Архив номеров НиТ

Ответить на комментарий

Борьба продолжается

Рубрика журнала:

Номер журнала НиТ: 

Рис. 1

Рис. 2

Рис. 3

Рис. 4

Рис. 5



«Супермикробы в городе!» Звучит как название нового фильма ужасов. На самом деле это «всего лишь» заголовок статьи, опубликованной 26 октября 2007 г. в New York Post. В ней сообщалось, что недавно от заражения метициллин-устойчивым штаммом Staphylococcus aureus (MRSA) умер 12-летний мальчик, проживавший в Бруклине. Бактерия попала в ранку, полученную во время игры в баскетбол на спортивной площадке возле дома.

Каких-нибудь десять лет назад перспектива подхватить не поддающееся лечению инфекционное заболевание казалось маловероятной, и вот она стала реальностью. В 2007 г. группа исследователей, возглавляемая Мониной Кливенс (Monina Klevens) из Центра по контролю и предотвращению инфекционных заболеваний, объявила, что MRSA ежегодно уносит жизни 19 тыс. людей в одних только Соединенных Штатах. Это больше, чем число жертв СПИДа. Ситуация усугубляется тем, что почти 20% заболевших умирают, при этом среди них становится все больше молодых людей, инфицированных не в каких-то экзотических странах, а у себя на родине. Раньше случаи заражения ограничивались больницами и хосписами, основные пациенты которых — люди с ослабленным иммунитетом. Даже тем, кто выживает, приходится платить непомерно большую цену: пациент, инфицированный во время пребывания в больнице, находится там на десять дней дольше, и стоит это $30 тыс.

Суммарные расходы на лечение больных MRSA в больницах США оцениваются в сумму $3–4 млрд, и касается это только одного патогена, бороться с которым становится все труднее. Современная медицина утратила инициативу в сражении с бактериями, когда-то не представлявшими серьезной угрозы, и теперь, чтобы вернуть прежние позиции, необходимы новые подходы к поиску и созданию эффективных антибиотиков.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
• Сегодня опасные для человека бактерии вырабатывают устойчивость к существующим антибиотикам быстрее, чем фармацевты успевают найти новые.
• Среди новейших стратегий решения проблемы — поиски микроорганизмов, обитающих в экзотических условиях, и манипуляции с генами.
• Еще один подход к решению проблемы резистентности — сужение спектра действия антибиотика до одного микроорганизма.

ПРИРОДА РЕЗИСТЕНТНОСТИ

История появления MRSA наглядно показывает, насколько быстро может развиться устойчивость к лекарственным препаратам. Природные механизмы возникновения резистентности к стафилококкам и другим патогенам делают задачу борьбы с ней почти невозможной, фармакологам приходится придумывать способы создания все новых и новых антибиотиков.

(R.) Кстати, не секрет, что многие люди пользуются ингаляторами. Напомним, что ингалятор (небулайзер) применяется для лечения и профилактики острых и хронических заболеваний верхних дыхательных путей, бронхов и легких, слизистой оболочки полости рта, для предупреждения и прерывания приступов бронхиальной астмы. Так вот, обратите внимание на небулайзер microlife neb 10, который имеет три режима работы, снабжен отсеком для хранения масок, трубок и лекарств. Качественный ингалятор от швейцарской компании Microlife обязательно вам понравится благодаря удобному дизайну и исключительной надежности в работе. Подробнее тут

Метициллин, производное всем известного пенициллина, вошел в медицинскую практику в 1959 г. Его применяли при заражении нечувствительными к пенициллину штаммами таких бактерий, как S. aureus и Streptococcus pneumoniae. Однако спустя всего два года в Европе были зарегистрированы метициллинрезистентные штаммы S. aureus, а к 1980-м гг. они широко распространились в медицинских учреждениях по всему миру. К середине 1990-х гг. появился новый класс MRSA-инфицированных — они заразились вне стен больниц.

MRSA — патоген, избавиться от которого крайне трудно отчасти потому, что, попав в кровоток, он начинает бурно размножаться. Но самая сильная его сторона — нечувствительность к одному из основных классов антибиотиков, бета-лактамам (к ним относятся цефалоспорин и все производные пенициллина). Устойчивость обусловливается синтезом фермента, который расщепляет лекарственное вещество. В результате в арсенале врачей остается узкий круг антибиотиков, каждый из которых вызывает серьезные побочные эффекты. И уже есть штаммы MRSA, нечувствительные к самому мощному антибиотику данного круга — ванкомицину.

Появление ванкомицинустойчивых штаммов среди бактерий, уже не реагирующих на метициллин, высвечивает одну серьезную проблему: с момента введения нового антибиотика в практику начинается отсчет времени его применимости. Причина этого — естественный отбор: просто с появлением нового противомикробного вещества изменяется среда обитания, в которой какой-нибудь бактериальный штамм, случайно оказавшийся нечувствительным к нему, берет верх над всеми другими и начинает быстро размножаться. Ванкомицин получил одобрение FDA в 1958 г. и стал основным средством борьбы с MRSA. Но в 2002 г. в медицинских учреждениях начали появляться устойчивые к нему штаммы, названные VRSA (vancomycinresistant S. aureus). Они были разновидностями MRSA, которые приобрели «кассетный» набор из пяти генов, обусловливающих устойчивость к ванкомицину. Ферменты, кодируемые данными генами, обеспечивали замену мишени ванкомицина на другую структуру. В результате ванкомицин, «последняя надежда» клиницистов, переставал сдерживать размножение VRSA.

Изменение мишени антибиотика — одна из трех основных стратегий, используемых бактериями в борьбе за жизнь. Вторая стратегия заключается в ферментативном расщеплении или химической модификации антибиотика, в результате чего он становится «небоеспособным». Такую стратегию используют многие MRSA, резистентные к бета-лактамам. И, наконец, третья стратегия основана на использовании генов, контролирующих работу трансмембранного насоса, через который бактериальная клетка выводит молекулы антибиотика.

Откуда берутся «гены резистентности»? Одни появляются в результате случайных мутаций бактериальных генов. Таков ген, мутация в котором приводит к замене мишеней ципрофлоксацина и прочих фторхинолоновых антибиотиков. Другие переходят от соседних бактерий. Примером служит «кассета» из пяти генов, происходящая из бактерий, вырабатывающих ванкомицин. Он необходим им для собственной защиты от антибиотика, но благодаря процессу, называемому горизонтальным переносом генов, «кассета» оказывается у другого патогена.

Такой перенос часто осуществляется внехроматическими кольцевыми генетическими элементами — плазмидами. Они передаются от одной бактерии к другой и реплицируются в цитоплазме. Свое дальнейшее распространение плазмиды обеспечивают также с помощью генов, которые помогают выжить хозяйской клетке, в частности генов резистентности. Одна плазмида, выделенная из бактерии, которая присутствовала в растениях, поливаемых сточными водами, содержала девять разных генов резистентности к антибиотикам.

Горизонтальный перенос генов был выявлен также в 2002 г. в Мичиганской больнице у пациента, инфицированного одновременно MRSA, VRSA и третьей бактерией, Enterococcus faecalis. Генетический анализ штаммов показал, что плазмида, содержащая «кассету» ванкомицинрезистентных генов (а также гены устойчивости к трем другим антибиотикам и одному классу дезинфицирующих средств), перешла от E. faecalis к MRSA, в результате чего появился новый штамм VRSA.

Случаи, когда хронический больной инфицируется двумя разными патогенами, которые дают начало третьему, к сожалению, нередки. Поскольку в блоках интенсивной терапии и хосписах как правило находятся люди с ослабленным иммунитетом, вероятность появления новых нечувствительных к антибиотикам патогенов здесь особенно высока. Врачи и медицинские сестры невольно способствуют переносу микроорганизмов от пациента к пациенту, переходя от одного из них к другому во время ежедневного осмотра или для того чтобы подправить капельницу или катетер. А между тем соблюдение простого правила — мыть руки после любого общения с очередным больным — существенно уменьшает частоту горизонтального переноса патогенов.

Штамм VRSA, не успевший широко распространиться, чувствителен лишь к очень немногим используемым в клинике антибиотикам, и смертность среди инфицированных им больных довольно высока. Все чаще встречаются патогены нового типа — панрезистентные грамотрицательные бактерии с еще более широким профилем устойчивости. У грамотрицательной бактерии фактически две клеточные мембраны, что затрудняет проникновение в клетку многих антибиотиков. Среди патогенов, устойчивых почти ко всем используемым в клинике антибиотикам — штаммы E. coli, вызывающие пищевые отравления, родственные им Klebsiella pneumoniae и две оппортунистические бактерии — Pseudomonas aeruginosa и Acinetobacter baumannii, — которые вызывают пневмонию, менингит и бактериемию у иммунодефицитных пациентов.
Необходимо делать все возможное, чтобы сдерживать распространение резистентных бактерий — а значит, генов резистентности — как в больницах, так и вне их. Параллельно следует заниматься поиском новых антибиотиков.

Период с конца 1930-х и до начала 1960-х гг. был золотым веком в истории фармакологии. В то время были открыты почти все основные классы используемых сегодня антибиотиков. В 1962 г., после введения в медицинскую практику хинолонов, антибиотиковый бум закончился. Следующий новый класс антибиотиков, оксазолидиноны, получил одобрение FDА лишь в 2000 г. Одной из причин столь долгого безвременья было отсутствие финансовой заинтересованности фармацевтических фирм: гораздо выгоднее производить лекарственные препараты долговременного применения — гипотензивные средства или лекарства для лечения артритов, — чем антибиотики. Другая причина заключается в том, что применяющиеся ныне антибиотики были получены методами, исчерпавшими сегодня свои возможности. Для открытия новых противомикробных веществ нужны новые подходы.

РАЗНЫЕ СТРАТЕГИИ

Большинство имеющихся в продаже антибиотиков — это естественные метаболиты бактерий и грибов либо их производные. Микроорганизмы синтезируют антибиотики для «химической защиты» друг от друга, а также, возможно, используют их в качестве сигнальных молекул. Обычно в поисках природных антибиотиков выделяют микроорганизмы из различных источников, часто из почвы, культивируют их и экстрагируют из культуральной среды секретируемые ими вещества. Последние тестируют на способность уничтожать болезнетворные бактерии, изучают их структуру и химические свойства. Таким образом проверены миллионы веществ, секретируемых микроорганизмами. Однако на рынок попало всего десять классов природных антибиотиков, остальные идентифицированные противомикробные вещества не нашли широкого применения по разным причинам, в частности вследствие слабой противомикробной активности и токсичности.

Описанный подход был вполне приемлем в золотой век антибиотиков, но почти все, что он мог дать, если не прибегать к особым ухищрениям, уже взято на вооружение. Последние 50 лет фармацевтические компании не оставляли попыток «выжать» из него хоть что-то, но статистика неумолима: новых антибиотиков почти не появляется. Одна из причин, оставляющих мало надежд на успех, заключается в следующем. Большинство микроорганизмов, вырабатывающих антибиотики, образуют споры, которые быстро распространяются по всему земному шару. Их гены, ответственные за синтез антибиотиков, передаются другим микроорганизмам (точно так же, как передаются гены резистентности), и в результате множество самых разных бактерий и грибов вырабатывают одни и те же антибиотики. Согласно последним данным, один из каждых 250 штаммов актиномицетов, наиболее широко используемых в качестве продуцентов антибиотиков, синтезирует тетрациклин. Многие микробиологи в связи с этим пришли к выводу, что все «антибиотиковые месторождения» выработаны. К счастью, результаты проведенного недавно генетического анализа многих бактерий опровергают такое заключение и четко указывают на то, что необходимо изменить тактику поисков.

Современные стратегии в сфере поиска новых антибиотиков можно отнести к двум категориям: одна состоит в модификации уже известных антибиотиков, другая — в поиске совершенно новых. Химически модифицированные естественные антибиотики называют полусинтетическими. Их «ядро» остается интактным, изменены лишь боковые группы. В качестве примера можно привести антибиотики тетрациклинового ряда; они выводят из строя клеточные «машины» синтеза белков — рибосомы. Резистентность к тетрациклинам часто опосредуется работой трансмембранного насоса, через который из бактериальной клетки выводится лекарственное вещество, еще не успевшее выполнить свою работу. Такой защитный механизм широко распространен среди панрезистентных грамотрицательных бактерий.

Сотрудники фирмы Wyeth получили химически модифицированный тетрациклин, названный тайгециклином, который, попав в бактериальную клетку, в ней и остается. Он был разрешен к применению в 2005 г. и сейчас используется как средство борьбы с целым рядом устойчивых к тетрациклину патогенов. Правда, его применение ограничивается больницами и хосписами, поскольку он вводится только внутривенно. К большому огорчению, уже обнаружены штаммы
А. baumannii, устойчивые к тайгециклину.

Вместо того чтобы химически модифицировать такие природные антибиотики, как пенициллин, ванкомицин и эритромицин, можно изменить генетические свойства их продуцентов. Большинство микроорганизмов используют для синтеза антибиотиков целую «команду» ферментов, каждый из которых включает свое звено в растущую молекулу. Внеся генетические изменения, приводящие к модификациям специфических ферментных модулей, можно получить антибиотик, уникальный в отношении характера и локализации отдельного звена. Биотехнологическая компания Kosan получила таким способом более десяти производных эритромицина, которые трудно было производить с помощью обычного химического синтеза.
И все же предпочтительнее не модифицировать старые антибиотики, а пытаться синтезировать совершенно новые, поскольку устойчивость к ним разовьется не так быстро.

ВМЕШАТЕЛЬСТВО В ГЕНОМ

В последние годы биологи сконцентрировали усилия на идентификации ферментов, необходимых бактериям для выживания. Они надеются, что вещества, подавляющие действие таких ферментов, можно будет найти в библиотеках химических соединений и на их основе создать противомикробные лекарственные препараты. Однако прежде чем начинать подобные изыскания, нужно выяснить, как скажется на бактерии утрата данного фермента. Как только будет расшифрован геном целевого микроорганизма, появится возможность инактивировать гены, обеспечивающие синтез фермента, и посмотреть, что произойдет с бактерией.

Пока попытки использования новых ингибиторов целевых ферментов к успеху не привели. Одна из причин — наличие у бактерий клеточной стенки, которая представляет собой непреодолимый барьер для большинства веществ. Даже если потенциальный низкомолекулярный ингибитор будет найден, он не сможет достичь молекулы-мишени, находящейся внутри клетки. Вместо того чтобы искать слабые места у патогенов, лучше детально проанализировать геном продуцентов. И здесь главным инструментом служит геномика.

Секвенирование в 2002 г. генома бактерий — продуцентов антибиотиков — выявило один интересный факт: в геноме актиномицетов содержится от 25 до 30 наборов генов, которые, судя по их нуклеотидной последовательности, могут кодировать ферментные модули, участвующие в синтезе антибиотикоподобных молекул, однако бактерии большинство этих наборов не используют. При культивировании они синтезируют только молекулы одного-двух типов.

Для того чтобы выяснить, кодируют ли «дремлющие» гены компоненты механизма синтеза антибиотиков, мы совместно с коллегами из Гарвардской медицинской школы и Института Броуда занялись секвенированием геномов еще 20 штаммов актиномицетов и поисками генов, которые могли бы кодировать соответствующие ферментные модули. Анализ нуклеотидных последовательностей в окрестности таких генов поможет выяснить, какие механизмы использует клетка для регуляции их активности. Располагая информацией, мы сможем сконструировать клетки, в которых обнаруженные наборы генов активны, выделить их продукты и проверить на противомикробное действие.
Вместо того чтобы побуждать бактерию к синтезу антибиотика, который ею по какой-либо причине не вырабатывается несмотря на наличие соответствующих генов, Рольф Мюллер (Rolf Muller) и его коллеги из Университета земли Саар в Германии решили перенести набор генов, имеющих отношение к синтезу антибиотика, из «молчащих» штаммов миксобактерий, с которыми они работали, в другую бактерию, более подходящую на роль продуцента. Миксобактерии, как и актиномицеты, обладают большим потенциалом как продуценты антибиотиков. Но они растут в культуре хуже актиномицетов, поэтому предпринимались лишь единичные попытки их скрининга с целью выявления подходящих штаммов.

Мюллер перенес гены, участвующие в выработке антибиотикоподобного вещества миксохромида, из миксобактерии Stigmatella aurantiaca в Pseudomonas putida, штамм, хорошо растущий в культуре и, кроме того, широко используемый для коммерческого производства одного фермента, применяемого в промышленности. Мюллер решил сразу две задачи: нашел бактерию, которая поддается генетическим манипуляциям и обладает системой метаболизма, необходимой для выработки антибиотиков, и осуществил перенос крупных фрагментов ДНК из одного вида бактерий в другой. Тем самым было положено начало разработкам целого «месторождения» антибиотиков, чьи гены запрятаны в глубинах генома миксобактерий.

Помимо раскрытия новых возможностей давно известных почвенных бактерий, микробиологи не забывают о существовании необследованных экологических ниш. Обосновавшиеся в них организмы вполне могут синтезировать неизвестные пока противомикробные вещества. Родерих Зюссмут (Roderich Sussmuth) с сотрудниками из Тюбингенского университета в Германии сделали как раз такое открытие: в отложениях на дне Японского моря на глубине 289 м они обнаружили бактерию из рода актиномицетов, которая синтезировала новый антибиотик, названный абиссомицином. Другая группа ученых — Брэдли Мур (Bradley Moore), Уильям Феникал (William Fenical) и их коллеги из Океанографического института Скриппса в Ла-Хое — секвенировала геномы двух до недавнего времени неизвестных штаммов актиномицетов и обнаружила в них наборы генов, связанных с синтезом антибиотиков и сходных веществ. Таким образом, среди морских бактерий, по-видимому, немало продуцентов лекарственных веществ, ожидающих своего открытия.

Организмы, способные синтезировать антибиотики, можно найти и среди симбионтов, получающих взаимную выгоду от длительного сожительства. Например, жук лубоед сосновый южный служит организмом-хозяином для одного из грибов, который не только помогает насекомому переваривать древесную массу, но и защищает от других грибов. Камерон Карри (Cameron Currie), Джон Кларди (Jon Clardy) и их коллеги из Висконсинского университета в Мадисоне и Гарвардской медицинской школы обнаружили, что у жука есть еще один симбионт — бактерия из рода актиномицетов, которая синтезирует неизвестное прежде противогрибковое вещество, названное микангимицином. Оно уничтожает грибы — конкурентов симбионта, но не его самого. Йорн Пиль (Jorn Piel) из Боннского университета в Германии нашел другого жука, симбионтами которого служат морская губка и бактерия, продуцирующая сходный с упомянутым выше антибиотик. Еще одна группа ученых из Германии сообщила, что ими найден гриб, образующий симбиотическую пару с бактерией, которая синтезирует лекарственное вещество, названное ризоксином. На самом деле два широко используемых противораковых вещества, подофиллотоксин и камптотецин, долгое время считавшиеся продуктами метаболизма растений, синтезируются паразитирующими на них грибами. Применение микроорганизмов-симбионтов в качестве источника противомикробных средств только начинается. Возможно, они станут одними из самых многообещающих природных поставщиков антибиотиков с новым механизмом действия. Это же относится и к симбионтам человека.

СОХРАНИТЬ ПРИШЕЛЬЦЕВ

Человек, так же как насекомые или грибы, — пристанище для множества бактерий-симбионтов; они выполняют разные полезные для организма функции, от помощи в переваривании пищи до обеспечения правильного функционирования иммунной системы. К несчастью, все широко применяемые антибиотики оказывают двойное действие: они уничтожают не только вредных патогенов, но и полезных симбионтов. Нередко радикальное изменение микрофлоры под их воздействием расчищает дорогу опасным штаммам бактерий, например Clostridium difficile, вызывающим вторичную инфекцию, более серьезную, чем первая.

Один из способов предотвратить заражение заключается во введении полезных микроорганизмов или веществ, которые ускоряют размножение симбионтов, вытесняющих патогенов. Использование подобных пробиотиков позволяет избежать длительного применения антибиотиков, к которым с высокой вероятностью развивается устойчивость, но еще ни разу не было замечено, чтобы таким способом удалось искоренить инфекцию.

И все же осознание того факта, что природная кишечная микрофлора может быть хорошим подспорьем в борьбе с инфекцией, способствовало формированию нового взгляда на то, каким должен быть оптимальный антибиотик: он должен уничтожать только патоген, вызвавший инфекцию, а не бактерий, составляющих естественное сообщество и находящихся в симбиотических отношениях с нашим организмом. Нил Стокс (Neil Stokes) вместе с коллегами из компании Prolysis в Оксфорде (Англия) недавно разработал антибиотик, предотвращающий клеточное деление S. aureus и родственных бактерий и не вторгающийся в жизненный цикл других микроорганизмов. А Виктор Найзет (Victor Nizet) и Эндрю Вонг (Andrew Wang) из Калифорнийского университета в Сан-Диего совместно с Эриком Олдфилдом (Eric Oldfield) из Иллинойского университета развили данный подход: они получили вещество, блокирующее синтез молекул пигмента, который опосредует вирулентность S. aureus, и тем самым могли обезоруживать патоген, не уничтожая его. В таком случае у естественного отбора не оставалось никаких причин поддерживать «выживших» агрессоров, и резистентные штаммы возникали с меньшей частотой. Еще один подход основан на сужении сферы действия препарата. Его мишень уникальна или жизненно важна только для целевой бактерии — и ни для каких иных. И даже если эта бактерия случайно становится устойчивой к данному лекарственному препарату, способ, каким она приобретала резистентность, бесполезен для других патогенов.

Станет ли такая терапия — сама по себе или как один из компонентов комплексного лечения — жизнеспособной, покажет будущее. Пока можно лишь указать на некоторые из сдерживающих обстоятельств. Во-первых, необходимым условием применения новых препаратов должна быть быстрая безошибочная идентификация патогена — виновника заболевания. Соответствующие тесты уже разработаны, но пока не имеют широкого применения. Во-вторых, узконаправленные антибиотики могут не заинтересовать фармацевтические компании ввиду нерентабельности их производства.

Вместе с тем идея «антибиотики на все случаи жизни» потерпела крах. В 1960–1970-е гг. казалось, что с инфекционными заболеваниями практически покончено. Затем наступили времена пессимизма. Мультирезистентность бактерий предвещала близкий конец эры антибиотиков. Сегодня мы знаем, что неверно ни то, ни другое: возможно, человечество никогда окончательно не выиграет эту гонку со временем, но, что касается прошлого столетия, новые методы терапии всегда на шаг опережали появление новых патогенов. Нужно сделать все возможное, чтобы восстановить такое лидерство.

Ответить

5 + 2 =
Solve this simple math problem and enter the result. E.g. for 1+3, enter 4.