Развитие устойчивости бактерий к антибиотикам

     Бактерии – это самая распространенная форма жизни на нашей планете, продемонстрировавшая невероятную неприхотливость в выборе среды обитания. Они могут быть обнаружены всюду: и в вечных льдах Антарктиды и кипящих источниках на дне океан, в кислой среде желудка и в щелочных источниках, внутри атомных реакторов и в безжизненных соляных озерах. Их огромная численность, удивительная пластичность генетического материала, а так же способствовать обмениваться генетической информацией между совершенно разными видами, открыли бактериям путь к бесконечной адаптации. Поэтому мы не должны удивляться тому, что микроорганизмы развивают механизмы устойчивости к любому оружию, которое человечество разрабатывает против них.
     В настоящее время стало ясно, что интенсивное и длительное использование и злоупотребление антибиотиками в человеческой (Cabello, 2006), ветеринарной (Aarestrup, 2005) медицине и сельском хозяйстве (McManus et al., 2002) спровоцировало появление и распространение высокорезистентных к антибиотикам бактерий. 
     Люди и их творения – это всего лишь крошечная строчка в огромном томе жизни бактерий, где антимикробные средства не более чем одна из проблем, которую бактерии должны решить, чтобы выжить на Земле. Таким образом, микробы являются простыми зрителями, наблюдающими за успехом своих адаптаций. Они легко могут использовать свои генетические механизмы, чтобы увеличить скорость адаптации. Бактерии могут развить резистентность к антибиотикам посредством нескольких механизмов, например путем мутации тех участков, на которые действует антибиотик, или путем изменения проницаемости клеточной мембраны или при помощи горизонтального переноса генов устойчивости к антибиотикам (Livermore, 2003; Andersson, 2003).
     Первые исследования резистентности бактерий к различным веществам были проведены еще в 40-х годах. Тогда было показано, что при действии на бактерий смертельного для них вещества, происходит селекция по уже существующим среди бактерий устойчивых штаммов (Newcombe, 1949).

В настоящее время ученые придерживаются нескольких теорий:

  1. Антибиотик, воздействуя на популяцию бактерий, приводит к так называемой SOS-реакции и увеличению среди них количества часто мутирующих форм (бактерии мутаторы или гипермутаторы). У мутаторов смертность высокая, но и выше шанс «полезной» мутации и таким образом, эволюция происходит ускоренными темпами. В конце концов возникает штамм устойчивый к антибиотику. Но помимо того, что возникает резистентность к воздействующему антибиотику, из-за повышенной частоты мутаций, могут возникать штаммы с устойчивостью к совершенно другим антибиотикам и появляются бактерии устойчивые ко множеству антибиотиков (Ciofu et al., 2009).
  2. Некоторые антибиотики сами являются сильными мутагенами и увеличивают частоту мутаций, посредством например окислительных повреждений ДНК, разбалансировкой нуклеотидного пула и другими стрессовыми механизмами. В добавок к мутациям, субингибирующие дозы антибиотиков способны стимулировать процесс рекомбинации (Lopez et al., 2009). Таким образом, организм человека, животных и окружающая среда в целом, подвергающиеся воздействию малых доз антибиотиков являются горячими точками бактериальных мутаций и рекомбинаций, которые ответственны за увеличение фенотипического разнообразия и особенно за возникновение, поддержание и распространение резистентности к антибиотикам.
  3. В добавок к мутациям существуют и другие механизмы повышающие генетическое разнообразие бактерий. К ним относится интрагеномная реорганизация геномных сиквенсов и горизонтальный перенос генов. Оба механизма играют важную роль в эволюции и адаптациях бактерий. Но большинство антибиотикорезистентных штаммов возникло за счет горизонтального переноса генов и плазмид устойчивости к антибиотикам от других бактерий (Binnewies et al., 2006).

      В настоящее время все большее беспокойство вызывает тот факт, что сублетальные дозы антибиотиков могут провоцировать появление не только слаборезистентных, но и высокорезистентных штаммов бактерий. Большое количество антибиотикорезистентных бактерий выделенных из животных, которые обитали в относительно нетронутой окружающей среде, может быть объяснено попаданием очень малых доз антибиотиков (Gullberg et al., 2011). К тому же, воздействие малых доз антибиотиков может приводить и к другим нежелательным последствиям, таким как изменение вирулентности (повышение).
     Концентрация антибиотиков в окружающей среде сильно варьирует в зависимости от типа среды и условий. Выбросы фармацевтических производств и сточные воды больничных учреждений могут содержать очень большое их количество до нескольких мг на мл. В водной и почвенной среде эти значения гораздо ниже.
     В целом антибиотикорезистентность очень многогранная проблема, связанная с такими дисциплинами как медицина, генетика, микробиология, эпидемиология и социология. В конечном счете антибиотикорезистентность бактерий – это неизбежное следствие эволюционного процесса жизни. Если люди не поймут этого, то будут обречены на ожесточенную борьбу против эволюции, как и происходит до сих пор (Rodriguez-Rojas et al., 2012).

      

Рис. 1 Схема раскрывающая процесс, как бактериальная популяция может стать устойчивой к антибиотикам. Усл. Обозн.: голубым – дикий исходный чувствительный тип, красным – высокорезистентные формы, розовым – слаборезистентные формы, зведочкой – штаммы мутаторы (бактерии, которые мутируют гораздо чаще остальных).

Рис. 1 Схема раскрывающая процесс, как бактериальная популяция может стать устойчивой к антибиотикам. Усл. Обозн.: голубым – дикий исходный чувствительный тип, красным – высокорезистентные формы, розовым – слаборезистентные формы, зведочкой – штаммы мутаторы (бактерии, которые мутируют гораздо чаще остальных).

  

 

  На рис. 1. представлена схема, которая показывает, что если исходная, чувствительная к антибиотикам популяция бактерий, сталкивается с высокими концентрациями антибиотика, которые значительно превышают минимальную подавляющую концентрацию (МИК), то тогда будет происходить селекция и увеличение количества высоко устойчивых к антибиотикам бактерий, существующих в популяции изначально. В другом случае, когда бактериальная популяция подвергается воздействию антибиотика в концентрациях, значительно меньших чем МИК, то благодаря всему разнообразию описанных механизмов (мутагенез, рекомбинация, горизонтальный перенос генов), произойдет увеличение генетического разнообразия такой популяции, повышая шансы к развитию как высоко так и слабо антибиотикорезистентных форм бактерий. В обоих случаях повышается частота бактерий мутаторов, из которых возникают новые антибиотикорезистентные штаммы (Rodríguez-Rojas, 2013). 
     А вот взгляд на проблему отечественного ученого, Константина Северинова, заведующего лабораториями в Институте микробиологии им. Ваксмана (Университет Рутгерс, США) и Институтах молекулярной генетики и биологии гена РАН (Москва)
     «Здание института, в котором я работаю, было построено на средства, полученные от продажи компании Merck патента на стрептомицин. Этот антибиотик, выделенный из почвенной бактерии первым директором нашего института Зельманом Ваксманом в 1940-е годы, стал первым эффективным лекарством от туберкулеза. Открытие было отмечено Нобелевской премией и ознаменовало начало «золотого века» антибиотиков (B.Lee Ligon-Borden, 2003).
     Ваксман организовывал многочисленные экспедиции, целью которых был сбор образцов почвы в разных уголках земного шара. Затем его сотрудники выделяли из образцов штаммы почвенных микробов, служившие источником новых антибактериальных веществ. В подвалах института в доисторических морозильных камерах до сих пор хранятся полученные ими культуры, только никто уже не знает, что они из себя представляют. Ведь теперь, несмотря на старое название, здесь изучают раковые клетки, мух, червей и растения. Микробы вышли из моды.
     А тогда, в 1950-е, все крупные фармацевтические компании включились в гонку за «магическими лекарственными пулями». Сотрудники фармацевтических гигантов вроде Merck, Lilly и Glaxo подписывали обязательства собирать образцы почв в тех местах, где они проводили свои отпуска, и сдавать их в корпоративные микробиологические лаборатории. И результаты не заставили себя ждать. Очень скоро были открыты многие из тех антибиотиков, которые мы используем по сей день. Поскольку инфекционные заболевания — такие, как туберкулез или сифилис, — были настоящим бичом даже в развитых странах, антибиотики вводились в медицинскую практику по теперешним меркам почти мгновенно, часто без достаточных испытаний на безопасность. Одним из распространенных побочных эффектов некоторых из них была глухота, но это была малая плата за победу над заболеваниями, которые еще совсем недавно были смертельными.
     Будущее виделось в светлых тонах. Казалось, что инфекционные заболевания, вызванные бактериями, скоро будут побеждены. Правда, вскоре после начала применения того или иного антибиотика врачи стали отмечать, что лечение срабатывает не всегда: некоторые бактерии стали устойчивы к антибиотику. Впрочем, случаи эти были редки, а количество новых антибиотиков, которые ученые доставали буквально из земли, стремительно росло. Затем стало ясно, что находить новые антибиотики становится все сложнее. Раз за разом исследователи выделяли одни и те же, уже известные вещества. Доходило до смешного: выделенный Ваксманом гризин оказался идентичным альбомицину, найденному советским ученым Генрихом Гаузе. Это дало повод Ваксману написать статью в журнале Science под названием «Наказание за изоляционизм», призвавшую к объединению усилий для поиска лекарств, от которых должно выиграть все человечество. Масштабные усилия врачей, прививки и, разумеется, антибиотики сделали инфекционные болезни в развитых странах во многом воспоминанием прошлого, по крайней мере, для среднего класса. Интерес к гонке за новыми антибиотиками стал стремительно падать. Появились другие проблемы: рак, диабет, сердечно-сосудистые заболевания, СПИД, медицинские проблемы, связанные с резко увеличившейся продолжительностью жизни. Развитие генной инженерии позволило фармкомпаниям разрабатывать новые — часто очень дорогие — средства для лечения редких, нишевых заболеваний.
     Антибиотики же относительно дешевы, а люди, которые в них нуждаются больше всего, не создают платежеспособного спроса. Тем не менее большинство антибиотиков, открытых в 1950-60-е годы, активно используются, причем не только в медицине, но и в сельском хозяйстве, ведь если их добавить в корм скоту и птице, то увеличиваются привесы, а следовательно, и прибыли. К сожалению, это также приводит к тому, что все большее количество антибиотиков попадает в окружающую среду.
     Конечно, и Ваксман, и Флемминг, обнаруживший пенициллин, являются первооткрывателями ничуть не более, чем открывший Америку Колумб. Миллиарды лет антибиотики используются бактериями и микроскопическими грибами для «общения» друг с другом. Бактериальные сообщества удивительно сложны и многообразны. Коммуникация между микробами осуществляется путем обмена различными химическими веществами. При неблагоприятных внешних условиях, например при недостатке пищи, некоторые микроорганизмы начинают производить вещества, которые убивают их соседей. Очевидно, что это очень полезное свойство, так как пищи на всех не хватает, а погибшим соседом вполне можно закусить. Когда люди начали широко использовать антибиотики, они просто воспользовались бактериальным ноу-хау для своих целей.
     Очевидно, что бактерия, которая производит антибиотик, должна быть устойчива к его действию, иначе она сама же станет первой его жертвой. И действительно, все бактерии, производящие антибиотики, имеют специальные гены, обеспечивающие высокий уровень устойчивости. 
     Широкое использование антибиотиков в медицине и сельском хозяйстве могло бы, казалось, привести к глобальному уменьшению количества бактерий. Но этого не произошло. И причина здесь как раз в упомянутых генах устойчивости. Оказалось, что бактерии обладают удивительным свойством — способностью к так называемому горизонтальному переносу генов, в ходе которого они активно передают гены не своему потомству (это был бы вертикальный перенос, характерный для нас), а другим, неродственным бактериям. При определенных условиях горизонтальный перенос генов в бактериальных популяциях происходит со скоростью лесного пожара и особенно характерен для генов, которые отвечают за устойчивость к антибиотикам.
     В естественных условиях гены устойчивости встречаются нечасто — именно этот факт предопределил успех антибиотиков в качестве лекарств. Однако там, где концентрация антибиотиков высока, подобные гены распространены гораздо шире. Просто потому, что бактерии проходят отбор на выживание. Прежде всего, речь идет о больницах. Вот тут-то и возникает проблема, которая в недалеком будущем грозит свести на нет современные достижения медицины, так что мы снова сможем сопереживать героиням Чехова и Ремарка, людям, умирающим от неизлечимых болезней.
     Долговременное применение разнообразных антибиотиков в больничных стационарах привело к появлению «супермикробов» — бактерий, которые накопили множественные гены устойчивости за счет горизонтального переноса и стали одновременно устойчивы ко всем известным антибиотикам (Huo, 2010). Даже если человек обратился в больницу по какому-нибудь мелкому поводу — обследование, анализы, незначительная операция, — заражение таким микробом может стать приговором, особенно если работа иммунной системы подавлена. Антибиотики оказываются не в силах остановить инфекцию.
     Во многих больницах поселились, или вернее, были нечаянно выведены, свои собственные, эндемичные супермикробы. Например, в Пресвитерианском госпитале Колумбийского университета проживает бактерия Клебсиелла с множественной лекарственной устойчивостью (Nguyen et al., 2010). Заражение этой бактерией для пациентов с ослабленной иммунной системой с большой вероятностью приводит к смертельному исходу.
     Люди, которые проходили лечение в колумбийском госпитале, представляют реальную опасность для пациентов других больниц, так как могут являться носителями супермикроба. И несмотря на все предосторожности и карантины, время от времени просачивается информация о новых заражениях (Gupta, 2002). Недавно колумбийский микроб попал в исследовательский госпиталь в Вашингтоне и привел к гибели нескольких пациентов.
     К сожалению, какие бы меры ни принимали врачи, бактерии с множественной лекарственной устойчивостью будут встречаться все чаще и чаще. Мы сами во многом этому способствуем — бесконтрольным применением антибиотиков в сельском хозяйстве, при лечении вирусных заболеваний и т.д. Фактически, производится направленный (хоть и не преднамеренный) отбор устойчивых бактерий. Поэтому совершенно не кажется невероятным, что в 2050 году, сто лет спустя после широкого внедрения антибиотиков в медицинскую практику, люди будут умирать от заражений, вызванных самыми обычными микроорганизмами. Просто наши лекарства перестанут на эти микроорганизмы действовать.
     Чтобы этот мрачный сценарий не стал реальностью, необходимо, во-первых, принципиально изменить практику использования имеющихся антибиотиков, а во-вторых, активизировать поиски новых. Развитие молодой науки геномики показало, что количество и разнообразие микроорганизмов на нашей планете неизмеримо велико и лишь ничтожная их часть может быть выделена методами классической микробиологии, которыми пользовался, скажем, Зельман Ваксман. Возможно, анализ последовательностей ДНК таких неспособных к росту в лабораторных условиях микроорганизмов позволит выделить гены, кодирующие новые антибиотики, и решить проблему».

 По материалам сайта www.kvadro-bioteh.ru 

 

 

Литература:

 

  1. B.Lee Ligon-Borden, Biography: Selman A. Waksman, PhD (1888-1973): Pioneer in development of antibiotics and Nobel Laureate // Seminars in Pediatric Infectious Diseases, Volume 14, Issue 1, January 2003, Pages 60-63
  2. Alexandro Rodríguez-Rojas, Jerónimo Rodríguez-Beltrán, Alejandro Couce, Jesús Blázquez, Antibiotics and antibiotic resistance: A bitter fight against evolution // International Journal of Medical Microbiology 303 (2013) 293– 297.
  3. Aarestrup, F.M., 2005. Veterinary drug usage and antimicrobial resistance in bacteria of animal origin. Basic Clin. Pharmacol. Toxicol. 96, 271–281.
  4. Cabello, F.C., 2006. Heavy use of prophylactic antibiotics in aquaculture: a growing problem for human and animal health and for the environment. Environ. Microbiol. 8, 1137–1144.
  5. McManus, P.S., Stockwell, V.O., Sundin, G.W., Jones, A.L., 2002. Antibiotic use in plant agriculture. Annu. Rev. Phytopathol. 40, 443–465.
  6. Livermore, D.M., 2003. Bacterial resistance: origins, epidemiology, and impact. Clin. Infect. Dis. 36, S11–S23.
  7. Andersson, D.I., 2003. Persistence of antibiotic resistant bacteria. Curr. Opin. Microbiol. 6, 452–456.
  8. Newcombe, H.B., 1949. Origin of bacterial variants. Nature 164, 150.
  9. Ciofu, O., Mandsberg, L.F., Bjarnsholt, T., Wassermann, T., Hoiby, N., 2009. Genetic adaptation of Pseudomonas aeruginosa during chronic lung infection of patients with cystic fibrosis: strong and weak mutators with heterogeneous genetic backgrounds emerge in mucA and/or lasR mutants. Microbiology 156, 1108–1119.
  10. E. Lopez, J. Blazquez, Effect of subinhibitory concentrations of antibiotics on intrachromosomal homologous recombination inEscherichia coli // Antimicrob. Agents Chemother., 53 (2009), pp. 3411–3415
  11. T.T. Binnewies, Y. Motro, P.F. Hallin, O. Lund, D. Dunn, T. La, D.J. Hampson, M. Bellgard, T.M. Wassenaar, D.W. Ussery, Ten years of bacterial genome sequencing: comparative-genomics-based discoveries // Funct. Integr. Genomics, 6 (2006), pp. 165–185
  12. E. Gullberg, S. Cao, O.G. Berg, C. Ilback, L. Sandegren, D. Hughes, D.I. Andersson Selection of resistant bacteria at very low antibiotic concentrations // PLoS Pathog., 7 (2011), p. e1002158
  13. A. Rodriguez-Rojas, A. Oliver, J. Blazquez, Intrinsic and environmental mutagenesis drive diversification and persistence ofPseudomonas aeruginosa in chronic lung infections // J. Infect. Dis., 205 (2012), pp. 121–127
  14. Teh-Ia Huo, The First Case of Multidrug-resistant NDM-1-harboring Enterobacteriaceae in Taiwan: Here Comes the Superbacteria! // Journal of the Chinese Medical Association, Volume 73, Issue 11, November 2010, Pages 557-558
  15. Nguyen M, Eschenauer GA, Bryan M, O'Neil K, Furuya EY, Della-Latta P, Kubin CJ., Carbapenem-resistant Klebsiella pneumoniae bacteremia: factors correlated with clinical and microbiologic outcomes. // Diagn Microbiol Infect Dis. 2010; 67(2):180-4.
  16. Gupta A., Hospital-acquired infections in the neonatal intensive care unit--Klebsiella pneumoniae // Semin Perinatol. 2002 Oct;26(5):340-5.