История одной стойкой бактерии
Всем известно, как британский бактериолог Александр Флеминг в 1928 году открыл пенициллин и как этот антибиотик спас миллионы людей от инфекций в ходе Второй Мировой войны. В 1938 году пенициллин удалось выделить в чистом виде, но уже в 1947 году, через четыре года после начала массовых продаж лекарства, бактерия золотистого стафилококка приобрела устойчивость к нему. Антибиотик был заменен на другой, метициллин, но в 1961 году золотистый стафилококк мутировал и по отношению к нему. Штамм бактерии стал причиной 37% смертей от сепсиса (общее заражение организма микробами, попавшими в кровь) в Великобритании в 1999 году, в то время как в 1991 году эта цифра равнялась 4%.
Сегодня половина всех инфекций, вызываемых золотистым стафилококком в США, устойчива к пенициллину, метициллину, тетрациклину и эритромицину. Поэтому единственным эффективным препаратом стал ванкомицин. Однако устойчивые к нему штаммы бактерии стали появляться уже в 90-х годах. Первый официальный случай инфекции, устойчивой к ванкомицину, был задокументирован в США в 2002 году. В 2011 году появился вариант ванкомицина, который пока еще может убивать золотистого стафилококка.
Это лишь один пример того, как бактерия сопротивляется лекарствам в результате эволюции на протяжении десятков лет. Из-за того, что постоянно появляются новые и новые штаммы устойчивых к медикаментам бактерий, в мире существует огромное разнообразие антибиотиков, со списком которых можно ознакомиться на «Википедии».
«Как работают антибиотики? У них есть „мишени“, на которые направлено их действие. Например, какие-то антибиотики разрушают оболочку клетки, препятствуют синтезу белка, РНК или ДНК внутри нее. Но бактерии очень быстро делятся, и в результате мутаций у них меняется структура какой-либо „мишени“ антибиотика, поэтому лекарство перестает действовать», — объяснила научный сотрудник ФГБНУ «Институт экспериментальной медицины» Екатерина Умнякова в ходе крайнего открытого лектория «Курилка Гутенберга», прошедшего в Университете ИТМО.
Почему так происходит: эволюция бактерий
Способность бактерий приобретать устойчивость к антибиотикам — это потрясающий образец эволюции в деле, позволяющей бактерии выжить во внешней агрессивной среде. Устойчивость приобретается благодаря случайным мутациям, естественному отбору, а также из-за горизонтального обмена генами.
Последнее во многом способствует быстрому распространению бактерий, так как позволяет им обмениваться генами между собой. При этом трансфер возможен и между клетками (все бактерии — одноклеточные) двух разных видов. Клетки передают гены через специальный «генетический мост». Считается, что на ранних стадиях развития жизни этот процесс сыграл важнейшую роль. Посмотреть анимацию трансфера можно здесь.
Ученые Гарвардской медицинской школы засняли сам процесс эволюции бактерий и их сопротивления антибиотикам. Для этого они построили огромную чашку Петри и разделили пространство в ней на девять равных долей специальными перегородками с отверстиями. В чашку они налили специальный питательный раствор для роста бактерии Escherichia coli и запустили бактерию в боковые «загоны». При этом каждое следующее отделение чашки по направлению от краев к центральной секции содержало дозу антибиотиков, в десять раз большую, чем в предыдущем. На видео видно, как Escherichia coli с помощью случайных мутаций и горизонтального обмена генами рушит все барьеры и достигает секции с тысячекратной дозой антибиотика почти за две недели.
Этот визуальный эксперимент наглядно показывает, что мутации развиваются лишь у маленького количества бактерий. Однако затем эти организмы быстро размножаются и передают свои гены следующим поколениям. При этом «инициаторами» дальнейшего развития и приобретения устойчивости к антибиотикам в большей степени становятся менее устойчивые бактерии. Кроме того, мутации замедляют размножение. Таким образом, в какой-то момент организмы просто не успевают мутировать и сразу же размножиться в новой агрессивной среде до того, как она их уничтожит. Именно тогда «прохождение» бактерии через барьеры антибиотиков заканчивается.
Недавнее исследование ученых из Гетеборгского университета показало, что, возможно, гены устойчивых к антибиотикам бактерий могут передаваться даже через загрязненный воздух в больших городах. Правда, пока бактериологи не поняли, были ли «живы» эти гены или же это был бесполезный органический мусор в воздухе.
«Пока мы изучили лишь небольшое количество образцов воздуха. Для того, чтобы делать более точные выводы, надо продолжить работу. Однако в исследованных образцах мы нашли гены, которые ответственны за устойчивость бактерий к лекарственному препарату, который применяется в качестве последнего средства для лечения очень тяжелых и опасных инфекций», — прокомментировал Йоаким Ларссон, директор Центра исследований приобретения бактериями устойчивости к антибиотикам в Гетеборгском университете.
Почему так происходит: люди используют слишком много антибиотиков
Виноваты ли люди в том, что естественная эволюция бактерий происходит все быстрее и убивать их становится все тяжелее? Еще как! Антропогенные причины перечислены в журнале Pharmacy and Therapeutics. В основном все они сводятся к тому, что человечество использует слишком много антибиотиков, — это приводит к увеличению их концентрации в пище, воде, воздухе, почве. В результате бактерии быстрее и проще адаптируются к антибиотикам еще вне человеческого организма.
Примерно от 30% до 50% врачебных назначений антибиотиков пациентам ошибочны, показывают исследования. То есть больные лечатся не теми лекарствами, которые могут ликвидировать патогенную бактерию. Иногда лечение антибиотиками вообще не требуется, но пациенты продолжают их принимать. Кроме того, в аптеках продажи некоторых антибиотиков никак не ограничены, и мало сведущий в медицине человек стремится лечиться этими препаратами даже от легкой простуды или несварения.
Сегодня очень популярны различные антибактериальные гигиенические средства. Их чрезмерное использование не только не полезно, но также может существенно навредить организму. Мало того, что эти средства убивают и полезные бактерии на нашей коже, которые предохраняют от тех же инфекций, так они еще и разрушают естественную иммунную систему человека, ведь ей больше не нужно бороться с бактериями собственными силами. Таким образом, человек становится более беззащитным перед серьезными инфекционными болезнями.
В сельском хозяйстве антибиотики используются для ускорения роста животных и прибавки в весе. В США около 80% проданных антибиотиков применяются именно в фермерских хозяйствах. Кроме того, некоторые виды этих препаратов распыляются на растения в качестве пестицидов. Это приводит к тому, что антибиотики попадают в почвы и подземные воды. В результате наносится вред и экологии в целом.
Это действительно так опасно? А как же современная медицина?
«Примерно раз в полгода в СМИ появляются сообщения о том, что где-то была обнаружена очередная неубиваемая бактерия. Что же нам делать? Современная медицина предлагает несколько способов. Можно создавать аналоги на основе существующих антибиотиков, то есть модифицировать их под генетические изменения в бактериях, а можно разрабатывать новые лекарства на основе химических природных соединений», — комментирует Екатерина Умнякова.
К таким естественным соединениям, которые и исследует Екатерина, относят антимикробные пептиды — белковые структуры внутри различных организмов, в том числе и внутри человеческого. Пептиды действуют почти так же, как и антибиотики: поражают одну из «мишеней» в бактерии, в частности, ее оболочку, в результате чего клетка как бы «вытекает» и умирает. По всему миру также широко исследуются бактериофаги. Это вирусы, которые избирательно поражают бактериальные клетки, чаще всего размножаясь внутри них и в некотором смысле растворяя их. Из ресурсов одной клетки может появиться больше 200 новых бактериофагов. В некоторых странах использование бактериофагов в медицине запрещено, потому что еще не до конца понятно, как эти организмы могут повлиять на работу полезных человеку бактерий и других клеток.
Сегодня ученые применяют все доступные средства для моделирования и синтеза новых лекарств от бактериальных болезней. Например, ученые в Оклахомском университете использовали компьютерный анализ различных вариаций взаимодействия антибиотика с бактерией, чтобы ускорить клинические испытания. Однако естественная эволюция бактерий, ускоряемая использованием чрезмерного количества антибиотиков человеком, никогда не остановится, и за ней трудно угнаться.
«Кто знает про игру Plague Inc? Это такое приложение, в котором игрок становится бактерией и ему нужно заразить и убить все человечество. Он получает разные бонусы за каждую зараженную страну, на которые можно приобретать полезные для выживания мутации. Так вот. Похоже, что уже не мы играем с бактериями в игры, а это они играют с нами», — сказала Екатерина Умнякова на «Курилке Гутенберга».
Что же делать?
В октябре 2016 года Всемирная организация здравоохранения опубликовала список рекомендаций, которые нужно соблюдать человечеству, чтобы снизить риски устойчивости бактерий к лекарствам. Авторы подчеркнули, что это — одна из важнейших проблем современных систем здравоохранения по всему миру, так как опасные инфекционные заболевания типа пневмонии, туберкулеза и других становится лечить намного сложнее. Кроме того, из-за этого увеличиваются сроки госпитализации заболевших, что ведет, помимо прочего, к экономическим потерям. Поэтому человечеству необходимо изменить способы использования антибиотиков, а также развивать профилактические меры от инфекционных болезней.
Так, человек должен принимать антибиотики только по назначению врача. Сами работники медицинских организаций должны как можно более полно и точно информировать пациентов о том, почему нельзя бездумно принимать эти препараты, а также назначать их только в случае очевидной необходимости.
Производителям сельскохозяйственной продукции следует отказаться от использования антибиотиков в качестве стимулятора роста животных и растений и использовать их только для лечения первых. Власти должны поощрять такую деятельность законодательно, а также вести соответствующую пропаганду.
Во второй своей части эти рекомендации могут показаться наивными. Откажется ли владелец фермы от выгоды ради экологии? Едва ли, если это не будет финансово поощряться. Однако каждый из нас может изменить ситуацию и хотя бы не вредить себе, принимая антибиотики с регулярностью потребления кофе. Но для этого придется начать следить за здоровьем: спать хотя бы шесть часов в сутки, полноценно и правильно питаться, заниматься спортом и разминаться в офисе. Сможем ли?
