Septynioliktasis mokslo populiarinimo konkurso darbas. Jo autorius – VU mikrobiologijos magistrantūros studentas Povilas Matulionis. Jis rašo apie antibiotikus – šių medikamentų istoriją, vystymąsi ir šiandieninius iššūkius. Kaip visada, skaitykite po kirpsniuku, o perskaitę pagalvokite ir apie dalyvavimą. Laiko liko nedaug, bet dar galite suspėti.
Antibiotikai: istorija ir šiandieninės tendencijos
Povilas Matulionis
Įsivaizduokite, jog esate mokslininkas, tyrinėjantis bakterijas, auginate įvairias jų kultūras Petri lėkštelėse. Ką darytumėte vieną dieną pamatę, jog lėkštelėje šalia jūsų darbo objekto išaugo kažkoks pelėsinis grybas, slopinantis bakterijų augimą? Išmestumėte tokią lėkštelę į šiukšlių dėžę? Tokiu atveju prarastumėte galimybę išgelbėti milijonus gyvybių ir tapti antibiotikų eros pradininku.
Kaip jau supratote, ši situacija nėra išgalvota. 1928 metais anglų biologas Aleksanderis Flemingas, po atostogų grįžęs į laboratoriją, rado keletą užkrėstų Petri lėkštelių. Greta jo tyrinėjamų bakterijų, vadinamų stafilokokais, augo pelėsinis grybas. Šalia šio nepageidaujamo svečio bakterijos nesidaugino. A. Flemingas iškėlė hipotezę, jog pelėsinis grybas išskiria medžiagą, stabdančią bakterijų augimą. Vėliau toji medžiaga bus pavadinta penicilinu, pagal pelėsinį grybą Penicillium notatum. Taip netikėtai prasidėjo antibiotikų era. Pats A. Flemingas apie šį netikėtumą sakė: „Atsibudęs 1928 m. rugsėjo 28 dieną aš tikrai neplanavau padaryti perversmo medicinoje, atrasdamas pirmąjį antibiotiką. Bet panašu, kad būtent tą aš ir padariau“. Vis dėlto penicilino išgryninimas pasirodė esanti itin sunki užduotis, todėl 1940 metais po daugybės rezultatų nedavusių pastangų, A. Flemingas bandymus nutraukė. Tačiau tuo pat metu penicilino gryninimo problemos ėmėsi du chemikai Howard Florey ir Ernst Chain. Šiuos tyrimus finansavo JAV bei Didžiosios Britanijos vyriausybės. Pirmasis žmogus, gydytas penicilinu, buvo 43 metų policininkas, kuriam pasireiškė bakterinė infekcija, į organizmą patekusi per … nedidelį įdrėskimą veide. 1943 metais buvo parengtas planas masinės gamybos dėka penicilino atsargomis aprūpinti sąjungininkų karius Europoje.
Ką apie antibiotikus žinome šiandien?
Tad ką apie antibiotikus sako šiandieninis mokslas? Antibiotikais paprastai vadinamos mikroorganizmų išskiriamos medžiagos, slopinančios kitų mikroorganizmų grupių augimą, nors dabar šis terminas gali būti taikomas ir dalinai ar pilnai sintetinėms antimikrobinėms medžiagoms apibrėžti. Dažniausiai šios molekulės sutrikdo gyvybiškai svarbius patogenų procesus: ląstelės sienelės formavimąsi, plazminės membranos transportines funkcijas, tam tikrus ląstelės metabolizmo kelius bei baltymų ar nukleorūgščių sintezę.
Atsparumas antibiotikams
Pirmiausia reiktų paminėti, jog kai kurių bakterijų atsparumas antibiotikams yra visiškai natūrali savybė, atsiradusi evoliucijos eigoje gerokai prieš antibiotikų erą. Tačiau antibiotikų naudojimas neabejotinai ir tiesiogiai susijęs su naujų, antibiotikams atsparių patogenų, atsiradimu. Tokių pavyzdžių daugybė nuo XX amžiaus antrosios pusės iki pat šių dienų. Pavyzdžiui, 1950 metais, pasireiškus Staphylococcus aureus atsparumui penicilinui, kaip alternatyva buvo pradėtas naudoti eritromicinas. Tačiau mažiau nei per metus 70% S. aureus izoliatų tapo atspariais ir šiam preparatui.
Kodėl patogenai taip greitai atranda būdus antibiotikų įveikimui? Pirmiausia, mikroorganizmai pasižymi neįtikėtinai sparčiu dauginimusi. Mūsų žarnyne gyvenanti bakterija Escherichia coli gali dalintis kas 20 minučių, o bendras žmogaus virškinimo trakto bakterijų skaičius, kaip manoma, gali siekti 100 trilijonų. Negana to, mikroorganizmai pasižymi dideliu mutacijų dažniu, kuris gali būti reguliuojamas priklausomai nuo aplinkos sąlygų. Nepalankiomis sąlygomis pasireiškia didesnis mutacijų dažnis, kuris padidina naudingos adaptacijos atsiradimo tikimybę. Žinoma, kad dauguma naujų mutacijų yra žalingos. Pavyzdžiui, E. coli bakterijose tikimybė replikacijos metu atsirasti žalingai mutacijai yra 2-8 * 10-4. Tuo tarpu naudingos mutacijos atsiradimo tikimybė gerokai mažesnė – 2 * 10-9. Gal tokia tikimybė iš pirmo žvilgsnio ir nesisieja su greita evoliucija, tačiau tereikia populiacijoje atsirasti nors vienai bakterijai su gebėjimu apsisaugoti nuo antibiotiko, o jau toliau visą darbą atliks greitas dauginimasis ir gamtinė atranka.
Bakterijos turi dar vieną stiprų ginklą kovoje su antibiotikais – horizontalųjį genų pernešimą. Yra keletas horizontalaus genų pernešimo variantų, bet dažniausiai genetine informacija keičiamasi konjugacijos būdu. Kaip tai vyksta? Dvi ląstelės susijungia vamzdelio pavidalo struktūra, vadinama pile, per kurią perkeliama žiedinė DNR molekulė plazmidė iš donorinės ląstelės į recipientinę. Jeigu plazmidėje buvo atsparumo antibiotikui genas, recipientinė ląstelė irgi įgauna atsparumą.
Dabartinė situacija
Bakterinės infekcijos yra atsakingos už 25 % mirčių atvejų visame pasaulyje. Sepsio tipo infekcijų JAV kasmet užfiksuojama 98 000. Trečdalis iš jų baigiasi mirtimi, o ligoninės yra tapusios savotiškais antibiotikams atsparių bakterijų inkubatoriais.
Antibiotikų aukso amžiumi laikomas praeito šimtmečio vidurys, kuomet buvo atrandama daugybė skirtingo veikimo tipo antibiotikų, sėkmingai pritaikytų gydyme. Šiuo metu naujų antibiotikų atradimo sparta yra drastiškai sumažėjusi. Pavyzdžiui, per pastaruosius 40 metų nėra atrasta naujo tipo antibiotikų, kuriais būtų galima kovoti prieš Salmonella enterica bakterijas, sukeliančias vidurių šiltinę. Nuo šios infekcijos kasmet pasaulyje miršta daugiau nei 200 000 žmonių.
Šiuo metu didelė dalis pavojingiausių žmogaus patogenų yra išvystę daugiavaistį atsparumą (angl. multi-drug resistance (MDR)), kuris apibūdinamas kaip atsparumas vienai ar kelioms antibiotikų klasėms. Natūralu, kad tai irgi susiję su didelėmis išlaidomis. Kiekvienais metais 25 000 žmonių Europos Sąjungoje miršta nuo infekcijų, kurias sukėlė MDR patogenai. Sveikatos apsaugos sistemai kova su šia problema kasmet kainuoja apie 1,5 mlrd. eurų. Taigi susiklostė paradoksali situacija: antibiotikų aukso amžius seniai praėjo, o vaistams atsparių patogenų nuolat daugėja.
Nauji kovos su patogenais būdai
Kadangi natūralių antimikrobinių medžiagų atradimo sparta stipriai sumažėjusi, didesnis dėmesys skiriamas sintetinėms medžiagoms. Pastaruoju metu bandoma prieš patogenus naudoti specifinius katijoninius peptidus, galinčius selektyviai jungtis prie neigiamą krūvį turinčios bakterijų membranos ir ją suardyti. Eksperimentiniais tyrimais nustatyta, jog ši priemonė veiksminga prieš meticilinui atsparias Staphylococcus aureus bakterijas. Mokslininkai kelia sau užduotį sukurti antimikrobines medžiagas, nukreiptas į naujus taikinius. Taip pat dažniau stengiamasi naudoti patogenų nenužudančius, o tik jų dauginimąsi sustabdančius, bakteriostatinius antibiotikus. Naudojant tokias medžiagas yra mažesnė tikimybė, jog patogenai įgaus atsparumą. Be to, tokiu atveju mažiau pažeidžiama natūrali žmogaus mikroflora.
Metagenomika ir naujų antibiotikų paieška
Vis dėlto natūralios kilmės antibiotikų paieška tęsiasi, tačiau didesnis dėmesys skiriamas mažiau žinomiems mikroorganizmams, gyvenantiems egzotiškose ekologinėse nišose, pavyzdžiui, vandenynų dugno nuosėdose, sengirėse ar vabzdžių virškinimo traktuose. Istoriškai susiklostė taip, kad dauguma žymiausių antibiotikų, tokių kaip eritromicinas ar vankomicinas, yra išgryninti iš dirvoje gyvenančių bakterijų. Tačiau dirvožemis – tai tik viena iš daugybės mikroorganizmų apgyvendintų ekologinių nišų, kurioje aptinkama tik 0,1 % visos bakterijų įvairovės!
Ieškant naujų natūralių antibiotikų dažniausiai pasitelkiami metagenomikos metodai. Kaip vyksta naujų antibiotikų paieška? Iš pasirinktos ekologinės nišos paimamas mėginys. Tai gali būti jūros nuosėdos, vanduo ar vabzdžių virškinimo turinys. Iš tokio mėginio išskiriama mikroorganizmų genominė DNR. Vėliau ji suskaidoma į norimo dydžio fragmentus, kurie įkeliami į tam tikslui specialiai paruoštas ląsteles. Taip sukuriamos genominės bibliotekos. Mokslininkai gali nuskaityti įkeltų DNR fragmentų sekas ir palyginti jas su jau žinomų, antibiotikus koduojančių genų, sekomis. Aptikus sekų panašumus, galima tikėtis, jog aptiktas genas taip pat koduos antimikrobinėmis savybės pasižymintį baltymą. Kitu atveju, pagal įkelto DNR fragmento informaciją, ląstelės gali susintetinti patį baltymą. Tuomet tiriamos susintetintų baltymų antimikrobinės savybės. Tokie metodai leidžia per gan trumpą laiką atlikti didelio masto antibiotikų paieškos tyrimus.
Pabaigai
Antibiotikų eros istorija ir šiandieninė situacija tik patvirtina taisyklę, jog evoliucijoje niekada nebūna nugalėtojo. Tačiau tai nereiškia, jog nereikia stengtis ieškoti naujų priemonių kovai su patogenais. Tai, kad šiandien apie maro epidemijas žinome tik iš istorijos, o plaučių uždegimas nebegąsdina taip, kaip XIX amžiuje, yra mokslo nuopelnas. Kol nenustojame mąstyti ir kurti, naujos idėjos virsta pažangiomis kovos su infekcijomis priemonėmis, kurios gelbsti mūsų gyvybes.
Literatūros sąrašas
Aminov RI (2010) A brief history of the antibiotic era: lessons learned and challenges for the future. Front. Microbio. 1:134. doi: 10.3389/fmicb.2010.00134
Davies, J., & Davies, D. (2010). Origins and evolution of antibiotic resistance. Microbiology and Molecular Biology Reviews, 74(3), 417-433.
Handelsman, J. (2004). Metagenomics: application of genomics to uncultured microorganisms. Microbiology and Molecular Biology Reviews, 68(4), 669-685.
Hancock, R. E., & Lehrer, R. (1998). Cationic peptides: a new source of antibiotics. Trends in biotechnology, 16(2), 82-88.
Levy, S. B., & Marshall, B. (2004). Antibacterial resistance worldwide: causes, challenges and responses. Nature medicine, 10, S122-S129.
Ningthoujam, D. S., Sanasam, S., & Nimaichand, S. (2009). Screening of actinomycete isolates from niche habitats in Manipur for antibiotic activity. American Journal of Biochemistry and Biotechnology, 5(4), 221.
Olson, M. E., Ceri, H., Morck, D. W., Buret, A. G., & Read, R. R. (2002). Biofilm bacteria: formation and comparative susceptibility to antibiotics. Canadian Journal of Veterinary Research, 66(2), 86.
Walsh, C. (2003). Where will new antibiotics come from? Nature Reviews Microbiology, 1(1), 65-69.
Ridley Matt, Raudonoji karalienė: lytis ir žmogaus prigimties evoliucija.Vilnius: Eugrimas, 2013.
http://classes.midlandstech.edu/carterp/Courses/bio225/chap20/ss1.htm
http://www.lib.niu.edu/2001/iht810139.html
http://medical-dictionary.thefreedictionary.com/Beta+lactamase
http://www.the-scientist.com/?articles.view/articleNo/16737/title/How-to-Find-New-Antibiotics/
http://infectionnet.org/supporting-content/penicillium-inhibiting-staphylococcus/
http://www.ox.ac.uk/research/medical_sciences/projects/penicillin.html
One comment