Odporność bakterii na antybiotyki.
Lekarze coraz częściej odkrywają, iż prawie każda broń stosowana w walce z mikroorganizmami, jakimi są bakterie, a jest to ponad 150 antybiotyków jest nieskuteczna. Bakterie, na które działano owymi środkami potrafią się wybronić i stać się na nie odporne, przekazując swe umiejętności dalej do innych bakterii (nawet tych, które nie brały udziału w „potyczce”).
Wniosek jest taki, iż bakterie uodparniają się w coraz większej mierze na antybiotyki. Choroby tj. gruźlica, zapalenie opon mózgowych, niegdyś uleczalne antybiotykami, teraz uśmiercają pacjenta. Winni są ludzie, którzy źle stosowali i stosują antybiotyki przez np. nadużywanie lub niewłaściwe stosowanie). Dali przez to zwyciężyć bakterią.
Naukowcy oszacowali, że w jednej trzeciej, a nawet w połowie antybiotyki przypisywane są niepotrzebnie.
Ponad 70% produkowanych każdego roku w USA antybiotyków dodaje się do pasz. Stosuje się je także w płynach do naczyń i mydłach. Substancje te zabijają bakterie, ale tylko formy wrażliwe, natomiast szczepy odporne mają dzięki nim ułatwiony wzrost.
Zaprzestanie masowego stosowania antybiotyków nie zmieni ich losu, czyli stopniowej utraty skuteczności. Bakterie zawsze będą nabywać nowych umiejętności walki z nimi, choćby, dlatego, że w ciągu jednego dnia może nastąpić nawet wiele podziałów komórkowych.
Prawie wszystkie stosowane do tej pory antybiotyki są pochodzenia naturalnego. Naukowcy zidentyfikowali je i ulepszyli, ale ich nie wynaleźli. Od powstania życia na Ziemi organizmy konkurowały o ograniczone zasoby środowiska. W efekcie niektóre z nich wykształciły zdolność do wytwarzania antybiotyków. Związki te stanowią potężną broń części grzybów, promieniowców, roślin, a nawet niektórych gatunków bakterii. Zapewniają im przewagę nad bakteriami wrażliwymi na dane antybiotyki, a wywierana przez nich presja selekcyjna sprzyja powstawaniu w przyrodzie nowych związków tego typu.
Pod koniec lat 20 Alexander Fleming pracujący w St. Mary`s Hospital Medical School w London University odkrył penicyline. Zauważył on, że pędzlak znaczony (Penicillium notatum) zabija rosnące obok niego bakterie z rodzaju Staphylococcus. W następnych latach naukowcy zidentyfikowali wiele innych środków tego typu, testując zdolności różnych związków do zabijania lub hamowania wzrostu bakterii. Wybierano je przypadkowo i pozyskiwano na przykład z rozmaitych pleśni.
Jednym z najbardziej skutecznych antybiotyków okazała się wankomycyna, odkryta w 1956 roku przez pracowników Eli Lilly and Company. Wankomycyna to jedyny antybiotyk skuteczny w walce z metycylinoopornym gronkowcem złocistym(Staphylococcous aureus) odpowiedzialnym za najczęściej śmiertelne zakażenia szpitalne. Wankomycyna atakuje ścianę komórkowa, która utrzymuje kształt bakterii i pośredniczy w jej kontaktach z otoczeniem.
Wankomycyna zakłóca syntezę peptydoglikanu, wiążąc się z łańcuchami peptydowymi, nim zostaną sczepione przez transpeptydaze. Lek przyłącza się do końcowych D-alanin, blokując działanie enzymu. Nie tworzą się mostki poprzeczne, a bez nich peptydoglikan jest rzadki jak źle utkana tkanina. Ściana komórkowa rozrywa się i komórka szybko obumiera.
Podstawę skuteczności wankomycyny stanowi jej idealne dopasowanie do końcowej części łańcucha peptydowego. Właśnie przeciw tej właściwości antybiotyku mikroorganizmy wykształciły odporność. Odporność drobnoustrojów na antybiotyk można przezwyciężyć, jeśli zrozumie się jej mechanizm. Naukowcy skupili się na badaniach innych bakterii, których odporność na wankomycyne stwierdzono już pod koniec lat 80 – wankomycynoodpornych enterokokach (VRE – vancomycinresistant enterococci). W komórkach większości enterokoków wankomycyna wiąże się z dwoma końcowymi D-alaninami. Oznacza to utworzenie pięciu mostków wodorowych. W komórkach VRE łańcuch peptydowy jest jednak nieznacznie zmieniony. Atom tlenu w D-alaninie została zastąpiony azotem i wodorem. Oznacza to, że wankomycyna może przyłączyć się do łańcucha peptydowego tylko czterema wiązaniami wodorowymi. Właśnie brak jednego z nich stanowi podstawę odporności tych bakterii.
Do powstania odporności na wankomycyne – mogą wystarczyć niewielkie modyfikacje na poziomie cząsteczkowym, a bakterie wykształciły mnóstwo sposobów przechwytywania leków. W przeszłości odkrywanie nowych leków wiązało się z testowaniem całych komórek bakterii – dodawaniem do nich różnych związków w celu zbadania ich przeżywalności. Stosując tę metodę odkryto właśnie wankomycynę. Jej zalety to prostota i fakt, że testuje się równocześnie wszystkie struktury i procesy komórkowe, na które może ewentualnie oddziaływać antybiotyk. Wiele z nich występuje jednak zarówno w komórkach bakteryjnych, jak i ludzkich, zatem zastosowane związki mogą być niebezpieczne również dla człowieka.
Alternatywą są badania na poziomie molekularnym, umożliwiające identyfikacje związków o ściśle określonym typie oddziaływania, np. specyficznych inhibitorów enzymu transpeptydazy. Doświadczenia takie, mogą doprowadzić do otrzymania leku o znanych mechanizmach działania. Krokiem w procesie odkrywania nowych leków byłaby możliwość równoczesnej analizy kilku miejsc działania antybiotyków, tak jak w badaniach na całych komórkach, a przy tym zdobywanie informacji o mechanizmach działania medykamentu.
W badaniach nad nowymi antybiotykami nastąpił znaczny postęp dzięki automatyzacji i miniaturyzacji. Zastosowanie robotyki w tzw. wysoko wydajnych urządzeniach przesiewowych umożliwiło naukowcom analizowanie tysięcy związków tygodniowo. W przyszłości poznanie sposobów wytwarzania naturalnych antybiotyków przez mikroorganizmy pozwoli naukowcom stworzyć transgeniczne szczepy bakteryjne produkujące nowe antybiotyki.
Ogromny rozwój genomiki w ostatnich latach umożliwił opracowanie nowoczesnej metodyki projektowania i testowania leków. Informacje na temat genów i kodowanych przez nie białek pozwoliły genetykom i chemikom przedrzeć się przez linie wroga i wykorzystać przeciwko niemu zdobytą wiedzę. Obecnie drobnoustroje atakowane są na wielu frontach”
- Niszczenie ważnych genów bakteryjnych (tzw. genów metabolizmu podstawowego)
- Zakłócanie produkcji niektórych białek (dających bakterią zdolność do zakażania organizmów żywicieli lub do wykształcania odporności na leki).
Z dotychczasowych badań wynika, że wiele antybiotyków inaktywuje niezbędne do istnienia bakterii geny podstawowych funkcji życiowych. Dzięki nowoczesnym technikom badawczym geny te identyfikujemy znacznie szybciej. Przykładem mogą być poszukiwania genów podstawowych funkcji życiowych drożdży piekarniczych (Saccharomyces cerevisiae).
Da się to zrobić dzięki tzw. Technice ekspresji in vivo (IVET – in vivo ekspression technology). Polega ona na wstawieniu kolejno do każdego genu bakteryjnego unikalnej sekwencji DNA: jednocześnie jego znacznika i dezaktywatora. Następnie takimi bakteriami zakaża się organizmy testowe. Kolejnym etapem jest odzyskiwanie bakterii z zainfekowanych żywicieli i identyfikacja znajdujących się w bakteryjnych genomach znaczników. Brak któregoś z nich oznacza, że blokowany przez niego gen był niezbędny, by bakteria mogła przeżyć w organizmie gospodarza.
Oprócz identyfikowania genów podstawowych funkcji życiowych oraz kodujących czynniki wirulencji, badacze zajmują się szukaniem genów odpowiedzialnych za nabywanie przez bakterię oporności na antybiotyki. Znalezienie takich genów pozwoli przywrócić efektywność nieskutecznym już antybiotykom, na przykład beta-laktamowym, do których zaliczamy penicylinę. Inaktywacja tego enzymu jest możliwa po zastosowaniu jego inhibitora – kwasu klawulanowego, którym domieszkuje się amoksycylinę. W ten sposób powstał lek dostępny na rynku pod nazwą „augmentin”.
Już wkrótce dzięki coraz wydajniejszemu monitorowaniu transkrypcji DNA identyfikacja determinantów oporności, takich jak beta-laktamaza, i czynników wirulencji stanie się badaniem rutynowym.
Bardzo obiecujące są próby zakłócania mechanizmów funkcjonowania bakteryjnego RNA. Jego większość stanowi RNA rybosomalny (rRNA) – główny składnik budulcowy rybosomów, komórkowych fabryk, gdzie powstają białka – bardzo wrażliwy, gdyż nie ma zdolności samonaprawy, a ponadto jest w nim wiele miejsc, do których może przyłączyć się antybiotyk. W 1987 roku naukowcy wykazali, że antybiotyki z grupy aminoglikozydów (m.in. streptomycyna) specyficznie wiążą się właśnie z RNA i sprawiają, że rybosomy nie odczytują prawidłowo kodu genetycznego niezbędnego do syntezy białek jednak wiele tych antybiotyków jest toksycznych dla człowieka i dlatego ich stosowanie jest mocno ograniczone.
Naukowcy mogą także zablokować działanie informacyjnego RNA (mRNA), sterującego wytwarzaniem białek i wędrującego między jądrem komórki, w którym znajduje się zaszyfrowany w DNA kod genetyczny, a rybosomami. Cząsteczki mRNA przenoszą przepisaną z DNA informację genetyczną do rybosomów, gdzie w procesie translacji odbywa się synteza białek. Ponieważ każda cząsteczka mRNA koduje tylko jedno białko, każda jest inna. Dlatego naukowcy stworzyli małe molekuły ograniczone (nie będące białkami), specyficznie wiążące się z poszczególnymi cząsteczkami mRNA. Wykorzystali to chemicy z firmy Parker-Davis do zwalczania wirusa ludzkiego niedoboru odporności (HIV). Zidentyfikowali oni molekuły przyłączające się do niektórych sekwencji jego mRNA, co uniemożliwia ich oddziaływanie z białkowymi aktywatorami, koniecznymi do replikacji, czyli namnażania się wirusa. Powodzenie tego eksperymentu świadczy, że mRNA stanowi obiecujący obiekt działania leków.
Duże zainteresowanie badaczy wzbudza także inna metoda leczenia, zwana terapią antysensową. Można wyprodukować sekwencje nukleotydów, które wiążą się ściśle ze specyficznymi sekwencjami mRNA, zamykając go w molekularnym kaftanie bezpieczeństwa. Opakowany w ten sposób, mRNA nie jest w stanie uwolnić się z otaczającego go związku, który go niszczy albo inaktywuje. Choć FDA dopuściła ostatnio do obrotu pierwszy lek antysensowy, zwalczający ludzkiego wirusa cytomegalii, to opracowanie takich środków przeciwko infekcjom bakteryjnym na razie się nie udało, m.in. z powodu toksyczności antysensowych leków oraz problemów z dotarciem do miejsca przeznaczenia odpowiedniej ich ilości.
Nie można stosować wielu antybiotyków wynalezionych dotychczas, ponieważ są szkodliwe także dla nas. Ale porównując bakteryjne sekwencje genetyczne, stanowiące potencjalne obiekty oddziaływania leków, z genami człowieka, być może uda się wykryć geny specyficzne dla bakterii i skoncentrować tylko na nich. Z kolei porównanie takich sekwencji różnych gatunków bakterii umożliwi wyprodukowanie leków o ściśle określonej selektywności. Niektóre z tych genów są identyczne we wszystkich bakteriach, więc prawdopodobnie otrzymamy antybiotyki o szerokim spektrum działania. I odwrotnie – wykrycie tego typu sekwencji w genomach tylko kilku bakterii doprowadzi do wyprodukowania bardzo selektywnych leków.
Jeżeli już we wczesnym etapie choroby zostanie rozpoznany szczep bakterii, który ją wywołuje, lekarz będzie mógł przepisać antybiotyk o wąskim spektrum działania. Oporność na tego typu lek wykształcą, więc ewentualnie tylko zwalczane przez niego bakterie. Dzięki rozwojowi metod szybkiej replikacji DNA i monitorowania transkrypcji identyfikacja odpowiedzialnego za chorobę szczepu bakterii prawdopodobnie już wkrótce stanie się rutynową praktyką medyczną.
Choć obecnie nasza sytuacja w walce z patogenami jest o wiele korzystniejsza niż kilkadziesiąt lat temu, musimy jednak pamiętać, że biologiczny wyścig zbrojeń, w którym uczestniczymy, należy z góry uznać za przegrany, gdyż mikroorganizmy biorą w nim udział od niepamiętnych czasów. Na każdy nasz nawet najbardziej pomysłowy atak bakterie skutecznie zareagują – chociażby zmianą jednego atomu w aminokwasie. To one zawsze będą młodszymi, wygrywającymi wojowniczkami.