Микробните "залежи" вдигат с 80% риска от рецидив след разбиване на камъните

Кризите от камъни в бъбреците са едно от най-болезнените преживявания. Засягат един на всеки 11 души в световен мащаб. Досега медицината приемаше, че най-разпространените камъни са просто натрупване на минерали поради определена група химическо пренасищане на урината. Ново мултидисциплинарно изследване на учени от Калифорнийския университет в Лос Анджелис, публикувано в сп. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, обаче разрушава тази представа за механично струпване на неорганична материя. Екипът разкрива, че бъбречните камъни всъщност са сложни биокомпозити - живи структури, в които активни участници са бактерии.

Близо 80% от всички случаи на образуване на камъни в бъбреците - в медицината процесът се нарича нефролитиаза - са свързани с калциево-оксалатни камъни. Те традиционно се класифицират като неинфекциозни, за разлика от редките струвитни камъни в бъбреците или пикочния мехур, които се образуват в алкална урина, причинена от хронични инфекции на пикочните пътища от бактерии като протеус или клебсиела. При струвитните камъни бактериите произвеждат ензима уреаза, който хидролизира уреята, повишава pH на урината и така насърчава минералното утаяване.

Изследването, водено от уролога д-р Кимора Скотланд и проф. Джерард Уонг - експерт по биоинженерство и химия, доказва, че това разграничение е илюзорно.

Чрез електронна микроскопия екипът откри бактериални биофилми, вградени дълбоко в структурата на калциево-оксалатните камъни, дори при пациенти без никакви данни за минали инфекции. За да оборят традиционната теория, изследователите сравняват тези камъни с минерален контролен модел. Резултатът е категоричен: докато естествените минерали са гладки и хомогенни, камъните от пациентите са пропити с активни микроорганизми. “Този пробив оспорва дългогодишното предположение, че калциево-оксалатните камъни се развиват единствено чрез химични и физични процеси. Вместо това виждаме, че бактериите активно допринасят за тяхното образуване”, казва д-р Скотланд.

Под микроскопа бъбречният камък не изглежда като монолит, а по-скоро като минерална гъба, в която твърдите слоеве се редуват с органични пластове, заселени с бактериални общности. За да разберат как са организирани те, учените използваха технология с фокусиран йонен лъч, наречена FIB-SEM. При прецизната “нанодисекция” се виждат микроскопични кухини, изпълнени с живи биофилми.

Спектроскопска техника за химичен анализ, която идентифицира материалите и анализира тяхната структура чрез измерване на разсейването на светлината от молекулните връзки, потвърждава, че минералният състав е чист калциев оксалат. Но въпреки химическата “чистота” минералът служи като крепост за укриване на биофилмите. В тях се откриват най-често бактерии като ешерихия коли, ентерококус фекалис, протеус мирибилис, псевдомонас аеругиноза, клебсиела пневмония. Като 30% от камъните показват колонизация от множество видове едновременно. Бактериите и биофилмите не само заселват повърхността на вече зрели камъни, но присъстват и във вътрешните кухини, което предполага, че те са неразделна част от растежа на камъка от самото му начало. Това предполага, че микробната активност е не просто следствие, а фактор, който поддържа и ускорява процеса на нефролитиаза при хронично засегнати пациенти.

Как бактериите успяват да участват в изграждането на тези “каменни” структури в бъбреците и пикочните пътища? Отговорът се крие в извънклетъчната ДНК. Урината е екстремна среда с висока концентрация на калций. За бактериите това е огромно метаболитно затруднение - трябва постоянно да изпомпват калция от клетките си, за да оцелеят. За да облекчат този процес, микробите секретират извънклетъчната ДНК, която чрез сложни биологични механизми се превръща в магнит за калциевите йони. Феноменът създава защитна йонна обвивка около бактериите, а ДНК действа като мощен шаблон за образуване на зародиш, ускорявайки кристализацията на калциевия оксалат. Бактериите не просто се крият в камъка - те буквално го просмукват. Това помага на заплахата да остане невидима. Стандартните клинични изследвания не откриват микроби. Изследването на калифорнийския екип обяснява защо: бактериите в камъните често са жизнеспособни и метаболитно активни, но не могат да растат на рутинна хранителна среда. Механизмът е универсален подход за оцеляване на микробите при всякакъв вид стрес от околната среда. В тази форма микробите са в метаболитен сън или поддържат сложни взаимодействия  между различните видове. Тези скрити бактериални “залежи” са причината за огромния риск от ново образуване на камъни - до 80% при някои микробни комбинации.

Литотрипсията е модерна, щадяща неинвазивна медицинска процедура, която използва високоенергийни ударни вълни или лазерни импулси за разбиване на неголеми камъни в бъбреците, пикочния мехур или уретера на малки фрагменти. Целта е тези дребни парченца да може да бъдат изведени от органа чрез урината. Това обикновено се използва, за да се избегне операция за отстраняване на големи камъни. Когато едно образувание бъде разбито с литотрипсия обаче, оцелелите фрагменти и бактерии могат да послужат като “семена” за нови камъни, ако микробите не бъдат неутрализирани. 

Откриването на бактерии в “чистите” камъни има потенциал за фундаментална промяна в медицината. Ако бъбречните образувания са биоминерален продукт на микробна дейност, тогава само диетата и хидратацията няма да са достатъчни. Бъдещите терапии трябва да се насочат към микробната общност и механизмите, по които извънклетъчната DNA организира калция.

Сега не се използват антибиотици като стандартно лечение за разтваряне на калциеви камъни, но новите данни за ролята на бактериите в тяхното образуване отварят вратата за бъдещи терапии, насочени към микробната среда.

Това означава ли, че къмъни в бъбреците ще се лекуват в комбинация с антибиотици? Не. Или поне засега. Необходими са още изследвания, преди антибиотиците или други антимикробни стратегии да станат част от клиничната практика за лечение на калциева нефролитиаза.

Традиционно калциево-оксалатните камъни се лекуват чрез разбиване или хирургично отстраняване, промени в диетата, увеличено пиене на вода. Антибиотичното лечение се обсъжда основно за предотвратяване на рецидиви при струвитните, “инфекциозни” камъни. Но след като според новите открития бактериалните биофилми служат като шаблони за минерализация, терапиите, насочени към предотвратяване и елиминиране на тези биофилми, все по-често ще се дискутират като методи с голям потенциал за бъдещи терапии. Учените обаче специално предупреждават, че в случаи на чести рецидиви продължителното използване на антибиотици ще носи висок риск от развитие на нечувствителност, резистентност на бактериите към използваната група лекарства. Освен това много от бактериите в камъните може да бъдат в метаболитно състояние, при което са жизнеспособни, но не се установяват от стандартни тестове и може да останат извън обсега на лечението.