Вирусы против бактерий. Почему антибиотики бессильны против вирусов? Чем отличается народный антибиотик от синтетического
Несмотря на очевидные ассоциации с японской военщиной, проект сингапурских биоинженеров во главе с Чу Лу По (Chueh Loo Poh), по их словам, был «вдохновлен самой природой». Впрочем, ученые говорят о известной способности микроорганизмов «ощущать» количество присутствующих поблизости представителей своего и других видов и действовать в соответствии с ним — о так называемом « чувстве кворума ».
Например, когда патогенная синегнойная палочка (Pseudomonas aeruginosa ) обнаруживает, что какие-то другие бактерии занимают «их» место и потребляют «их» питательные вещества, они начинают активно взаимодействовать друг с другом посредством химических сигналов, и в итоге коллективно вырабатывают и выбрасывают токсин пиоцин , выводящий соперников из игры. При этом сами палочки формируют плотную пленку, которая у людей приводит к инфекции дыхательных путей.
Чу Лу По и его коллеги решили развернуть это опасное оружие синегнойной палочки против нее самой — а в качестве его носителя избрали любимый объект генетиков, кишечную палочку (Escherichia coli ). Для этого исследователи выделили из P. aeruginosa
гены, ответственные за обнаружение других представителей своего вида, и внесли из в геном E. coli . Кроме того, E. coli была вооружена геном, производящим модифицированную версию пиоцина, токсичного для самой P. aeruginosa . Объединив эти гены в единую систему, ученые получили настоящего камикадзе: кишечная палочка, обнаружившая присутствие поблизости синегнойной палочки, приступает к массовому производству модифицированного пиоцина, превращаясь в живую бомбу замедленного действия. Вскоре в действие вступает еще один искусственно добавленный компонент, «ген самоубийства». Бактерия самоуничтожается, ее клеточные оболочки разрушаются — и в окружающую среду поступает смертельный для синегнойной палочки токсин.
Испытав своих генетических камикадзе, авторы показали, что такая E. coli при совместном культивировании с P. aeruginosa успешно уничтожает до 99% ее представителей. Заметим, что из этих цифр некоторые специалисты делают пессимистичные выводы: даже оставшийся процент синегнойной палочки вполне способен вызвать серьезную болезнь. В любом случае, прежде чем дело дойдет до практического использования этой элегантной схемы для лечения больных, требуется еще огромная работа. Прежде всего, стоит заменить условно-патогенную кишечную палочку на другой, более безопасный носитель, а также показать, насколько эффективным будет модифицированный пиоцин в борьбе с синегнойной палочкой, уже успевшей сформировать стойкую к воздействиям слизистую пленку — и насколько безопасен он для человеческого организма.
Этим летом вся Европа была напугана очень маленьким существом — патогенным штаммом кишечной палочки Escherichia coli. Ее длина — всего 2-3 микрона, но она опасна и шустра. Поневоле задумаешься, кто же на нашей планете господствующий вид — человек или такие вот малютки?
Если одну кишечную палочку, которая, как известно, размножается простым бинарным делением, поместить в идеальную питательную среду и допустить, что еды у нее и ее потомков будет в достатке, то за сутки эта малышка способна образовать колонию весом около... 10 миллионов тонн!
Шокирующая цифра, не правда ли? Одноклеточные — если и не самые главные, то уж точно самые весомые, в прямом смысле, жители земного шара. Суммарная биомасса всех микроорганизмов, в том числе микроскопических грибов и водорослей, составляет 76 миллиардов тонн (в сухом остатке, без учета воды).
Все многоклеточные растения весят 55 миллиардов тонн, а масса животных, включая человека, составляет в сумме какие-то «жалкие» 500 миллионов тонн.
Да и в каждом здоровом человеческом теле наберется килограмма два бактерий, ведь человек — это симбиотический конгломерат клеток его собственного организма и бактерий. Как утверждает молодая наука метабономика, люди - это сверхорганизмы, в которых только 2-3 триллиона клеток непосредственно наши, родные.
Еще добрую сотню триллионов составляют микроорганизмы — их в человеческом теле более 500 видов. В этом сверхорганизме человеческая ДНК вовсе не является преобладающей, утверждает отец-основатель метабономики британский биохимик Джереми Николсон.
Каждый из нас обладает уникальным геномом, который складывается из собственного генетического материала и ДНК населяющих нас многочисленных одноклеточных.
КТО В ЧЕЛОВЕКЕ ЖИВЕТ?
В большинстве случаев младенцы рождаются стерильными. Однако в первые же сутки их жизни начинается создание микробиоценоза: человек колонизируется множеством микроорганизмов. Сначала это хаотический процесс, в ходе которого бактерии яростно борются за «место под солнцем» и внутри, и снаружи.
Через 2-3 дня устойчивые колонии получают пожизненную прописку в различных частях тела. Это так называемые облигатные — полезные и. более того, необходимые микробы. Можно сказать, самые близкие людям живые существа в этом мире.
На всей поверхности кожи и в ее верхнем слое уютно устроились пропионибактерии, дифтероиды и коринебактерии. Они умеют поглощать приходящих извне патогенных бактерий, держат первый рубеж обороны.
Слизистая оболочка глаз заселена стафилококками и микоплазмой, которые не дают случайным пришельцам закрепиться здесь и начать размножение, В желудке плавает дружная команда стрептококков, лакто- и бифидобактерий в окружении дрожжеподобных грибов; все они хорошо переносит кислую среду желудочного сока и дают старт процессу переваривания пищи.
В кишечнике в тесноте, да не в обиде живут более 15 основных видов анаэробных бактерий и грибов рода Candida. И среди них та самая кишечная палочка Е. соli, непатогенные штаммы котором очень нужны человеку. Именно она вырабатывает в нашем организме витамин К2, отвечающий за свертываемость крови.
"Хотя мне исполнилось уже 50 лет, но у меня очень хорошо сохранились зубы, потому что я имею привычку каждое утро натирать их солью, а после очистки больших зубов гусиным пером хорошенько протирать их еще платком" — такие слова можно прочитать в письме сторожа судебной палаты из голландского города Делфта Антони ван Левенгука (1632-1723), которое он направил в Лондонское королевское общество.
Ничего не скажешь, оригинальный способ соблюдения гигиены полости рта, но прославился Левенгук, конечно, не этим - а тем, что научил человечество видеть потаенные стороны жизни природы. У Левенгука не было «ученого» образования, зато была поистине пламенная страсть: увеличительные стекла. Он был одним из первых, кто догадался объединить несколько линз в зрительную трубу для изучения не макро-, а микромира. И получил таким образом микроскоп.
Материалы для своих исследований он выбирал бессистемно: перечный настой, волокна хрена, чешуйки кожи, глаз мухи, моллюски, выловленные в каналах Делфта. Соскоб с зубов он разбавлял водой и в волшебных стеклах наблюдал «невероятное количество маленьких животных, и притом в таком крошечном кусочке вышеуказанного вещества, что этому почти невозможно было поверить, а если не убедишься собственными глазами.
Самоучка Левенгук за 50 лет наблюдений зарисовал более 200 видов «крошечных зверьков», как он называл своих новых знакомцев. Впрочем, научной революции тогда не случилось — еще сотню лет после Левенгука микромир оставался для ученого мира эдаким «шапито в микроскопе».
ДРУЗЬЯ И ВРАГИ
Пожалуй, практически все самые привычные для нас продукты питания — хлеб, сыр, йогурт, пиво, вино, шоколад и многое другое — не что иное, как продукты брожения. Всю основную работу по их приготовлению производят анаэробные бактерии и дрожжевые грибы. Человеку остается только бережно хранить, селекционировать и культивировать закваски — колонии бактерий.
И он делает это на протяжении тысячелетий. Еще за пять тысяч лет до Рождества Христова в древнем Вавилоне умели сбраживать напитки, а три с половиной тысячи лет назад египтяне придумали дрожжевой хлеб. Так что человек уже давно приручил своих микродрузей.
Профессиональные "дрессировщики», ученые-биотехнологи, вооружившись достижениями молекулярной биологии и генной инженерии, научили микробов делать массу полезных для человека вещей. Сегодня на полях вносят в почву бактериальные удобрения, а микробные инсектициды и пестициды, подверженные биодеградации, пришли на смену опасным химическим сельскохозяйственным реагентам.
Тионовые (окисляющие серу) бактерии выщелачивают ценные металлы из рудных концентратов и повышают качество серосодержащего каменного угля. Современная фармацевтика немыслима без «рабочих лошадок» - бактерий, одноклеточных грибов и водорослей, производящих все виды антибиотиков, противоопухолевые препараты, витамины и аминокислоты.
Команда исследователей под руководством профессора Джозефа Чеппела из американского Университета Кентукки выяснила, что все запасы нефти и угля на нашей планете — результат жизнедеятельности одной-единственной микроводоросли Botryococcus braunii. Так что, если бы не она, не видать нам ни тепловой энергетики, ни автомобилей.
Кроме того, некоторые микроорганизмы — это еще и самые старательные и дотошные в мире уборщики. Подсчитано, что если бы не работа бактерий гниения, разлагающих органические вещества, то кости животных, обитавших на Земле с начала ледникового периода, покрывали бы сегодня всю сушу полутораметровым слоем.
Взаимовыгодное существование человека и микроорганизмов портит только одно обстоятельство: есть порядочное количество простейших, которые не прочь ускорить процесс превращения живого в мертвое, сократив его до пары суток.
Со времен Гиппократа и приблизительно до середины XIX века считалось, что болезни, которые мы сегодня называем инфекционными, вызываются дурным воздухом и вредными испарениями — «миазмами». Среди теоретиков патогенеза ближе всего к истине был однокашник Коперника Джироламо Фракасторо. живший за сто с лишним лет до Левенгука. Он писал о крошечных «семенах», которые передаются от человека к человеку, поселяются внутри и вызывают болезни. Однако Фракасторо и помыслить не мог, что эти «семена» живые.
Потери человечества от эпидемических инфекционных заболеваний значительно превышают число жертв военных конфликтов. На полях сражений Столетней войны (1337-1453) погибли сотни тысяч человек.
А эпидемия бубонной чумы, случившаяся как раз во время той войны и продолжавшаяся всего пять лет, унесла жизни 34 миллионов европейцев. Всего же за все время существования нашей цивилизации жертвами одноклеточных возбудителей болезней пало около полутора миллиардов человек.
Весь XIX век в научном мире не утихали споры о том, виноваты ли микроорганизмы в том, что мы болеем и умираем. С одной стороны, ученые постоянно находили патогенных возбудителей в тканях умерших от холеры, туберкулеза, дифтерии; их чистые культуры выделили первые микробиологи, все как один — лауреаты Нобелевских премий по медицине: Эмиль Беринг, Пауль Эрлих, Илья Мечников и первооткрыватель возбудителей сибирской язвы, туберкулеза и холеры Роберт Кох.
Но с другой стороны, приверженцы гигиенической теории не уставал и твердить, что все болезни происходят от грязи. Во главе гигиенистов стоял президент Баварской академии наук Макс фон Петтенкофер. Профессор прославился тем, что в 73 года в доказательство своих научных теорий в присутствии свидетелей проглотил чистую культуру холерного вибриона.
Холерой Петтенкофер не заболел, все обошлось легким расстройством желудка. Понятия «специфический иммунитет» в тот момент еще не существовало, а профессор был здоров как бык. Наверняка сработала и сила внутренней убежденности в собственной правоте.
Петтенкофер настолько дорожил собственным здоровьем и не желал болеть, что, ощутив себя в 82 года дряхлеющим стариком, предпочел застрелиться.
Сегодня мы точно знаем: такие болезни, как чума, дифтерия, холера, туберкулез и многие другие, однозначно вызываются бактериями, которые в процессе своей жизнедеятельности выделяют токсины. Оспу, корь, гепатит, полиомиелит провоцируют не бактерии, а вирусы. Вирусы намного меньше бактерий (20-500 нанометров в поперечнике), и до сих пор не вполне понятно, живые они или нет. Сам но себе вирус размножаться не способен — он производит потомство, используя ДНК клетки, в которую внедряется.
КОВАРНЕЙ КОШКИ ЗВЕРЯ НЕТ
При этом остальные рефлексы не нарушаются. Так токсоплазма контролирует свой собственный жизненный цикл, управляя переносчиком: для нее выгодно, чтобы мышь погибла, будучи съеденной кошкой.
Впрочем, подлинную роль токсоплазмы ученым еще предстоит выяснить. Пока можно сказать только одно — «другим человека» она не была никогда. В отличие от нашего симбионта — кишечной палочки Е. coli. Каким же образом незаменимый помощник превратился в убийцу? Эта детективная интрига все еще ждет своей разгадки.
Пока ученые искали преступника, перебирая всех возможных подозреваемых, начиная с испанского огурца и заканчивая пажитником из Египта, эпидемия сама собой сошла на нет. Теперь уже не определить ни «место преступления», ни какая из миллиона других видов бактерий передала часть своего генома "хорошей" кишечной палочке, после чего та приобрела неприятную особенность вырабатывать гибельные для почек токсины и разрушать эритроциты. Кроме того, новый штамм, обозначенный шифром О104:Н4, получил от какого-то другого микроорганизма удивительную стойкость к антибиотикам.
Можно сказать и о простейших. Казалось бы, все просто: одноклеточные размножаются делением или почкованием, а значит, весь геном должен передаваться от «мамы» к «дочке* в целости и сохранности. Но существует еще и так называемый горизонтальный перенос генов — процесс, отдаленно напоминающий спаривание. Происходит физический контакт, в ходе которого бактерии обмениваются генетической информацией.
Причем контактировать могут особи совершенно разных видов — и успешно. В результате возникают новые подвиды — штаммы, становящиеся звеном в непредсказуемой эволюции бактерий, эволюции гораздо более быстрой, чем у многоклеточных. Эта скорость и обеспечивает их невероятное видовое многообразие.
В 2009 году израильские микробиологи изучали палочки Paunibacillus dentintiformis и решили провести эксперимент: что будет, если начать морить их голодом? Предполагалось, что в условиях дефицита питания клетки начнут активно размножаться в целях сохранения вида. Однако все пошло совсем по-другому: бактерии не только прекратили размножаться, но и принялись убивать сородичей, избавляясь от «лишних ртов». Когда численность колонии стала соответствовать количеству питательных веществ, ситуация стабилизировалась.
Ученые пока не утверждают, что микробы обладают коллективным разумом, но существование у них примитивных социальных механизмов считают доказанным.
«У бактерий есть примитивная форма социального сознания. — полагает руководитель исследования профессор Эшел Бен-Якоб. — Они знают, как собирать информацию из окружающей среды и передавать ее друг другу. Они могут распределять задачи и хранить «коллективную память». Химический язык, с помощью которого они общаются, превращает колонии микробов в большой мозг».
Хотелось бы научиться понимать этот «большой мозг», а еще лучше - с ним дружить. Но микромир живет по своим законам, и наших знаний о нем пока слишком мало для заключения долгосрочного мирового соглашения.
Журнал Discovery ноябрь 2011
В мае этого года в работе "Mitochondria-targeted antioxidants as highly effective antibiotics", опубликованной в журнале Scientific Reports, коллектив авторов из МГУ впервые показал принципиально новый гибридный антибиотик: его действие направлено против мембранного потенциала бактерий, который обеспечивает болезнетворные клетки энергией.
Победа! — но только временная
В середине прошлого столетия человечество находилось в состоянии эйфории, связанной с невероятными успехами в лечении инфекционных заболеваний бактериальной природы. Многие бактериальные инфекции, вызывавшие ужасающие по количеству жертв эпидемии в средние века, превратились в карантинные инфекции, которые легко и эффективно вылечивались.
Этот успех стал возможен после открытия в 1920-х годах британским бактериологом Александром Флемингом первого антибиотика — пенициллина; он обнаружился в плесневых грибах Penicillium notatum . Спустя десятилетие британские ученые Говард Флори и Эрнст Чейн предложили способ промышленного производства чистого пенициллина. Все трое в 1945 году были удостоены Нобелевской премии в области физиологии и медицины.
Массовое производство пенициллина было налажено во время Второй мировой войны, что вызвало резкое уменьшение смертности среди солдат, обычно умиравших от раневых инфекций. Это позволило французским газетам накануне визита Флеминга в Париж писать, что для разгрома фашизма и освобождения Франции он сделал больше целых дивизий.
Углубление знаний о бактериях привело к появлению большого числа антибиотиков, разнообразных по механизму, широте спектра действия и химическим свойствам. Почти все бактериальные заболевания либо полностью вылечивались, либо серьезно подавлялись антибиотиками. Люди полагали, что человек победил бактериальные инфекции.
Мелкие очаги сопротивления — и поражение
Одновременно с успехами появились и первые признаки грядущей глобальной проблемы: случаи бактериального сопротивления антибиотикам. Прежде безропотно чувствительные к ним микроорганизмы вдруг становились индифферентны. Человечество ответило бурным развитием исследований и новыми антибиотиками, это привело лишь к увеличению числа препаратов и новой резистентности бактерий.
В мае 2015 года Всемирная организация здравоохранения признала кризисом бактериальное сопротивление антибиотикам и выдвинула Глобальный план борьбы с устойчивостью к противомикробным препаратам. Его следовало выполнить безотлагательно, свои действия должны были координировать многочисленные международные организации вроде защитников окружающей среды, и отрасли экономики — не только человеческая медицина, но и ветеринария, и промышленное животноводство, и финансовые институты, и общества защиты прав потребителей.
План, должно быть, так или иначе выполняется, но к несчастью, несмотря на это уже в сентябре 2016 года одна американская пациентка умерла от сепсиса. Такое бывает, и даже чаще, чем хотелось бы, но ее погубила так называемая супербактерия — Klebsiella pneumoniae , но не обычная, а устойчивая ко всем разрешенным в США 26 антибиотикам, в том числе к антибиотику "последнего резерва" колистину.
Итак, ученым стало очевидно, что бактериальные инфекции побеждают человечество, и современная медицина может быть отброшена во времена, предшествовавшие открытию антибиотиков. Одним из главных вопросов, поднятых на международной конференции ASM Microbe , проводившейся в Новом Орлеане в июне 2017 года Американским обществом микробиологов, был такой: "Может ли человечество выиграть войну с микробами?". На той же конференции, кстати, отдельного внимания удостоилось движение antimicrobial stewardship, или управление антибиотикотерапией, которое имеет своей целью максимально разумно и достаточно, в соответствии с рекомендациями доказательной медицины, назначать антибиотики. Пока что законом такое обращение с антибиотиками стало только в одном месте в мире — в штате Калифорния, США.
Стало очевидным, что бактериальные инфекции побеждают человечество, и современная медицина может быть отброшена на уровень, предшествующий открытию антибиотиков
Как работает помпа
Действие помпы можно проиллюстрировать на примере основной помпы множественной лекарственной устойчивости кишечной палочки — AcrAB-TolC . Эта помпа состоит из трех основных компонентов: (1) белка внутренней клеточной мембраны AcrB , который за счет мембранного потенциала может перемещать вещества через внутреннюю мембрану (2) адаптерного белка AcrA , связывающего транспортер AcrB с (3) каналом на внешней мембране TolC . Точный механизм работы помпы остается недостаточно изученным, однако известно, что вещество, которое помпа должна выбросить за пределы клетки, попадает на внутреннюю мембрану, где его ждет транспортер AcrB , связывается с активным центром помпы и затем за счет энергии встречного движения протона выкачивается за пределы наружной мембраны бактерии.
Антиоксиданты направляются в митохондрию
Но решение, обходящее резистентность бактерий, можно считать, найдено — российскими учеными. В мае этого года в работе "Mitochondria-targeted antioxidants as highly effective antibiotics ", опубликованной в журнале Scientific Reports, коллектив авторов из МГУ впервые показал принципиально новый гибридный антибиотик широкого спектра действия — митохондриально направленный антиоксидант.
Митохондриально направленные антиоксиданты (МНА) получили широкое распространение не только как инструмент исследований роли митохондрий в разных физиологических процессах, но и как терапевтические средства. Это конъюгаты, то есть соединения, состоящие из какого-либо хорошо известного антиоксиданта (пластохинона, убихинона, витамина Е, ресвератрола) и проникающего, то есть способного преодолеть мембрану клетки или митохондрии, катиона (трифенилфосфония, родамина и др.).
Механизм действия МНА доподлинно не известен. Известно лишь, что в митохондрии они частично разобщают окислительное фосфорилирование, метаболический путь синтеза универсального клеточного горючего — аденозинтрифосфата, АТФ, что стимулирует клеточное дыхание и снижает мембранный потенциал и может приводить к защитному эффекту при окислительном стрессе.
Предположительно это выглядит так. МНА из-за своей липофильности (тяги к липидам или сродства с ними) связываются с мембраной митохондрии и постепенно мигрируют внутрь митохондрии, где, видимо, соединяются с отрицательно заряженным остатком жирной кислоты; составив комплекс, они теряют заряд и вновь оказываются снаружи мембраны митохондрии. Там остаток жирной кислоты захватывает протон, из-за чего комплекс распадается. Захватившая протон жирная кислота переносится в обратном направлении — и внутри митохондрии теряет протон, то есть, проще говоря, переносит его в митохондрию, отчего как раз и снижается мембранный потенциал.
Один из первых МНА был создан на основе трифенилфосфония в Оксфорде — английским биологом Майклом Мерфи; это был конъюгат с убихиноном (или коферментом Q , принимающим участие в окислительном фосфорилировании). Под названием MitoQ этот антиоксидант получил значительную известность как перспективный препарат для замедления старения кожи, а также как возможное средство защиты печени при гепатитах и жировом ее перерождении.
Позднее тем же путем пошла группа академика Владимира Скулачева из МГУ: на основе конъюгата трифенилфосфония с антиоксидантом пластохиноном (участвует в фотосинтезе) был создан эффективный SkQ1 .
В соответствии с симбиотической теорией происхождения митохондрий, выдвинутой членом-корреспондентом АН СССР Борисом Михайловичем Козо-Полянским в 1920-х годах и американским биологом Линн Маргулис в 1960-х годах, между митохондриями и бактериями — много общего, и можно ожидать, что МНА будут воздействовать на бактерии. Однако несмотря на очевидную схожесть бактерий и митохондрий и десятилетний опыт работы с МНА во всем мире никакие попытки обнаружить антимикробное действие МНА не приводили к положительным результатам.
Последний рубеж пал
Колистин считается антибиотиком последнего резерва — это старый препарат из класса полимиксинов, вышедший из употребления из-за своего токсического воздействия на почки. Когда обнаружились супербактерии, которые, кроме того что сами сопротивлялись известным антибиотикам, еще и обзавелись способностью передавать друг другу генную информацию, позволяющую сопротивляться антибиотикам, выяснилось, что во-первых, колистин губителен для всех этих бактерий, а во-вторых, бактерии не могут обмениваться генами резистентности к колистину, если вдруг таковая все-таки возникнет.
Увы, но в мае 2016 года в американское Хранилище мультирезистентных микроорганизмов, которое находится в структуре Исследовательского института имени Уолтера Рида (это структура армии США), поступила-таки бактерия, которая не просто была индифферентна к колистину, но еще и оказалась способна передавать генную информацию с этой резистентностью другим бактериям. Первый такой микроорганизм еще в 2015 году был зафиксирован в Китае, долгое время была надежда, что это единичный случай, но она не оправдалась. Особенно печально, что в США этим микроорганизмом оказалась всем хорошо знакомая кишечная палочка.
Загадка двух палочек
Прорыв случился в 2015 году: впервые антибактериальное действие МНА на примере SkQ1 было показано в работе "Разобщающее и токсическое действие алкил-трифенилфосфониевых катионов на митохондрии и бактерии Bacillus subtilis в зависимости от длины алкильного фрагмента" — ее опубликовал журнал "Биохимия" в декабре 2015 года. Но то было описанием феномена: эффект наблюдался при работе с сенной палочкой (Bacillus subtilis ) и не наблюдался при работе с палочкой кишечной (Escherichia coli ).
Но дальнейшие исследования, которые легли в основу новейшей работы, опубликованной в журнале Scientific Reports , показали, что МНА SkQ1 — высокоэффективный антибактериальный агент в отношении широкого спектра грамположительных бактерий. SkQ1 эффективно подавляет рост таких надоедливых бактерий, как золотистый стафилококк (Staphylococcus aureus ) — один из четырех наиболее частых видов микроорганизмов, вызывающих внутрибольничные инфекции. Так же эффективно SkQ1 подавляет рост микобактерий, в том числе палочки Коха (Mycobacterium tuberculosis ). Более того, МНА SkQ1 оказался высокоэффективным средством против грамотрицательных бактерий, таких как Photobacterium phosphoreum и Rhodobacter sphaeroides .
И только в отношении кишечной палочки он был крайне неэффективен, а ведь именно Escherichia coli — та бактерия, которую микробиологи используют как модельный организм, что и было, по-видимому, причиной неудачных попыток ранее обнаружить антимикробное действие МНА.
Естественно, исключительная резистентность кишечной палочки вызвала весьма сильный интерес исследователей. К счастью, современная микробиология сделала большой шаг вперед в методологическом аспекте, и у ученых созданы целые коллекции микроорганизмов с делециями (отсутствием) некоторых генов, не вызывающими их гибель. Одна из таких коллекций — делеционных мутантов кишечной палочки — находится в распоряжении МГУ.
Исследователи высказали предположение, что резистентность может быть обусловлена работой какой-либо из помп множественной лекарственной устойчивости, имеющихся у кишечной палочки. Любая помпа плоха для инфицированного человека тем, что просто выбрасывает из бактериальной клетки антибиотик, он на нее не успевает подействовать.
Генов, отвечающих за действие помп множественной лекарственной устойчивости, у кишечной палочки много, и было решено начать анализ с продуктов генов, входящих в состав сразу нескольких помп,— а именно белка TolC .
Белок TolC — канал на внешней мембране грамотрицательных бактерий, он служит внешней частью для нескольких помп множественной лекарственной устойчивости.
Анализ делеционного мутанта (то есть палочки без белка TolC ) показал, что его резистентность снизилась на два порядка и стала неотличима от резистентности грамположительных бактерий и нерезистентных грамотрицательных бактерий. Таким образом, можно было заключить, что выдающаяся резистентность кишечной палочки — результат работы одной из помп множественной лекарственной устойчивости, имеющих в составе белок TolC . А дальнейший анализ делеционных мутантов по белкам — компонентам помп множественной лекарственной устойчивости показал, что только помпа AcrAB-TolC участвует в откачке SkQ1 .
Резистентность, вызванная наличием помпы AcrAB-TolC, не выглядит непреодолимой преградой: антиоксидантный конъюгат SkQ1 — также уникальное для этой помпы вещество, очевидно, можно будет найти для нее ингибитор.
В мае 2015 года Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) выдвинула Глобальный план действий по борьбе с устойчивостью к противомикробным препаратам, признав бактериальное сопротивление антибиотикотерапии кризисом
Бессмертие Генриетты Лакс
Линия "бессмертных" клеток HeLa получила свое название по имени негритянки Генриетты Лакс (Henrietta Lacs). Клетки были получены из раковой опухоли ее шейки матки, без ее ведома и тем более согласия в феврале 1951 года Джорджем Гаем, врачом-исследователем питтсбургской университетской больницы имени Джона Хопкинса. Генриетта Лакс умерла в октябре того же года, а доктор Гай выделил одну конкретную клетку из эндотелия ее матки и начал с нее клеточную линию. Вскоре он обнаружил, что это уникально живучая культура, и начал делиться ею с исследователями по всему миру. Клетки, произошедшие от Генриетты Лакс, помогли человечеству при создании вакцины от полиомиелита, при определении числа хромосом в человеческой клетке (46), при первом клонировании человеческой клетки, наконец, при экспериментах с экстракорпоральным оплодотворением.
Надо сказать, что происхождение клеток Джордж Гай держал в тайне — оно стало известно только после его смерти.
Не только лечить, но и чинить
Но чтобы называться антибиотиком, SkQ1 необходимо соответствовать множеству критериев, таких как (1) способность подавлять жизненные процессы микроорганизмов в малых концентрациях и (2) мало повреждать или вовсе не повреждать клетки человека и животных. Сравнение SkQ1 c известными антибиотиками — канамицином, хлорамфениколом, ампициллином, ципрофлоксацином, ванкомицином и пр.— показало, что SkQ1 действует на бактерии в таких же, как они, или даже более низких концентрациях. Более того, при сравнительном исследовании действия SkQ1 на культуру клеток человека линии HeLa выяснилось, что в минимальной бактерицидной концентрации SkQ1 не оказывает практически никакого воздействия на клетки человека — а замечают клетки SkQ1 , когда концентрация антиоксидантного конъюгата становится более чем на порядок выше необходимой для бактерицидного действия.
Механизм действия SkQ1 на бактерии оказался подобен действию МНА на митохондрии, однако общее действие на прокариотическую и эукариотическую клетку различалось. Одна из главных причин — пространственное разделение процессов генерации энергии (исключая субстратное фосфорилирование) и процессов транспорта веществ внутрь клетки, что, по-видимому, представляет собой существенное эволюционное преимущество, которое часто обходят вниманием при рассмотрении выгод от сожительства протомитохондрии и протоэукариота. Так как у бактерий генерация энергии и транспорт локализованы на клеточной мембране, то падение потенциала вызывает, по-видимому, остановку сразу обоих процессов, что приводит к смерти микроорганизма. В эукариотической клетке процессы транспорта веществ внутрь клетки локализованы на клеточной мембране, а генерация энергии происходит в митохондриях, что позволяет эукариотической клетке выживать при летальных для бактерий концентрациях МНА. Кроме того, разность потенциала на мембране бактерии и эукариотической клетки различается в пользу бактерий — и это тот самый дополнительный фактор, аккумулирующий МНА на мембране бактерий.
Рассматривая механизм действия SkQ1 на бактерии, нельзя пройти мимо другого уникального свойства этого МНА — способности лечения поврежденных бактериями эукариотических клеток за счет антиоксидантных свойств. SkQ1 , действуя как антиоксидант, снижает уровень вредных активных форм кислорода, образующихся при воспалении, вызванном бактериальной инфекцией.
Таким образом, SkQ1 может быть признан уникальным гибридным антибиотиком широчайшего спектра действия. Дальнейшая разработка антибиотиков на его основе может позволить переломить ход войны человечества против все более совершенных микробов.
Павел Назаров, кандидат биологических наук, НИИ Физико-химической биологии им. А.Н. Белозерского МГУ
Несмотря на то, что медики с каждым годом совершенствуют лекарства и методики лечения, микробам удается выжить. На каждый препарат они отвечают новыми штаммами и, как кажется, готовы жить вечно. При этом некоторые из них особенно преуспели в борьбе с медицинской наукой и представляют серьезную опасность для жизни людей.
В ходе эволюции человек приобрел только одну возможность адаптироваться к опасной окружающей среде – изменять ее, делая пригодной для комфортного проживания. Однако у нас на планете есть соседи, которые избрали другой, не менее эффективный способ – изменять себя, чтобы выжить в любых, даже самых сложных условиях. Речь идет о бактериях, простейших организмах, состоящих всего из одной клетки.
Трудно поверить, но даже среди невероятных достижений человеческих технологий бактерии нашли возможность не только выжить, но и стать сильнее, опередив наши самые передовые научные разработки.
С открытием в 1928 году пенициллина люди утвердились во мнении, что бактерии как причина различных заболеваний в скором времени окончательно исчезнут. Антибиотики получили широкое распространение и действительно творили чудеса, безжалостно уничтожая патогены, внедрившиеся в человеческий организм. Однако совсем скоро бактерии доказали, что они не случайно в течение миллионов лет выживали на планете Земля.
Рис. 1. Стафилококк уютно живет на продуктах питания.
В настоящее время фармацевты и врачи всего мира участвуют в гонке «щита и меча», пытаясь разработать препараты, убивающие патогенные микробы, а те, в свою очередь, отвечают все новыми штаммами, невосприимчивыми к антибиотикам. Сегодня существует несколько видов бактерий, которые в наибольшей степени преуспели в «борьбе за выживание» и по этой причине несут серьезную угрозу жизни и здоровью человека.
Эволюционные плюсы
Возьмем, к примеру, стафилококк: неподвижная грамположительная бактерия с клеткой диаметром 0,6–1,2 мкм. Колонии этих микроорганизмов живут повсеместно, а их любимое место в организме человека – носоглотка и кожные покровы. Стафилококки могут жить в суровых условиях: выдерживать нагрев до 60 o С в течение часа, жить на бинтах до полугода, а в воспалительных процессах почти до 4 лет.
Патогенные стафилококки вырабатывают специфичные токсины , разрушающие соединительную ткань организма и препятствующие заживлению ран.
Бактериальная клетка отличается от клеток человеческого организма прочной защитной мембраной – оболочкой на основе уникальных соединений – пептидогликанов . Тысячи лет стафилококк безнаказанно проживал в человеке, пока не появился пенициллин. Он нарушает формирование клеточной стенки бактерии, блокируя образование пептидных мостиков, с помощью которых пептидогликаны объединяются в оболочку бактерии.
К сожалению, человек не первым использовал антибиотики для борьбы с бактериями: природа уже изобрела эти вещества, и некоторые микроорганизмы пользуются ими, чтобы оградить себя от конкурентов. В связи с этим у стафилококка имеется особая защита, фермент транспептидаза , который способен связываться с пенициллином и блокировать его действие.
Широкое применение препаратов на основе пенициллина активизировало и усилило действие этого защитного механизма бактерий, и они стали практически неуязвимы для безопасных (для организма человека) доз антибиотиков. Точно неизвестно, как именно бактерии передали друг другу это полезное для них качество: скорее всего, с помощью подвижных участков генов (плазмид и транспозонов) . Естественно, что бактерии, обладающие столь ценным конкурентным преимуществом, быстро распространились по всему миру.
Рис. 2. Бактерии модифицируют ферменты бета-лактамазы, чтобы эффективно простивостоять антибиотикам различных типов.
Таким образом, можно заключить, что в результате стафилококк усовершенствовал свою оборону и на основе транспептидаза создал более мощные средства борьбы с антибиотиками – бета-лактамазы . Эти ферменты эффективно связываются с пенициллином и многими другими антибиотиками и существенно осложняют лечение инфекций.
Надо отметить, что на протяжении 20 лет цефалоспориновые антибиотики, нарушающие работу бета-лактамаз, являются основным «оружием» медиков. Однако в последние годы все большее распространение имеют штаммы бактерий, которые имеют плазмидные бета-лактамазы расширенного спектра (БЛРС), эффективно борющиеся с цефалоспоринами. Кроме того, в основном из-за лечения тяжелых случаев пневмонии и бактериемии появились штаммы с гиперпродукцией бета-лактамазы, что требует опасного для здоровья пациента повышения доз антибиотиков. Надо отметить, что распространенность бактерий с БЛРС зависит от географического региона. Согласно исследованию, которое 10 лет назад проводилось в рамках программы MYSTIC, наибольшее в Европе распространение микробы с БРЛС имеют в России и Польше. В некоторых лечебных учреждениях процент штаммов устойчивых к цефалоспоринам превышает 90%.
MRSA
К сожалению, перед бактериями пасует даже самая богатая и современная медицина. Появившийся в 1990-х годах метициллинрезистентный стафилококк (MRSA), устойчивый к бета-лактамным антибиотикам, до сих пор убивает в год почти 20 тыс. пациентов в американских и почти 40 тыс. европейских больницах. Из-за MRSA сотни тысяч людей переживают серьезные заболевания (поражение клапанов и тканей сердца, тяжелые некротические пневмонии) и страдают осложнениями, инфекция к тому же в 2 раза увеличивает среднее время пребывания в больнице.
Рис. 3. Сегодня MRSA – это самая распространенная причина кожных инфекций у детей и взрослых.
Сегодня MRSA – это самая распространенная причина кожных инфекций у детей и взрослых . Ситуация усугубляется тем, что MRSA особенно комфортно чувствует себя в больницах, где находится множество людей с ослабленным иммунитетом. Медучреждения вынуждены закрываться на периодическую дезинфекцию, но бактерия выживает и во внешнем мире, а затем снова возвращается, быстро заполняя своими колониями чистые палаты и даже операционные. Наблюдается увеличение количества случаев инфицирования штаммом MRSA свиней, крупного рогатого скота и птицы, что требует от животноводов особого санитарного контроля.
Метициллинрезистентный стафилококк может бессимптомно жить в организме человека, переживая периодические курсы даже самых сильных антибиотиков. Заболевание может проявиться в случае ослабления иммунитета, а у людей с ВИЧ или прошедших курс химиотерапии и другие процедуры, подавляющие иммунитет, MRSA может вызвать серьезные осложнения, вплоть до сепсиса (заражения крови) с летальным исходом.
NDM-1
В мае 2011 года канадские врачи обнаружили у двух пожилых людей бактерию с NDM-1 – особой разновидностью гена бета-лактамазы , способной эффективно расщеплять разнообразные антибиотики. Бактерии с этим геном были впервые обнаружены в 2009 году в Индии и их часто называют «супербактериями», поскольку они справляются со всеми современными антибиотиками: цефалоспоринами , пенициллинами , карбапенемами . Кроме высокой устойчивости к лекарственным препаратам, NDM-1 выделяется тем, что переносится грамотрицательными бактериями, для борьбы с которыми в арсенале врача и так немного средств.
В настоящее время случаи распространения гена NDM-1 зафиксированы в Великобритании, Германии, Австралии, США, Нидерландах, Бельгии. Уже есть и первые умершие от этой инфекции. С сожалением приходится констатировать, что карантинные меры не помогли и опасный ген распространяется по всему миру. Существует большой риск, что NDM-1 создаст множество суперштаммов опаснейших бактерий, которых будет практически невозможно уничтожить даже самыми сильными антибиотиками. Так, бактерия MRSA с геном NDM-1 станет практически неуязвимой даже для комбинации различных антибиотиков.
Гонка вооружений
Устойчивость к антибиотикам не единственный «сюрприз», который преподносят бактерии. Обычная грамотрицательная палочковидная бактерия Escherichia coli, кишечная палочка, живущая в кишечнике любого человека, вдруг стала в Германии причиной смерти почти 40 человек, а тысячи людей попали в больницу с серьезным расстройством здоровья. Бактерия, вызывающая легкое отравление, вдруг стала причиной тяжелейшего энтерогеморрагического синдрома, приводящего к отказу почек. При этом бактерия сопротивляется воздействию антибиотиков, а источник появления инфекции определить очень сложно.
Рис. 4. Бактерия EHEC стала причиной эпидемии в Германии и смерти десятков людей
Энтерогеморрагическая E. coli (EHEC) производит веротоксины , которые поражают эндотелиальные клетки (выстилающие кровеносные сосуды) . По оценкам врачей, у 10% инфицированных EHEC могут возникать тяжелые осложнения, которые в 3–5% случаев приводят к смерти.
Таким образом, эволюция бактерий и передача полезных для них и опасных для человека генов представляет серьезную угрозу появления суперштаммов, не поддающихся лечению. Казалось бы, навсегда решенная проблема патогенных микроорганизмов вновь встает со всей остротой и превращается в одну из самых серьезных угроз, наряду с вирусными эпидемиями.
В поисках выхода
Как же навсегда избавится от бактериальных инфекций? Прививки и бактериофаги в этом плане малоэффективны – слишком много штаммов, слишком мало времени на их изучение. Однако, несмотря на приспособляемость патогенных бактерий, против них есть эффективное оружие – дезинфекция. Подавляющее большинство бактерий не выдерживают термической обработки и начинают гибнуть уже при 70 0С. Нужно стараться при возможности кипятить воду и избегать употребления в пищу сырых продуктов. Для предотвращения эпидемий сегодня используется широчайший спектр высокотехнологичных средств: от ультрафиолетовых ламп и химических веществ, до плазменных струй. Важную роль в борьбе с микробами играет широкое распространение материалов на основе серебра, в том числе и наночастиц этого металла. От него у бактерий защиты нет, однако надо помнить, что серебро может значительно снижать естественный иммунитет человека, открывая дверь другим инфекциям – вирусным.
В любом случае создать идеально стерильную окружающую среду не получится, а значит нужно искать новые антибиотики или экзотические методики, вроде генетически запрограммированных вирусов, убивающих бактерии.
Рис. 5. Наночастицы серебра эффективно убивают бактерий, но и сами не очень полезны для иммунитета человека.
Существенную помощь в борьбе с суперштаммами могли бы оказать и простые граждане – перестав бессистемно и бесконтрольно употреблять самые сильные препараты по поводу и без. Надо помнить, что самостоятельно назначая себе сильнейший антибиотик при обычном насморке, вы, возможно, создаете очередной смертоносный штамм, который станет причиной массовой эпидемии.
Народный антибиотик – эхинацея – особенно эффективен при воспалении горла и в самом начале простуды
Народные средства на протяжении тысячелетий выполняли роль антибиотиков. При многих заболеваниях, причиной которых является рост бактерий, даже сейчас эффективны именно травы. Ведь за последние десятилетия возникло множество устойчивых к антибиотикам бактерий (возникли резистентные штаммы). Антибиотик уничтожает большинство бактерий, но не все. Оставшиеся имеющие более сильное сопротивление бактерии начинают сильно размножаться, постепенно создаются более сильные и устойчивые к антибиотикам колонии.
Бактериям трудно приспособиться к народным антибиотикам
Знаете ли вы, что больницы в Австралии используют эфирное масло эвкалипта в качестве дезинфицирующего средства? Оказывается, это народное средство является эффективным антибиотиком в отношении метициллин-резистентного
золотистого стафилококка. Вы когда-нибудь задумывались, почему народные средства, которые существуют на протяжении сотен тысяч лет, все еще способны функционируют как антибиотики? Почему они не потеряли свою эффективность, в то время как созданные человеком антибиотики перестали быть активными в отношении многих бактерий? Дело в том, что народные антибиотики состоят из сотен различных молекул в разных пропорциях. Бактериям гораздо проще приспосабливаться к синтетическому антибиотику, чем к экстракту целого растения.
Народные антибиотики долго использовали народные целители для лечения простуды и гриппа, очищения ран от инфекции и ускорения заживления ран. В наше время стало понятно, что для устойчивых к синтетическим антибиотикам бактерий нужна альтернатива – народные антибиотики.
Чем отличается народный антибиотик от синтетического?
Антибиотик – это препарат, который используется для лечения инфекций, вызванных бактериями и другими микроорганизмами. Первоначально антибиотик был веществом, действующим на один микроорганизм, который избирательно подавлял рост другого. Синтетические антибиотики обычно химически связаны с народными антибиотиками.
Травы в своем составе имеют антибиотики, которые защищают их корневые системы. Многие народные средства и травы действуют как антибиотики: мед, акация, алоэ, чеснок, лук, корень солодки, имбирь, шалфей, эхинацея, эвкалипт, желтокорень канадский, экстракт семян грейпфрута, можжевельник, полынь, лишайник уснея и многие другие.
Большинство синтетических антибиотиков представляет собой отдельное изолированное химическое вещество (пенициллин, тетрациклин и т.д.). Поэтому бактериям проще приспособиться к антибиотикам. В противоположность, народные антибиотики являются намного более сложными. К примеру, чеснок содержит более 33 соединений серы, 17 аминокислот и 10 других соединений; тысячелистник – более 120 соединений. Различные соединения в травах работают сообща, поэтому результат борьбы с бактериями гораздо лучше.
Алоэ – народный антибиотик против стафилококка и вирусов герпеса
Листья алоэ активны в отношении золотистого стафилококка, синегнойной палочки, вируса простого герпеса 1 и 2 типов. Наружное применение алоэ и меда самое эффективное для лечения ожогов, ускорения заживления ран и профилактики инфекции. Народный антибиотик алоэ применяется просто: нарежьте листья свежего растения, чтобы получить сок, а затем наносите гель алоэ на рану или ожог до полного выздоровления.
Чеснок – антибиотик против молочницы
Чеснок активен против туберкулеза, шигеллы дизентерии, золотистого стафилококка, синегнойной палочки, молочницы, кишечной палочки, стрептококка, сальмонеллы, возбудителя кампилобактериоза, протея (Protues merbilis), простого герпеса, гриппа B, ВИЧ и др. Чеснок рекомендуется применять в свежем виде, в капсулах, как настойку или добавлять в блюда. Начинать нужно с малых доз и постепенно увеличивать. Сырой чеснок может вызвать расстройство желудка и даже рвоту, поэтому нужно соблюдать осторожность. Небольшие, частые дозы этого народного антибиотика «работают» лучше, чем большие дозы (1/4 ч.л. сока чеснока при необходимости). Капсулы также могут лучше переноситься и их легче принимать. Совместное применение чеснока с разжижающими кровь препаратами усиливает действие последних.
Эхинацея – народный антибиотик против стафилококка и туберкулеза
Эхинацея активна в отношении золотистого стафилококка, стрептококка, микобактерии туберкулеза, аномальных клеток. Этот народный антибиотик особенно активен для Пап мазков, при воспалении горла и в самом начале простуды. Для лечения горла и простуды рекомендуется использовать настойку эхинацеи, по 30 капель с водой каждый час. Также вкусен и полезен чай с эхинацеей.
Солодка – народный антибиотик против стрептококка и стафилококка
Солодка активна против малярии, туберкулеза, сенной палочки, золотистого стафилококка, стрептококка, сальмонеллы, кишечной палочки, молочницы, вибриона холеры, дерматофита (Trichophyton mentagrophytes), возбудителя руброфитии, токсокароза. Солодка является мощным стимулятором иммунной системы и антибиотиком. Этот народный антибиотик хорошо работает с другими травами. Побочными эффектами солодки могут быть: высокое давление крови и задержка воды в организме. Полезен такой чай с солодкой: 1/2 ч.л. заварить 1 стаканом кипятка в течение 15 минут, принимать до трех раз в день.
В некоторых случаях народные антибиотики оказываются более эффективными, чем промышленные. В то время как к последним бактерии развивают резистентность, народные средства и травы остаются по-прежнему эффективными. Природа создала все необходимое для лечения человека. Важно пополнять знания о народных антибиотиках, разрабатывать схемы лечения.