Кто кого?

Это уже второй за год значительный прорыв в сфере разработки принципиально иных, чем прежде, стратегий противостояния той глобальной угрозе, которую представляют собой антибиотикоустойчивые бактерии.

Первым из них стало появившееся в середине апреля сообщение об успешных испытаниях пока еще на животной модели нового белкового антибиотика широкого спектра действия, активного в отношении супермикробов - микроорганизмов, устойчивых к действию других антибактериальных средств. В их число входят такие «неубиваемые» патогены, как метициллин-резистентный золотистый стафилококк (MRSA), а также возбудитель сибирской язвы Bacillus anthracis.

На разработку Epimerox’а - нового суперантибиотика, созданного специалистами из Rockefeller University (Нью-Йорк) и базирующейся в Калифорнии фармацевтической компании Astex Pharmaceuticals, ушло в общей сложности более семи лет.

Ключевым моментом в создании антибактериального агента является выбор цели, то есть уязвимого места в структуре бактериальной клетки и в этом вопросе авторы ориентировались на бактериофаги - вирусы, обладающие селективным бактерицидным эффектом. Им удалось найти принципиально новую мишень - синтезируемый бактериями для поддержания целостности своей клеточной оболочки фермент 2-эпимеразу. Было установлено, что этот фермент играет ключевую роль в процессе взаимодействия поражающего Bacillus anthracis фага и бактерии. Продуцируемый этим фагом лизин –фермент, разрушающий клеточную стенку бактерии – для достижения своей цели связывается именно с 2-эпимеразой.

Epimerox является аллостерическим ингибитором 2-эпимеразы. Его испытания на зараженных Bacillus anthracis мышах не только защитили их от заболевания сибирской язвой, но и показали, что у бактерии не развивается резистентность к антибиотику. Тот же эффект был продемонстрирован и в отношении MRSA. «Так как 2-эпимеразу синтезируют все грам-положительные бактерии, мы уверены, что Epimerox является антибактериальным агентом широкого спектра действия», - заявил лидер группы разработчиков, глава лаборатории бактериального патогенеза и иммунологии Rockefeller University, профессор Винсент Фишетти (Vincent A. Fischetti). Он отметил, что определение мишеней для антибиотиков на основе изучения взаимодействия фагов и бактерий имеет большие перспективы, так как в этом случае бактерия не может так легко измениться или «обойти препятствие». «Это обстоятельство дает нам уверенность в том, что вероятность развития резистентности к Epimerox’у крайне мала, что является очень обнадеживающим результатом в ситуации, когда рост антибиотикоустойчивости микроорганизмов – проблема, беспокоящая все мировое сообщество», - подчеркнул Фишетти.

Стоит отметить, что идея использовать бактериофаги и их лизины для борьбы с инфекциями появилась еще в конце XIX века, после открытия их бактерицидных свойств Н.Ф. Гамалеей. Сообщалось об успешном применении этих вирусов и их активных ферментов для уничтожения стафилококков, стрептококков и других бактериальных агентов. В частности, в сентябре 2012 года группа ученых из Питтсбургского и Калифорнийского университетов сообщила об обнаружении бактериофагов, способных поражать клетки бактерии Propionibacterium acnes, которая способствует развитию воспалительного процесса в сальных железах кожи.

Ученые из Пенсильванского университета пошли другим путем. В своей работе они опирались на открытие, сделанное лидером группы Кеннетом Кайлером (Kenneth Keiler) еще в 1996 году. Тогда им был выявлен прежде не известный, присущий исключительно бактериям защитный механизм транс-трансляции, играющий ключевую роль в процессе биосинтеза бактериальных белков, а значит критичный для выживаемости, скорости размножения и вирулентности патогенных микроорганизмов.

Речь идет о контроле качества считывания рибосомой информации с матричной РНК. Наличие дефекта в мРНК может блокировать процесс синтеза белков, однако на этом этапе включается механизм транс-трансляции, благодаря которому «бракованный» продукт с рибосомы удаляется и процесс продолжается. «Если сравнить процесс синтеза бактериальных белков с заводским конвейером, то транс-трансляция отвечает за то, чтобы лента конвейера продолжала двигаться», - поясняет Кайлер.

С тех пор, как механизм транс-трансляции был открыт, Кайлер и его команда были заняты поиском белковых молекул с низкой массой, способных его «взломать» и тем самым остановить «конвейер» по производству бактериальных белков. Применив метод высокопроизводительного скрининга, ученые протестировали на этот счет около 663 тысяч различных молекул. В качестве модели выбрана кишечная бактерия E. coli. В конце концов, было выбрано 46 молекул, наиболее эффективно блокирующих процесс транс-трансляции у этого штамма.

На следующем этапе эти 46 молекул были протестированы на другом роде патогенных бактерий, шигеллах, близких по происхождению к сальмонеллам, а также на Bacillus anthracis. Наиболее многообещающей из выявленных молекул оказалась одна, получившая название KKL-35, проявившая активность в отношении самого широкого спектра не родственных между собой патогенных бактерий, блокируя у них механизм транс-трансляции. Так, как установили Кайлер и его группа, эффективность KKL-35 в отношении возбудителя туберкулеза Mycobacterium tuberculosis в сто раз превышает эффективность препаратов, используемых в настоящее время при терапии этого заболевания.

Еще одним преимуществом антибиотика, разработанного на основе KKL-35, является низкая способность к выработке устойчивости в отношении него у атакованных им бактерий. «В ходе лабораторных экспериментов мы не обнаружили ни одного мутировавшего штамма, который бы проявил резистентность к KKL-35, - отметил Кайлер. - Со временем такие штаммы, теоретически, могут появляться, но, похоже, что этот процесс затруднен, поэтому резистентные штаммы будут возникать и распространяться очень медленно».

Тем временем не только специалисты, но и представители властей во всем мире начали проявлять обеспокоенность ростом антибиотикоустойчивости возбудителей заболеваний. Так, в январе главный британский эксперт в области здравоохранения Салли Дэвис (Dame Sally Davies) призвала внести положение с распространением в стране инфекций, устойчивых к большинству известных антибиотиков, в национальный регистр чрезвычайных ситуаций, с которыми Великобритания может столкнуться в ближайшие пять лет.

Выступая перед членами британского парламента, Дэвис заявила, что распространение резистентных патогенных бактерий создает не меньшую угрозу национальной безопасности, чем такие катастрофические события, как масштабные террористические атаки, пандемия гриппа или мощные наводнения. Согласно описанному Дэвис сценарию, который она назвала "апокалиптическим", в ближайшие 20 лет люди будут умирать от осложнений после рутинных хирургических вмешательств и от самых обычных инфекций, так как "антибиотики совсем перестанут работать".

К примеру, уже сейчас, отметила Дэвис, 80 процентов случаев гонореи не поддаются лечению тетрациклином. Еще одной тревожной тенденцией является рост резистентности к карбапенемам - классу антибиотиков, наиболее часто назначаемых при серьезных инфекциях. Первое сообщение об обнаружении в Великобритании устойчивой к карбапенемам бактерии зафиксировано в 2003 году, когда было описано три таких случая. В 2010 году зарегистрировано 333 подобных эпизода, а за первое полугодие 2011 года - 217.

Еще одним представляющим серьезную опасность для людей аспектом жизнедеятельности патогенных микроорганизмов, о котором в апреле предупредили врачей и пациентов британские эволюционные биологи, оказалась их способность отвечать на комплексную антибактериальную терапию, обычно назначаемую при тяжелых инфекциях, таких, как туберкулез или MRSA, качественным скачком в скорости размножения и уровне резистентности.

Как было установлено, продолжительный, в течение нескольких дней, прием двух антибиотиков одновременно, вместо ожидаемого синергетического эффекта в отношении возбудителей инфекции, вызывает прямо противоположные последствия.

Группа под руководством Роберта Бердмора (Robert Beardmore) из Эксетерского университета (Великобритания) выбрала для тестирования два антибиотика, доксициклин и эритромицин, взаимно усиливающее действие которых на протяжении первых суток приема было ранее доказано. Исследователи вводили различные дозы этих антибиотиков - отдельно или вместе - в пробирки с E. coli, а затем отслеживали происходящее с бактериальными клетками с помощью лазерного луча.

В течение первого дня, как и ожидалось, в среднем 95 процентов бактерий, подвергшихся двойной атаке, погибли. Однако, на следующий день, к изумлению ученых, в пробирках, в которых оставались лишь незначительные количества микроорганизмов, произошел демографический взрыв - например, там, где за первые полсуток комплексного воздействия препаратов численность бактерий упала на 90 процентов, за следующие полтора дня этот показатель взлетел на 500 процентов.

Сначала авторы подумали, что произошла какая-то ошибка и условия эксперимента оказались нарушены, однако многократные повторения теста дали тот же результат. Причем, как было установлено, применение двух антибиотиков одновременно оказывает значительно более сильное потенцирующее воздействие на размножение всех штаммов E.coli, чем только одного. «Чем сильнее вы атакуете, тем больше бактерий получаете», - прокомментировал выявленный феномен Бердмор. Эффективность комплексной антибиотикотерапии, как показали эксперименты, затухает по экспоненте в течение последующих после первого дня применения, суток.

В поисках объяснения причин столь быстрых эволюционных изменений, авторы провели полногеномное секвенирование E.coli, а также применили методы математического моделирования. Было установлено, что у выживших после двойной атаки бактерий присутствует генетическая мутация - амплификация (образование дополнительных копий) участка генома, обеспечивающего четыре различных способа лекарственной устойчивости, включая оперон (участок бактериальной хромосомы), регулирующий эффлюксный насос - механизм, благодаря которому из бактериальной клетки выводятся ксенобиотики.

Как полагают авторы, в данном случае в силу вступают эволюционные механизмы, позволяющие бактериям, лучше с генетической точки зрения подготовленным к мощной атаке, после гибели слабых получить широкий доступ к ресурсам и, соответственно, скачкообразно размножаться. При этом новая популяция значительно превосходит по своей резистентности прежнюю.

Клинические испытания и Epimerox’а, и пока не получившего названия детища команды Кайлера еще впереди, но уже понятно, что противник у них достойный и медлить он не будет.