Антибиотики: от панацеи до серьезной угрозы

Антибиотики – препараты, разделившие жизнь человечества на «до» и «после». Эти лекарственные средства на порядок снизили смертность от инфекционных заболеваний и стали настоящей находкой для хирургов, ведь бактериальные осложнения операций были настоящим вызовом. Но со временем репутация спасителя для антибиотиков стала портиться. Причина тому – эволюция. Бактерии научились подстраиваться к этому лекарству, и с каждым годом проблема резистентных штаммов инфекций становилась все более значимой. Какой ответ готовит наука?

Как работают антибиотики

Антибиотики – это вещества, угнетающие рост бактерий (или уничтожающие их). История антибиотиков начинается с 1928 года, когда британский микробиолог Александер Флеминг обнаружил, что плесень грибок Penicillium убивает стафилококки в его лабораторных чашках. Это открытие и положило начало эре антибиотиков, ставших одним из самых мощных инструментов в борьбе с бактериальными инфекциями.

Антибиотики действуют через несколько основных механизмов:

• Угнетение синтеза клеточной стенки. Многие антибиотики, такие как пенициллины и цефалоспорины, угнетают процессы образования клеточной стенки бактерий во время их размножения. Это приводит к разрушению бактериальной клетки, поскольку в дальнейшем она не в состоянии поддерживать свою структуру.
• Угнетение синтеза жизненно важных белков. Антибиотики таких классов, как тетрациклины, аминогликозиды и макролиды, оказывают негативное влияние на функции рибосом (молекулярные фабрики по продукции белков) бактериальных клеток, мешая процессу синтеза белка. Это критически важно для бактерии, поскольку белки необходимы всем аспектам ее жизнедеятельности, включая размножение.
• Нарушение функции клеточной мембраны. Некоторые антибиотики, например полимиксины, нарушают целостность клеточной мембраны бактерий, что приводит к утечке жизненно важных веществ из клетки и ее гибели.
• Угнетение синтеза нуклеиновых кислот. Некоторые антибиотики, например фторхинолоны, нарушают синтез ДНК или РНК, блокируя тем самым способность бактерий к размножению.
• Антиметаболиты. Некоторые антибиотики действуют как антиметаболиты, заменяя или блокируя важные метаболические молекулярные пути в бактериях. Примером могут служить сульфаниламиды, нарушающие процессы синтеза фолиевой кислоты, необходимой для синтеза нуклеиновых кислот.

Каждый из этих механизмов направлен на уникальные аспекты метаболизма или структуры бактерий, что делает антибиотики очень эффективными в лечении бактериальных инфекций.

Как бактерии становятся сильнее?

Резистентность бактерий к антибиотикам – их способность выживать и размножаться в присутствии антибиотиков, которые раньше могли их убивать или подавлять. Эта адаптация является результатом эволюции и природного отбора (когда выживают сильнейшие и дают потомство с определенным набором характеристик, позволяющих выживать в изменившейся среде). Вот основные механизмы адаптации бактерий к антибиотикам:

• Генетические мутации. Случайные мутации в ДНК бактерий могут привести к изменениям в белках-мишенях антибиотиков. Таким образом, эффективность антибиотиков уменьшается или полностью нивелируется.
• Горизонтальный перенос генов. Бактерии могут получать гены стойкости от других бактерий из-за разных типов взаимодействий. Такой обмен генами между микроорганизмами называется «горизонтальным переносом генов». Это позволяет бактериям значительно быстрее приобретать стойкость к антибиотикам.

• Биопленки. Некоторые бактерии могут образовывать биопленки. Это защитные структуры, уменьшающие проникновение антибиотиков и усиливающие выживаемость бактерий в неблагоприятных условиях.

Процесс такой адаптации может происходить с разной скоростью. Это зависит от многих факторов, например типа бактерии и антибиотика, а также условий окружающей среды. В некоторых случаях устойчивость может развиться очень быстро в течение нескольких дней или недель после введения нового антибиотика.

К наиболее известным примерам бактерий, развивших устойчивость к антибиотикам, относятся:

• метициллинрезистентный Staphylococcus aureus (MRSA);
• ванкомицинрезистентные энтерококки (VRE);
• множественно-стойкие штаммы Mycobacterium tuberculosis, вызывающие туберкулез;
• множественно-стойкие штаммы Neisseria gonorrhoeae, вызывающие гонорею.

Некоторые бактерии все еще остаются чувствительными к антибиотикам пожилого поколения, особенно если эти препараты используются под пристальным контролем. К таким бактериям можно отнести некоторые штаммы Streptococcus pneumoniae (пневмококк) и Streptococcus pyogenes (стрептококк группы А), которые эффективно лечатся пенициллином и другими бета-лактамными антибиотиками.

Как мы помогаем бактериям в этой войне за выживание?

Появлению и распространению резистентных штаммов бактерий способствуют несколько ключевых факторов:

• Неправильное использование лекарств. Частое и нецелевое применение антибиотиков (например, их использование для лечения вирусных инфекций, против которых антибиотики неэффективны) способствует развитию устойчивости. Неполный курс лечения также может привести к развитию резистентности, поскольку не уничтожаются все бактерии, и выжившие могут адаптироваться.
• Чрезмерное использование антибиотиков в сельском хозяйстве. Антибиотики широко используются в сельском хозяйстве не только для лечения, но и в качестве профилактических средств. Это приводит к развитию резистентности посреди микробов у сельскохозяйственных животных, которые могут передаваться человеку через пищевые продукты.
• Недостаточный контроль инфекции в медицинских учреждениях. Больницы и другие медицинские учреждения могут стать очагами распространения резистентных бактерий, особенно если в медучреждении не соблюдаются строгие процедуры по контролю за инфекциями.
• Глобальное перемещение людей и товаров. Международные поездки и торговля способствуют быстрому распространению резистентных бактерий по всему миру.
• Отсутствие новейших лекарств. Разработка новых антибиотиков существенно замедлилась в последние десятилетия.

• Ограниченный доступ к качественным медицинским услугам и антибиотикам. В некоторых регионах мира достаточно ограничен доступ к качественной медицинской помощи и антибиотикам. Это приводит к использованию неправильных, часто контрафактных или просроченных препаратов, что также способствует росту стойкости бактерий.

Борьба с антибиотикорезистентностью требует комплексного подхода, включая разумное использование антибиотиков, улучшение контроля за инфекциями, разработку новых лекарственных средств и усиление сотрудничества между странами.

Как наука пытается решить проблему

Для решения проблемы антибиотикорезистентности разрабатываются разные подходы и методы. В частности, разрабатываются новейшие технологии для поиска новых антибиотиков, альтернативные методы лечения инфекций, а также улучшаются методы контроля распространения резистентности. Вот некоторые из самых перспективных направлений:

• Искусственный интеллект (ИИ). Искусственный интеллект и машинное обучение предоставляют новые возможности для открытия антибиотиков. Это позволяет ученым анализировать огромные объемы данных гораздо быстрее и эффективнее, чем могут делать люди. Алгоритмы ИИ могут предусматривать активность соединений против бактерий, идентифицировать новые мишени для антибиотиков и оптимизировать химические структуры для повышения эффективности и снижения токсичности. К примеру, исследование, опубликованное в журнале «Cell» в 2020 году, описывает использование ИИ для идентификации мощного антибиотика «Halicin», способного бороться с рядом резистентных штаммов⁽¹⁾.
• Бактериофаги. Это вирусы, инфицирующие и уничтожающие бактерии. Фаготерапия – более древний (по сравнению с антибиотиками) метод лечения бактериальных инфекций, ведь эти вирусы были обнаружены до открытия Флеминга. Но сегодня научное и медицинское сообщество вновь заинтересовалось фагами как альтернативным методом лечения инфекций, особенно тех, которые устойчивы к антибиотикам. Бактериофаги могут быть специально подобраны для целевых бактерий, что делает их мощным инструментом борьбы с инфекциями.
• Антимикробные пептиды (АМП). Это короткие белковые молекулы, которые встречаются в иммунной системе многих организмов и обладают способностью убивать бактерии, вирусы и грибки.
• CRISPR/Cas системы. Технологии редактирования генов могут быть использованы для создания генетически модифицированных бактериофагов или для прямого уничтожения генов резистентности в бактериальных популяциях.⁽²⁾.

Пока что в этой погоне на выживание трудно давать прогнозы. Вышеупомянутые технологии дают нам повод на осторожный оптимизм.