Болезнетворные бактерии постепенно привыкают к антибиотикам, использование последних теряет эффективность. Более миллиона человек в мире ежегодно умирают от того, что антимикробные препараты не справляются с мутировавшими бактериями. При сохранении этой тенденции, к 2050 году смертность от «супербагов» достигнет 12 млн человек.
Повсеместное введение запретов на применение антибиотиков без явных показаний в медицине и ветеринарии ничего не меняет: бактерии приспособились к некогда мощному оружию — развили гены резистентности и научились распространять их с невероятной по меркам эволюции скоростью. Они маскируют уязвимые фрагменты, принимают новые формы, замедляют метаболизм, синтезируют губительные для антибиотиков ферменты.
Но наука не стоит на месте. Посмотрим, что ученые предлагают на замену стремительно обесценивающимся классическим схемам лечения бактериальных инфекций.
Бактеориофаги
К широкому применению уже готовы бактериофаги — самые древние и распространенные на нашей планете вирусы, созданные для того, чтобы заражать бактериальные клетки. Они размножаются только внутри бактерии-хозяина и очень разборчивы в выборе «жертвы» — конкретный фаг поражает только определенный вид бактерий или только избранные штаммы внутри вида. И лишь некоторые могут атаковать бактерии разных видов и даже родов. Для человека они считаются безопасными: действуют исключительно на мишень, не вызывают побочных эффектов, в том числе не нарушают микрофлору пищеварительной системы пациента.
В 40-е годы прошлого века их рассматривали как линию первой терапии против опасных инфекций, но вскоре, на волне успеха антибиотиков, неоправданно сбросили со счетов. Антибиотики на тот момент казались более удобными и надежными из-за широкого спектра действия (один и тот же препарат применяют при разных возбудителях) и большей эффективности (цель фагов все же не тотальный «геноцид» бактерий, а размножение своего генетического материала).
По прогнозам аналитиков американской Credence Research, в ближайшие пять лет спрос на бактериофаги в мире будет расти примерно на 4% в год; а их производители получат прибыли в сотни миллионов долларов. К фагам проявляют повышенный интерес инвесторы, в отдельных странах для их применения формируется законодательная база. Так, в августе этого года американское Управление по контролю качества пищевых продуктов и лекарственных средств (FDA) впервые выдало разрешение на экстренное применение фаготерапии для лечения пациента с множественной лекарственной устойчивостью, а в июле Европейское агентство по лекарственным средствам запустило инициативу по ускорению разработки и утверждения фаговой терапии. Во многих странах формируются банки бактериофагов, которые открывают фармацевтам доступ к охарактеризованным штаммам.
Россия по теме бактериофагов имеет значительный потенциал: у нас есть и наука, и производство, и сформировавшаяся рыночная ниша. Это направление стало развиваться в стране еще до Великой Отечественной войны и полностью не лишилось поддержки ни с выходом на рынок антибиотиков, ни с распадом СССР. Сейчас бактериофаги изучают во многих академических и ведомственных институтах медицинского и биологического профиля, а также в фармкомпаниях. В лекарственной форме бактериофаги производит концерн «Микроген» на площадках в Уфе (НПО «Иммунопрепарат»), в Нижнем Новгороде («ИмБио») и Перми (НПО «Биомед»).
В арсенале «Микрогена» 15 препаратов, в их числе есть лекарства как с одним действующим вирусом, так и комбинированные, содержащие от двух до восьми видов фагов. Ими лечат ангины, колиты, гнойные поражения кожи и другие бактериальные инфекции новорожденных, детей первого года жизни, беременных женщин, ослабленных больных. Частные исследования коммерчески доступных препаратов показывают, что эти средства безусловно эффективны в отношении стафилококка. Против других возбудителей гнойно-септических инфекций они лучше работают в «домашних» регионах штаммов — продуцентов фага; бактерии из отдаленных регионов могут быть менее восприимчивы к таким агентам.
Данных об оборотах в этом сегменте российского рынка нет (мировой рынок оценивается примерно в 1,2 млрд долларов с перспективой роста; основные продукты — дезинфекторы и добавки для животных). Пока это очень узкая ниша, рост которой сдерживается недостаточно развитой в стране инфраструктурой персональной диагностики.
Тем не менее и ученые, и бигфарма активизируют работу по созданию фаговых препаратов. В следующем году НИЦ прикладной микробиологии Роспотребнадзора и компания «Генериум» планируют открыть производство эндолизинов бактериофагов, которые разрушают пептидогликанный слой бактерий — основной компонент их клеточной оболочки. По словам директора центра Ивана Дятлова, с появлением на рынке этого лекарства будет связан большой прорыв в лечении устойчивых к антибиотикам инфекций, в том числе дерматитов у новорожденных. В мире на разных стадиях клинических испытаний находятся три таких препарата.
Ингибиторы
Второй путь к преодолению резистентности бактерий к антибиотикам связан с обезвреживанием нежелательных мутаций бактерий. Наши микроскопические враги выработали несколько стратегий, чтобы избежать смерти, самая распространенная из них — синтез ферментов, которые химически нейтрализуют молекулы лекарств. Большая часть применяемых сегодня антибиотиков имеет в составе бета-лактамное кольцо и нацеливается на определенный белок, отвечающий за создание клеточной стенки, без которой клетка погибает. Бактерии из этого уязвимого пенициллинсвязывающего белка в ответ сформировали новый, который получил название бета-лактамаза. Он успешно дезактивирует антибиотики, гидролизуя их бета-лактамное кольцо.
Ученые парировали эту активность бактерий разработкой ингибиторов бета-лактамазы. Но эта победа оказалась локальной: за несколько десятилетий в мире было создано всего шесть таких соединений (одно в Великобритании, пять — в США), которые в составе антибиотиков дошли до клинической практики. Тогда как потребность в них постоянно растет.
С появлением на рынке эндолизинов бактериофагов будет связан большой прорыв в лечении устойчивых к антибиотикам инфекций, в том числе дерматитов у новорожденны
«И пенициллинсвязывающие белки, и лактамаза находятся под давлением мутационных процессов. Этих белков становится все больше. Если в 2018 году мы имели примерно три тысячи лактамаз, то в 2023 году их уже восемь тысяч. Сделать столько ингибиторов нереально. Выиграть в этой гонке можно только за счет создания универсальных ингибиторов на целые классы ферментов, которые гомологичны по своей структуре. Это направление представляет большой практический интерес», — отмечает Алексей Егоров, заведующий лабораторией инженерной энзимологии химического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова.
Наиболее коварными считаются появившиеся относительно недавно в результате очередных мутаций металло-бета-лактамазы с цинком в активном центре. Они обладают широким спектром действия, обезвреживая практически все антибиотики, и нечувствительны к классическим ингибиторам. Получение их «антидотов» — одна из принципиальных задач медицинской науки, которую пытаются решить сильнейшие лаборатории мира.
С каждым годом публикуется все больше работ по созданию ингибиторов этих ферментов. Как правило, в их состав включают комплексы висмута, производные пиринидил-никотинамида и борной кислоты, но данных по экспериментам как in vitro, так и in vivo недостаточно, чтобы сделать вывод о продвижении их в качестве кандидатов для клинических испытаний. Поиски ингибиторов металло-бета-лактамаз ведутся и на химфаке МГУ — в качестве оружия здесь рассматривают вещество унитиол, известное как противоядие при отравлении тяжелыми металлами.
«Унитиол связывает и цинк, и белковую часть фермента, — поясняет Алексей Егоров. — Мы начинаем исследовать его на животных. На сегодняшний день создание нового антибиотика с мощным ингибитором кажется реальной целью».
Ученые убеждены: только таким образом можно «продлить жизнь» бета-лактамам, а это 60% от всего количества антибиотиков.
Новые мишени
Надежды также возлагают на создание препаратов с новым механизмом действия. Классические антибиотики атакуют клеточную стенку, цитоплазматическую или наружную мембрану, комплекс для синтеза копий ДНК или рибосомы, отвечающие за трансляцию белка. Но все эти системы в той или иной степени подготовились к нападению, видоизменяя свои гены и создавая защитные ферменты. Значит, нужно искать другие мишени.
Главным претендентом на эту роль стала токсин-антитоксиновая система бактерий. Она состоит из двух расположенных рядом генов, один из которых кодирует «яд» и при активации нарушает клеточные процессы; другой, его антагонист, нейтрализует яд.
Такие модули были обнаружены в плазмидах, а в дальнейшем и в хромосомах бактерий и поначалу рассматривались просто как любопытные генетические конструкции. Но со временем стало ясно, что они играют решающую роль в адаптации клетки к стрессам. Благодаря этой парочке бактерия при внешнем воздействии, например, антибиотиком, не погибает окончательно, а переходит в спящее состояние, чтобы потом вернуться к жизни. Возникли предположения, что, если разрушить механизм «токсин-антитоксин», клетка уже не сможет восстановиться. Ученые сейчас пытаются понять, как работают разные типы таких систем, чтобы в будущем найти способ прицельного воздействия на них с помощью антимикробных агентов.
В качестве рабочего варианта альтернативной мишени рассматривается также рибопереключатель гена ribВ, кодирующий фермент, ответственный за синтез одного из предшественников рибофлавина, который необходим для роста бактерий. Ученым из корпорации Merck в экспериментах с кишечной палочкой удалось доказать, что именно в этой нуклеотидной последовательности накапливаются мутации, вызывающие устойчивость к рибоцилу, который блокирует синтез рибофлавина и останавливает тем самым развитие патогена.
Перспективные цели для новых антибиотиков ищут также в ходе больших скринингов уже известных соединений. Несмотря на то что при их разработке закладывался классический, уязвимый для бактерий механизм действия, на практике они могут работать иначе — поражать сразу несколько мишеней или вовсе не ту, которая была задана. Это выясняется при новых экспериментах с использованием более точного оборудования, которое позволяет увидеть мельчайшие процессы в клетке.
В частности, при изучении нового антибиотика АМС-109, созданного для поражения трудноизлечимого золотистого стафилококка, ученые из Университета Гронингена (Нидерланды) обнаружили, что он не создает отверстие в мембране, подобно другим лекарствам того же класса, а растворяет ее более толстые участки — и этого, оказывается, достаточно, чтобы бактерия погибла.
Теории
Предпринимаются попытки «подкрутить» и генетические механизмы, которые позволили бактериям развить стратегию самозащиты. Мишенью в этом случае становятся интегроны — подвижные участки ДНК, отвечающие за накопление и экспрессию новых генов. Они действуют как каркасы для перегруппировки генов и вмещают множество кассет генов, кодирующих детерминанты устойчивости к антибиотикам. Считается, что их можно редактировать с помощью системы CRISPR-Cas — своеобразных генетических ножниц, позволяющих вносить точечные изменения в геном. Эксперименты по исправлению интегронов проводятся во многих странах, в том числе в России. В теории они дают надежду на обращение вспять нежелательной эволюции бактерий. На практике успехи пока скромные: в кассетах идентифицируются гены резистентности; идет сбор доказательств возможности направлять фрагменты нуклеазы Cas9 в нужные геномные локусы с получением программируемого результата.
Перспективными считаются также фундаментальные работы по созданию адъювантов, помогающих антибиотикам проникать в клетку по принципу «троянского коня», присоединяясь к маленькому фрагменту с железом.
Итак, несмотря на тревожность ситуации с антибиотикорезистентностью, отчаиваться рано: ученые тестируют сразу несколько способов обмануть и обезоружить бактерии. Не все из них близки к практическому воплощению, но и возможности микробов небезграничны. По словам Алексея Егорова, анализ нейросетей в этой области дает обнадеживающие сигналы: если до 2018 года число новых мутаций бактерий, которые защищаются от беталактамных антибиотиков, увеличивалось по нарастающей, то теперь активность наших микроскопических противников явно пошла на спад.
