tạo ra một dòng vi khuẩn có tên là Lactococcus lactis, loại vi khuẩn thường được sử dụng trong sản xuất pho mát, để cung cấp một loại enzyme phân hủy kháng sinh beta-lactam. Những loại thuốc này chiếm khoảng 60 phần trăm thuốc kháng sinh được kê đơn tại Hoa Kỳ.
Khi những vi khuẩn này được đưa vào cơ thể qua đường miệng, chúng sẽ cư trú tạm thời trong ruột, nơi chúng tiết ra enzym, được gọi là beta-lactamase. Enzym này sau đó phân hủy kháng sinh đi đến đường ruột. Khi dùng kháng sinh bằng đường uống, thuốc sẽ đi vào máu chủ yếu từ dạ dày, vì vậy thuốc vẫn có thể lưu thông trong cơ thể ở mức độ cao. Cách tiếp cận này cũng có thể được sử dụng cùng với thuốc kháng sinh được tiêm, cuối cùng cũng đến được ruột. Sau khi công việc của họ kết thúc, vi khuẩn được thiết kế sẽ được bài tiết qua đường tiêu hóa.
>> Tham khảo: Quá trình khử cacbon hoàn toàn của ngành hàng không Hoa Kỳ nằm trong tầm tay.
Sử dụng vi khuẩn biến đổi gen làm suy giảm kháng sinh đặt ra các yêu cầu đặc biệt về an toàn: Các enzym beta-lactamase tạo ra khả năng kháng kháng sinh cho các tế bào chứa chấp và gen của chúng có thể dễ dàng lây lan giữa các vi khuẩn khác nhau. Để giải quyết vấn đề này, các nhà nghiên cứu đã sử dụng phương pháp sinh học tổng hợp để mã hóa lại cách vi khuẩn tổng hợp enzyme. Họ đã chia gen beta-lactamase thành hai phần, mỗi phần mã hóa một đoạn enzyme. Các đoạn gen này nằm trên các đoạn DNA khác nhau nên rất khó có khả năng cả hai đoạn gen sẽ được chuyển sang một tế bào vi khuẩn khác.
Các đoạn beta-lactamase này được xuất ra bên ngoài tế bào nơi chúng tập hợp lại, khôi phục chức năng enzym. Vì beta-lactamase giờ đây có thể tự do khuếch tán trong môi trường xung quanh, nên hoạt động của nó trở thành “hàng hóa công cộng” cho cộng đồng vi khuẩn đường ruột. Điều này ngăn không cho các tế bào được thiết kế đạt được lợi thế so với các vi khuẩn đường ruột bản địa.
Cubillos-Ruiz cho biết: “Chiến lược ngăn chặn sinh học của chúng tôi cho phép đưa các enzym phân hủy kháng sinh vào ruột mà không có nguy cơ chuyển gen ngang sang các vi khuẩn khác hoặc thu được lợi thế cạnh tranh bổ sung bằng liệu pháp sinh học sống”.
Duy trì đa dạng vi sinh vật
Để kiểm tra phương pháp của họ, các nhà nghiên cứu đã cho chuột uống hai liều vi khuẩn được biến đổi cho mỗi lần tiêm ampicillin. Vi khuẩn được thiết kế đã đi đến ruột và bắt đầu giải phóng beta-lactamase. Ở những con chuột này, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng lượng ampicillin lưu thông trong máu cũng cao như ở những con chuột không nhận được vi khuẩn biến đổi gen.
Trong ruột, những con chuột nhận được vi khuẩn biến đổi gen duy trì mức độ đa dạng vi sinh vật cao hơn nhiều so với những con chuột chỉ nhận được kháng sinh. Ở những con chuột đó, mức độ đa dạng của vi sinh vật giảm đáng kể sau khi chúng nhận được ampicillin. Hơn nữa, không có con chuột nào nhận được vi khuẩn biến đổi gen bị nhiễm C. difficile cơ hội, trong khi tất cả những con chuột chỉ nhận được kháng sinh đều có hàm lượng C. difficile cao trong ruột.
Cubillos-Ruiz nói: “Đây là một minh chứng mạnh mẽ rằng phương pháp này có thể bảo vệ hệ vi sinh vật đường ruột, đồng thời duy trì hiệu quả của kháng sinh, vì bạn không làm thay đổi nồng độ trong máu”.
Các nhà nghiên cứu cũng phát hiện ra rằng việc loại bỏ áp lực tiến hóa của việc điều trị bằng kháng sinh khiến vi khuẩn đường ruột ít có khả năng phát triển khả năng kháng kháng sinh sau khi điều trị. Ngược lại, họ đã tìm thấy nhiều gen kháng thuốc kháng sinh ở những vi khuẩn sống sót ở những con chuột được dùng thuốc kháng sinh chứ không phải vi khuẩn được biến đổi gen. Những gen đó có thể được truyền cho vi khuẩn có hại, làm trầm trọng thêm vấn đề kháng thuốc kháng sinh.
Các nhà nghiên cứu hiện có kế hoạch bắt đầu phát triển một phiên bản điều trị có thể được thử nghiệm ở những người có nguy cơ cao mắc các bệnh cấp tính bắt nguồn từ chứng rối loạn vi khuẩn đường ruột do kháng sinh gây ra và họ hy vọng rằng cuối cùng, nó có thể được sử dụng để bảo vệ bất kỳ ai cần điều trị. uống thuốc kháng sinh để điều trị nhiễm trùng ngoài ruột.
>> Tham khảo: Phương pháp thống kê mới cải thiện phân tích bộ gen.
“Nếu tác dụng kháng sinh không cần thiết trong ruột, thì bạn cần bảo vệ hệ vi sinh vật. Điều này tương tự như khi bạn chụp X-quang, bạn đeo tạp dề chì để bảo vệ phần còn lại của cơ thể khỏi bức xạ ion hóa.” Cubillos-Ruiz nói. “Không có biện pháp can thiệp nào trước đây có thể mang lại mức độ bảo vệ này. Với công nghệ mới của chúng tôi, chúng tôi có thể làm cho thuốc kháng sinh trở nên an toàn hơn bằng cách bảo tồn các vi khuẩn đường ruột có lợi và giảm khả năng xuất hiện các biến thể kháng kháng sinh mới.”
Nghiên cứu được tài trợ bởi Cơ quan Giảm thiểu Đe dọa Quốc phòng, Tập đoàn Biên giới Paul G. Allen, Viện Wyss và học bổng nghiên cứu sau đại học của Quỹ Khoa học Quốc gia.
