Продукты биотехнологии антибиотики способны подавить рост вирусов

Кирилл Стасевич, биолог

Какие слабые места антибиотики находят у бактерий?

Во-первых, клеточная стенка. Любой клетке нужна какая-то граница между ней и внешней средой — без этого и клетки-то никакой не будет. Обычно границей служит плазматическая мембрана — двойной слой липидов с белками, которые плавают в этой полужидкой поверхности. Но бактерии пошли дальше: они кроме клеточной мембраны создали так называемую клеточную стенку — довольно мощное сооружение и к тому же весьма сложное по химическому строению. Для формирования клеточной стенки бактерии используют ряд ферментов, и если этот процесс нарушить, бактерия с большой вероятностью погибнет. (Клеточная стенка есть также у грибов, водорослей и высших растений, но у них она создаётся на другой химической основе.)

Во-вторых, бактериям, как и всем живым существам, надо размножаться, а для этого нужно озаботиться второй копией

Третья мишень антибиотиков — это трансляция, или биосинтез белка. Известно, что ДНК хорошо подходит для хранения наследственной информации, но вот считывать с неё информацию для синтеза белка не очень удобно. Поэтому между ДНК и белками существует посредник — матричная РНК. Сначала с ДНК снимается РНК-копия, — этот процесс называется транскрипцией, а потом на РНК происходит синтез белка. Выполняют его рибосомы, представляющие собой сложные и большие комплексы из белков и специальных молекул РНК, а также ряд белков, помогающих рибосомам справляться с их задачей.

Например, клеточная стенка бактерий — мишень для хорошо известного антибиотика пенициллина: он блокирует ферменты, с помощью которых бактерия осуществляет строительство своей внешней оболочки. Если применить эритромицин, гентамицин или тетрациклин, то бактерии перестанут синтезировать белки. Эти антибиотики связываются с рибосомами так, что трансляция прекращается (хотя конкретные способы подействовать на рибосому и синтез белка у эритромицина, гентамицина и тетрациклина разные). Хинолоны подавляют работу бактериальных белков, которые нужны для распутывания нитей ДНК; без этого ДНК невозможно правильно копировать (или реплицировать), а ошибки копирования ведут к гибели бактерий. Сульфаниламидные препараты нарушают синтез веществ, необходимых для производства нуклеотидов, из которых состоит ДНК, так что бактерии опять-таки лишаются возможности воспроизводить свой геном.

Почему же антибиотики не действуют на вирусы?

Что произойдёт, если к клеткам с вирусной инфекцией добавить, например, антибиотик, прерывающий процесс образования клеточной стенки? Никакой клеточной стенки у вирусов нет. И потому антибиотик, который действует на синтез клеточной стенки, ничего вирусу не сделает. Ну а если добавить антибиотик, который подавляет процесс биосинтеза белка? Всё равно не подействует, потому что антибиотик будет искать бактериальную рибосому, а в животной клетке (в том числе человеческой) такой нет, у неё рибосома другая. В том, что белки и белковые комплексы, которые выполняют одни и те же функции, у разных организмов различаются по структуре, ничего необычного нет. Живые организмы должны синтезировать белок, синтезировать РНК, реплицировать свою ДНК, избавляться от мутаций. Эти процессы идут у всех трёх доменов жизни: у архей, у бактерий и у эукариот (к которым относятся и животные, и растения, и грибы), — и задействованы в них схожие молекулы и надмолекулярные комплексы. Схожие — но не одинаковые. Например, рибосомы бактерий отличаются по структуре от рибосом эукариот из-за того, что рибосомная РНК немного по-разному выглядит у тех и других. Такая непохожесть и мешает антибактериальным антибиотикам влиять на молекулярные механизмы эукариот. Это можно сравнить с разными моделями автомобилей: любой из них довезёт вас до места, но конструкция двигателя может у них отличаться и запчасти к ним нужны разные. В случае с рибосомами таких различий достаточно, чтобы антибиотики смогли подействовать только на бактерию.

До какой степени может проявляться специализация антибиотиков? Вообще, антибиотики изначально — это вовсе не искусственные вещества, созданные химиками. Антибиотики — это химическое оружие, которое грибы и бактерии издавна используют друг против друга, чтобы избавляться от конкурентов, претендующих на те же ресурсы окружающей среды. Лишь потом к ним добавились соединения вроде вышеупомянутых сульфаниламидов и хинолонов. Знаменитый пенициллин получили когда-то из грибов рода пенициллиум, а бактерии стрептомицеты синтезируют целый спектр антибиотиков как против бактерий, так и против других грибов. Причём стрептомицеты до сих пор служат источником новых лекарств: не так давно исследователи из Северо-Восточного университета (США) сообщили о новой группе антибиотиков, которые были получены из бактерий Streptomyces hawaiensi, — эти новые средства действуют даже на те бактериальные клетки, которые находятся в состоянии покоя и потому не чувствуют действия обычных лекарств. Грибам и бактериям приходится воевать с каким-то определённым противником, кроме того, необходимо, чтобы их химическое оружие было безопасно для того, кто его использует. Потому-то среди антибиотиков одни обладают самой широкой антимикробной активностью, а другие срабатывают лишь против отдельных групп микроорганизмов, пусть и довольно обширных (как, например, полимиксины, действующие только на грамотрицательные бактерии).

Более того, существуют антибиотики, которые вредят именно эукариотическим клеткам, но совершенно безвредны для бактерий. Например, стрептомицеты синтезируют циклогексимид, который подавляет работу исключительно эукариотических рибосом, и они же производят антибиотики, подавляющие рост раковых клеток. Механизм действия этих противораковых средств может быть разным: они могут встраиваться в клеточную ДНК и мешать синтезировать РНК и новые молекулы ДНК, могут ингибировать работу ферментов, работающих с ДНК, и т. д., — но эффект от них один: раковая клетка перестаёт делиться и погибает.

Возникает вопрос: если вирусы пользуются клеточными молекулярными машинами, то нельзя ли избавиться от вирусов, подействовав на молекулярные процессы в заражённых ими клетках? Но тогда нужно быть уверенными в том, что лекарство попадёт именно в заражённую клетку и минует здоровую. А эта задача весьма нетривиальна: надо научить лекарство отличать заражённые клетки от незаражённых. Похожую проблему пытаются решить (и небезуспешно) в отношении опухолевых клеток: хитроумные технологии, в том числе и с приставкой нано-, разрабатываются для того, чтобы обеспечить адресную доставку лекарств именно в опухоль.

Что же до вирусов, то с ними лучше бороться, используя специфические особенности их биологии. Вирусу можно помешать собраться в частицу, или, например, помешать выйти наружу и тем самым предотвратить заражение соседних клеток (таков механизм работы противовирусного средства занамивира), или, наоборот, помешать ему высвободить свой генетический материал в клеточную цитоплазму (так работает римантадин), или вообще запретить ему взаимодействовать с клеткой.

Вирусы не во всём полагаются на клеточные ферменты. Для синтеза ДНК или РНК они используют собственные белки-полимеразы, которые отличаются от клеточных белков и которые зашифрованы в вирусном геноме. Кроме того, такие вирусные белки могут входить в состав готовой вирусной частицы. И антивирусное вещество может действовать как раз на такие сугубо вирусные белки: например, ацикловир подавляет работу ДНК-полимеразы вируса герпеса. Этот фермент строит молекулу ДНК из молекул-мономеров нуклеотидов, и без него вирус не может умножить свою ДНК. Ацикловир так модифицирует молекулы-мономеры, что они выводят из строя ДНК-полимеразу. Многие РНК-вирусы, в том числе и вирус СПИДа, приходят в клетку со своей РНК и первым делом синтезируют на данной РНК молекулу ДНК, для чего опять же нужен особый белок, называемый обратной транскриптазой. И ряд противовирусных препаратов помогают ослабить вирусную инфекцию, действуя именно на этот специфический белок. На клеточные же молекулы такие противовирусные лекарства не действуют. Ну и наконец, избавить организм от вируса можно, просто активировав иммунитет, который достаточно эффективно опознаёт вирусы и заражённые вирусами клетки.

Итак, антибактериальные антибиотики не помогут нам против вирусов просто потому, что вирусы организованы в принципе иначе, чем бактерии. Мы не можем подействовать ни на вирусную клеточную стенку, ни на рибосомы, потому что у вирусов ни того, ни другого нет. Мы можем лишь подавить работу некоторых вирусных белков и прервать специфические процессы в жизненном цикле вирусов, однако для этого нужны особые вещества, действующие иначе, нежели антибактериальные антибиотики.

Очевидно, различия между бактериальными и эукариотическими молекулами и молекулярными комплексами, участвующими в одних и тех же процессах, для ряда антибиотиков не так уж велики и они могут действовать как на те, так и на другие. Однако это вовсе не значит, что такие вещества могут быть эффективны против вирусов. Тут важно понять, что в случае с вирусами складываются воедино сразу несколько особенностей их биологии и антибиотик против такой суммы обстоятельств оказывается бессилен.

Впрочем, главный побочный эффект от антибиотиков связан как раз с тем, что они вредят мирной желудочно-кишечной микрофлоре. Антибиотики обычно не различают, кто перед ними, мирный симбионт или патогенная бактерия, и убивают всех, кто попадётся на пути. А ведь роль кишечных бактерий трудно переоценить: без них мы бы с трудом переваривали пищу, они поддерживают здоровый обмен веществ, помогают в настройке иммунитета и делают много чего ещё, — функции кишечной микрофлоры исследователи изучают до сих пор. Можно себе представить, как чувствует себя организм, лишённый компаньонов-сожителей из-за лекарственной атаки. Поэтому часто, прописывая сильный антибиотик или интенсивный антибиотический курс, врачи заодно рекомендуют принимать препараты, которые поддерживают нормальную микрофлору в пищеварительном тракте пациента.

Ознакомление с основами биотехнологии производства и контроля антибиотиков.

Оборудование и материалы

Мультимедийное оборудование, презентации MS Office Power Point по теме занятия.

Методика проведения занятия и методические указания по теме.

ТЕХНОЛОГИЯ БИОСИНТЕЗА ПРЕПАРАТОВ АНТИБИОТИКОВ ДЛЯ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА

Традиционные представления об антибиотиках, или антибиотических веществах, связаны с их широким применением в современной медицине и ветеринарии. Некоторые антибиотические препараты применяют как стимуляторы роста животных, в борьбе с болезнями растений, при консервировании пищевых продуктов и в научных исследованиях (в области биохимии, молекулярной биологии, генетике, онкологии).

В соответствии с классификацией, в основе которой лежит химическое строение, все описанные антибиотики можно разделить на следующие группы:

• 1) ациклические соединения (исключая жирные кислоты и терпены);
• 2) алициклические соединения (в том числе тетрациклины);
• 3) ароматические соединения;
• 4) хиноны;
• 5) кислородсодержащие гетероциклы;
• 6) азотсодержащие гетероциклические соединения;
• 7) пептиды.

Полностью химическая структура установлена для одной трети известных антибиотиков и только половина из них может быть получена химическим путем. Поэтому микробиологический способ получения антибиотических средств очень актуален.

Синтез микроорганизмами антибиотиков - одна из форм проявления антагонизма; связан с определенным характером обмена веществ, возникшим и закрепленным в ходе его эволюции, т. е. это наследственная особенность, выражающаяся в образовании одного и более определенных, строго специфичных для каждого вида антибиотических веществ. Воздействуя на постороннюю микробную клетку, антибиотик вызывает значительные нарушения в ее развитии. Некоторые из антибиотиков способны подавлять синтез оболочки бактериальной клетки в период размножения, другие воздействуют на ее цитоплазматическую мембрану, изменяя проницаемость, часть из них является ингибиторами реакций обмена веществ.

Несмотря на интенсивное изучение механизма действия различных антибиотиков, далеко не полностью выявлено их влияние на обмен веществ даже в клетках бактерий, которые являются основными объектами исследования.

В настоящее время описано более 3000 антибиотиков, но только 150 из них нашли практическое применение. Ниже будет рассмотрена технология производства тех из них, которые относятся к продуктам метаболизма микроорганизмов, и нашли применение в сельском хозяйстве в виде соответствующих добавок к кормам (кормовые антибиотики) и в качестве средств защиты растений.

В течение многих лет антибиотики используют как стимуляторы роста сельскохозяйственных животных и птицы, как средства борьбы с заболеваниями растений и посторонней микрофлорой в ряде бродильных производств, как консерванты пищевых продуктов. Их применение в сельском хозяйстве приводит к снижению заболеваемости и смертности, прежде всего молодняка, и к ускорению роста и развитию животных и птицы, способствует сокращению количества потребляемых кормов в среднем на 5-10 %. При применении антибиотиков в свиноводстве от каждой 1000 свиней дополнительно получают 100-120 ц мяса, от 1000 кур-несушек - до 15 тыс. яиц в год.

Механизм стимулирующего действия антибиотических веществ также нельзя считать полностью выясненным. Видимо, стимулирующий эффект воздействия низких концентраций антибиотиков на организм животного связан, в основном, с двумя факторами: воздействием на микрофлору кишечника или непосредственным влиянием на организм животного. В первом случае антибиотики способствуют увеличению числа полезных микроорганизмов, синтезирующих витамины и преобладающих над патогенными формами. Они снижают число вредных для организма животного, микробов, использующих биологически активные вещества и образующих токсины, имеющие патогенные или условно патогенные формы. Антибиотики оказывают влияние на микроорганизмы, присутствующие в кишечнике, способствуя созданию устойчивых штаммов, менее вредных для животного, изменяют метаболизм присутствующих микробов. Они вызывают перемещение микроорганизмов в кишечнике животного; под их влиянием наблюдается снижение субклинических инфекций, часто замедляющих развитие молодняка, снижение pH содержимого кишечника, уменьшение поверхностного натяжения клеток организма, что способствует ускорению их деления.

Во втором случае в организме животного наблюдается синергизм действия гормонов, растет количество ростовых гормонов, ускоряется процесс потребления пищи, растет приспособляемость организма к неблагоприятным условиям. Под влиянием антибиотиков снижается потребность животного в витаминах, увеличивается синтез витаминов тканями, стимулируется синтез сахаров и витамина А из каротина, растет скорость синтеза ферментов, образуется меньше побочных продуктов. Кроме того, растет абсорбционная способность тканей, стимулируется потребление метаболитов.

Кормовые антибиотики применяют в виде неочищенных препаратов, которые представляют собой высушенную биомассу продуцента, содержащую помимо антибиотика аминокислоты, ферменты, витамины группы В и другие биологически активные вещества. Получаемые препараты стандартизуют по активности или количеству входящего в их состав основного вещества, учитывая или не учитывая присутствие в нем витамина В_!2. Все производимые кормовые антибиотики: а) не используются в терапевтических целях и не вызывают перекрестной резистенции бактерий к антибиотикам, применяемым в медицине; б) практически не всасываются в кровь из пищевого тракта; в) не меняют своей структуры в организме; г) не обладают антигенной природой, способствующей возникновению аллергии.

При длительном применении одного и того же препарата существует опасность возникновения антибиотикоустойчивых микроорганизмов. Для ее предупреждения периодически меняют используемые антибиотические вещества или применяют смесь антибиотиков, позволяющую поддерживать первоначально достигнутый эффект на необходимом уровне.

В СССР уже в течение нескольких десятков лет выпускаются кормовые препараты на основе хлортетрациклина - биовит, или биомицин кормовой с различным начальным содержанием антибиотика и витамина Bi₂. В настоящее время производство кормовых антибиотиков основывается и на других препаратах немедицинского назначения, таких, как бацитрацин, гризин, гигромицин-Б и др.

В течение последних 20 лет антибиотики используют как средство борьбы с различными фитопатогенами. Источники заражения растений фитопатогенными микроорганизмами различны. Не составляют исключения и семена самого растения, идущие на посев. Воздействие антибиотического вещества сводится к задержанию роста или гибели фитопатогенных микроорганизмов, находящихся в семенах и вегетативных органах растения.

Получаемые препараты должны быть высокоактивными против возбудителя заболевания в окружающей растение среде, безвредными в применяемых для растения дозах, способными сохранять антибиотическую активность в течение необходимого времени и легко проникать в соответствующие ткани растения.

К числу антибиотических веществ, нашедших наиболее широкое применение в борьбе с фитопатогенами, относятся, прежде всего, фитобактериомицин, трихотецин и полимицин.

Применение антибиотиков в пищевой промышленности позволяет в значительной степени снизить длительность термообработки различных продуктов питания при их консервировании. А это, в свою очередь, обеспечивает большую сохранность присутствующих в них биологически активных веществ, вкусовых качеств, консистенции продуктов. Используемые антибиотики воздействуют в основном на кло- стридиальные и термофильные бактерии, устойчивые к нагреванию. Наиболее эффективным антибиотиком при консервировании овощей общепризнан в РФ и за рубежом низин. Он не токсичен для человека и позволяет вдвое уменьшить время термообработки овощей.

Технология производства любых антибиотиков немедицинского назначения, кроме тех, что используются в пищевой и консервной промышленности, строится по единой схеме, предусматривающей все стадии асептического промышленного культивирования штамма- продуцента и биосинтез антибиотика, предварительную обработку культуральной жидкости, ее вакуум-упаривание, сушку и стандартизацию готового продукта путем смешения с необходимым количеством наполнителя. В качестве последних обычно используют отруби, жмыхи различных культур и другие вещества органической и неорганической природы.

Динамика накопления антибиотика в культуральной жидкости в подавляющем большинстве случаев имеет типичный вид зависимости, характерный для биосинтеза вторичных метаболитов, т. е. максимум образования биомассы во времени предшествует максимуму антибио- тикообразования. Поэтому на первых этапах культивирования целью производства является накопление необходимого количества биомассы (антибиотик при этом практически отсутствует). Биосинтез антибиотика происходит на второй стадии производственного культивирования в основных ферментерах, причем время биосинтеза может в 2-3 раза превышать время, затрачиваемое на культивирование штам- ма-продуцента.

Однако это миф. Нет ни одного продукта, который способен защитить нас от вируса, утверждает директор ФГБУН "ФИЦ питания и биотехнологии", член-корреспондент РАН, доктор медицинских наук, профессор Дмитрий Никитюк. Конечно, и чеснок, и лимон, и имбирь содержат полезные биологически активные соединения, но панацеей - средством, которое способно противостоять инфекции, они не являются.

Чеснок, имбирь, куркума, лимон полезны как для организма в целом, так и для иммунитета в частности, говорит профессор ФМБА России, врач персонифицированной медицины Маргарита Королева. Например, куркума богата железом, кальцием, фосфором, йодом, рядом витаминов и обладает иммуномодулирующими свойствами. А содержащийся в ней куркумин - природный антисептик, способный подавлять рост патогенной флоры в нашем кишечнике. Корень имбиря содержит витамины группы В, витамин С, внушительное количество кремния, бора и йода, много меди, а также сесквитерпен - вещество, способное подавлять рост вирусов. Кроме того, имбирь содержит аминокислоты.

Лимон является неплохим источником витамина С и хорошо поддерживает работу иммунной системы. Несмотря на кислый его вкус, он ощелачивает организм, а в условиях щелочной среды активность вирусной инфекции существенно снижается, обращает внимание Королева. Чеснок улучшает реологию крови и является натуральным антибиотиком (в составе аллицин), убивает большое число самых разнообразных бактерий, вирусов и паразитов уже на уровне кишечного тракта.

Иммунитет бывает специфический и неспецифический, уточняет врач-диетолог Ирина Лизун. Чтобы справляться с конкретным вирусом, будь то COVID-19 или обычный грипп, им нужно переболеть. Тогда иммунная система вырабатывает антитела. А когда мы пьем витамины, мы даем нашей иммунной системе общий способ защиты, это не защита от конкретного вируса. "Это все спекуляции и хайп", - уверена Лизун.

Существует еще одна народная версия борьбы с коронавирусом. В соцсетях предлагают противостоять ему с помощью "Швепса". При его производстве в малых дозах используется хинин - один из алкалоидов коры хинного дерева, который считался одним из средств против малярии. И поскольку сейчас тестируют лекарство против коронавируса на основе противомалярийных препаратов, многие решили, что "Швепс" поможет при COVID-19. "Но это сильно притянуто за уши", - уверена диетолог.

Звезды выбирают правильное питание

Ирина Безрукова, актриса театра и кино, телеведущая:

- Утро начинаю с горячей воды - натощак выпиваю полстакана. Пока готовлю завтрак, выпиваю еще пол-литра жидкости. Когда только начался карантин, я не ограничивала свое питание. Вероятно, так организм отреагировал на стрессовую ситуацию. Сейчас я вернулась к привычному рациону - системе раздельного питания. Благодаря ей я не раз приходила к нужному мне весу. Суть в разделении белков и углеводов за один прием пищи. Если это блюдо из мяса или птицы, то исключаются углеводы - хлеб, картофель и крахмалистые овощи, к примеру, кабачки. Кроме воды - стараюсь выпивать не менее двух литров в день - люблю чаи, в том числе травяные, завариваю кофе и цикорий.

Жасмин, российская певица:

- В интернете сейчас огромное количество шуток про то, что холодильник во время карантина - вещь опасная, что пижамы коварны и иногда лучше примерить брюки, а то есть риск не застегнуть их. Но я надеюсь 30 апреля успешно застегнуть брюки. Рацион изменился совсем немного. Всю неделю я придерживаюсь принципов правильного питания, и только один вечер в неделю, во время пятничного ужина с семьей, разрешаю себе абсолютно все. На диетах не сижу, просто стараюсь считать калории и соблюдать правильные пропорции БЖУ (белки, жиры, углеводы. - "РГ"). Мой рацион в основном - это овощи и рыба, в последнее время увлеклась салатами со всевозможными семенами и ростками.

Александр Олешко, актер, артист эстрады и кино, телеведущий, заслуженный артист России:

- Много не ем, не пью алкоголь, встаю в одно и то же время, делаю зарядку, работаю над собой, много читаю. Я должен быть в хорошей форме. Все, что я делаю сейчас, позволит после завершения карантина не потерять форму и не переживать, что наберу лишний вес. К этому делу я подошел очень осознанно. В первую неделю карантина занимался уборкой дома. Теперь я знаю, где и что лежит. Сейчас можно заняться наведением чистоты в своих мыслях, воспоминаниях, планах на будущее. Мне кажется, что сейчас наступил период включения мозгов. Нужно быть серьезным к себе, своему здоровью, своим близким. Ни в коем случае не пытаться кого-либо переделать. Стараться не накапливать обиды, спокойно и вежливо разговаривать друг с другом. Ведь накапливать обиды - значит накапливать свои будущие болезни.

Согдиана, российская певица:

- Сейчас появилось больше времени на приготовление еды. Если раньше это было паровое мясо, салаты - больше еда на скорую руку, то сейчас готовим более основательно. Это национальные блюда, в основном из узбекской кухни. Одно из них - ханум. Это рулет из теста с добавлением картофеля, готовится на пару. Чтобы держать себя в форме, стараюсь ограничивать порции, а также пить много воды. Она помогает снижать аппетит.

Врачи сами признают избыточное назначение таких препаратов. Как показывает статистика, около 50 процентов назначаются без острой надобности. И почти в каждой семье в домашней аптечке хранится парочка упаковок про запас.

Из-за такого бездумного использования антибиотиков их эффективность во всем мире стала снижаться: у большинства людей развилась резистентность (сопротивляемость) к ним. Сильные лекарства не действуют на человека в той мере, как это было раньше.

А теперь ученые обнаружили еще одну причину того, почему антибиотики не просто бесполезны, но иногда даже вредны для человека.

Как выяснилось в ходе масштабного исследования, лекарства такого рода запускают механизмы развития вирусной инфекции. И получается, что человек принимает антибиотики, чтобы побороть одну болезнь, но тем самым провоцирует развитие другой.

Подобный подход ошибочен и даже опасен для здоровья человека, предупреждают ученые из американского Университета Вашингтона в Сент-Луисе.

Они провели эксперимент с участием лабораторных мышей, которых предварительно заразили вирусом лихорадки Западного Нила. Грызунам регулярно на протяжении двух недель давали смесь из четырех антибиотиков. Результатом этого стало то, что по окончании 14 дней у грызунов кишечник полностью очистился от всех бактерий.

Тогда биологи пошли дальше - заразили подопытных вирусом и пронаблюдали, как при таких "стерильных" условиях будет развиваться инфекция.

Оказалось, что антибиотики стали причиной того, что ход инфекции только усугубился: 80% мышей с очищенным кишечником умерло от острой формы лихорадки Западного Нила. Этот показатель смертности оказался в четыре раза выше по сравнению с мышами из контрольной группы (20%).

"Пить или не пить. " Фото: GLOBAL LOOK PRESS

Как предполагают биологи, уничтожение микрофлоры приводит к ослаблению иммунной системы и уменьшению числа особых телец, Т-клеток, которые отвечают за распознавание новых инфекций и производство антител, подавляющих вирусы.

Наш эксперимент ясно показывает, что иммунная система при отсутствии здоровой микрофлоры в кишечнике работает совершенно иначе. И далеко не в лучшую сторону, - подводит итоги работы Майкл Даймонд из университета Вашингтона в Сент-Луисе. - Поэтому я могу точно сказать, что антибиотики нужно принимать как можно реже. И только в случае бактериальной инфекции. И даже в этом случае помнить, что у таких лекарственных средств есть серьезные побочные эффекты, в том числе влияющие и на то, как тело сражается с вирусами.

Только за последний год в мире по причине устойчивости к антибиотикам умерло почти 700 тысяч человек. И это только официально зафиксированные случаи. И только по инфекционным заболеваниям.

ТАКЖЕ ПО ТЕМЕ:

Антибиотики: эффективность снижается, люди умирают из-за устойчивости к ним

С тех пор, как человечество открыло для себя антибиотики, начался обратный отсчет - у людей начала развиваться резистентность (сопротивляемость) к ним. Об этом на днях сообщила помощник министра здравоохранения РФ Ляля Габбасова , опираясь на данные Всемирной организации здравоохранения. Только за последний год в мире по причине устойчивости к антибиотикам умерло почти 700 тысяч человек. И это только официально зафиксированные случаи. И только по инфекционным заболеваниям (дальше)

Но лекарство может оказаться неэффективным, если оно подобрано не совсем правильно. Тяжелые бактериальные инфекции, при которых показаны антибиотики, можно выявить на основании симптомов болезни, по анализу крови и другим дополнительным исследованиям, - продолжает Никита Соловей. - Но когда врач приходит к вам на вызов, он должен ориентироваться только на ваш опрос и осмотр и при этом дифференцировать громадное число различных патологий. Если он видит, что пациент тяжелый, то зачастую назначает антибиотики, не зная четко локализацию инфекции. И это не только у нас. В других странах Европыврачи, часто имея четкие руководства, когда назначать или не назначать антибиотики, тоже перестраховываются (подробнее)

• 4358
• 3,7
• 3
• 10

Благодаря естественному отбору мы развили в себе способность к сопротивлению; мы не уступаем ни одной бактерии без упорной борьбы.
Герберт Уэллс. Война миров.

Сэр Александер Флемминг

Слава и мировое признание в науке — штука капризная и непредсказуемая. Многие слышали историю об открытии Александром Флемингом* первого из антибиотиков — пенициллина, — в которой, казалось бы, пустяковая случайность сыграла ключевую роль. В 1928 году в чашку для культивации бактерий, забытую на столе в его лаборатории, случайно попал плесневый гриб рода Penicillium, и Флеминг обратил внимание, что колонии микроба гибнут (лизируются) рядом с бляшкой плесени.

Спустя год, вдохновленный успехами своего коллеги, Джозеф Листер — профессор клинической хирургии Эдинбургского университета — посчитал, что Penicillium glaucum (та самая голубая плесень, хорошо знакомая любителям сыров) может неплохо послужить ему в качестве антисептика при проведении операций. И даже испробовал его на пациентке; тогда на вопросы этичности подобных вещей смотрели несколько проще. Пациентка выжила, однако Листер по какой-то причине тоже не потрудился опубликовать результаты своего эксперимента, и научный мир ничего не узнал о нём.

С тех пор пенициллиум ещё не раз попадал в поле зрения учёных, систематически наблюдавших и описывавших его способность угнетать рост бактерий. Тем не менее именно Флемингу с его настойчивостью удалось довести дело до конца [2].

На следующем этапе необходимо было выделить из культуры грибка активное вещество в чистом виде и научиться правильно им пользоваться. Первые попытки применить его на практике напоминали игру в рулетку, поскольку было неясно, кого первым убьет лекарство — возбудителя болезни или самого пациента. Позднее эту проблему удалось решить Говарду Флори и Эрнсту Чейну из Оксфордского университета. Определение безопасной дозы и расшифровка химической структуры позволили наладить массовое производство пенициллина уже к середине второй мировой войны, что оказалось как нельзя более вовремя [3].

Начиная с середины ХХ века, новые антибиотики начали появляться один за другим, и сперва на них возлагали большие надежды. Однако спустя некоторое время стало понятно, что быстрой и окончательной победы над инфекционными заболеваниями с их помощью, скорее всего, ждать не следует.

Фокус в том, что инфекция может быть действительно вызвана злыми бактериями, а может и чем-то другим — например, археями, грибами или даже протистами. И против всего этого великолепия антибиотики едва ли будут эффективны. С вирусами — ещё хуже. Вылечить антибиотиком какой-нибудь грипп или ОРВИ у вас не будет вообще ни единого шанса. В отличие от бактерии — клеточной структуры, обладающей собственным геномом, белоксинтезирующим аппаратом, ферментами метаболизма и проч., — вирус из всего вышеперечисленного имеет только геном. Фактически это всего лишь молекула ДНК или РНК, упакованная в белковый капсид, которая реплицируется внутри зараженной клетки хозяина, используя ее же ресурс. Этакий саботажник, проникший на чужую фабрику со своими чертежами и штампующий на фабричном станке копии самого себя. Ну не ломать же, в самом деле, ради того, чтобы остановить нарушителя, собственное оборудование!

Согласно данным статьи, недавно вышедшей в журнале Американской медицинской ассоциации [4], в США из десяти пациентов, обратившихся к врачу с жалобами на боль в горле, шестерым прописывают антибиотики. Препаратом выбора по-прежнему остается пенициллин из-за невысокой цены и хорошей переносимости. Между тем эффективен он, только когда инфекция вызвана стрептококком группы А, а это всего лишь один случай из десяти [5]. Выходит, что врач, прописывающий вам антибиотик при болях в горле, чаще всего либо не уверен в диагнозе, либо банально перестраховывается.

Более того, даже если причина инфекции в бактерии, это вовсе не гарантия, что конкретный антибиотик на нее подействует. Все зависит от того, с каким видом или даже штаммом приходится иметь дело. С одной стороны, это и хорошо, ведь в здоровом организме всегда присутствует своя микрофлора, которая живет с ним в благополучном симбиозе и которую лучше не трогать. С другой стороны, именно по этой же причине не существует универсальных препаратов, которые одинаково хорошо помогали бы от всего сразу. Чтобы не действовать наугад, перед тем как назначить лечение, обычно делают посев культуры из образца, взятого у больного, и поочередно проверяют ее на устойчивость к целому пулу антибиотиков, после чего выбирают наиболее подходящий. К несчастью, процедура эта требует как минимум нескольких дней и наличия микробиологической лаборатории под рукой, а инфекционный процесс часто протекает куда стремительней. И может статься так, что когда придут результаты анализов. лечить будет уже поздно.

Конечно же, исследователи ищут и другие способы диагностики инфекций на ранних стадиях, например, Алан Джармуш из Универистета Пурду предложил использовать для этих целей масс-спектральный анализ [6]. Большие надежды возлагают и на ДНК-диагностику возбудителей, хотя до широкого применения этих методов на практике пока ещё далеко.

Как это всё работает?

Механизмы воздействия современных антибиотиков на клетку-мишень могут быть самыми разными [7]. Представители бета-лактамной группы (куда входит и пенициллин) ингибируют синтез пептидогликана, составляющего основу клеточной стенки бактерий. Без него осмотическое давление внутри клетки разрушает плазматическую мембрану, и клетка лопается, как воздушный шарик. К сожалению, такие антибиотики лишь подавляют рост новых цепей пептидогликана, но не разрушают уже сформированные. Поэтому ими можно остановить деление клеток и их активный рост, однако ничего нельзя поделать с бактериями, находящимися в стадии покоя, или с так называемыми у которых клеточная стенка вообще отсутствует, но которые сохранили способность к развитию. Сульфаниламиды предпочитают бить по внутриклеточному метаболизму жертвы, например, блокируя химические реакции, необходимые для синтеза фолиевой кислоты. Бактерия не умеет поглощать витамины извне, поэтому невозможность синтезировать их самостоятельно для нее смертельна. Некоторые антибиотики (аминокумарины и фторхиноловые соединения) выводят из строя бактериальную ДНК-гиразу — фермент, расплетающий суперскрученную хромосому для ее репликации. Тем самым клетка лишается возможности копировать свою ДНК и размножаться. Еще один способ убить бактерию — это нарушить синтез ее белков. По этой схеме работают тетрациклиновые антибиотики: они присоединяются к малой субъединице бактериальной рибосомы — органеллы, отвечающей за построение белков на матрице РНК [8].

Рисунок 2. Взаимодействие метициллин-устойчивого золотистого стафилококка и лейкоцита человека. Штамм MRSA252 является одной из наиболее частных причин госпитальных инфекций в США и Великобритании. Картинка: National Institute of Allergy and Infectious Diseases.

Рисунок 3. Лекарства составляют основу современной медицины. Картинка: NutritionFacts.org.

Маргарет Чан, глава Всемирной Огранизации Здравоохранения

Однажды начав масштабное применение антибиотиков в клинической практике, человечество вступило в гонку вооружений с миром прокариот, и продолжает вести ее по сей день. Микробиологам, химикам, занимающимся органическим синтезом, и фармакологам приходится постоянно подыскивать новые молекулы с более сильными бактерицидными свойствами или менять что-то в структуре уже имеющихся. Конечно, методы молекулярного дизайна [15] позволяют подобрать молекулу, которая будет длиннее или короче исходной, изменить её пространственную структуру и число возможных конформаций, увеличить либо уменьшить гидрофобность и суммарный заряд, свернуть в кольцо или просто случайным образом перетасовать структурные блоки. С помощью компьютерного моделирования (in silico [16]) или искусственных модельных систем можно даже попытаться просчитать ее поведение при взаимодействии с бактериальной мембраной и предугадать, в каком направлении следует искать [17]. Однако человеческая фантазия далеко не безгранична, и вовремя поспевать за обновлениями у соперника уже сейчас получается с немалым трудом. Дальше будет только сложнее, и в какой-то момент разработка новых антибиотиков просто закончится инновационным кризисом (некоторые данные, впрочем, позволяют предположить, что он уже наступил).

Рисунок 4. Устойчивость бактерий к антибиотикам — одна из серьезнейших проблем в фармакологии. Картинка: JAMA.

Оставшись безоружными, мы рискуем в будущем столкнуться с заболеванием, от которого у нас не будет противоядия. По масштабам последствий такое событие вполне сопоставимо с эпидемиями чумы, бушевавшими в средневековой Европе. При этом невозможно предсказать, откуда ждать угрозы. Те виды, которые еще вчера были совершенно безобидными, могут завтра превратиться в болезнетворные, едва научатся заражать нового хозяина. Наглядный пример — ВИЧ*, который начал свое существование с того, что его предшественник — вирус иммунодефицита обезьян (ВИО), однажды мутировав, перепрыгнул видовой барьер и прекрасно обжился на человеке [21]**.

* — Ухищрения, предпринимаемые ВИЧом для обхода барьеров нашей иммунной системы, невероятны [18], однако в некоторых случаях и ему можно подставить подножку [19]. — Ред.

Новейшие виды оружия

Можем ли мы выиграть эту гонку, в которой у бактерий столь явное преимущество? На самом деле альтернативы антибиотикам существуют. Некоторые из этих средств находятся на стадии изучения, другие — на стадии клинических испытаний. Третьи вообще не требуют медицинского вмешательства и основываются исключительно на здравом смысле.

Разумеется, самой простой и логичной идеей было бы если не помешать бактериям эволюционировать, то хотя бы искусственно притормозить этот процесс [22]. Как это осуществить на практике, впервые продемонстрировала группа Флойда Ромсберга [23]. Задача, которую исследователи поставили перед собой, заключалась в том, чтобы научиться управлять системой бактериального SOS-ответа, или SOS-репарации. Это явление хорошо известно микробиологам и было описано в научной литературе еще лет тридцать тому назад [24].

Контролируют SOS-систему два белка — RecA и LexA. Первый играет роль активатора; второй — репрессора. Пока все спокойно, LexA постоянно сидит на операторной области SOS-генов (SOS-боксе), не давая их прочесть и запустить — до тех пор, пока в распоряжении его оппонента не попадает фрагмент одноцепочечной ДНК. Связавшись с ней, RecA образует что-то вроде длинной нити (филамента), которая заставляет репрессор отсоединиться от операторной области и запускает SOS-репарацию. Как только запасы однонитевых фрагментов ДНК иссякают (т. е. когда все отремонтировано), LexA снова садится на свое место, и процесс прекращается.

Целью работы Ромсберга и его коллег был поиск низкомолекулярных соединений, которые не давали бы репрессору покинуть оператор ни при каких условиях, тем самым постоянно держа гены SOS-ответа выключенными. Им удалось отобрать несколько таких ингибиторов, способных работать в клетках E. coli в присутствии антибиотиков ципрофлоксацина и рифампицина, однако до клинических испытаний препарата дело так и не дошло.

Рисунок 5. Горизонтальный перенос генов у бактерий. Картинка: University of North Carolina.

Другой подход к решению проблемы — использовать против возбудителей инфекций их природных врагов. Бактериофаги — вирусы бактерий — сами способны эволюционировать не хуже своих жертв и за счет этого обходить механизмы их резистентности [26]. Одна из причин, по которой фаговая терапия пока мало представлена на рынке, не в том, что это сложно осуществить технически, а, скорее, в запутанном патентном законодательстве. До сих пор нет единого мнения, считать ли вирус живым. Если да, то право на его использование в коммерческих целях становится намного сложнее получить, поэтому все усилия фармацевтических компаний сводятся к тому, чтобы юридически признать бактериофаг чем-то вроде вакцины или вектора для генетического клонирования [27]. В любом случае, и работать с таким высокоспецифичным и изменчивым лекарством, и писать к нему инструкцию — непростое дело. Есть и другие спорные моменты — например, не до конца ясно, как себя поведет тот или иной фаг, столкнувшись с иммунной системой человека. Да и вообще нет никакой гарантии, что, проникнув в клетку возбудителя, он ее тут же уничтожит. Вместо этого многие фаги предпочитают встроиться в бактериальную хромосому и законспирироваться там на неопределенное время.

Понятно, что бактерия погибнет, если целостность ее мембраны будет нарушена. Именно это и делает большая часть антимикробных пептидов (хотя и не все). Молекула, способная проделать дыру в мембране, должна, во-первых, быть небольшой и компактной, чтобы беспрепятственно проскочить сквозь наружную пептидогликановую оболочку, во-вторых, иметь суммарный положительный заряд, достаточный для электростатического притяжения к поверхности мембраны. (Остатки фосфорной кислоты в составе фосфолипидов заряжены отрицательно, что и придает отрицательный заряд мембране бактерии с наружной стороны. А вот внешняя сторона наших с вами клеток по сравнению с бактерией отрицательного заряда практически не несет.) И самое главное — одна половина этой молекулы должна быть гидрофобной, а другая гидрофильной.

Рисунок 6. Фаги атакуют клетку Escherichia coli. Картинка: Environmental Health Perspectives.