Что поможет не умереть от инфекции, когда привычные лекарства перестанут работать?

В 2014 году премьер-министр Великобритании Дэвид Кэмерон заказал у британского экономиста и финансиста Джима О’Нила отчет по росту устойчивости патогенных возбудителей: бактерий, вирусов, грибов и других паразитов — к противомикробным препаратам. Опасения премьер-министра оказались не напрасны. Когда отчет был готов, он показал: к 2050 году, если тренд сохранится,  инфекционные заболевания будут забирать 10 млн жизней в год. Для сравнения: от ишемической болезни сердца, самой частой причины смерти, в прошлом году умерли 8,8 млн человек, а от коронавируса — 1,8 млн.

Что же произойдет? Инфекции станут неизлечимы из-за устойчивости — или резистентности, как ее еще называют, — патогенных бактерий к антибиотикам. И тогда, как и до XX века, мы будем умирать из-за незначительных травм, от осложнений после операций, туберкулеза и пневмонии. Всемирная организация здравоохранения называет резистентность бактерий к антибиотикам самой серьезной угрозой здоровью человечества.

Почему же антибиотики теряют эффективность? И как иначе ученые предлагают убивать бактерии — чтобы бактерии не убивали нас? Об этом пишет Reminder.

От золотой эры антибиотиков — к эре разочарования в них

Открытие антибиотиков началось с ошибки. В 1928 году будущий нобелевский лауреат Александр Флеминг начал серию экспериментов с патогенной бактерией Staphylococcus aureus. Бактерию он выращивал в чашке Петри. Однажды Флеминг оставил чашу непокрытой у окна. По правилам работы в лаборатории, так, конечно же, делать нельзя. Но ошибка оказалась судьбоносной. В питательную среду, где выращивалась Staphylococcus aureus, попали споры плесени.

Можно было бы выбросить чашку, но Флеминг заметил: бактерии не росли около колонии плесневых грибов. Ученому удалось выделить и идентифицировать плесень — это оказался представитель рода Penicillium. Флеминг обнаружил, что плесень убивает многие бактерии: возбудителей скарлатины, пневмонии, гонореи, менингита и дифтерии, и догадался, что плесень вырабатывает какой-то «сок», эффективный против бактерий. Этот «сок» Флеминг назвал пенициллином. Но, увы, не смог выделить вещество, а тем более — запустить лекарство в массовое производство. Это удалось сделать только во время Второй мировой войны уже другим ученым, Говарду Флори и Эрнсту Чейну.

С 1940-х по 1960-е началась «золотая эра» антибиотиков: они появлялись один за другим. Люди поняли, что микроорганизмы синтезируют вещества, чтобы убить другие микроорганизмы. Чтобы выделить антибиотик, достаточно просто зачерпнуть земли и изучить жизнь микробов. Большинство современных антибиотиков были открыты еще тогда. Медики были уверены: бактериальные инфекции остались в прошлом.

Но открытия сопровождали сообщения об устойчивости бактерий к антибиотикам. Тетрациклин ввели в практику в 1950 году, а в 1959-м ученые нашли резистентные к нему штаммы бактерий. К эритромицину, который стали применять в 1953 году, бактерии выработали резистентность в 1968-м. Метициллин 1960-го был новостью для бактериального сообщества всего лишь два года. Та же судьба ждала и другие антибиотики, стоило внедрить их в клиническую практику. А устойчивость бактерий к первому антибиотику, пенициллину, обнаружили еще в 1940 году, аж за три года до введения его в массы.

Некоторые ученые замечали тревожные сигналы еще тогда. Александр Флеминг, например, в 1945 году предупреждал, что злоупотребление пенициллином и другими антибиотиками приведет к росту резистентности к ним бактерий, — и лекарства просто перестанут действовать. Медицинское сообщество не принимало предупреждение всерьез вплоть до 1980-х, когда в больницах начались эпидемии, вызванные резистентными бактериями.

С тех пор потребление антибиотиков только возросло, как и резистентность бактерий. Прежде всего она угрожает жизням людей, которые находятся в больнице и иммунитет которых ослаблен. Сегодня они умирают из-за инфекций кровотока и пневмонии, вызванных Acinetobacter baumannii, Pseudomonas aeruginosa и Enterobacteriaceae: болезни практически не лечатся. Но смертоносными становятся и патогены, поражающие здоровых. Например — банальная Salmonella, причина пищевых отравлений и гонореи, стремительно приспосабливается к сегодняшнему лечению.

При этом открыть новый антибиотик все сложнее. Вещества, которые можно легко и быстро выделить из микроорганизмов и превратить в лекарства, уже выделили и использовали. Если новый антибиотик все же вводился в практику, то в течение пары лет бактерии приспосабливались и к нему — и нужно было разрабатывать еще более новый. Разработка антибиотиков стала просто нерентабельной, и в 1990-х годах половина крупных фармацевтических компаний США и Японии сократили ее финансирование. На создание нового лекарства и прохождение всех этапов тестирования и регистрации нужно потратить миллиарды долларов — при этом продавать антибиотики экономически не так выгодно, как, например, статины или антидепрессанты, которые пациенты принимают месяцами или даже всю жизнь: типичный курс антибактериального препарата длится всего неделю-две. Наступила эра разочарования в антибиотиках.

Почему бактерии победили антибиотики?

Бактерии — специалисты по приспособлению. Об этом говорит хотя бы тот факт, что в их арсенале — целых два вида резистентности: естественная и приобретенная. Естественная — та, которой бактерии обладают изначально, вне зависимости от знакомства с нашими лекарствами. Естественная резистентность бывает внутренней или индуцированной. Внутреннюю бактерии демонстрируют 24/7. Это как полиция, которая все время бдит. А вот индуцированная больше похожа на спецназ: обычно — в спящем режиме, но при воздействии критического количества антибиотика активируется. И тогда бактерия либо уменьшает проницаемость своей внешней мембраны (если такая имеется), чтобы не пустить молекулы антибиотика, либо повышает производство специальных белков-насосов, откачивающих антибиотик, либо запускает синтез веществ, разрушающих антибиотик.

Естественная резистентность — само по себе мощное оружие. Но по-настоящему мощное свойство бактериального сообщества — приобретенная резистентность. Бактерия умеет усовершенствовать уже имеющуюся систему защиты под новый антибиотик. А еще — заимствовать способ защищаться у других бактерий. В первом случае бактерия мутирует. Во втором — осуществляет горизонтальный перенос генов. И здесь у бактерий есть целых три варианта действий.

1. У бактерий есть суперспособность — трансформация: они поглощают чужую ДНК и используют ее. Для этого у них есть специальные рецепторы, которые вылавливают ДНК из внешней среды и втягивают внутрь бактерии. Затем чужую ДНК подхватывают специальные белки, которые встраивают ее в хромосому бактерии — ее жесткий диск, на котором хранится инструкция, как действовать. Когда чужая ДНК встроена, бактерия считывает с нее информацию как с собственной. А если чужеродная ДНК содержит информацию о резистентности, например — о структуре молекулы, разрушающей антибиотики, бактерия сможет ее построить.

2. Бактерии, как люди, страдают от вирусов. Более того, вирусы, собственно, и появились на Земле как фрагменты органической жизни, атакующей бактерии, — их война идет уже миллиарды лет. Вирусы бактерий называются бактериофагами. При переходе от одной бактерии к другой бактериофаг может случайно занести генетический материал предыдущего хозяина, в том числе такого, который умеет бороться с антибиотиками. Этот процесс называется трансдукция.

3. Конъюгация — это когда одна бактерия непосредственно передает ДНК другой через физический контакт. Такое происходит часто, причем между бактериями совершенно разных видов. Представьте: есть бактерия, которая несет в себе информацию об устойчивости к антибиотику. Но записана эта информация не в крупной неподвижной хромосоме, а в плазмиде, маленькой порции ДНК. Если хромосома — жесткий диск, плазмида — флешка. Итак, бактерия-донор с плазмидой антибиотикорезистентности находит бактерию-реципиента и стыкуется с ней при помощи специальных структур на поверхности — своей и реципиента. Между бактериями образуется канал, через который бактерия-донор передает плазмиду. Так абсолютно безвредная, но стойкая бактерия может одарить резистентностью к антибиотику менее удачливого, но патогенного собрата.

Бактерии умеют приспособиться так хорошо, что перестают работать даже «антибиотики последней надежды», которые врачи используют редко, только если пациент страдает от инфекции, вызванной мультирезистентными бактериями. Так произошло с карбапенемами. Их применяли с 1980 года — исключительно в отделениях реанимации. Но в 2000-е годы исследовали все равно обнаружили слабую резистентность к карбапенемам у бактерии Klebsiella pneumoniae, которая убивает половину инфицированных ею пожилых людей. Klebsiella pneumoniae научилась синтезировать особую молекулу, фермент карбапенемазу, которая разрушает карбапенемы. Причем информацию о карбапенемазе бактерия хранила в плазмиде, удобной для конъюгации. К 2003 году резистентность распространилась на 21% бактерий рода Klebsiella в нью-йоркских больницах. В 2005 году — достигла Израиля, Италии, Колумбии, Великобритании и Швеции, а в 2014 году — и России.

Антибиотики — проблема без решения?

Использование антибиотиков увеличивает давление отбора на популяцию бактерий: выживают только самые устойчивые, которые к тому же охотно делятся генами со всем бактериальным сообществом. Мы убиваем их — они становятся сильнее.

Ситуацию радикально ухудшает бесконтрольное использование антибиотиков. В половине случаев, когда люди применяют их, они вовсе не нужны. Антибиотики эффективны только против бактерий — но многие пытаются ими лечить вирусы. Коронавирус, например. А еще лекарство неправильно подбирают. Пациенту, которому подошли бы антибиотики узкого спектра, нацеленные на конкретные возбудители, выписывают антибиотики более широкого спектра действия, то есть направленные на многие виды бактерий. Сразу многим видам бактерий приходится бороться и вырабатывать устойчивость, шанс, что они станут резистентными и передадут свойство собратьям, — выше.

Чтобы замедлить скорость распространения резистентности, ВОЗ составила классификацию антибиотиков «AWaRE» — Access («доступ»), Watch («наблюдение») and Reserve («резерв»). Группа «доступа» — антибиотики широкого спектра действия, к которым бактерии сложнее выработать резистентность. Антибиотики под «наблюдением» устаревают быстрее, поэтому применять их нужно редко, только по назначению врача и при определенных симптомах. В группе «резерва» — антибиотики против бактерий с множественной резистентностью, они же «антибиотики последней надежды». Это ценный и невозобновляемый ресурс. По планам ВОЗ, к 2023 году 60% антибиотиков на рынке должны относиться к группе «доступа». Но реально ли это? Исследователи подсчитали: с 2000 по 2015 год глобальное потребление антибиотиков группы «наблюдения» выросло на 90,9%. Если тенденция сохранится, цель ВОЗ просто невыполнима.

Медицина — не единственный рассадник мультирезистентных бактерий. Антибиотики используют при выращивании растений, разведении рыбы, на животных фермах. В Чили, во втором по величине производителе лосося в мире, скормили 382 тонны антибиотиков лососю в течение 2016 года. Предприятия выращивают много рыбы в тесных условиях, единственный способ сохранить ее здоровье и фертильность — антибиотики. То же и с растениеводством, и с животноводством. В 2010 году животным скормили 63 000 тонн антибиотиков. К 2030 году эта цифра вырастет на 67% — потому что спрос на мясо растет, и предприятия продолжают выращивать большое количество животных при плотной посадке и используют антибиотики, некоторые типы которых еще и стимулируют рост.

К чему это приводит? Куча антибиотиков попадает в кишечник животного — и взаимодействует с местными бактериями, которые учатся выживать. Затем антибиотик выходит вместе с экскрементами, выбрасывается в среду — и образуются целые резервуары мультирезистентных бактерий. Потом эти хорошо обученные защищаться бактерии возвращаются к человеку, когда тот гладит животное, ест его мясо или просто пьет воду. А от человека — к другим людям.

Как еще можно бороться с бактериями?

Способность бактерий быстро эволюционировать подталкивает ученых искать новые способы борьбы с ними — и вспоминать полузабытые старые.

Фаговая терапия

Мы уже говорили о бактериофагах, вирусах бактерий, как о случайных переносчиках резистентности. Однако бактериофаги можно использовать и как биологическое оружие против бактерий. Сначала они прикрепляются на поверхность бактериальной клетки, затем вводят в нее свой генетический материал. Бактерия не может отличить свой материал от чужого — и начинает считывать и реализовывать гены вируса. Сама того не зная, она синтезирует новые бактериофаги внутри себя. В конце бактерия просто разваливается, а выработанные ею вирусы отправляются заражать другие бактерии.

Вообще-то бактериофаги обнаружили раньше антибиотиков, еще в 1915 году — а спустя два года уже использовали для лечения бактериальных инфекций домашнего скота. В 1910–1920-х даже были получены бактериофаги, облегчающие симптомы холеры у человека. Но с открытием антибиотиков — простых в производстве, стабильных, с большим спектром действий — внимание переключилось на них. Сейчас интерес вернулся.

Большой плюс бактериофагов как лекарства — их селективность, способность убивать только определенные бактерии. При применении же антибиотиков страдают не только патогены, но и родные, полезные бактерии человека — комменсальные бактерии.

Но есть и минусы.

1. Организм человека реагирует на бактериофаги как на вторжение и вырабатывает иммунитет. Это значит, что вылечить бактериофагами пациента можно будет только один раз. В следующий раз иммунитет эффективно очистит организм от бактериофагов еще до того, как они успеют расправиться с патогенными бактериями.

2. Есть опасения, что при лизисе, то есть разрушении бактерии, из бактерии будут выделяться эндотоксины, которые могут привести к сепсису.

3. Зафиксированы случаи резистентности бактерий и к бактериофагам. Пока сложно сказать, насколько это серьезно и как повлияет на фаговую терапию будущего.

Антимикробные пептиды и бактериоцины

Антимикробные пептиды синтезируются самыми разными формами жизни: от микроорганизмов до человека. Они обладают антибактериальным, противогрибковым, противовирусным, противораковым и инсектицидным действиями — такое удобное универсальное оружие против патогенов. Бактериоцины же синтезируются самими бактериями, чтобы избавиться от конкурентов.

И антимикробные пептиды, и бактериоцины разрушают мембрану бактерий. Бактериоцин турицин CD из почвенной бактерии Bacillus thuringiensis, например, таким образом убивает бактерию Clostridium difficile. Инфекции, вызванные ей, развиваются из-за антибиотиков. Почему же антибиотик вызывает инфекцию, а бактериоцин ее вылечивает? Бактерия Clostridium difficile — условно патогенный житель нашего кишечника, который не вредит нам, пока его не слишком много. Антибиотики широкого спектра действия нарушают микробиоту кишечника, убивают полезные для человека комменсальные бактерии освобождают место для резистентной Clostridium difficile. Она разрастается и вызывает инфекцию. Турицин CD селективно убивает Clostridium difficile — и не вредит микробиоте.

Минусы:

1. Как и антибиотики, антимикробные пептиды убивают все бактерии. Зато бактериоцины более селективны.

2. Есть данные о резистентности бактерий к антимикробным пептидам и бактериоцинам. Для борьбы бактерии могут выпускать из себя молекулы, разрушающие антимикробные пептиды и бактериоцины, или модифицировать свою мембрану. Как и в случае с бактериофагами, ученые указывают на необходимость подробного изучения механизмов резистентности. Но уже сейчас можно сказать, что частота возникновения устойчивости бактерий к антимикробным пептидам и бактериоцинам ниже, чем к антибиотикам. Почему — пока неизвестно.

Изменение микробиоты кишечника

Пробиотики — препараты, которые содержат полезные для человека бактерии, а фекальная трансплантация — введение микробиома здорового донора в больной кишечник. Цель одна: заселить кишечник комменсальными бактериями, то есть бактериями, полезными для человека. А комменсальные бактерии могут воздействовать на патогены следующим образом:

1. Колонизируют просвет кишечника и конкурируют с патогенами за место и ресурсы.

2. Синтезируют антибактериальные вещества.

3. Усиливают ответ иммунной системы. Например, некоторые стимулируют эпителиальные клетки кишечника, позволяя секретировать антибактериальный пептид RegIIIγ. Потеря бактерий, стимулирующих выброс RegIIIγ, приводит к восприимчивости к возбудителям Salmonella typhimurium и к патогенам из рода Enterococcus.

И пробиотики, и фекальная трансплантация уже сейчас успешно используются для лечения инфекций, вызванных C. difficile (особенно опасны для людей старше 65 лет: умирает каждый одиннадцатый). Но такая терапия помогает только при инфекциях желудочно-кишечного тракта.

Бактерии-хищники

Еще одно биологическое оружие против патогенных бактерий. Например, Bdellovibrio bacteriovorus, которая живет в земле и воде. Этот хищник узнает свою жертву, прикрепляется к ней и проникает внутрь, аккуратно заделав дыру, через которую влез. Так он оставляет наружный слой хозяина целым. Затем B. bacteriovorus локально выбрасывает смесь ферментов, изнутри переваривает добычу и использует питательные вещества, чтобы дорасти до крупного филамента. Этот филамент синхронно делится на какое-то количество клеток-потомков. Каждый потомок развивает свои жгутики или двигатели — и они вырываются из мертвой клетки в поисках новой добычи.

В отличие от антибиотиков, B. bacteriovorus полностью избавляются от цели, поэтому внутренние токсины умершей клетки не вызывают воспаления у хозяина. Они почти не вызывают иммунную реакцию и, по-видимому, нетоксичны. В исследованиях на животных бактерия-хищник смогла уменьшить количество патогенов, вызывающих пневмонию и сальмонеллез. Но пока данных слишком мало, чтобы B. bacteriovorus начали лечить людей.

Система CRISP/Cas9

CRISP/Cas9 система — нашумевшая технология, которую используют для редактирования генома высших организмов, — подходит и для бактерий. Идея следующая: мы вводим в бактерию плазмиду, маленькую порцию ДНК, с сюрпризом. Бактерия считывает ее как свою собственную — и синтезирует гидовую молекулу и белок cas9, потому что в плазмиде написано: «нужно синтезировать именно это». Гидовая молекула взаимодействует с определенным участком ДНК бактерии и говорит белку cas9: «вот этот участок ты должен порезать». Нужная нам гидовая молекула прикажет cas9 порезать ДНК бактерии так, чтобы отключить определенные гены. Например — те, что отвечают за устойчивость к антибиотикам, развитие биопленок, секрецию факторов вирулентности. Идея красивая, верно? Но пока нет методики для доставки подобных плазмид в бактерии, живущие внутри животных или человека.

«Оживление» старых антибиотиков

На самом деле есть и способ сделать старые антибиотики снова эффективными. Для этого антибиотики используют в тандеме со специальными веществами, которые мешают патогенам защищаться и облегчают работу антибиотикам. Процесс называется потенциацией антибиотиков, а сами вещества-помощники — потенциаторами.

Можно, например, использовать вещества, которые делают мембраны бактерий более проницаемыми для антибиотиков. Или — вещества, которые блокируют специальные насосы на поверхности бактериальной мембраны, выкачивающие антибиотик из бактерии. А группа русско-американских ученых в совсем свежем исследовании применила в качестве потенциатора молекулу, которая просто не дает бактериям перейти в состояние покоя. Дело в том, что при воздействии антибиотика многие бактерии входят в состояние покоя, чтобы выжить. Когда мы этому мешаем, то можем убить бактерию даже тем антибиотиком, к которому они выработали резистентность.

Какие минусы? Во-первых, как в случае любой комбинированной терапии, есть опасность вредного для человека взаимодействия между лекарствами. Во-вторых, даже если комбинация потенциатора и антибиотика успешна против патогена, у лекарств могут быть несовместимые фармакологические свойства. Например, если молекула-помощник быстро выводится из организма, а антибиотику, наоборот, нужно время, чтобы достичь бактерии в организме, то воздействовать сообща они не смогут.

Что делать, если вы уже болеете? В идеальном мире при подозрении на бактериальную инфекцию, врач должен отправить заболевшего сдать тест на чувствительность микрофлоры к антибиотикам. Микрофлора разных людей может по-разному реагировать на антибиотики, а тест помогает подобрать правильный. Неправильно подобранный антибиотик может убить полезные бактерии, а на патоген не подействовать вовсе. Или подействовать слабо — и тем самым закрепить резистентность бактерий, оставив в живых самых стойких из них. Тест на чувствительность микрофлоры к антибиотикам можно сделать по ОМС бесплатно, если есть направление лечащего врача, или платно в клиниках или в лабораториях.