Загроза стійкості до антибіотиків

Доповідь генерального директора ВООЗ Маргарет Чен «Стійкість до протимікробних препаратів в Європейському союзі і в світі» на минулій у 2012 році в Копенгагені конференції «Боротьба з стійкість до протимікробних препаратів — час діяти» справив ефект вибуху бомби. Хоча скоріше це було схоже на розтин давно назрілого нариву: те, що мікроби швидко набувають стійкості до антибіотиків, Олександр Флемінг помітив ще до того, як під час Другої світової війни розпочалося промислове виробництво пеніциліну.

Кілька десятків років після появи пеніциліну фармакологи продовжували розробляти нові антибіотики, лікарі — успішно їх застосовувати, і до кінця 1970-х здавалося, що інфекційних хвороб скоро настане кінець... але кінець настав оптимістичними прогнозами. Тим більше що активна розробка більш ефективних модифікацій відомих класів антибіотиків з багатьох, у тому числі фінансових причин в останні десятиліття поступово скорочувалася. А останній новий клас — фторхінолони — з'явився в 1980 році. Та й їх з тих пір тільки модифікували і вдосконалювали.

Зростання кількості стійких штамів фахівці обговорювали і 20, і 30 років тому, але в переважній більшості випадків у вузькоспеціалізованих наукових журналах. У 2001 році, коли стало остаточно ясно, що фармпромисловість програє в гонці з патогенами, ВООЗ оприлюднила Глобальну стратегію стримування кризи резистентності до протимікробних препаратів. Але заклик терміново приступити до вирішення проблеми збігся з терактами 11 вересня і листами зі спорами сибірської виразки, переключившими увагу громадськості і урядів на боротьбу з тероризмом.

Тільки після конференції в Копенгагені в ЗМІ нарешті почалася паніка. І хоча в популярних статтях жахи прийдешнього кінця світу часто сильно перебільшують, галас навколо настання постантибиотиковой ери пішла на користь розробникам антимікробних засобів: про проблему задумалися не тільки фахівці, але і грантодавці, і фармкомпанії.

Найнебезпечніші

В опублікованому восени 2013 року Центрами з контролю і профілактики захворювань США (CDC) доповіді «Загроза стійкості до антибіотиків у Сполучених Штатах» (Antibiotic resistance threats in the United States, 2013) перераховано близько 15 найбільш небезпечних і поширених штамів і груп «супермикробов», розподілених за трьома ступенями загрози здоров'ю населення.

До першої групи — мікробів, «представляють найбільшу загрозу і потребують негайного реагування» — автори віднесли збудників псевдомембранозного коліту і гонореї, а також ентеробактерії.

Clostridium difficile, збудник псевдомембранозного коліту. Після курсу лікування антибіотиками від будь-якої іншої хвороби і викликаного ним придушення нормальної мікрофлори ця інфекція може проявитися у всьому діапазоні кишкових розладів, від відносно безпечною діареї до перфорації кишки. У 2000 році з'явився особливо заразний штам клостридії, стійкий до фторхинолоновым антибіотиків. Щорічні втрати від цієї інфекції в США, за останніми даними, близько 250 000 хворих, мільярд доларів на їх лікування і 14 000 померлих.

Ентеробактерії (бактерії роду Klebsiella і патогенні штами кишкової палички), стійкі до найбільш сильнодіючих антибіотиків — карбапенемів. На рік — 9000 випадків, 600 смертей.

Neisseria gonorrhoeae. Реальне число хворих гонореєю у США фахівці оцінюють приблизно в 820 000 в рік — майже в три рази більше, ніж за офіційною статистикою. Поширеність самолікування і нелікованих з-за безсимптомного перебігу хвороби випадків прискорили зростання кількості штамів гонокока, стійких до одного або декількох антибіотиків (зараз їх — вже 30%). У 2009 році в Японії був виявлений стійкий до останньої надії венерологів — цефалоспоринів — штам H041. Поки він не отримав широкого розповсюдження, але якщо так піде і далі...

А воно, безсумнівно, так і піде, і без прийняття термінових заходів найпесимістичніші прогнози про «світі без антибіотиків» можуть стати реальністю.

До другої групи супербактерій, «представляють серйозну загрозу», автори доповіді віднесли стійкі до флуконазолу дріжджоподібні гриби роду Candida (у тому числі вид Candida albicans, відомий багатьом якщо не по латинській назві, то по слову «молочниця») і 11 бактерій, у тому числі найвідоміший з супермикробов — метицилінрезистентний золотистий стафілокок (MRSA). На його частку припадає від 30 до 60% госпітальних інфекцій, причому не в Африці, а в розвинених країнах, де його еволюцію підстьобували особливо активно. Близько третини хворих помирають навіть при адекватному лікуванні.

Гарне ім'я Staphylococcus aureus отримав на честь форми колоній при вирощуванні в культурі («staphyle» — «гроно винограду», коки — бактерії округлої форми), а золотистий він тому, що, на відміну від більшості бактерій, від природи безбарвних, пофарбований у жовто-оранжевий колір за рахунок пігменту стафилоксантина.

Цей умовно-патогенний мікроорганізм присутній на шкірі і слизових оболонках 20% населення і, поки з господарем все в порядку, ніяк не проявляє своєї шкідливої сутності. Але при порушеному імунітеті, попаданні в подряпини і рани або в кров'яне русло (наприклад, з ін'єкцією або крапельницею) він може викликати безліч хвороб, починаючи з шкірних інфекцій і закінчуючи смертельно небезпечними захворюваннями, від некротичного запалення легенів до менінгіту. А харчові продукти, в яких розмножився S. aureus, можуть призвести до харчового отруєння аж до інфекційно-токсичного шоку.

До появи антибіотиків смертність від стафілококових інфекцій в крові або внутрішніх органах доходила до 90%. Після появи пеніциліну вона почала знижуватися, але до 1950 році стійкість до пеніциліну виробили 40% лікарняних штамів, а до 1960-го — вже 80%. Деякий час лікарям вдалося протриматися за рахунок нових модифікацій антибіотиків того ж класу бета-лактамів, але буквально через кілька місяців і на них підступний мікроб починав виробляти гени лактамаз з відповідною різьбленням. Назва «метицилінрезистентний» ввели, коли стало ясно, що госпітальні штами S. aureus почали чинити опір самому новому на той момент (1959) представнику бета-лактамів — метициліну. На це мікробам знадобилося всього два роки: про першому випадку виявлення MRSA повідомили в 1961-м. Але приблизно до 1990 року захворювання, викликані MRSA, залишалися рідкістю, і метицилін продовжували застосовувати, тим більше що діють на MRSA антибіотики інших класів (наприклад, глікопептиди або аміноглікозиди) мають дуже багато побічних ефектів та/або незручні в застосуванні (передбачають лише внутрішньовенне введення і постійний контроль складу крові, щоб уникнути передозування). Деякий час останньою лінією оборони був ванкоміцин — антибіотик з групи глікопептидів, але вже з'явилися штами, стійкі і до нього.

Приблизно так само розвивається стійкість і у мікробів, віднесених CDC до третього класу небезпеки (два штами ентерококів, стійких до еритроміцину і кліндаміцину, і штам золотистого стафілокока, стійкий до ванкоміцину). На жаль, немає ніяких підстав сподіватися на те, що наступний список супермикробов стане коротшим.

Хто винен?

Лікарі продовжують приписувати антибіотики без необхідності — і за інерцією, і для страховки від звинувачень у бездіяльності. Там, де антибіотики можна купити без рецепта, пацієнти часто приймають їх за власним розсудом. В результаті близько 70% антибіотиків застосовується без достатніх підстав (у тому числі при вірусних інфекціях, хоча єдиний ефект від такого «лікування» — поява штамів бактерій, стійких до даного антибіотика). І навіть якщо антибіотики призначені за показаннями, більше половини пацієнтів забувають вчасно їх приймати і/або закінчують лікування раніше покладеного терміну (Флемінг і про це говорив як про самому ефективному способі виробити у бактерій резистентність до пеніциліну).

Величезний внесок в штучний відбір стійких штамів внесли тваринники: в Північній Америці і в Європі (до введення ЄЕС заборони на застосування антибіотиків для профілактики хвороб і в якості стимуляторів росту) половина виробництва протимікробних препаратів працювала на сільське господарство. Результат — не тільки нечутливі до антибіотиків інфекції, які можуть передаватися людям (наприклад, сальмонельоз), але і безліч інших видів мікробів (в тому числі патогенних для людини), які зустрілися із стійкими штамами в природі і отримали від них гени стійкості.

Найнебезпечніший шлях появи стійких штамів — госпітальні інфекції (до них відносяться дві з трьох перерахованих вище «понад-супер-бактерій»). Мікроби, які вижили в приміщеннях, наскрізь просякнутих ліками і переповнених людьми з ослабленим імунітетом, особливо швидко втрачають чутливість до всіх видів антибіотиків і, незважаючи на посилення заходів антисептики, легко знаходять собі нові жертви. Більшість супермикробов відносяться саме до госпітальних штамів.

Що буде, якщо...

Резистентні бактерії виявляються (спочатку — як поодинокі випадки) максимум через кілька років після появи нового антибіотика, а іноді — ще на стадії його клінічних досліджень. З розроблених з 1940-х років приблизно 150 антибіотиків більше половини практично втратили ефективність і використовуються на авось — як препарати першої лінії. Якщо хвороба її прорве оборону, лікарі відступають на другу лінію, потім — на третю. А нові і (поки що!) ефективні ліки набагато дорожче старих, іноді — в сто і більше разів.

Опублікований в грудні 2014 року звіт «Антибиотикорезистентность: необхідні термінові заходи проти кризи для здоров'я і добробуту населення» (Antimicrobial Resistance: Tackling a crisis for the health and wealth of nations), підготовлений за дорученням прем'єр-міністра Великобританії Девіда Кемерона дослідницькою групою з інституту RAND Europe і аудиторською компанією KPMG, страшніше будь-якого голлівудського фільму жахів.

У 2050 році з-за лікарської стійкості у світі (в основному в бідних країнах Африки та Азії) щорічно будуть вмирати не 700 000 людей, як зараз, а 10 млн. Прямий збиток для світової економіки складе в сумі $100-120 трлн, а з урахуванням непрямих наслідків на зразок зростання дитячої і материнської смертності, небезпеки сепсису після будь-яких хірургічних втручань і взагалі руйнування сучасної системи охорони здоров'я — в два рази більше. Перед медициною постає реальна перспектива відкату на півтора століття тому, коли майже половина дітей не доживала до року, туберкульоз був смертним вироком і т. д.

Щоправда, самі автори відзначають, що розрахували песимістичний сценарій — що буде, якщо не вживати заходів щодо виправлення ситуації. А заходи вже приймаються.

Що робити?

Те ж, що і раніше — розробляти нові протимікробні засоби, тим більше що в розвинених країнах під загальним керівництвом ВООЗ вже прийняті програми боротьби з лікарською стійкістю, і не голослівні, а підкріплені мільярдними субсидіями. Та й без цього робота не припинялася, в тому числі завдяки новим методам розробки ліків, що дозволяє довести новий препарат від ідеї до аптеки не за 10-15 років і мільярд доларів, а набагато швидше і дешевше. І антибіотики дослідники не збираються списувати в архів: в 2014 році FDA схвалило чотири нових антибіотика, і ще кілька десятків, у тому числі нових класів, знаходяться на різних стадіях досліджень.

У 2006 році одного з видів стрептоміцетів — актинобактерий, завдяки яким розроблено безліч антибіотиків, від стрептоміцину (другого після пеніциліну) до новітніх (наприклад, неоміцину та хлорамфеніколу), виділили дві перспективні молекули ацилдепсипептидов (ADEP). На відміну від відомих антибіотиків, вони працюють з принципово новим механізмом — приєднуються до білка ClpP, в нормі руйнуючій неправильно зібрані або пошкоджені білки, і змушує його трощити усе білки поспіль, виводячи бактерію з ладу. Природний антибіотик в дослідах на мишах і щурах придушував туберкульоз, деякі види пневмонії, стафілококові та інші інфекції, але для кандидата на лікарські препарати — недостатньо ефективно. У січні 2014 року були опубліковані результати випробувань хімічно модифікованих ADEP (поки — тільки «в пробірці», але вельми обнадійливі). Молекули ADEP4 в сім разів міцніше зв'язуються з ClpP і знищують стійкі до інших антибіотиків бактерії в концентраціях від 30 до 1200 менших, ніж природний антибіотик.

Антибіотик без резистентності?

Ще одна міжнародна група дослідників під керівництвом професора Кіма Льюїса з Північно-Західного університету в Бостоні (він, до речі, брав участь і в розробці ADEP) набагато далі просунулася в пошуку нових антибіотиків з некультивованих мікроорганізмів. Мікробів вони буквально по одному укладали в гелеві мікрокапсули, що дозволяють отримувати живильні речовини з рідної землі, а потім поступово переводили бактерії, що розмножилися на штучне харчування. Перебравши десятки тисяч зразків, вони виділили 25 найбільш перспективних кандидатів, найцікавішим з яких виявився теиксобактин (teixobactin), що пригнічує синтез попередників пептидоглікану і тейхоевой кислоти, необхідних для формування клітинної стінки мікробів. Такий механізм дії вбиває відразу двох зайців: обидва цих речовини присутні практично у всіх бактерій — значить, теиксобактин, якщо він пройде клінічні дослідження, може виявитися антибіотиком якщо не універсальним, то як мінімум широкого спектру дії. По-друге, виробити резистентність до нього буде дуже важко: до препаратів, що діють на білки, можна пристосуватися за рахунок мутацій, а мішені теиксобактина — речовини небелковые. Дійсно, випробування «в пробірці» показали, що ні золотистий стафілокок, ні туберкульозна мікобактерія під дією теиксобактина не змогли утворити ні однієї стійкої до нього бактерії. В січні 2015 року в журналі Nature була опублікована стаття про успішні випробування теиксобактина на мишах. Гризуни, заражені смертельними дозами MRSA пневмонийного стрептокока, що вижили без побічних ефектів. Клінічні дослідження на добровольцях розробники планують розпочати вже в цьому році.

Не тільки антибіотики

Є ще і бактеріофаги (віруси бактерій) — і звичайні, які не набули широкого поширення із-за своєї високої специфічності (визначення патогена з точністю до штаму і підбір і розмноження вірусу вимагає на кілька тижнів більше часу, ніж похід в аптеку за антибіотиком), і у вигляді заздалегідь складених «коктейлів», що знищують більшість штамів певного виду патогенів, і «троянські». Наприклад, несучі генну конструкцію, що кодує білок Cas9, який розрізає гени, що забезпечують стійкість до антибіотиків (при цьому всі нащадки зараженій бактерії назавжди втрачають антибиотикорезистентность). Або заряджені геном антибіотика, не здатного проникати через клітинну стінку бактерій: фаги протикають її, вводять в бактерію ДНК, і патоген починає сам синтезувати отруйна для себе речовина.

Можна сподіватися і на антимікробні пептиди — ланцюжки з кількох десятків амінокислот, здатні вбудовуватися в тривимірну структуру мікробних білків і порушувати їх функцію. На жаль, з ряду причин їх впровадження у практику в найближчі роки не очікується, але роботи в цьому напрямку ведуться досить інтенсивно.

Так що нам би день протриматися і ніч простояти — а там, дивись, черговий кінець світу і скасують...

Стійкість у спадок

Гени стійкості можна отримати за допомогою вертикального перенесення — у спадок від батьківської клітини, горизонтального — в результаті кон'югації — своєрідного статевого процесу, при якому бактерії з'єднуються ділянками клітинних стінок і обмінюються генами, або з допомогою бактеріофагів, які, розбігаючись з убитої бактерії, можуть разом зі своїми генами прихопити ділянку мікробної ДНК, передати її наступним зараженій бактерії і загинути під дією бактеріального імунітету.

Як розвивається антибиотикорезистентность.

1. З безлічі бактерій хоча б кілька виявляються стійкими до застосовуваному антибіотика.
2. Антибіотики знищують чутливих до них винуватців хвороби і порушують складу корисної мікрофлори, що захищає організм від інфекцій.
3. В результаті вижили патогенним бактеріям легше плодитися і розмножуватися.
4. Частина з них передає гени, що забезпечують антибиотикорезистентность, іншим бактеріям, на яких даний антибіотик при повторному застосуванні не подіє.

Знайти і знищити

Витончене рішення розроблено групою Метью Чана в Наньянском технологічному університеті (Сінгапур). Звичайну кишкову паличку вчені перетворили на зброю проти Pseudomonas aeruginosa — синьогнійної палички, частої причини лікарняних інфекцій. В геном бактерії-бомби» ввели чотириступінчасту конструкцію. Перша синтезує білки-індикатори, які зв'язуються з сигнальними молекулами, що забезпечують «почуття кворуму» синьогнійної палички та інших мікробів-коллективистам, що утворюють скупчення-біоплівки, пов'язані молекулами ДНК. Одержаний комплекс запускає відразу три реакції: синтез антимікробного пептиду микроцина S, ферменту Днкази-I, руйнує біоплівку (обидва сполуки виділяються в навколишнє середовище через клітинну мембрану) і комплексу білків, що забезпечують рух кишкових паличок в напрямку більшої концентрації молекул кворуму». В результаті руйнуються і патогени, що утворюють біоплівку, і отделяющиеся від неї мікроби. Як і методика вирощування «в клітці» некультивованих бактерій, цей метод є принципово новою платформою, що дозволяє створювати нові протимікробні засоби.

Антибактеріальна бомба

1. Кишкова паличка виділяє білки-індикатори, які демаскують синьогнійну паличку.
2. «Бомба» виділяє речовини, що вбивають синьогнійну паличку і руйнують біоплівку: відбувається «вибух».
3. Осколки бомби (кишкова паличка) рухаються в напрямку противника, і цикл починається знову.