Роль бактериальных внеклеточных везикул в формировании антибиотикорезистентности и уклонении от иммунного надзора

В настоящее время антибиотикорезистентность представляет одну из растущих серьезных проблем мирового здравоохранения. Появляется все больше исследований, сообщающих о новых способностях бактерий уклоняться как от воздействия антибиотиков, так и от иммунного надзора макроорганизма. Одним из таких инструментов является использование бактериальных внеклеточных везикул, опосредующих выживаемость бактерий в условиях антибиотического и иммунного стресса. Цель настоящего обзора — проанализировать имеющиеся данные об участии бактериальных везикул в развитии антибиотикорезистентности и уклонении от иммунного надзора. Везикулы грамположительных и грамотрицательных бактерий имеют ряд структурных различий, а также отличные друг от друга механизмы реализации своих функций. Антибиотикорезистентность бактерий достигается за счет использования везикул как мишеней для антибиотиков, горизонтального переноса генов, удаления «клеточного мусора», а также переноса ферментов, разрушающих антибактериальные агенты. Реализуя стратегию уклонения от иммунного надзора, бактериальные везикулы могут участвовать в создании биопленок, провоцировать про- и противовоспалительные реакции, влиять на выделение цитокинов иммунными клетками, создавая для себя более выгодные условия для колонизации и развития. Таким образом, внеклеточные везикулы играют важную роль в реализации бактериями стратегий уклонения от иммунного надзора и антибиотикорезистентности. Однако все еще остаются малоизученными молекулярные механизмы развития различных реакций со стороны макроорганизма, а также процессы образования бактериальных везикул, что открывает возможности для дальнейших исследований.

1. MacNair CR, Tan MW. The role of bacterial membrane vesicles in antibiotic resistance. Ann N Y Acad Sci. 2023;1519(1):63–73. DOI: 10.1111/nyas.14932.

2. Liu X, Xiao J, Wang S, et al. Research Progress on Bacterial Membrane Vesicles and Antibiotic Resistance. Int J Mol Sci. 2022;23(19). DOI: 10.3390/ijms231911553.

3. Gan Y, Zhao G, Wang Z, et al. Bacterial Membrane Vesicles: Physiological Roles, Infection Immunology, and Applications. Adv Sci. 2023;10(25):1–23. DOI: 10.1002/advs.202301357.

4. Uddin MJ, Dawan J, Jeon G, et al. The role of bacterial membrane vesicles in the dissemination of antibiotic resistance and as promising carriers for therapeutic agent delivery. Microorganisms. 2020;8(5):1– 23. DOI: 10.3390/microorganisms8050670.

5. Doré E, Boilard E. Bacterial extracellular vesicles and their interplay with the immune system. Pharmacol Ther. 2023;247. DOI: 10.1016/j.pharmthera.2023.108443.

6. Liu H, Zhang Q, Wang S, et al. Bacterial extracellular vesicles as bioactive nanocarriers for drug delivery: Advances and perspectives. Bioact Mater. 2022;14(November 2021):169–81. DOI: 10.1016/j.bioactmat.2021.12.006

7. Toyofuku M, Schild S, Kaparakis-Liaskos M, et al. Composition and functions of bacterial membrane vesicles. Nat Rev Microbiol. 2023;21(7):415–30. DOI: 10.1038/s41579-023-00875-5.

8. Yang J, Jia F, Qiao Y, et al. Correlation between bacterial extracellular vesicles and antibiotics: A potentially antibacterial strategy. Microb Pathog. 2023;181(April):106167. DOI: 10.1016/j.micpath.2023.106167.

9. Bose S, Aggarwal S, Singh DV, et al. Extracellular vesicles: An emerging platform in gram-positive bacteria. Microb Cell. 2021;7(12):312–22. DOI: 10.15698/MIC2020.12.737.

10. Surve MV, Anil A, Kamath KG, et al. Membrane Vesicles of Group B Streptococcus Disrupt FetoMaternal Barrier Leading to Preterm Birth. PLoS Pathog. 2016;12(9):1–23. DOI: 10.1371/journal.ppat.1005816.

11. Jiang Y, Kong Q, Roland KL, et al. Membrane vesicles of Clostridium perfringens type A strains induce innate and adaptive immunity. Int J Med Microbiol [Internet]. 2014 May;304(3–4):431–43. DOI: 10.1016/j.ijmm.2014.02.006.

12. Villageliu DN, Samuelson DR. The Role of Bacterial Membrane Vesicles in Human Health and Disease. Front Microbiol. 2022;13(March). DOI: 10.3389/fmicb.2022.828704.

13. Wawrzeniak K, Gaur G, Sapi E, et al. Effect of borrelia burgdorferi outer membrane vesicles on host oxidative stress response. Antibiotics. 2020;9(5). DOI: 10.3390/antibiotics9050275.

14. Choi EJ, Lee HG, Bae IH, et al. Propionibacterium acnes-Derived Extracellular Vesicles Promote Acne-Like Phenotypes in Human Epidermis. J Invest Dermatol. 2018;138(6):1371–9. DOI: 10.1016/j.jid.2018.01.007.

15. Zhu Z, Antenucci F, Villumsen KR, et al. Bacterial outer membrane vesicles as a versatile tool in vaccine research and the fight against antimicrobial resistance. MBio. 2021;12(4). DOI: 10.1128/mBio.01707-21.

16. Kim MH, Kim SY, Son JH, et al. Production of Membrane Vesicles by Enterococcus faecium Cultured With or Without Subinhibitory Concentrations of Antibiotics and Their Pathological Effects on Epithelial Cells. Front Cell Infect Microbiol. 2019;9(August):1–11. DOI: 10.3389/fcimb.2019.00295.

17. Ye C, Li W, Yang Y, et al. Inappropriate use of antibiotics exacerbates inflammation through OMVinduced pyroptosis in MDR Klebsiella pneumoniae infection. Cell Rep. 2021;36(12):109750. DOI: 10.1016/j.celrep.2021.109750.

18. Singh PP, LeMaire C, Tan JC, et al Exosomes released from m.tuberculosis infected cells can suppress ifn-γ mediated activation of naïve macrophages. PLoS One. 2011;6(4). DOI: 10.1371/journal.pone.0018564.

19. Deo P, Chow SH, Han ML, et al. Mitochondrial dysfunction caused by outer membrane vesicles from Gram-negative bacteria activates intrinsic apoptosis and inflammation. Nat Microbiol. 2020;5(11):1418–27. DOI: 10.1038/s41564-020-0773-2.

20. Lee DH, Kim SH, Kang W, et al. Adjuvant effect of bacterial outer membrane vesicles with pentaacylated lipopolysaccharide on antigen-specific T cell priming. Vaccine. 2011;29(46):8293–301. DOI: 10.1016/j.vaccine.2011.08.102.

21. Schetters STT, Jong WSP, Horrevorts SK, et al. Outer membrane vesicles engineered to express membranebound antigen program dendritic cells for cross-presentation to CD8+ T cells. Acta Biomater. 2019;91:248–57. DOI: 10.1016/j.actbio.2019.04.033.

22. Kim MR, Hong SW, Choi EB, et al. Staphylococcus aureus-derived extracellular vesicles induce neutrophilic pulmonary inflammation via both Th1 and Th17 cell responses. Allergy Eur J Allergy Clin Immunol. 2012;67(10):1271–81. DOI: 10.1111/all.12001.

23. Tomasi M, Caproni E, Benedet M, et al. Outer Membrane Vesicles From The Gut Microbiome Contribute to Tumor Immunity by Eliciting Cross-Reactive T Cells. Front Oncol. 2022;12(June):1–17. DOI: 10.3389/fonc.2022.912639.

24. Ding FX, Liu B, Zou WJ, et al. Pseudomonas aeruginosa-derived exosomes ameliorates allergic reactions via inducing the T reg response in asthma. Pediatr Res. 2018;84(1):125–33. DOI: 10.1038/s41390-018-0020-1.

25. Chen J, Zhang H, Wang S, et al. Inhibitors of Bacterial Extracellular Vesicles. Front Microbiol. 2022;13(February). DOI: 10.3389/fmicb.2022.835058.

26. Kim SW, Park S Bin, Im SP, et al. Outer membrane vesicles from β-lactam-resistant Escherichia coli enable the survival of β-lactam-susceptible E. coli in the presence of β-lactam antibiotics. Sci Rep. 2018;8(1):1–13. DOI: 10.1038/s41598-018-23656-0.

27. Lee J, Lee EY, Kim SH, et al. Staphylococcus aureus extracellular vesicles carry biologically active β-lactamase. Antimicrob Agents Chemother. 2013;57(6):2589–95. DOI: 10.1128/AAC.00522-12.

28. Kim SW, Seo JS, Park S Bin, et al. Significant increase in the secretion of extracellular vesicles and antibiotics resistance from methicillin-resistant Staphylococcus aureus induced by ampicillin stress. Sci Rep. 2020;10(1):1–14. DOI: 10.1038/s41598-020-78121-8.

29. Brown L, Kessler A, Cabezas-Sanchez P, et al. Extracellular vesicles produced by the Gram-positive bacterium Bacillus subtilis are disrupted by the lipopeptide surfactin. Mol Microbiol [Internet]. 2014 Jul 4;93(1):183– 98. DOI: 10.1111/mmi.12650.

30. Schwechheimer C, Kuehn MJ. Synthetic effect between envelope stress and lack of outer membrane vesicle production in escherichia coli. J Bacteriol. 2013;195(18):4161–73. DOI: 10.1128/JB.02192-12.

31. Sato K, Marzioni M, Meng F, et al. Ductular Reaction in Liver Diseases: Pathological Mechanisms and Translational Significances. Hepatology [Internet]. 2019 Jan;69(1):420–30. DOI: 10.1002/hep.30150.

32. Domingues S, Nielsen KM. Membrane vesicles and horizontal gene transfer in prokaryotes. Curr Opin Microbiol. 2017;38:16–21. DOI: 10.1016/j.mib.2017.03.012

33. Toyofuku M, Nomura N, Eberl L. Types and origins of bacterial membrane vesicles. Nat Rev Microbiol. 2019;17(1):13–24. DOI: 10.1038/s41579-018-0112-2.

34. Lee AR, Park S Bin, Kim SW, et al. Membrane vesicles from antibiotic-resistant Staphylococcus aureus transfer antibiotic-resistance to antibiotic-susceptible Escherichia coli. J Appl Microbiol. 2022;132(4):2746–59. DOI: 10.1111/jam.15449.

35. Fulsundar S, Harms K, Flaten GE, et al. Gene transfer potential of outer membrane vesicles of Acinetobacter baylyi and effects of stress on vesiculation. Appl Environ Microbiol. 2014;80(11):3469–83. DOI: 10.1128/AEM.04248-13.

36. Aktar S, Okamoto Y, Ueno S, et al. Incorporation of Plasmid DNA Into Bacterial Membrane Vesicles by Peptidoglycan Defects in Escherichia coli. Front Microbiol. 2021;12(November):1–11. DOI: 10.3389/fmicb.2021.747606.

37. Tran F, Boedicker JQ. Genetic cargo and bacterial species set the rate of vesicle-mediated horizontal gene transfer. Sci Rep. 2017;7(1):1–10. DOI: 10.1038/s41598-017-07447-7.

38. Grande R, Di Marcantonio MC, Robuffo I, et al. Helicobacter pylori ATCC 43629/NCTC 11639 Outer Membrane Vesicles (OMVs) from biofilm and planktonic phase associated with extracellular DNA (eDNA). Front Microbiol. 2015;6(DEC). DOI: 10.3389/fmicb.2015.01369.