Superbakterie – Życie W Erze Postantybiotykowej
W XX w. dość nonszalancko podchodzono do dobrodziejstwa, jakim są antybiotyki. Były przepisywane na potęgę, nawet na wirusowe przeziębienia, na które nie miały prawa zadziałać. Pomogły nam zapanować nad wieloma chorobami, a sama penicylina uratowała wiele istnień w czasie II Wojny Światowej. Jednak teraz, jako ludzkość, stajemy przed kolejnym, poważnym problemem – lekooporności. Nadużywanie antybiotyków przyczyniło się do rozprzestrzeniania się szczepów bakterii nie tylko wysoce zjadliwych, ale także wielolekoopornych (ang. multiple drug resistance, MDR). Czy to oznacza, że cofamy się do ery przed wynalezieniem antybiotyków?
Krótka historia antybiotyków
Już w 1897 roku Ernest Duchesne w swojej rozprawie doktorskiej pt.: Antagonizm między pleśniami i mikrobami opisał fakt występowania substancji hamujących rozwój bakterii chorobotwórczych. Jego praca niestety nie została rozwinięta, substancja nie została wyizolowana, a on sam (o ironio!) zmarł na gruźlicę, którą mógłby wyleczyć za pomocą mechanizmu, który opisał.
Dopiero 31 lat później (1928 r.) zapewne znany wszystkim Alexander Fleming dokonał podobnej obserwacji. Była ona jednak dziełem przypadku. Legendy głoszą, że odkrycie było wynikiem potwornego bałaganu panującego w laboratorium tego pana. Okazało się, że kolonie Staphylococci w miejscach zanieczyszczonych przez grzyba Penicillinum notatum (przeniesionego przypadkiem z kanapek) ulegały zniszczeniu.
Fleming nie był w stanie wyizolować substancji odpowiedzialnej za hamowanie rozwoju bakterii jeszcze przez kolejne 10 lat. Dopiero w 1938 grupa, w skład której wchodzili Alexander Fleming, Howard Walter Florey oraz Ernst Boris Chain, wyizolowała substancję czynną. Za to osiągnięcie cała trójka została słusznie uhonorowana Nagrodą Nobla.
W czasie II Wojny Światowej w prace nad otrzymaniem i zastosowaniem penicyliny zaangażowanych było 40 laboratoriów! Badania pochłonęły podobne ilości gotówki, co Projekt Manhattan (stworzenie bomby atomowej). Jeszcze w czasie wojny penicylina ratowała życie żołnierzy na froncie, chociaż naukowcy nie umieli jeszcze jej syntetyzować ani nie znali struktury cząsteczki. Dopiero w 1957 John Sheehan z MIT dokonał pierwszej syntezy tego antybiotyku. W 1964 Dorothy Hodgkin z uniwersytetu Oksfordzkiego jednoznacznie określiła strukturę penicyliny metodą rentgenografii, za co również otrzymała Nagrodę Nobla. Swoją drogą, w rentgenografii wielkie zasługi mają kobiety, wszak strukturę DNA określono na podstawie zdjęcia wykonanego przez Rosalind Franklin.
Lata 70. XX w. to czas odkryć wielu naturalnych i syntetycznych substancji z grupy antybiotyków β-laktamowych, do których właśnie należy penicylina. To również czas beztroskiego używania antybiotyków, bez świadomości, jakie będą później konsekwencje.
Horyzontalny transfer genów jako mechanizm nabierania oporności na antybiotyki
Bakterie nabierają oporności na kilka sposobów. Mogą to być spontaniczne mutacje, a może być też tak, że genetycznie uwarunkowana oporność na dany antybiotyk już w naturze istniała i rozprzestrzeniła się w bardzo prosty sposób.
Wyobraźmy sobie, że w naszych jelitach bytują sobie naturalnie kolonie pałeczki okrężnicy E. coli. Są nieszkodliwe, dopóki sobie siedzą w tym swoim naturalnym środowisku. Jesteśmy nosicielami różnych genotypów, w tym tych z genami oporności, które sobie żyją w równowadze. Teraz dochodzi do jakiegoś zakażenia i lekarz przepisuje nam antybiotyk. Tak się składa, że jeden z genotypów bytujących sobie w jelitach ma gen oporności na ten antybiotyk. W dalszym ciągu namnaża się bez żadnych przeszkód, podczas gdy pozostałe genotypy ulegają zniszczeniu podczas terapii. Zaburzona zostaje nasza równowaga mikroflory jelitowej i od zakończenia terapii zaczynają przeważać bakterie z genetyczną opornością.
Co się dzieje dalej? Naturalnie wypróżniamy się, a bakterie razem ze ściekami kanalizacją wędrują sobie do oczyszczalni ścieków. Przypominam, że oddaliśmy do środowiska większą ilość bakterii opornych na antybiotyk niż zwykle. Ścieki w oczyszczalni ścieków przechodzą przez wiele etapów oczyszczania, a bakterie występują tam w większym natężeniu niż w naturze. Mają doskonałe warunki do tego, żeby się spotkać i wymienić materiałem genetycznym. Jak one to robią?
Wykorzystują mechanizm zwany horyzontalnym transferem genów (ang. horizontal gene transfer, HGT). Proces ten zachodzi w wyniku koniugacji lub transdukcji. W przypadku koniguacji bakterie wymieniają się między sobą DNA w postaci plazmidów (kolista cząsteczka DNA). Transdukcja zachodzi, kiedy materiał genetyczny zostaje przeniesiony przez bakteriofaga. Jest jeszcze trzecia droga – transformacja. Ale to już zachodzi w laboratorium biologii molekularnej w kontrolowanych warunkach.
I tak, w naszej mieszaninie bakterie powymieniały się swoimi plazmidami noszącymi geny odporności na antybiotyki. Spotkały się bakteriofagami, które również podzieliły się swoimi genami i dalej trafiły sobie do rzek.
Zaczyna się od kontaktu czubka pilusa z odpowiednim receptorem na powierzchni komórki innej bakterii. Następnie zostaje on unieruchomiony i ulega retrakcji a następnie degradacji, doprowadzając do bezpośredniego kontaktu osłon komórkowych. Umożliwia to lokalne ścisłe zespolenie błon. Pary komórek, które połączyły się w ten sposób są wystarczająco stabilne i gotowe do przekazania DNA. Transfer genów rozpoczyna się od jednoniciowego nacięcia w odpowiednim miejscu plazmidu przez dane białko. Następnie nacięta nić jest przepychana do komórki biorcy. Po przekazaniu plazmidu jego liniowa forma ulega cyrkularyzacji. W czasie przekazywania materiału genetycznego następuje już synteza nowych genów z materiałem genetycznym naturalnie występującym u danej bakterii.
Superbakterie w natarciu
New Delhi, jednostka administracyjna Delhi będąca stolicą Indii. To tam leczył się pewien Szwed, u którego później wykryto szczepy bakterii Klebsiella pneumoniae i Escherichia coli posiadające enzym z grupy metalo-β-laktamaz, kodowany przez gen NDM-1. Ten enzym nadaje bakteriom oporność na antybiotyki z grupy β-laktamowych. Właściwie na wszystkie, także na karbapenemy, które są tzw. lekami ostatniej szansy. NDM-1 razem z bakteriami rozprzestrzenił się już właściwie po całym świecie, jest obecny także w Polsce. Jego nośnikiem jest kolisty plazmid, który bakterie mogą między sobą wymieniać w trakcie koniugacji.
K. pneumoniae NDM, czyli tzw. superbakteria szczep New Delhi może wywoływać zapalenia płuc, opon mózgowo-rdzeniowych, przewodu pokarmowego, moczowego, a nawet sepsę. Nie ma na nią skutecznego leku. Można działać wyłącznie objawowo i liczyć na to, że układ odpornościowy pacjenta sam sobie poradzi z zakażeniem. W przeciwnym razie choroba przekształca się w postać przewlekłą, mogącą prowadzić do śmierci.
Jakie są główne źródła zakażenia? K. pneumoniae i E. coli bytują w przewodzie pokarmowym i są wydalane z kałem. Zatem źródłem może być niezdezynfekowana toaleta, z której wcześniej korzystał chory lub nosiciel. Bezobjawowym nosicielem można być przez wiele lat, a do rozwoju choroby dochodzi, kiedy bakteria poprzez ranę lub w czasie zabiegu chirurgicznego dostaje się do krwiobiegu.
Szczepy bakterii New Delhi nie są oczywiście jedynymi przykładami bakterii opornych na znane nam leki. Oporność szerzy się właściwie na każdy antybiotyk. Nadużywanie dobrodziejstwa tych leków doprowadziło nas do sytuacji, że ludzie będą umierać na choroby, które do tej pory z łatwością mogliśmy leczyć.
Perspektywy w erze postantybiotykowej
Najwyższa Izba Kontroli w lipcu 2019 roku wydała raport nt. leczenia antybiotykami w Polsce. Wynika z niego, że lekarze (szczególnie POZ) przepisują je bez przeprowadzenia wcześniej odpowiednich badań mikrobiologicznych i na schorzenia, których obraz kliniczny wskazuje na zakażenia wirusowe. Jednocześnie w szpitalach przybywa pacjentów zakażonych superbakteriami, których nie ma czym leczyć.
Kolejni Ministrowie Zdrowia temat zdają się pomijać. Nie ma długofalowej strategii, która zakładałaby monitorowanie skali zakażeń bakteryjnych i konsumpcji antybiotyków. To sprawia, że perspektywy na przyszłość są co najmniej niepokojące. Jak żyć w erze postantybiotykowej? Czy mamy jakiś alternatywny plan? Czy może cofniemy się w leczeniu zakażeń bakteryjnych do początku XX w.?
Istnieją pewne koncepcje, zresztą wcale nie nowe, które zakładają wykorzystanie bakteriofagów do leczenia zakażeń bakteryjnych. Bakteriofagi, to wirusy atakujące właśnie bakterie, a idea ich wykorzystania przewija się w nauce od kilkudziesięciu lat. Nie była jednak tak popularna ze względu na brak potrzeby. Antybiotyki były dotychczas skuteczne i dawały poczucie bezpieczeństwa. Czasy się zmieniły i podejście do nowych terapii także. Ze wzmożoną intensywnością naukowcy poszukują nowych terapii, które mogą pomóc w rozwiązaniu problemu lekooporności.
Enzybiotyki szansą na skuteczne leczenie zakażeń superbakteriami
Enzybiotyki, to enzymy zdolne do lizy (niszczenia) ściany komórkowej bakterii. Ich nośnikami są bakteriofagi – wirusy atakujące organizmy prokariotyczne. Takie białka charakteryzują się wysoką skutecznością i specyficznością. W naturze bakteriofagi wykorzystują je w końcowej fazie namnażania do uwolnienia swoich nowych kopii z komórki bakteryjnej.
Terapie z wykorzystaniem enzybiotyków już istnieją. Endolizyna bakteriofaga C1, pierwsza lizyna zastosowana w profilaktyce i leczeniu zapaleń gardła spowodowanych przez Streptococcus z grupy serologicznej C, a także Streptococcus z grupy A i E. Terapie fagowe sprawdzają się także przy wspomaganiu leczenia zakażeń spowodowanych przez superbakterie.
W poszukiwaniu nowych substancji pochodzenia fagowego z pomocą przychodzą techniki sekwencjonowania DNA. Naukowcy opracowali metody, które komputerowo na podstawie sekwencji DNA pozwalają określić strukturę i możliwe działanie białka. To znacznie przyspiesza proces identyfikowania nowych substancji o potencjale bakteriobójczym.
Bakterie i fagi prowadzą ciągłą, zimną wojnę. Nieustannie się zmieniają. Bakterie próbują uodpornić się na ataki bakteriofagów, a te z kolei dążą do przezwyciężenia oporu bakterii. To dla nas szansa, ponieważ być może odkryliśmy niewyczerpane źródło substancji o działaniu bakteriobójczym lub bakteriostatycznym. Wysiłek naukowców i coraz lepsze algorytmy wyszukujące enzymy z potencjałem leczniczym dają nadzieję na to, że zwykłe zakażenia bakteryjne nie staną się ponownie śmiertelnym zagrożeniem.
Świetnie, kompetentnie napisany post, widać, iż autorka ma duże badawcze i pisarskie doświadczenie.
Lekarze antybiotyki przepisują na byle co, a potem jest kłopot, bo organizm się uodparnia. Podobnie jest z naszpikowanymi antybiotykami kurczakami, żeby nie chorowały i szybciej rosły. Potem je zjadamy i znowu mamy problem. Ehhhh… Bardzo ciekawy artykuł. Tak podaną wiedzę to ja mogę przyswajać 😉
Ciekawy artykul i przystepnie napisany!
Ogólnie antybiotyki to ciekawy temat, uczyłam się o nich w szkole. Niestety był to naprawdę mały dział w książce.