Leki, które chroniły nas przed wszechobecnymi bakteriami przez ponad siedemdziesiąt lat, powoli tracą przyczepność i potrzebujemy nowej broni do zwalczania infekcji. Bakterie wywołujące choroby uodparniają się na antybiotyki, które kiedyś je zabijały, nawet na leki, które kiedyś uważano za ostatnią linię obrony.
Bakterie oporne na antybiotyki (oporne na antybiotyki) zabijają około 1% zarażonych ludzi, nawet w krajach rozwiniętych. A jeśli zostanie to zignorowane, zabiją pięć razy więcej ludzi każdego roku.
„Wiele rzeczy, które w tej chwili uważamy za oczywiste, takie jak cięcie cesarskie, wymiana stawu biodrowego lub przeszczep narządów bez antybiotyków, stanie się bardzo trudnych” - mówi François Franceschi, kierownik programu rozwoju terapeutycznego na oddziale bakteriologii i mykologii Narodowego Instytutu Alergii i choroba zakaźna.
Osoby z osłabionym układem odpornościowym są szczególnie wrażliwe, ale w świecie po antybiotyku wszyscy bez wyjątku będą zagrożeni.
„Mówi się, że w erze poantybiotykowej antybiotyki nie będą już w stanie pomóc nam nawet przy najmniejszym zadrapaniu” - mówi Cesar de la Fuente, bioinżynier z Massachusetts Institute of Technology.
Aby zwalczyć oporne bakterie, zwracamy się do nowych sprzymierzeńców, takich jak wirusy, które atakują tylko bakterie; nanocząsteczki i maleńkie białka wytwarzane przez układy odpornościowe różnych organizmów. Każde narzędzie ma swoje zalety i wady, dlatego naukowcy badają różne podejścia.
„Wiele osób w tej dziedzinie poszukuje obecnie alternatywnych strategii, które mogłyby zostać dodane do naszego arsenału” - mówi Timothy Lu, również z MIT. „Nie chodzi o to, że każdy z nich próbuje wymyślić własną srebrną kulę, która uchroni nas przed bakteriami do końca życia, ale raczej studiuje problem pod różnymi kątami”.
Film promocyjny:
Oto kilka sposobów, w jakie możemy pomóc sobie z niechcianymi bakteriami.
Rozbrój najeźdźców
Bakterie nie zawsze muszą być zabijane w celu zneutralizowania. Niektóre terapie są ukierunkowane na zarazki pośrednio, pozbawiając je broni. Bakterie będą na miejscu, ale konsekwencje infekcji nie będą poważne, a układ odpornościowy będzie miał szansę samodzielnie zwalczyć infekcję.
Jeśli twój lek faktycznie nie zabija bakterii, będą miały mniejszą motywację do budowania na niego odporności. Rozwój oporności zajmie więcej czasu, ponieważ bakterie nie będą aktywnie zwalczać leku, mówi Franceschi.
Wiele bakterii uwalnia toksyny, które uszkadzają komórki gospodarza. Jeden z najczęstszych rodzajów toksyn nazywany jest tworzącym pory, który przebija dziury w komórkach. Jest izolowany przez oporne na metycylinę Staphylococcus aureus, Escherichia coli, bakterie Listeria, bakterie wąglika i jad węży, skorpionów i ukwiałów.
Liangfang Zhang wymyślił, jak wyeliminować te toksyny. „Zabierzesz broń, a stanie się znacznie słabsza” - mówi Zhang, nanoinżynier z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego. Otacza nanocząsteczki słodkim celem - błonami zbudowanymi z czerwonych krwinek. Czerwona krwinka działa jak wabik, zasysając toksynę, która w przeciwnym razie atakowałaby zdrowe komórki. „To jest jak gąbka wysysająca toksyny” - wyjaśnia Zhang.
W swoim pierwszym badaniu wykazał, że nanogąbki wchłaniają toksyny, nie szkodząc myszom. Praca Zhanga z nanocząsteczkami jako wabikami w tym roku była jednym z 24 projektów, które otrzymały dofinansowanie z National Institutes of Health. Ma nadzieję rozpocząć badania kliniczne na ludziach już w przyszłym roku.
Nanocząsteczki, które często są wykonane z tworzyw sztucznych lub metali, takich jak srebro, mogą również osłabiać bakterie, niszcząc ich ochronne błony komórkowe lub powodując uszkodzenie DNA. Nanocząsteczki są łatwe w obróbce, ponieważ same się budują. „Kontrolujesz temperaturę, rozpuszczalnik i wszystko inne, a te cząsteczki łączą się w nanocząstkę” - mówi Zhang.
Nanocząsteczki mogą być droższe niż tradycyjne antybiotyki. Umieszczenie ich we właściwym miejscu w ciele również może być wyzwaniem. Innym wyzwaniem jest upewnienie się, że nanocząsteczki są wykonane z materiałów, które nie wywołają natychmiastowej odpowiedzi immunologicznej i będą się rozkładać z czasem, aby nie gromadziły się w organizmie.
Pozostają pytania dotyczące długoterminowego bezpieczeństwa niektórych z tych rzeczy, mówi Lou.
Specjalna przesyłka
Można zastosować alternatywne metody leczenia, aby zwiększyć skuteczność istniejących antybiotyków. Na przykład naukowcy badają obecnie, w jaki sposób nanocząstki można wykorzystać do dostarczania leków przeciwnowotworowych i antybiotyków.
Antybiotyki są rozprowadzane po całym organizmie i w dużych dawkach są toksyczne. Za pomocą nanocząstek można było uwolnić skoncentrowane dawki leków. Tysiące cząsteczek leku można wepchnąć do pojedynczej nanocząstki.
„Mogą łatwo przyczepić się do błony i stopniowo uwalniać leki bezpośrednio na bakterie” - mówi Zhang. W konsekwencji bardziej efektywne obciążenie mogłoby być dokładniej ukierunkowane bez zwiększania całkowitej dawki leku. W ten sposób można by zahamować mechanizm oporności bakterii - po prostu nie rozwiną one oporności na antybiotyki działające punktowo.
Problem z nanocząsteczkami, podobnie jak z wieloma innymi narzędziami, polega na tym, że układ odpornościowy postrzega je jako zagrożenie. „Są bardzo podobne rozmiarami do wirusów. Nasze ciało nauczy się bronić się przed tymi nanocząsteczkami lub wirusami, jeśli ich nie ochronisz”.
Zhang i jego koledzy zakamuflowali nanocząsteczki w kurtkach wykonanych z błon płytek krwi, komórek, które pomagają w krzepnięciu krwi. Z boku nanocząsteczki są podobne do tych miniaturowych krwinek. Niektóre bakterie są przyciągane przez płytki krwi - z ich pomocą są maskowane przez układ odpornościowy. Nanocząsteczki pokryte płytkami krwi mogłyby zagrać dwukrotnie, werbując najeźdźców do zdetonowania ich lekiem.
Zhang mówi, że wszystkie nanocząsteczki będą uwalniać leki w obecności bakterii. Przy pomocy cząstek pokrytych płytkami krwi wyleczył już myszy zakażone wieloopornym na antybiotyki szczepem MRSA.
Atak bezpośredni
Czasami jednak półśrodki nie pomagają. Istnieją alternatywy dla tradycyjnych antybiotyków, które mogą zabijać bakterie. Jedną ze strategii jest stworzenie sztucznych wersji peptydów przeciwdrobnoustrojowych (AMP), które są częścią wrodzonej odpowiedzi immunologicznej drobnoustrojów, roślin i zwierząt (takich jak diabły tasmańskie). Te składniki atakują błonę patogenu i sieją spustoszenie w komórce.
W ramach niedawnego projektu de la Fuente współpracował z Lou i innymi osobami, aby wybrać nietoksyczny AMP występujący w prostych zwierzętach morskich zwanych osłonami. Naukowcy dodali kilka aminokwasów do podstawowego ustawienia, poprawiając jego zdolność do leczenia myszy zakażonych odpornymi na antybiotyki szczepami E. coli lub MRSA. Wzmocniony AMP wzmacnia również układ odpornościowy gryzoni, zmniejsza stan zapalny i wzywa do pomocy w postaci białych krwinek.
Peptydy przeciwdrobnoustrojowe mogą pokonać wiele różnych patogenów, a bakterie mają trudności z rozwinięciem na nie oporności. „W porównaniu z konwencjonalnymi antybiotykami, peptydy te są w wielu przypadkach skuteczniejsze” - mówi de la Fuente.
AMP składają się ze stosunkowo krótkich łańcuchów aminokwasów, elementów budulcowych białek. Dlatego są dość proste (choć drogie) w budowie. „Nie udało nam się jeszcze obniżyć kosztów”, mówi de la Fuente. Naukowcy badają sposoby obniżenia AMP poprzez programowanie mikrobów, aby nie polegały na maszynie i pozwalały mikrobom robić to same.
Niemniej jednak istnieją obawy, że AMP może atakować komórki gospodarza. Podobnie jak w przypadku wielu alternatyw dla antybiotyków, wysyłanie peptydów we właściwe miejsce w wystarczająco wysokim stężeniu, aby pozostały skuteczne, może być wyzwaniem. W krótkim okresie bardziej prawdopodobne jest zastosowanie miejscowe, powiedział de la Fuente. Te peptydy można wprowadzić, na przykład, do kremu, który można nakładać na otwartą ranę lub miejsce zakażenia na skórze. Mogą być również używane do przykrycia stołów, komputerów, narzędzi chirurgicznych lub cewników, aby zapobiec kolonizacji przez zarazki.
Ponowne uczulenie
Innym sposobem na osłabienie bakterii jest pozbycie się ich oporności na antybiotyki. Do takich misji można użyć wirusów specjalizujących się w zjadaniu bakterii, czyli bakteriofagów.
Bakteriofagi są niezwykle skutecznymi zabójcami bakterii, ale dzięki inżynierii genetycznej naukowcy mogliby nadać im nowe możliwości, w tym przywrócić wrażliwość bakterii na tradycyjne leki.
Przeprogramowane bakteriofagi mogą mieć obsesję na punkcie bakterii przenoszących geny, które nadają oporność na antybiotyki, usuwają tę zdolność lub zabijają bakterie. Kiedy odporne mikroby zostaną zniszczone lub unieszkodliwione, pozostała populacja będzie podatna na antybiotyki.
Inną metodą, która pozwala bakteriom oprzeć się antybiotykom, jest wydzielanie związków tworzących biofilm, przez który lek nie może przeniknąć. Możliwe jest tworzenie bakteriofagów, które zjadają biofilm.
W naturze bakteriofagi mogą bezpośrednio zabijać bakterie. Niektórzy z nich podłączają swoje DNA do bakterii i aby się uwolnić, po prostu zjadają ścianę komórkową, wysadzając ją w powietrze - mówi Lu. Inni działają jak pasożyty.
Bakteriofagi odkryto około stu lat temu. Antybiotyki zastąpiły je w Stanach Zjednoczonych, ale nadal są stosowane w Rosji i niektórych krajach Europy Wschodniej. W miarę wzrostu bakterii opornych na antybiotyki naukowcy ponownie zwracają się ku bakteriofagom - są one równie skuteczne w leczeniu ludzi, tylko badania kliniczne jeszcze tego nie potwierdziły.
Jedną z zalet tych wirusów jest to, że mogą się replikować. Możesz umieścić tylko niewielką ilość i zabić wiele bakterii. A ponieważ potrzebują do rozmnażania się żywych komórek, przestaną się rozmnażać, gdy tylko wszystkie komórki gospodarza zostaną zniszczone.
Jednak, podobnie jak inne alternatywy, bakteriofagi mogą wywołać odpowiedź układu odpornościowego. „Jeśli wstrzykniesz jakikolwiek wirus lub obcy peptyd do ludzkiego ciała, zawsze istnieje szansa, że nastąpi reakcja” - mówi Lu. Innym problemem jest to, że niektóre fagi mogą wychwytywać geny związane z opornością na antybiotyki i przekazywać je innym bakteriom.
Ale jest mało prawdopodobne, aby uszkodziły ludzkie tkanki. Bakteriofagi nie namnażają się w ludzkich komórkach. Mamy w sobie sporo bakteriofagów - trudno powiedzieć, że są nam obce.
Kontakt osobisty
Można by dostosować kilka alternatywnych metod leczenia do określonych zarazków. Tutaj znowu idealnymi kandydatami są bakteriofagi. „Zasadniczo są one naturalnym wrogiem bakterii” - mówi Lu. Zwykle „jeśli znajdziesz bakterie, znajdziesz również bakteriofagi”.
Tradycyjne antybiotyki często zabijają bakterie bezkrytycznie - w tym w naturalnym mikrobiomie naszego organizmu, który odgrywa ważną rolę w naszym zdrowiu. To bombardowanie dywanowe zabija wszystko.
Wirusy oferują bardziej spersonalizowane podejście. „Możesz spróbować zatrzymać dobre bakterie, zabijając jednocześnie złe bakterie” - mówi Lu.
Jednak ta specyfika jest również mieczem obosiecznym. Aby pokryć wystarczającą liczbę różnych bakterii, które mogą zarazić pacjenta, w koktajlu trzeba będzie zmieszać wiele wirusów. Chociaż hodowla bakteriofagów nie jest zbyt droga, koktajle różnych wirusów to zupełnie inna sprawa.
Lou pracuje nad koktajlami bakteriofagów zbudowanymi w bezpiecznych lasach. Określając obszar, który mają zainfekować bakteriofagi, można atakować różne bakterie, kierować bakteriofagi w różnych kierunkach. Pozostaje tylko dowiedzieć się, jak to zrobić.
Tak czy inaczej, trudno jest stworzyć skuteczny lek bez wiedzy, co powoduje infekcję. Jeśli pójdziesz do swojego lekarza, nie będzie on w stanie zapewnić Ci leczenia o wąskim spektrum, jeśli nie będzie wiedział, jakie bakterie Ci przeszkadzają.
Lekarze potrzebują szybszych metod diagnostycznych, aby móc określić rodzaj bakterii docelowych i ich oporność na tradycyjne antybiotyki. Lu i jego koledzy pracują nad stworzeniem szybkiej i taniej diagnostyki. Kiedy zakażają docelową bakterię, zapalają ją tym samym białkiem, którego używają świetliki. Po prostu podaj próbkę bakteriofaga pacjentowi i „możesz stwierdzić, czy próbka świeci, czy nie, bakterie są w niej obecne, czy nie” - mówi Lu.
Szeroki arsenał
To nie wszystkie bronie, które dodajemy do naszego arsenału. Naukowcy badają inne możliwości, takie jak wysyłanie innych bakterii do zwalczania patogenów, znajdowanie nowych antybiotyków, stosowanie przeciwciał i nie tylko.
„Trudno polegać na jednej metodzie lub jednej technologii, aby wykorzenić cały problem” - mówi Zhang. Badanie superbakterii pod różnymi kątami, łączenie nowych taktyk i tradycyjnych metod leczenia, poszerzy nasz arsenał.
Upłynie kilka lat, zanim nowe instrumenty zostaną zatwierdzone do powszechnego użytku. Przez pewien czas alternatywne metody przeciwdrobnoustrojowe będą stosowane tylko wtedy, gdy antybiotyki przestaną działać. Taniość i skuteczność antybiotyków jest głównym powodem, dla którego trudno im odmówić. Ale na dłuższą metę będzie to jedyna opcja.
ILYA KHEL
