First Direct Evidence Shows Bacteria Change Shape Inside Humans to Avoid Antibiotics

Widespread antibiotic use is largely to blame for the emergence of antibiotic resistant bacteria, which is currently one of the biggest threats to global health. Not only does antibiotic resistance already cause an estimated 700,000 deaths a year, it’s also made numerous infections, including pneumonia, tuberculosis, and gonorrhoea, harder to treat.

Without knowing how to stop bacteria from developing antibiotic resistance, it’s predicted that preventable diseases could cause 10 million deaths a year by 2050.

Some of the ways that bacteria become resistant to antibiotics is through changes in the bacteria’s genome. For example, bacteria can pump the antibiotics out, or they can break the antibiotics down. They can also stop growing and divide, which makes them difficult to spot for the immune system.

However, our research has focused on another little known method that bacteria use to become antibiotic resistant. We have directly shown that bacteria can „change shape” in the human body to avoid being targeted by antibiotics – a process that requires no genetic changes for the bacteria to continue growing.

Virtually all bacteria are surrounded by a structure called the cell wall. The wall is like a thick jacket which protects against environmental stresses and prevents the cell from bursting. It gives bacteria a regular shape (for example, a rod or a sphere), and helps them divide efficiently.

Human cells don’t possess a cell wall (or „jacket”). Because of this, it’s easy for the human immune system to recognise bacteria as an enemy because its cell wall is noticeably different. And, because the cell wall exists in bacteria but not in humans, it’s an excellent target for some of our best and most commonly used antibiotics, such as penicillin. In other words, antibiotics targeting the wall can kill bacteria without harming us.

However, bacteria can occasionally survive without their cell wall. If the surrounding conditions are able to protect the bacteria from bursting, they can turn into so-called „L-forms”, which are bacteria that don’t have a cell wall. These bacteria were discovered in 1935 by Emmy Klieneberger-Nobel, who named them after the Lister Institute where she was working at the time.

In a lab, we often use sugar to create a suitably protective environment. In the human body, this change in form is typically triggered by antibiotics that target the bacteria’s cell wall, or certain immune molecules – such as lysozyme, a molecule that’s present in our tears which helps protect us from bacterial infections.

Bacteria without a cell wall often become fragile and lose their regular shape. However, they also become partially invisible to our immune system, and completely resistant to all types of antibiotics that specifically target the cell wall.

Scientists long suspected that L-form switching might contribute to recurrent infections by helping bacteria hide from the immune system and resist the antibiotics. However, it was difficult to find evidence for this theory due to the elusive nature of L-forms and lack of appropriate methods to detect them.

Our study, published in Nature Communications, looked specifically at bacterial species associated with recurrent urinary tract infections (UTIs). It found that many different bacterial species – including E. coli and Enterococcus – can indeed survive as L-forms in the human body.

This is something that has never been directly proven before. We were able to detect these sneaky bacteria using fluorescent probes that recognise bacterial DNA.

We tested urine samples from elderly patients with recurrent UTIs by growing them in a petri dish high in sugars. Not only did this environment help protect bacteria from bursting, it also isolated the L-form bacteria that were present in these samples.

In a separate experiment, we were able to see the whole process take place in living zebrafish embryos in the presence of antibiotics.

Importantly, our study shows that antibiotics need to be tested in conditions more reflective of the human body. The ones that are currently used in the medical laboratory don’t provide enough protection for delicate L-forms to survive.

Before we can fully understand how important L-form switching is compared to other forms of antibiotic resistance, further research using more patients will be needed. It will also be important to investigate what role L-forms may play in other recurrent infections, such as sepsis or pulmonary infections.

Until now, research into L-forms has been a controversial field, but our hope is that these findings will motivate more research into L-forms in disease situations. Our hope is that these findings will help find a way to clear these sneaky bacteria from our body.

Combining cell wall active antibiotics with ones that would kill L-forms might be one solution of fighting antibiotic resistant infections.

Our battle with bacteria is ongoing. As we come up with new strategies to fight them, they come up with ways to fight back. Our study highlights yet another way that bacteria adapt that we’ll need to take into account in our continuing battle with infectious disease. 

Katarzyna Mickiewicz, Newcastle University Research Fellow, Newcastle University.

This article is republished from The Conversation under a Creative Commons license.

Utilizarea pe scară largă de antibiotice este în mare măsură de vină pentru apariția bacteriilor rezistente la antibiotice, care este în prezent una dintre cele mai mari amenințări la adresa sănătății globale. Nu numai că rezistența la antibiotice provoacă deja aproximativ 700.000 de decese pe an, dar, de asemenea, a condus la numeroase infecții, inclusiv pneumonie, tuberculoză și gonoree, mult mai greu de tratat.
Fără a ști cum să oprim bacteriile să-și dezvolte rezistență la antibiotice, se prevede că bolile prevenibile ar putea cauza 10 milioane de decese pe an până în 2050.

Unele dintre modurile în care bacteriile devin rezistente la antibiotice este prin modificări ale genomului bacteriei. De exemplu, bacteriile pot pompa antibioticele sau pot descompune antibioticele. De asemenea, acestea pot înceta să crească și să se dividă, ceea ce le face dificil de observat pentru sistemul imunitar.

Cu toate acestea, cercetările noastre s-au concentrat pe o altă metodă puțin cunoscută pe care bacteriile o folosesc pentru a deveni rezistente la antibiotice. Am arătat că bacteriile își pot „schimba forma” în corpul uman pentru a evita să fie vizate de antibiotice – un proces care nu necesită modificări genetice pentru ca bacteriile să continue să crească.
Practic toate bacteriile sunt înconjurate de o structură numită peretele celular. Peretele este ca o teacă groasă care protejează împotriva agresiunii mediului înconjurător și împiedică explozia celulei. Aceasta conferă bacteriilor o formă regulată (de exemplu, o tijă sau o sferă) și le ajută să se dividă eficient.
Celulele umane nu posedă un perete celular. Din această cauză, este ușor pentru sistemul imunitar uman să recunoască bacteriile ca inamice, deoarece peretele său celular este vizibil diferit. Și, deoarece peretele celular există la bacterii, dar nu și la oameni, este o țintă excelentă pentru unele din cele mai bune și utilizate antibiotice, cum ar fi penicilina. Cu alte cuvinte, antibioticele care vizează peretele pot ucide bacteriile fără a ne face rău.
Cu toate acestea, bacteriile pot supraviețui ocazional și fără peretele lor celular. Dacă condițiile din jur sunt capabile să protejeze bacteriile de propria explozie, acestea se pot transforma în așa-numitele „forme L”, care sunt bacterii care nu au perete celular. Aceste bacterii au fost descoperite în 1935 de Emmy Klieneberger-Nobel, care le-a numit după Institutul Lister unde lucra la acea vreme.
Într-un laborator, folosim adesea zahărul pentru a crea un mediu de protecție adecvat. În corpul uman, această schimbare de formă este de obicei declanșată de antibiotice care vizează peretele celular al bacteriilor sau anumite molecule imune – cum ar fi lizozima, o moleculă prezentă în lacrimile noastre care ne ajută să ne protejăm de infecțiile bacteriene.

Bacteriile fără perete celular devin deseori fragile și își pierd forma obișnuită. Cu toate acestea, ele devin parțial invizibile pentru sistemul nostru imunitar și sunt complet rezistente la toate tipurile de antibiotice care vizează în mod specific peretele celular.
Oamenii de știință au suspectat de mult că schimbarea formei L ar putea contribui la infecții recurente, ajutând bacteriile să se ascundă de sistemul imunitar și să reziste la antibiotice. Cu toate acestea, a fost dificil să se găsească dovezi pentru această teorie din cauza naturii evazive a formelor L și a lipsei de metode adecvate pentru detectarea lor.

Observarea bacteriilor care își schimbă forma

Studiul nostru, publicat în Nature Communications, a analizat în special speciile de bacterii asociate cu infecții recurente ale tractului urinar (UTI). S-a descoperit că multe specii bacteriene diferite – inclusiv E. coli și Enterococcus – pot supraviețui într-adevăr, sub forma L în corpul uman.
Aceasta este ceva care nu a fost niciodată dovedit mai înainte în mod direct. Am fost capabili să detectăm aceste bacterii folosind sonde fluorescente care recunosc ADN-ul bacterian.

Am testat eșantioane de urină de la pacienți vârstnici cu UTI recurente, înmulțindu-le într-o farfurie Petri bogată în zaharuri. Nu numai că acest mediu a ajutat la protejarea bacteriilor împotriva exploziei, dar a izolat și bacteriile în formă de L care erau prezente în aceste probe.
Într-un experiment separat, am putut vedea cum întregul proces se desfășoară în embrioni de pește zebra viu, în prezența antibioticelor.
Important, studiul nostru arată că antibioticele trebuie testate în condiții care seamănă cât mai mult cu corpul uman. Cele utilizate în prezent în laboratorul medical nu oferă suficientă protecție pentru ca formele L delicate să supraviețuiască.
Înainte de a putea înțelege pe deplin cât de importantă este schimbarea formei L în comparație cu alte forme de rezistență la antibiotice, va fi necesară o cercetare suplimentară folosind mai mulți pacienți. De asemenea, va fi important să investigăm ce rol pot juca formele L în alte infecții recurente, cum ar fi sepsisul sau infecțiile pulmonare.
Până acum, cercetarea în formele L a fost un domeniu controversat, dar speranța noastră este că aceste descoperiri vor motiva mai multe cercetări asupra formelor L în cazuri de boală. Speranța noastră este că aceste descoperiri vor ajuta să se găsească o modalitate de a elimina aceste bacterii din corpul nostru.

Combinarea antibioticelor active împotriva bacteriilor cu pereți celulari cu cele care ar ucide formele L ar putea fi o soluție de combatere a infecțiilor rezistente la antibiotice.
Bătălia noastră cu bacteriile este continuă. Pe măsură ce dezvoltăm noi strategii de combatere a lor și ele vin cu modalități noi de lupta. Studiul nostru evidențiază încă o modalitate de adaptare a bacteriilor de care trebuie să ținem cont în lupta noastră continuă cu bolile infecțioase.

Interviu cu Katarzyna Mickiewicz, Newcastle University Research Fellow, Universitatea Newcastle.
Acest articol este republicat din The Conversation sub licență Creative Commons.

***