В конце 2015 года коллектив китайских ученых опубликовал в журнале The Lancet Infectious Disease статью, в которой подвел итоги многолетних наблюдений и сообщил об открытии гена трансмиссивной устойчивости к колистину.
Таким образом, сбылись мрачные прогнозы многих исследователей и мир оказался на пороге появления бактериальных инфекций, для лечения которых даже формально не существует ни одного лекарственного препарата. Как подобное могло произойти, и какие это имеет последствия для нашего общества?
Колистин, относящийся к группе полимиксинов, является «антибиотиком запаса», то есть последним средством, применяющимся при инфекциях бактериями, которые устойчивы ко всем другим агентам. Как и многие другие антибиотики, колистин был открыт еще в 1950-е. Но уже начиная с 1970-х его практически не применяли в медицине; причина проста: это очень плохой антибиотик. Почти в половине случаев он проявляет нефротоксичность (дает осложнения на почки), к тому же к этому времени уже были открыты гораздо более эффективные и удобные карбапенемы и фторхинолоны. Колистин начал применяться для лечения больных только в последние десять лет, когда из-за распространения устойчивости к карбопенемам выбора у медиков почти не осталось.
Тем не менее, в ветеринарии колистин никогда не прекращал использоваться и до последнего времени входил в пятерку антибиотиков, применяющихся на фермах в Европе и других странах. Ученые уже давно обращали на это внимание и призывали полностью запретить применение критического для лечения людей антибиотика в сельском хозяйстве. Особую тревогу вызывала популярность колистина в Юго-Восточной Азии, где реальные масштабы оборота невозможно было отследить, тем более что потребление антибиотиков фермерами никак не регулируется законодательно.
Как работает колистин? Это вещество связывается с липидами на поверхности бактерий, что приводит к разрушению мембраны и последующей гибели клетки. До сих пор все случаи возникновения устойчивости к колистину были связаны с хромосомными мутациями, которые обычно сопровождались снижением жизнеспособности бактерий и, соответственно, не могли закрепиться и распространиться в популяции.
Однако недавно, во время рутинного мониторинга лекарственной устойчивости бактерий, выделяемых из образцов сырого мяса, (исследование проводилось в южном Китае с 2011 по 2014 год), ученые заметили подозрительно сильный рост количества устойчивых изолятов. Так, в 2014 году до 21 процентов исследованных образцов свинины содержали устойчивых к колистину бактерий. Когда биологи стали разбираться с этими штаммами, оказалось, что устойчивость определяется вовсе не хромосомными мутациями, а ранее неизвестным геном mcr-1.
Сравнение последовательности гена с последовательностями в базе данных позволило предположить, что он кодирует фермент, модифицирующий липиды бактерий так, что они теряют способность связывать антибиотик. Ген находится на плазмиде – отдельной молекуле ДНК, которая может свободно перемещаться между разными штаммами и даже родственными видами бактерий, придавая им дополнительные свойства. Наличие плазмиды никак не влияет на самочувствие бактерий и она стабильна даже при отсутствии колистина в среде.
Вывод авторов неутешителен: осталось совсем немного времени, до того момента как ген распространится по всему миру и у врачей может формально не остаться никаких опций для лечения некоторых инфекций. На самом деле, опций почти что нет уже и сейчас: высокая токсичность колистина делает его применение на практике затруднительным, то же касается и других антибиотиков «последнего резерва». При этом способность контролировать бактериальные инфекции с помощью антибиотиков является краеугольным камнем нашей медицины: без них невозможно себе представить ни химиотерапию рака, ни пересадку органов, ни сложные хирургические операции – все они заканчивались бы тяжелыми осложнениями.
Почему они не действуют
Несмотря на кажущееся разнообразие антибиотиков, большинство из них попадает в три основные группы в зависимости от мишени: ингибиторы синтеза клеточной стенки бактерий (бета-лактамы), антибиотики, ингибирующие синтез белка (тетрациклины, аминогликозиды, макролиды) и фторхинолоны, ингибирующие синтез ДНК бактерий.
Первый антибиотик, спасший миллионы жизней во время Второй мировой войны – пенициллин – относится к группе бета-лактамов. Успех пенициллина был таким, что его не только продавали без рецепта, но и, например, добавляли в зубные пасты для профилактики кариеса. Эйфория ушла, когда в конце 1940-х годов многие клинические изоляты золотистого стафилококка перестали реагировать на пенициллин, что потребовало создания новых химических производных пенициллина, таких как ампициллин или амоксициллин.
Основным источником резистентности стало распространение генов бета-лактамазы: фермента, расщепляющего ядро молекулы пенициллина. Эти гены не появились заново, ведь плесневые грибки, производящие пенициллин и бактерии сосуществовали друг с другом в природе миллионы лет. Впрочем, полностью синтетические фторхинолоны, появившиеся в клинической практике в начале 1980-х, уже через десять лет повторили судьбу пенициллина (сейчас уровни устойчивости к фторхинолонам в некоторых группах клинических изолятов доходят до 100 процентов за счет распространения хромосомных мутаций и переносимых факторов устойчивости, таких как транспортеры, откачивающие молекулы лекарств наружу).
На протяжении последних 60 лет проходило соревнование химиков-синтетиков и бактерий: на рынок выходили новые и новые группы бета-лактамных антибиотиков (цефалоспорины нескольких поколений, монобактамы, карбапенемы), устойчивые к расщеплению, а бактерии обзаводились бета-лактамазами нового класса со все более широким спектром действия. В ответ на распространение генов бета-лактамаз были разработаны ингибиторы этих ферментов: бета-лактамы, которые «застревают» в активном центре фермента, инактивируя его. Комбинации антибиотиков-бета-лактамов и ингибиторов бета-лактамазы, такие как амоксиклав (амоксициллин-клавулонат) или пиперациллин-тазобактам сейчас являются одними из основных назначаемых средств в клинической практике. Эти комбинации даже сейчас являются зачастую более эффективными, чем бета-лактамы последнего поколения. Тем не менее, помимо эволюции бета-лактамаз, которая делает их нечувствительными для конкретного ингибитора, бактерии освоили и другой трюк: сам фермент биосинтеза клеточной стенки, с которым связывается бета-лактам, может стать недоступным для антибиотика. Именно такая форма устойчивости наблюдается у печально известного MRSA (метициллин-устойчивого золотистого стафилококка). Такие инфекции не являются неизлечимыми, но требуют применения более токсичных и менее эффективных препаратов.
Откуда берется устойчивость
MRSA относится к классу бактерий, вызывающих так называемые нозокомиальные, или «больничные» инфекции. Именно они вызывают такое беспокойство у врачей, уже сейчас унося десятки тысяч жизней каждый год в США и Европе и значительно повышая стоимость лечения. Больницы, особенно реанимационные отделения, представляют собой идеальное место для размножения и отбора супер-устойчивых бактерий. Человек, попадающий в реанимацию, обладает ослабленным иммунитетом и требует неотложного вмешательства, поэтому там применяются самые мощные препараты максимально широкого спектра действия. Применение таких лекарств вызывает отбор бактерий, устойчивых сразу ко многим классам антибиотиков.
Микробы обладают способностью выживать на самых различных поверхностях, включая халаты, столы, перчатки. Катетеры и аппараты ИВЛ являются стандартными «воротами» для больничных пневмоний, заражения крови, инфекций мочеполовой системы. Причем MRSA далеко не самый страшный больничный патоген: он относится к группе грам-положительных бактерий, а значит имеет толстую клеточную стенку, в которую хорошо проникают молекулы разных веществ. Например, ванкомицин. Настоящий ужас у врачей вызывают грам-отрицательные Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa и Acinetobacter baumannii: у этих бактерий клеточная стенка укрыта липидной мембраной, в которую вещества попадают через узкие каналы. Когда бактерия чувствует присутствие антибиотика, она снижает количество таких каналов, что сразу же понижает эффективность лечения; к этому надо добавить переносимые на плазмидах транспортеры, которые откачивают наружу чудом попавшие внутрь клетки молекулы лекарства, и гены бета-лактамаз (гены устойчивости обычно переносятся комплексами, что дополнительно усложняет борьбу с бактериями). Именно для борьбы с такими инфекциями колистин зачастую оставался последним доступным врачам средством.
Тем не менее, как показывает практика, внедрение адекватных процедур контроля внутри больниц (тщательная проверка назначений, сложные процедуры гигиены при всех контактах, деконтаминация всех поверхностей и так далее) позволяет ограничить или даже снизить уровень количество устойчивых бактерий. Это связано с тем, что для бактерии устойчивость к антибиотику имеет свою энергетическую цену. В отсутствие давления отбора устойчивые микроорганизмы не выдерживают конкуренции со своими более быстрорастущими родственниками. К сожалению, такие стандарты медицины доступны только в некоторых больницах в развитых странах.
Почему так мало новых веществ
Большинство из применяемых сейчас препаратов были разработаны в 1950-1970-х годах, после чего разработка почти прекратилась на три десятилетия. Благодатная «золотая жила» — изучение почвенных бактерий-стрептомицетов, давшее почти все известные классы антибиотиков – почти истощилась: новые исследования давали только уже открытые вещества, а технологий и ресурсов для проведения масштабных скринингов библиотек химических веществ у лабораторий не было. Но дело далеко не только в этом. Отсутствие новых антибиотиков это следствие настоящего «совершенного шторма» совпавших причин, прежде всего экономических. Во-первых, новые антибиотики, в отличие от каких-нибудь иммуномодуляторов, нужны относительно небольшому числу пациентов, причем живут эти пациенты преимущественно (но не только!) в бедных странах. Во-вторых, курс лечения антибиотиком занимает несколько недель, а не годы, как у, скажем, гипотензивных средств. В-третьих, устойчивость может сделать дорогой препарат нерентабельным уже через несколько лет после начала применения. В общем, на них не заработаешь.
Сейчас правительства разных стран пытаются найти экономические стимулы, чтобы вернуть большие компании на рынок антибиотиков: это может быть как снижение затрат на разработку (налоговые льготы), так и увеличение выгоды (например, государственные обязательства на закупку). В то же время все больше ученых занимается исследованиями сосуществования бактерий друг с другом, антибактериальных веществ и механизмов устойчивости. К сожалению, проблема устойчивости является типичной проблемой с отложенными последствиями: адекватность или недостаточность предпринятых мер становится очевидна только спустя длительное время.
При чем здесь фермеры
Именно применение колистина в сельском хозяйстве стало решающим факторов в возникновении трансмиссивной (передающейся) устойчивости к нему. Сразу после открытия антибиотиков, в те же 1950-е годы, фермеры выяснили, что ежедневное применение суб-терапевтических доз (это значит, что доза чуть ниже, чем так, которая применялась бы в случае заболевания) в животноводстве позволяет аж на 20 процентов увеличить прирост веса в пересчете на потребленное количество корма. Причины этого эффекта до сих пор не ясны, но видимо как-то связаны со сложным сообществом бактерий в кишечнике животного и их взаимодействием с иммунитетом хозяина. Снижая количество потенциально болезнетворных бактерий в кишечнике, антибиотики уменьшают уровень воспаления и активации иммунной системы животного, уменьшая энергетические затраты. Кроме того, бактерии напрямую потребляют часть поступающих с пищей калорий (тем самым уменьшая количество калорий, достающееся самому животному).
Помимо ускоренного набора веса, интенсификация животноводства потребовала включения антибиотиков в рацион для профилактики всевозможных болезней скота и птиц. Несмотря на общественное внимание к проблеме с каждым годом уровень использования антибиотиков в сельском хозяйстве возрастает, причем 90 процентов вещества идет не на лечение болезней, а как добавка в корм и стимулятор роста. Вместе с отходами жизнедеятельности, антибиотики попадают в сточные воды, вызывая отбор устойчивых патогенов по всем регионе.
У читателя это может вызвать удивление, но даже в развитых странах (США, Канада, ЕС) фермеры используют для своих целей вовсе не пенициллин, а антибиотики последних поколений. Например, в США 72 процента применяемых фермерами антибиотиков являются «медицински значимыми», то есть важными для лечения людей.
На настоящий момент только в Европейском Союзе полностью запрещено применение антибиотиков для ускорения набора веса животных (с 2006 года), что, разумеется, потребовало введения протекционистских мер в сельском хозяйстве. Тем не менее, антибиотики по-прежнему широко используются в профилактических целях. В США использование цефалоспоринов в сельском хозяйстве ограничили только с 2012 года. Но, к сожалению, запрет на применение антибиотиков в животноводстве в одной стране никак не препятствует проникновению генов устойчивости из других стран, где подобные запреты не действуют.
Вообще говоря, интенсивное животноводство без применения антибиотиков возможно, но требует высокого уровня контроля и организации производства, что делает его еще более дорогим. В качестве альтернатив антибиотикам предлагается применение пробиотиков – культур «полезных» бактерий, и веществ, стимулирующих их рост для нормализации кишечной микрофлоры, вакцинация или даже использование бактериофагов.
Существуют ли альтернативы
В 2011 году американское агентство перспективных научных исследований при министерстве обороны (DARPA), известное поддержкой самых «фантастических» научных проектов, объявило о разработке принципиально нового механизма лечения бактериальных инфекций, основанного на использовании «наночастиц» с пришитыми короткими РНК и даже «нанороботов», призванных распознавать и уничтожать «любых» бактерий.
Военных можно понять: в полевых условиях трудно организовать адекватные процедуры, и возвращающиеся из Ирака или Афганистана раненые солдаты часто привозили с собой трудноизлечимые инфекции. Совсем недавно DARPA поддержало проект «стимулирования механизмов защиты хозяина» — предполагается, что если разобраться в механизмах природного иммунитета (почему одни люди заражаются, а другие нет) можно защитить любого человека от инфекции (даже неизвестной). Подобные исследования, безусловно, не лишены смысла: по мнению иммунологов, именно степень реакции иммунной системы на патоген (вирус или бактерию) определяет исход течения болезни. Слишком сильный ответ («цитокиновый шторм») разрушает здоровые ткани, а слишком слабый – недостаточен для уничтожения возбудителя.
К сожалению, мы все еще недостаточно хорошо понимаем, как работает иммунная система и вряд ли в этой области можно ждать быстрых успехов. С другой стороны, классические вакцины, разработанные против конкретной бактерии, доказали свою эффективность, позволив искоренить многие страшные болезни в течение XX века. А вакцинация скота против распространенных болезней позволила бы сократить применение антибиотиков в сельском хозяйстве.
Бактериофаги (с греческого «пожирающие бактерий»), или вирусы бактерий, были открыты почти 100 лет назад французским врачом канадского происхождения д’Эрелем. Он же стал первым применять бактериофагов в лечении инфекций. Несмотря на огромный (поначалу) общественный интерес, связанный с большими потерями от заражения ран и тифа в Первой мировой войне, добиться значительных успехов д’Эрелю не удалось: процедуры выделения вирусов, активных против конкретной культуры бактерий, их хранения и транспортировки, а также результаты самого лечения не поддавались контролю, систематизации и толком не воспроизводились.
Тем не менее, Институт бактериофагов, основанный д’Эрелем в Тбилиси в 1933-35 годах, существует и по сей день, и является одним из немногих мест в мире, где можно получить лечение терапевтическими фагами. Рост устойчивости к антибиотикам закономерно возродил интерес к фагам: обладая узкой специализацией, они могут «пожирать» возбудителей инфекции, не затрагивая нормальных обитателей кишечника, а также разрушать недоступные для лекарств биопленки. В то же время, с точки зрения отбора, использование фагов ничем не отличается от использования таблеток: единственной мутации в белке-рецепторе на поверхности бактерии достаточно, чтобы фаг перестал на нее садиться. Да и проблемы, существовавшие еще во времена д’Эреля, никуда не делись: процедура подбора нужных фагов (вернее, их смеси) занимает по меньшей мере несколько дней, обработать можно только доступные снаружи поверхности тела или кишечник, к тому же, как оказалось, фаги эффективно размножаются только при достаточно большой концентрации бактерий, массовый лизис которых вызывает токсический шок у пациента.
Все это не оставляет места фаговой терапии в качестве стандартного повсеместного способа лечения. Однако, в узких нишах фаги могут быть полезны, и энтузиасты применения бактериофагов не оставляют попыток придумать эффективные способы их применения. Например, целевое уничтожение резистентных бактерий с помощью системы CRISPR, нацеленной на конкретные гены устойчивости.
С похожими проблемами сталкивается и применение антибактериальных пептидов: находящиеся на вооружении животных, растений и даже человека (наша кожа покрыта антибактериальными пептидами), они показывают высокую эффективность в лабораторных условиях, но нестабильны в крови или токсичны для клеток организма человека. Большинство агентов, разрабатываемых в последнее десятилетие, до сих пор не прошло клинических испытаний.
В любом случае, использование любых сложных «персонализированных» лекарств потребует сверх-быстрой диагностики – ведь при многих бактериальных инфекциях жизненно важно начать лечение в течение первых суток или даже первых 12 часов заболевания. В этом году европейская международная программа Horizon 2020 назначила премию за создание «средства диагностики бактериальной инфекции в течение 1-2 часов» в 1 миллион евро. Британская благотворительная организация Nesta пошла еще дальше, учредив в 2014 году Longitude prize в 10 миллионов фунтов стерлингов за решение проблемы быстрой диагностики инфекций и определения спектра антибиотикоустойчивости.
Как мы видим, несмотря на все кажущееся разнообразие подходов, достойной альтернативы «низкомолекулярным ингибиторам» (именно так в ученых кругах называют традиционные антибиотики) нет, и в ближайшее время не предвидится. А значит, с устойчивостью мы будем жить и дальше. И относиться к ней надо очень серьезно. Хорошие новости заключаются в том, что похоже, «супербактерий» можно взять под контроль, но это требует усилий всего общества. Пока же оно старается эту проблему не замечать.
Автор: Дмитрий Гиляров