Мир на пороге апокалипсиса
Человеческая цивилизация устроена очень примечательным образом: мы хорошо запоминаем даты исторических событий, которые оказали, по сути, незначительное влияние на нашу историю, и совершенно игнорируем те, которые изменили её ход.
Одним из таких переломных дней стало 14 марта 1942 года, когда простой медицинской сестре по имени Энн Миллер ввели первую дозу пенициллина. Энн умирала от стрептококковой инфекции, периоды относительного благополучия сменялись днями высокой лихорадки, когда несчастная Энн впадала в забытье. Врачи, окружавшие её применили все возможные средства: проводили хирургическую обработку гнойных очагов, переливали кровь, и даже попробовали вводить сульфаниламидные препараты – лекарства из группы бактериостатических средств – последнее слово медицины того времени. Но все усилия оказались тщетными – зловредный стрептококк прочно прописался в организме и распространялся по кровотоку, давая всё новые и новые гнойные очаги. Дни Энн, казалось, сочтены. И тогда лечащий врач принял решение попробовать новое средство – пенициллин.
В сущности это был акт отчаянья – препарат ещё не производили промышленным способом, а данные о его безопасности базировались только на двух наблюдениях: безнадёжно больной раком Элве Эйкерс, которая позволила испытать на себе токсичность нового лекарства, и Альберте Александере, которого попытались вылечить от генерализованной стрептококковой инфекции, но несмотря на выраженный положительный эффект, он скончался от рецидива заболевания, поскольку для полноценного завершения курса у исследователей не хватило препарата.
И вот пришёл черёд Энн. Ей вводили по 100 мг пенициллина каждые 3 часа. Уже к исходу первых суток у неё нормализовалась температура тела, через пять дней ушли все симптомы инфекции, а на седьмые сутки лечение было завершено. Энн Миллер полностью поправилась. Она проживет долгую жизнь, и покинет наши мир 27 мая 1999 года. А в руках врачей окажется средство, которое, как тогда казалось, решит все проблемы человечества.
25 октября 1945 года «За открытие пенициллина и его лечебного эффекта при различных инфекционных заболеваниях» Александр Флеминг, Говард Флори и Эрнст Чейн получат Нобелевскую премию по физиологии и медицине.
В своей речи Александр Флеминг произнесёт слова, которые станут пророческими: «Может наступить время, когда пенициллин можно будет купить в любой аптеке. Тогда возникнет опасность того, что невежественный человек может неправильно рассчитать дозу и, подвергая свои микробы воздействию не смертельных, а лишь лечебных доз препарата, сделает их устойчивыми к нему».
Сейчас, спустя почти восемьдесят лет после этих слов, очевидно, насколько был прав великий учёный. Человечество не только получило уникальное оружие по борьбе со смертью, но и открыло Ящик Пандоры, обрекая себя на бесконечную гонку со своими извечными врагами – бактериями. Причиной этой гонки стало нарастающее число штаммов, устойчивых к антибактериальным препаратам – уже сейчас, когда уважаемые читатели читают эти строки, на Земле есть бактерии, АБСОЛЮТНО устойчивые к ЛЮБЫМ антибиотикам.
В этой заметке мы постараемся разобраться, что же такое антибиотикорезистентность (АБР) и есть ли какой-либо выход из сложившегося «позиционного тупика».
Начать этот рассказ, пожалуй, стоит с того, что проблема АБР возникла одновременно с открытием пенициллина. В том же 1942 году появились первые сообщения о штаммах золотистого стафилококка, резистентных к новому препарату, а к началу 60-х появились первые штаммы, абсолютно устойчивые к пенициллину. Более того, современные исследования показывают, что устойчивость бактерий к антибиотикам – широко распространённое явление. Так в 1952 году, были обнаружены штаммы культуры, которые были старше, чем период антибактериальной эры. Дальше – больше. В 1962 году были получены штаммы Bacillus licheniformis, выделяющие фермент пенициллиназу из спор, обнаруженных в образцах земли, которые сохранились на корнях растений из коллекции Британского музея, датированных 1689 годом. Шесть штаммов, проявлявших устойчивость к цефотаксиму и клиндамицину, были изолированы из кишечника Уильяма Брейна и Джона Хартнелла – участников экспедиции Франклина 1845 – 1847 гг (тех самых HMS «Эребус» и «Террор») – тела которых сохранились в полярных льдах. В 2008 году российскими генетиками из Института Молекулярной Биологии РАН были выделены устойчивые бактерии из вечной мерзлоты с возрастом ок. 20000 лет. А в 2011 году, из вечной мерзлоты Клондайка была получена бактериальная ДНК с генами устойчивости возрастом 30 тыс. лет.
Таким образом, на сегодняшний день можно уверенно утверждать, что АБР – это нормальное свойство бактерий, а не результат человеческой безалаберности (впрочем, без неё тоже не обошлось, но об этом позже).
Зачем же бактериям нужна такая особенность?
Содержать в геноме гены – удовольствие довольно «дорогое», а аптеки с антибиотиками появились меньше ста лет назад? На этот вопрос существует целых два ответа: простой и посложнее. Простой – появление генов устойчивости – результат случайной мутации в геноме бактерии, который привел к появлению нового признака. Так, например, обстоит дело с Clostridium из кишечника Брейна и Хартнелла – в геноме этих микроорганизмов последовательность, кодирующая специфические ферменты, разрушающие антибактериальные препараты, не имеет аналогов в природе, т.е. является результатом нормального мутационного процесса. В свою очередь, до начала эры антибиотиков такие штаммы-мутанты не имели селективного преимущества, и чаще всего не передавали свои признаки в ряду поколений (как уже было сказано выше, содержать бессмысленные гены в геноме для бактерий — это слишком дорогое удовольствие).
Второй ответ кроется в самой экологии бактерий. Дело в том, что бактерии являются сапрофитными организмами, т.е. в качестве источника пищи используют распадающиеся органические субстраты. Но дело в том, что есть ещё одно большое царство живых существ, которые также являются сапрофитами – грибы. И между бактериями и грибами тянется длинная история противостояния за право обладать распадающимися субстратами. Грибы, как представители эукариот и вообще полноценные многоклеточные существа, не стали ждать милости от природы и применили химическое оружие: стали выделять во внешнюю среду вещества, обладающие антибактериальными эффектами. Это химическое оружие и является антибактериальными препаратами – до настоящего времени, источником подавляющего числа групп антибиотиков (и даже некоторых противоопухолевых средств) являются микроскопические грибки. Бактерии же перешли в оборону и сделали ставку на ферментные системы, обезвреживающие антибактериальные препараты. И до тех пор, пока в эту борьбу не вмешался человек, всё шло нормально: грибы выделяли антибиотики, и если это работало, то место под солнцем получали они, а если нет, то бактерии. Учитывая, что бактерии, в целом, существа маломобильные, гены резистентности не имели особых шансов широко распространиться. Но пришёл человек, и началась, простите, лажа.
Тут-то мы переходим к вопросу личной и коллективной ответственности, поскольку у масштабного распространения АБР причиной являются исключительно действия человека.
Первое и самое простое, человек стал применять антибактериальные препараты так, как положит Бог на душу: при простом насморке и вирусных инфекциях, нарушая дозировку и длительность курса. Эти действия привели к тому, что селективное преимущество получили именно те микроорганизмы, у которых в геноме были гены устойчивости (причём совершенно не важно, полученные от предков или приобретённые в результате случайной мутации).
И мы переходим ко второй части Марлезонского балета. Дело в том, что у бактерий (на самом деле не только у них, но об этом как-нибудь в другой раз) кроме вертикальной передачи генов от «родителей» к «детям», есть ещё и горизонтальный перенос, т.е. среди условных «ровесников».
В настоящее время известно аж три способа горизонтального переноса генов: трансдукция, трансформация и коньюгация. Трансформация происходит при встраивании в бактериальный вирусного (как правило фагового) генома. Этот механизм практически не играет роли в приобретении бактериями АБР и о нём мы поговорим как-нибудь в другой раз. А вот конъюгация и трансдукция имеют непосредственное отношение к проблеме.
В процессе конъюгации две живые бактерии, причём это могут быть бактерии совершенно разных таксонов, сливаются в экстазе своими цитоплазмами. Как правило обмен происходит плазмидами – небольшими автономными кольцевыми ДНК, которые находятся в цитоплазме, но бывают случаи и с обменом участка основной кольцевой ДНК. Так или иначе, но в результате этого процесса признаки одной бактерии передаются другой. И бывает так, что это именно признаки антибиотикорезистентности. Представим себе случай, при котором какая-нибудь безвредная почвенная бактерия встречается со стрептококком (который тоже нет-нет, да попадает в почву). Там они обмениваются плазмидой, которая кодирует ген пеницилинназы – фермента, разрушающего молекулу пенициллина. Этот стрептококк сразу получает некоторое преимущество перед своими собратьями, поскольку во внешней среде грибов-конкурентов достаточно, и дальше вопрос проникновения этого микроба в восприимчивую популяцию – дело времени. Попав, например, к человеку, бактерия, снова получает преимущество — на неё не действует лечение, но более того, среди устойчивых микробов под давлением отбора выбраковываются те особи, у которых меньше копий генов фермента. И в короткие сроки перед нами оказывается настоящий боевой 3,14дорас, выкованный из чистой стали. А в организме человека живут и другие бактерии, и наш герой не применит обменяться с ними своими плазмидами, в результате чего на выходе устойчивость будут иметь уже несколько устойчивых видов.
Но это ещё не всё. Другим, не менее чудесным, методом получения генов резистентности является трансдукция – поглощение живой бактерией целого генома или отдельных генов от своей погибшей товарки и встраивание их в свою ДНК. Допустим, герой предыдущего абзаца погиб в неравном бою с мылом Сейфгард. Однако его ДНК осталась, и какой-нибудь другой более удачливый микроб с удовольствием их подобрал: «Чьё? Ничье?! Моё будет!». А дальше ему нужно будет попасть в восприимчивый организм, и цепь событий повторится.
Так или иначе, но в современных условиях наибольшее преимущество получают микроорганизмы, имеющие те или иные гены АБР. И самое страшное началось, когда эти бактерии проникли в стены медицинских учреждений.
Медицинское учреждение – это вообще довольно специфический «биотоп», в нëм соблюдают сан-гиг мероприятия, т.е., например, моют стены и полы с мощными антисептическими растворами, и, в то же время, туда постоянно приходят и уходят люди, которые приносят всё новых и новых микроорганизмов в себе и на себе. Предположим, что кто-то принёс с улицы (например, на одежде или обуви) какого-нибудь микроба, не обязательно патогенного, но обладающего генами устойчивости. Там он погиб под действием зверского антисептика. Но ДНК-то осталась, и теперь любой уважающий себя патоген (а таких приходит туда гораздо больше) получит его гены. А поскольку в стационарах находятся люди со сниженными защитными свойствами организма, вопрос проникновения и размножения уже не будет вызывать таких уж сложностей, как это было бы со здоровым человеком. А дальше уже сами доктора со всем своим арсеналом антибиотиков выступят в качестве факторов отбора и способов передачи. В очень короткий срок такая цепь событий может превратить стерильное отделение в чумной барак.
Однако, у читателя может возникнуть справедливый вопрос: если всё так страшно, то почему до сих пор мы массово не вымираем от резистентных инфекций? На самом деле вымираем, но пока что не массово. Еще десять лет назад встретить устойчивый штамм в амбулаторной практике было практически невозможно, а сейчас это уже стало правилом, к счастью, нечастым.
Дело в том, что геном бактерий имеет естественное ограничение по объёму, т.е. в него нельзя впихнуть генов больше определённого количества. И при достижении этого значения, т.е. за каждый ген устойчивости, придётся расстаться с каким-либо другим признаком. А во-вторых, энергетические затраты на содержание такого генома делают бактерию чрезвычайно неэффективной в энергетическом плане в естественных условиях, где она проигрывает своим «диким» сородичам. По меткому выражению одного исследователя, полирезистентные штаммы, оказавшиеся в природе – это утончённые розы в диком поле, их «забьёт» любой сорняк. На этом эффекте, кстати, основан способ борьбы с заражёнными отделениями больниц: после того как там выявляют какой-либо штамм с множественной лекарственной устойчивостью, корпус тщательно обрабатывают и на некоторое время превращают в общественное пространство немедицинского назначения. За это время внутрибольничные штаммы вытесняются «дикими», а с ними можно бороться простыми способами, после чего здание снова пригодно для использования по прямому назначению.
Не менее эффективно работает временный отказ от определённого препарата. Штаммы, обладающие резистентностью, исключаются из популяции и через некоторое время препарат можно вернуть в оборот. Впрочем, чуть ли не единственный такой удачный пример – эритромицин.
Есть ли какой-то способ замедлить процесс распространения АБР? Можно, для этого есть несколько простых правил:
1. Использовать антибиотики узкого спектра действия, и, по возможности, после идентификации возбудителя и определения чувствительности;
2. Строго соблюдать дозировку и длительность курса антибактериальной терапии.
Однако, эти правила помогут замедлить, но не остановят приобретение бактериями АБР. Уже сейчас человечество начинает проигрывать в «гонке вооружений» — если в середине ХХ века антибиотики открывались десятками, то с начала XXI века получено всего два новых класса…
Есть ли какая-либо альтернатива антибактериальным препаратам или нам суждено вернуться в доантибиотиковую эру, где каждый насморк может стоить жизни? На самом деле есть – это фаготерапия и иммунотерапия.
Впрочем, это уже совсем другая история.
#Биология@inbioreactor
#Медицина@inbioreactor
#Микробиология@inbioreactor
#Эволюция@inbioreactor
#Нам_пишут@inbioreactor
#Заметка@inbioreactor
Текст: #Липилин@inbioreactor
Редактура: #Самсонова@inbioreactor #vasiliskats@inbioreactor
#Наука #Научпоп