Ежегодно Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) выбирает самую значимую для здоровья человечества проблему и обращается с международным призывом к совместным действиям, направленным на ее решение. Спустя 10 лет после публикации Глобальной стратегии ВОЗ по сдерживанию устойчивости к противомикробным препаратам эта проблема не только не решена, но стала настолько острой, что в 2011 году она объявлена темой Всемирного дня здоровья, а генеральный директор ВОЗ призвал мировое сообщество на борьбу с ее распространением.
В послании ВОЗ речь идет об одной большой группе микробов — надцарстве Bacteria. Сейчас охарактеризовано менее 9 тысяч видов, хотя всего их не меньше миллиарда. Надцарство — самый высокий ранг в систематике живых организмов. Если посмотреть на современное филогенетическое древо (оно показывает "родственные связи" разных видов, родов, семейств, классов), можно увидеть всего три главных ветви. Они делят все живое на надцарства — бактерии, археи (которых раньше причисляли к бактериям), и эукариоты (к нему принадлежат люди, животные, птицы, рыбы — те, у кого наследственная информация хранится в ядре клетки). Уже больше века ученые выясняют роль мира бактерий в жизни человека.
"Родные" бактерии и "чувство кворума"
Сейчас известно, что жить без бактерий невозможно. Есть кефиры "с бифидо- и лактобактериями" и таблетки-пробиотики, которые нужно принимать после антибиотиков. Но также известно, что не бывает абсолютно безопасных бактерий. Они — всего лишь клетки с генетическим материалом, свернутым в кольцо (то есть в двойную спираль ДНК циркулярной формы), у которых немного целей в жизни: питаться и размножаться. А человек — всего лишь их инкубатор, поставляющий питательные вещества и обеспечивающий нормальную влажность и температурный режим. В ответ бактерии обеспечивают защиту от патогенов и токсинов, способствуют пищеварению и поддерживают в активном состоянии иммунитет. Если этот баланс смещается, какие-то представители "микро-биосферы", микробиоценоза, тоже могут изменить поведение и стать вирулентными, то есть вредными, несущими инфекции. Основные представители микрофлоры — это не широко разрекламированные бифидо- и лактобактерии, а грамотрицательные Bacteroides и грамположительные Firmicutes.
Каждое подразделение состоит из сотен видов бактерий и, что интересно, их набор уникален для каждого человека. Даже наличие разных видов бактерий и их количество строго индивидуально и, как было недавно показано, может быть связано с генотипом. Профессор Бухник из израильского Института технологий изучал различия в микробиоте мышей. Он обнаружил, что в желудках мышей одной из линий было намного больше бактерий штамма Lactobacillus johnsonii, причем все попытки заселить ими другую линию проваливались. Все потомки от скрещивания двух линий были способны нести в себе бактерии L.johnsonii. Эти данные говорят о том, что с изменением генотипа меняется и микробное сообщество в толстом кишечнике мышей. Вывод подтверждает генетик Эндрю Бенсон из университета Небраски. Проанализировав 645 "родственных" мышей, Бенсон с коллегами нашли 18 специфических участков генома (quantitative trait loci), которые были напрямую связаны с микробным составом мышиных желудков.
Интересно, что индивидуальность микрофлоры определяется еще и системой врожденного иммунитета человека, — ведь организм не должен реагировать на собственную микрофлору.
Внутри каждого человека для каждого присутствующего вида бактерии есть четко определенное место, функция и даже порядок колонизации (кто за кого "цепляется", и как быстро заселяет место в отсутствии соседа). Это сложная многоуровневая система, в которой необходимо поддерживать определенный баланс. Поэтому бактерии находятся в постоянном соревновании друг с другом, и такой антагонизм проявляется в выработке антимикробных веществ, подавляющих рост соседей. Для создания общего микромира, помимо противодействия, есть еще одно важное свойство системы - "чувство кворума" (quorum-sensing). На самом деле, это никакое не чувство, а огромное количество сигнальных молекул, которые синтезируют одни бактерии и химически чувствуют другие. Это одно-, двух-, и даже трехкомпонентные системы, причем каждая клетка может производить одновременно до нескольких десятков таких сигналов, сообщая о своем местоположении, взаимодействуя с соседями и организмом человека.
Получается, что каждый человек с рождения окружен биологической "защитной пленкой", барьером из бактерий, которые находятся в таком тесном взаимодействии друг с другом и с иммунитетом хозяина, что просто не могут допустить к себе чужаков. От человека бактерии получают до 45 грамм углеводов из ежедневного рациона, но зато расщепляют полисахариды, липиды, а также до 30% неперевариваемых белков и 25% всей мочевины. Если баланс кворума сместится, изменятся концентрации специфических регуляторных пептидов, что может дать команду генетическому аппарату бактерий переключиться на вирулентный тип поведения, то есть стать инфекционными.
Поэтому когда врачи избавляются от "плохих" бактерий антибиотиками, они заодно убивают и своих, "родных", делают в естественном защитном барьере бреши, в которые беспрепятственно могут проникнуть патогены.
В настоящее время исследования пробиотиков, которые могут быть естественными врагами вирулентных бактерий, переживают подъем, но мы находимся только в начале пути к их повсеместному применению. До сих пор от "темной стороны" бактерий, их инфекционности, человечество спасали антибиотики, которые до недавнего времени, несмотря на то, что их действие сродни ковровым бомбардировкам, оставались эффективны.
Естественный отбор и устойчивость к антибиотикам
Бактериальная микрофлора: — без антибиотика бактерии постоянно синтезируют индол (слева); — в состоянии вызванного антибиотиком стресса бактерии перестают вырабатывать индол и умирают (в середине); — устойчивые к антибиотикам мутантные клетки быстро избавляются от антибиотика и способны синтезировать индол (справа)
Бактериальная микрофлора: — без антибиотика бактерии постоянно синтезируют индол (слева); — в состоянии вызванного антибиотиком стресса бактерии перестают вырабатывать индол и умирают (в середине); — устойчивые к антибиотикам мутантные клетки быстро избавляются от антибиотика и способны синтезировать индол (справа)
В общем случае действие антибиотика состоит в том, что он служит ингибитором, то есть тормозит или подавляет какую-то функцию, жизненно важную для микроба. Например, это может быть атака на аппарат белкового синтеза — и тогда бактерии теряют способность производить необходимые им белки. Некоторые антибиотики, тот же пенициллин, способствуют разрушению клеточной стенки бактерий.
Сейчас производят более эффективные антибиотики, нацеленные на старые мишени. Одновременно разрабатывают новые цели: нарушения в делении бактериальной клетки, биосинтез жирных кислот, ингибирование ферментов метаболизма. Но бактерии умудряются выживать даже в такой массированной атаке.
Подтверждены два пути того, как это может происходить. При первом, давно известном, в ответ на действие антибиотика быстро (хоть иногда и через несколько бактериальных поколений) появляются мутантные клетки, которые могут ему каким-либо образом противостоять. Например, у них идет более активный синтез питательных веществ, включаются "подстраховочные механизмы" белкового синтеза, или немного по-другому устроен белок, на который воздействует антибиотик. Может даже возникать спонтанная мутация, позволяющая им жить в среде, содержащей антибиотики. Соответственно, они выживают, растут, и постепенно заменяют собой всю популяцию. Для такой, новой, "усовершенствованной" популяции бактерий становятся не страшны даже высокие дозы антибиотика.
Второй путь, который подтвердили всего год назад, предполагает "благотворительность" со стороны бактериальных мутантов по отношению к своим соседям. В работе, опубликованной в Nature, описаны мутации, позволившие бактериям выживать под действием антибиотиков. Авторы-микробиологи нашли пять более или менее общих мутаций, которые позволяли активней выбрасывать антибиотик из клетки и синтезировать антиоксиданты. Но интересно другое — выживали и обычные, не мутировавшие бактерии. Оказалось, что антибиотик тормозил выработку индола — неспецифической защиты бактерий, в норме он синтезируется постоянно. Мутантные клетки быстро выбрасывали антибиотик, и, соответственно, могли синтезировать индол. Его количества было достаточно, чтобы защищать не только мутантов, но и их соседей.
Но не стоит забывать, что на выброс антибиотика из клетки затрачивается много "сил", и такие мутанты растут медленнее соседей. В итоге 1% приспособленных мутантов поддерживал 99% неприспособленных бактерий, которые, в свою очередь, обеспечивали высокие темпы роста всей колонии.
Процессы появления мутантов — не сложно спланированный механизм защиты бактерий от человеческого оружия, а всего лишь закономерное следствие теории эволюции. Один из ее важных принципов — существование различий между членами популяции, причем чем выше будет такая вариабельность, тем больше у вида (или, в данном случае, штамма) шансов на выживание в меняющихся условиях.
Люди сами создают вирулентные бактерии
Это верно и для бактерий, и для человека. Поэтому и происходит гонка вооружений между бактериями и фармацевтами. Ученые просто "выводят" новые виды опасных бактерий с помощью антибиотиков, а потом сами же с ними борются. "Помогают" им в этой селекции страны, в которых антибиотики дешевы, выписываются без рецепта, и, соответственно, у врача нет возможности проследить за выполнением всего цикла лечения. В итоге человек через пару дней приема антибиотиков чувствует себя значительно лучше, и забывает про них. А в это время в его организме остатки бактериальной популяции получают отличную возможность приспособиться к все понижающейся дозе антибиотика, и во время следующей болезни иметь целый арсенал защиты. Человек переходит на следующий антибиотик, потом на другой, но их не бесконечное количество. Вот о чем предупреждает ВОЗ — такими темпами через некоторое время человечество может оказаться в довоенной эре, полностью безоружным против им же созданных мутантных бактерий.
Такая история уже произошла с туберкулезом, по поводу которого с 1944 года — первого применения стрептомицина, врачи были спокойны. Не так давно появились штаммы, устойчивые сразу к нескольким противотуберкулезным антибиотикам, так называемые MDR-формы (от англ. multidrug resistant). Сейчас MDR-штаммами туберкулезных бактерий инфицировано более 50 млн человек. "Горячие точки" — как раз страны с дешевыми легкодоступными антибиотиками: Восточная Европа, Россия, Китай. Но только от 5 до 10% инфицированных заболевает туберкулезом в течение жизни. Вероятно, это единственное, что спасает нас от эпидемии, и дает надежду найти оружие, которое использует иммунитет человека для защиты от микобактерии в тех самых 90-95% случаев.
Похожее развитие получил и золотистый стафилококк. Появились устойчивые к большинству антибиотиков штаммы — бактерии MRSA (methicillin resistant Staphylococcus aureus). Причем возникли они не где-нибудь, а в больницах и госпиталях. Микробиолог Марк Шпигельман из центра инфекционных болезней Лондонского University College считает, что избыточные меры гигиены уничтожают безвредных бактерий, оставляя нишу для MRSA, а также ведут к появлению устойчивых к антибиотикам штаммов и активизируют у бактерий защитные механизмы, которые обычно не работают. Естественно, что в операционной должно быть стерильно, а руки надо мыть с антибактериальным мылом. Однако последние данные заставляют всех, от мам маленьких детей до врачей, пересмотреть свои взгляды на гигиену.
К тому же, у бактерий есть свое "секретное оружие", кроме тех, к которым мы уже привыкли. У них есть горизонтальный перенос генетического материала, то есть патогенная бактерия может "поделиться" с безвредной своими "инфекционными" генами. Для этого есть много способов: фаги, плазмиды (короткие кольцевые ДНК), островки патогенности.
Получается, что бактерия даже в своей "личной жизни" имеет большой шанс получить в геном патогенный участок, который позволит ей заражать человека. Например, благодаря горизонтальному переносу Bacillus cereus приобрел на каком-то этапе эволюции две плазмиды с генами патогенности, и стал возбудителем сибирской язвы. Аналогично возникла и чума. На настоящий момент внутри почти каждого рода есть несколько вредоносных штаммов, приводящим к тяжелым болезням. Какие есть новые подходы к борьбе с патогенными бактериями? И можно ли отказаться от использования антибиотиков в пользу новых безопасных лекарств?
Новые способы борьбы с патогенами
Накопленные знания про разнообразие форм бактерий позволяют считать, что схема "плохие — хорошие" бактерии устарела. Поэтому надо искать вещества, нацеленные только на вирулентные штаммы, а, еще лучше, на один конкретный штамм или даже вирулентный клон, имеющий тот же генетический материал, но с добавкой "островка патогенности". Например, если хорошо изучить механизм инфекционного процесса, можно с помощью специфических РНК блокировать синтез токсинов. Технологию создания таких искусственных РНК, нацеленных на контроль работы бактериальных генов, представила в этом году группа ученых из Китая под руководством профессора Венгонг Ю.
Другой вариант — влиять на сигналы "чувства кворума". Например, у стафилококков переключение на инвазивный тип существования, который приводит к инфекции, контролируется всего четырьмя генами. Они включаются и выключаются в ответ на концентрацию в среде специфических регуляторных пептидов. Поэтому, если ученые научатся использовать бактериоцины, продукция которых регулируется "чувством кворума", они смогут контролировать "вредность" некоторых штаммов бактерий, или даже избавляться от них. Например, бактериоцин низин уже сейчас успешно применяется в качестве консерванта в пищевой промышленности. Использование других биологических врагов бактерий — бактериофагов — затрудняется тем, что они могут вызывать аллергии, переносить патогенные участки ДНК/РНК между бактериями, к тому же, бактерии сами успешно с ними борются.
Сейчас в качестве вакцин будущего рассматривают введение в организм человека не ослабленных бактерий, а их специфических белковых последовательностей. Механика процесса поста — в кровь вводят антигены, и иммунная система человека делает всю "черную работу" — производит антитела, которые помогут ему бороться с настоящей, живой инфекцией. Но тут нужно выбирать, что использовать в качестве антигенов. Например, у основного белка клеточной стенки стрептококков и белка миокарда человека есть общие последовательности аминокислот, поэтому его нельзя использовать. Для борьбы с золотистым стафилококком используют в качестве мишени белок — токсин, который есть только у высоковирулентных штаммов. В итоге стафилококки-симбионты не повреждаются. Подход, который применяют в лаборатории Суворова, — использование смеси из нескольких антител с разными мишенями, — дает очень хорошие результаты. Видимо, в таком случае бактерия не может использовать запасные пути отступления (переключение пути метаболизма, выбрасывание антибиотиков, и т.д.) и вынуждена сдаться.
Другой подход — не просто вакцинировать специфическими антигенами, но доставлять их с помощью безопасных, и даже полезных бактерий. Сейчас для этих целей часто используют штамм Lactococcus lactis. В работе Шуджи Лью с коллегами из Джиньянского университета (Китай) гены, контролирующие развитие фимбрий (отростков) "плохого" штамма Enterotoxigenic Escherichia coli искусственно вставляют в ДНК "хороших" лактококков. Лактококки сами по себе хорошо встраиваются в микро-сообщество человека, поэтому могут долго поддерживать специфический антигенный стимул. Кроме того, они сами стимулируют иммунитет. Аналогичная работа проводится в лаборатории профессора Суворова. В этом случае в качестве "корабля" используется широко распространенная кишечная палочка, а доставляет и синтезирует она гены, отвечающие за производство смеси поверхностных белков "плохих" штаммов стрептококков. В экспериментах на мышах такая система вызывала активный иммунный ответ на смертельную стрептококковую инфекцию. Это позволяет нам верить в перспективность именно такого способа борьбы с болезнетворными бактериями. С одним лишь условием — вакцина должна быть подобрана в соответствии с микробиотой конкретного человека и с учетом патогенных бактерий, циркулирующих в данном регионе.
Со спора Пастера и Мечникова прошло уже больше века, и роль бактерий в жизни человека стала яснее. Теперь известно, что бактерии бывают необходимы и что их набор очень индивидуален, что они умеют приспосабливаться и что само человечество поневоле породило множество опасных штаммов. Но с развитием генетики и молекулярной биологии появляется надежда, что человечеству удастся договориться с микробным сообществом.