Когда антибиотики бессильны Галина Костина

Когда антибиотики бессильны Галина Костина

Бактерии в борьбе против человека берут верх, антибиотики не справляются. Ученым удалось разобраться в природном механизме уничтожения бактерий. Это поможет созданию новых классов препаратов против инфекций

section class="box-today"

Сюжеты

Здравоохранение:

Беседы с шизофреником

Хороший может стать плохим

/section section class="tags"

Теги

Здравоохранение

Медицина

/section

Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) буквально вопиет о катастрофической ситуации с антибиотиками. Глава ВОЗ Маргарет Чен на одной из недавних европейских конференций говорила, что медицина возвращается в доантибиотиковую эру. Новые лекарства практически не разрабатываются. Ресурсы исчерпаны: «Постантибиотиковая эра в действительности означает конец современной медицины, которую мы знаем. Такие распространенные состояния, как стрептококковое воспаление горла или царапина на коленке ребенка, смогут снова приводить к смерти». По данным ВОЗ, более 4 млн детей в возрасте до пяти лет ежегодно умирают от инфекционных заболеваний. Главной проблемой становится резистентность (устойчивость) бактерий к антибиотикам. В Европе бьют тревогу: уровень резистентности, например, пневмонии достиг 60% — в полтора раза больше, чем четыре года назад. В последние годы пневмония и другие инфекции, вызываемые только патогенными бактериями, резистентными к существующим антибиотикам, ежегодно уносят жизни примерно 25 тыс. европейцев. Многие помнят нашумевшую в 2011 году историю, когда в Германии острой кишечной инфекцией заразились более 2000 человек, более 20 человек умерли, а у 600 вследствие болезни отказали почки. Причиной стала устойчивая к ряду групп антибиотиков кишечная палочка E. coli, принесенная, как сначала думали, на огурцах, а затем, как выяснилось, на проростках пажитника. По прогнозам ВОЗ, через десять — двадцать лет все микробы приобретут устойчивость к существующим антибиотикам.

Но оружие против бактерий есть у природы. И ученые пытаются поставить его на службу медицине.

Бактериальные надсмотрщики

Бактерии долгое время считались самой многочисленной популяцией живых организмов на Земле. Однако не так давно выяснилось, что бактериофагов (бактериальных вирусов) еще больше. Немного, конечно, странная ситуация: почему же тогда фаги не изничтожили все бактерии? Как всегда, в природе все непросто. Природа устроила микромир таким образом, чтобы популяции фагов и бактерий пребывали в динамическом равновесии. Достигается это избирательностью фагов, теснотой их общения с соответствующими бактериями, способами защиты бактерий от фагов.

figure class="banner-right"

figcaption class="cutline" Реклама /figcaption /figure

Считается, что фаги почти такие же древние, как и бактерии. Открыли их почти одновременно Фредерик Творт и Феликс Д’Эрель в начале XX века. Первый, правда, не рискнул обозначить их как новый класс вирусов. Зато второй методично описал вирусы дизентерийных бактерий и назвал их в 1917 году бактериофагами — пожирателями бактерий. Д’Эрель, смешивавший бактерии и вирусы, увидел, как культура бактерий буквально растворялась на глазах. И почти сразу же французский ученый стал делать попытки использования вирусов против дизентерии в детской клинике. Любопытно, что потом француз продолжил свои эксперименты в Тбилиси и открыл там институт, который занимался почти исключительно вопросами фаговой терапии. Вслед за Д’Эрелем фагами увлеклись многие ученые и медики. Где-то их опыты были удачными и вдохновляющими, где-то провальными. Теперь это легко объяснить: бактериофаги очень избирательны, практически каждый вирус выступает против какой-то определенной бактерии, иногда даже конкретного ее штамма. Конечно, если потчевать больного не теми фагами, то лучше ему не станет. А в 1929 году Александр Флеминг открыл первый в мире антибиотик — пенициллин, и с начала 1940-х началась эра антибиотиков. Как часто бывает, о бактериофагах практически забыли, и только в России и в Грузии продолжали потихоньку производить фаговые препараты.

Интерес к бактериофагам возродился в 1950-х, когда их стали использовать в качестве удобных модельных организмов. «Многие фундаментальные открытия в молекулярной биологии, связанные с генетическим кодом, репликацией и другими клеточными механизмами, были сделаны во многом благодаря бактериофагам», — рассказывает руководитель лаборатории молекулярной биоинженерии Института биоорганической химии (ИБХ) им. М. М. Шемякина и Ю. А. Овчинникова РАН Константин Мирошников . Взрывное развитие микробиологии и генетики накопило огромные знания как о фагах, так и о бактериях.

Лаборатория Вадима Месянжинова ИБХ РАН, где пятнадцать лет назад вместе работали Константин Мирошников, Михаил Шнейдер , Петр Лейман и Виктор Костюченко , занималась бактериофагами, в частности фагом Т4. «Так называемые хвостатые фаги делятся на три группы, — рассказывает Мирошников. — У одних маленький, почти символический хвостик, у других — длинный и гибкий, а у третьих — сложный, многокомпонентный сократимый хвост. Последняя группа фагов, к которой относится Т4, называется миовиридами». На картинках Т4 напоминает фантастический летающий объект с головкой, в которой находится ДНК, с прочным хвостом и ножками — белками-сенсорами. Нащупав ножками-сенсорами подходящую бактерию, бактериофаг прикрепляется к ней, после чего наружная часть хвоста сокращается, проталкивая вперед внутренний поршень, протыкающий оболочку бактерии. За это хвост фага прозвали молекулярным шприцем. Через поршень фаг вводит в бактерию свою ДНК и ждет, когда в ней наплодится его потомство. После завершения репродуктивного цикла детки фага разрывают стенку бактерии и способны к заражению других бактерий.

Петр Лейман исследует механизмы нападения бактерий на конкурентов в Швейцарском институте технологий

Ученые, по словам Константина Мирошникова, долго не хотели верить, что фаг использует такой примитивный метод — механическое протыкание бактерии, — ведь практически все биологические процессы построены на биохимических реакциях. Тем не менее оказалось, что так и есть. Правда, это всего лишь часть процесса. Как позже выяснилось, механически протыкается наружная оболочка бактерии — плазматическая мембрана. В составе молекулярного шприца есть фермент лизоцим, который проделывает небольшое отверстие во внутренней оболочке клетки. Наибольший интерес для ученых представлял белок «шприца» — его своеобразная игла, которая протыкает внешнюю оболочку. Оказалось, что он, в отличие от многих других белков, обладает замечательно стабильной структурой, что, видимо, необходимо для такого сильного механического воздействия. Российские ученые вместе с коллегами из Университета Пурдью (США) построили молекулярную модель фага Т4. В дальнейшем, изучая подробности этого необычного молекулярного оружия бактериофага, ученые натолкнулись еще на одну загадку. Электронная микроскопия, выполненная Виктором Костюченко, показала, что на конце иглы есть еще один маленький белочек. И в лаборатории вновь задались вопросом: что же это за белок и зачем он нужен? Однако в то время понять это не удалось. Один из учеников Вадима Месянжинова, Петр Лейман, работавший после ИБХ в Университете Пурдью, а затем в Швейцарском институте технологии в Лозанне (EPFL), позднее вернулся к этой теме, правда, с другой стороны — со стороны бактерий. Одним из фокусов работы новой лаборатории стали не бактериофаги, а бактерии, которые атакуют своих недружелюбных соседей при помощи машинки, очень похожей на молекулярный шприц фага. По-научному она называется системой секреции 6-го типа (СС6Т). И эта система оказалась еще более интересной.

Смерть на кончике иглы

«Система секреции шестого типа была открыта в 2006 году, — рассказывает Петр Лейман. — Однако в то время еще было не ясно, насколько она похожа на хвост бактериофага. Это открытие было сделано благодаря накопленным знаниям об отсеквенированных геномах сотен бактерий». В течение последующих трех лет исследований выяснилось, что конструктивно СС6Т — это почти то же, что и хвост бактериофага. Он также имеет внешний сокращаемый чехол, внутренний поршень и иглу с наконечником. И эта молекулярная машина пробивает дырку в оболочке бактерии. По словам Константина Мирошникова, вполне возможно, что за миллионы лет сосуществования предприимчивая бактерия вполне могла перенять от бактериофага его оружие, для того чтобы использовать его в борьбе с другими бактериями. При этом бактерия избавилась от фаговой «головы» — чужая генетическая информация бактерии была не нужна. Зато его чудесный хвост она вставила в свой геном. Правда, бактерия его значительно модифицировала. СС6Т намного сложнее, чем молекулярный шприц бактериофага. Бактериофаг делает аккуратную дырочку, не намереваясь мгновенно убить бактерию, чтобы потом размножиться в ней. Бактерии же нужно быстро и гарантированно убить бактерию-конкурента, поэтому она сразу делает много больших дырок в теле врага.

Группа Петра Леймана в сотрудничестве с Михаилом Шнейдером из лаборатории ИБХ среди прочих задач искала в этой системе тот самый маленький белочек на конце шприца, который когда-то они увидели у бактериофага Т4. Они-то не сомневались, что он там есть и что у него должна быть важная функция в этом механизме. «Многие не верили, что на кончике иглы что-то есть и что это может быть важно, — рассказывает Петр Лейман. — А мы упорно искали. И все-таки мы его нашли!» Ученые выяснили, что к этому маленькому белку-наконечнику могут присоединяться различные токсины, которые неминуемо убьют другую бактерию, после того как ее проткнет наконечник. В частности, выяснилось, что одним из таких токсинов может быть лизоцим, аналог того, что сидит и на молекулярном шприце фага. Но, сидя на фаге, он проделывает крохотную дырочку в клеточной стенке и не проникает внутрь бактерии, а в СС6Т он разрушает клеточную стенку бактерии, что ведет к ее гибели. Впрочем, лизоцим не единственный токсин, который использует бактерии, их десятки и сотни. Причем, по словам Леймана, они могут проникать в чужую бактерию, как сидя на наконечнике, так и выпрыскиваясь изнутри шприца. Но и на этом хитрости не заканчиваются. Оказалось, что у бактерии есть несколько таких сменных наконечников, которые она выбирает в зависимости от того, на какого недруга собирается нападать и чем будет этого недруга потчевать. Ну и еще одна инновация бактерии: СС6Т — система не одноразовая, как молекулярный шприц бактериофага, а многоразовая. После того как она протыкает бактерию-врага и доставляет в нее токсины, та часть системы, что находится внутри нападающей клетки, распадается на элементы, из которых бактерия собирает новый «шприц» — систему СС6Т, заряженную токсинами. И снова готова к бою.

Михаил Шнейдер (слева) и Константин Мирошников из ИБХ РАН участвуют в работе международной группы по изучению сходных систем бактериофагов и бактерий

Фото: Олег Сердечников

Это интересное фундаментальное открытие (посвященная ему статья опубликована недавно в Nature), однако, требует продолжения. «Пока для нас одна из самых загадочных вещей, — продолжает Лейман, — как система секреции отбирает для транспортировки сменные наконечники и токсины. У нас уже есть некоторые наработки, но мы еще в процессе». Петр Лейман не сомневается, что в ближайшие годы эти детали наконец будут прояснены. Над этим, по его словам, только в Швейцарии работают несколько лабораторий и еще десятки лабораторий во всем мире. Знание о том, как работает убийственный механизм СС6Т, может способствовать разработке нового класса лекарств, которые будут избирательно убивать болезнетворные бактерии. Медицина этого открытия очень ждет.

Время запускать фагов

Эра антибиотиков, начавшаяся в середине прошлого века и вызвавшая всеобщую эйфорию, похоже, заканчивается. И об этом предупреждал еще отец антибиотиков Флеминг. Он предполагал, что хитроумные бактерии будут все время изобретать механизмы выживания. Всякий раз, сталкиваясь с новым лекарством, бактерии словно проходят сквозь бутылочное горлышко. Выживают сильнейшие, приобретшие механизм защиты от антибиотика. Кроме того, безудержное и неконтролируемое использование антибиотиков, особенно в сельском хозяйстве, ускорило приближение конца их эры. Чем активнее применялись антибиотики, тем быстрее приспосабливались к ним бактерии. Особой проблемой стали внутрибольничные инфекции, возбудители которых чувствуют себя как дома в святая святых — стерильных отделениях клиник. Там, среди больных с ослабленным иммунитетом, даже так называемые условно-патогенные микробы, не представляющие для здорового человека никакой опасности, но приобретшие солидный спектр устойчивости к антибиотикам, становятся жестокими патогенами и добивают пациентов.

По словам Михаила Шнейдера, антибиотики, как правило, берутся из природы, как тот же пенициллин. Синтезированных антибиотиков очень мало: трудно поймать в бактериях уязвимые места, на которые можно было бы нацелиться. К тому же, сетуют медики, разработчики не очень охотно берутся за создание новых антибиотиков: мол, возни с разработками много, устойчивость к ним вырабатывается у бактерий слишком быстро, а цена на них не может быть такой высокой, как, к примеру, на антираковые препараты. По некоторым данным, к концу первого десятилетия XXI века лишь полтора десятка новых антибиотиков находились в разработках крупных компаний, да и то на очень ранних стадиях. Тут-то и стали вспоминать о природных врагах бактерий — бактериофагах, которые хороши еще и тем, что практически нетоксичны для человеческого организма.

В России терапевтические фаговые препараты делают давно. «Я держал в руках затрепанную методичку времен финской войны по применению фагов в военной медицине, фагами лечили еще до антибиотиков, — рассказывает Константин Мирошников. — В последние годы фаги широко использовали при наводнениях в Крымске и Хабаровске, чтобы предотвратить дизентерию. У нас такие препараты в промышленных масштабах много лет делает НПО “Микроген”. Но технологии их создания давно нуждаются в модернизации. И мы последние три года сотрудничаем с “Микрогеном” по этой теме».

Бактериофаги кажутся отличным оружием против бактерий. Во-первых, они высокоспецифичны: каждый фаг убивает не просто свою бактерию, но даже конкретный ее штамм. По словам Михаила Шнейдера, бактериофаги можно было бы использовать и в средствах диагностики для определения бактерий до штаммов, и в терапии: «Их можно использовать и сами по себе, и в комбинации с антибиотиками. Антибиотики хотя бы частично ослабляют бактерии. А фаги могут добить их».

Сейчас во многих лабораториях думают, как можно было бы использовать как бактериофаги, так и их компоненты против бактериальных инфекций. «В частности, американская компания Avidbiotics разрабатывает продукты на основе бактериоцинов, которые представляют собой модифицированный фаговый хвост — молекулярный шприц, направленный на уничтожение вредоносных бактерий, — рассказывает Михаил Шнейдер. — Они создали своеобразный молекулярный конструктор, у которого можно легко менять сенсорный белок, распознающий конкретную патогенную бактерию, благодаря чему можно получить много высокоспецифичных препаратов». Сейчас в разработке компании — препараты, которые будут направлены против кишечной палочки, сальмонеллы, шигеллы и других бактерий. Кроме того, компания готовит препараты для продовольственной безопасности и заключила соглашение с компанией DuPont о создании класса антибактериальных агентов для защиты продуктов питания.

Перед Россией, казалось бы, широкая дорога для создания новых классов препаратов на основе фагов, но пока энергичных действий в этом плане не видно. «Мы не производственники, но примерно себе представляем, в какую канитель могут вылиться сертификация и внедрение современного препарата на основе фагов или бактериоцинов, — говорит Мирошников. — Ведь он должен будет пройти путь нового лекарства, а это занимает до десятка лет, потом еще нужно будет утверждать каждую деталь такого конструкторского препарата с заменяемыми частицами. Пока что мы можем давать лишь научные рекомендации, что можно было бы сделать». А в том, что делать надо, нет сомнений ни у кого из тех, кто осведомлен о катастрофе с антибиотиками.

На смену фагам вскоре могут прийти и новые технологии, которые будут использовать механизмы СС6Т. «Мы еще в процессе исследований и пока далеки от рационального использования системы секреции шестого типа, — говорит Петр Лейман. — Но я не сомневаюсь, что эти механизмы будут раскрыты. И тогда на их основе можно будет делать не только высокоспецифичные препараты против злостных бактерий, но и использовать их как средство доставки нужных организму белков, даже очень крупных, что сейчас является проблемой, а также доставки лекарств, например, в опухолевые клетки».