Нынешняя опасная ситуация, сложившаяся в борьбе с инфекциями, напрямую связана с огромным количеством производимых АБ. Большинство из них плохо усваивается человеком и животными, в результате чего от 25% до 75% потребляемых антибактериальных средств без изменений выводится из организма с калом и мочой, попадая затем вместе с водой в естественные водоемы. По всему миру ученые регулярно находят в городских сточных водах высокую концентрацию АБ после их использования в медицине и животноводстве. И никакие очистные сооружения не в силах этому противостоять. Такая ситуация прямо способствует распространению резистентности к АБ: бактерии, живущие в естественной среде, после контакта с малыми дозами АБ из очистных сооружений приобретают к ним устойчивость. Подтверждением этому служит тот факт, что в местах слива сточных вод постоянно обнаруживаются бактерии с генами устойчивости к АБ, а также бактериофаги, передающие эти гены бактериям. Кроме того, использование для удобрения полей навоза животных, получавших антибиотики, также приводит к заметному увеличению в почве бактерий, содержащих гены устойчивости. Эти гены потом могут передаваться бактериям, живущим на растениях, а затем с растительной пищей попадать в кишечник человека и захватываться кишечной микрофлорой.
Еще одним важным фактором распространения устойчивости к АБ оказывается принятое сегодня за правило применение субтерапевтических доз АБ в животноводстве в качестве факторов роста. Директор ВОЗ М. Чен привела поразительные данные о том, что более половины всех производимых сегодня антибиотиков скармливают животным для их быстрого роста: «Количество антибиотиков, используемых среди здоровых животных, превышает количество антибиотиков, используемых среди нездоровых людей».
Но даже из такой сложной ситуации есть выход. И здесь будет уместно привести два примера. Дания в конце 1990-х первой в Европе ввела запрет на использование антибиотиков в качестве стимуляторов роста животных. Результаты такого шага не заставили себя ждать. Международная группа экспертов показала, что отказ Дании от АБ в животноводстве не только не нанес большого ущерба доходам фермеров, но и способствовал значительному снижению факторов устойчивости к АБ на фермах и в мясе животных. В выигрыше оказались все, кроме производителей АБ. Германия, запретив использование АБ авопарцина на птицефермах, тоже добилась внушительных результатов: количество энтерококков, устойчивых к ванкомицину (аналогу авопарцина), за четыре года после запрета снизилось в три раза.
Укус — это всегда неприятно, особенно если в рану попадет инфекция. А такое случается даже при укусе медицинской пиявки, и гирудотерапевты прекрасно об этом знают. По мнению отечественных специалистов, ранка воспаляется при неправильном уходе, если ее расчесывают или заносят грязь. В западных клиниках источником инфекции считают бактерии, населяющие кишечник медицинской пиявки. Симбионтов у нее мало, один из них принадлежит к роду Aeromonas, включающему и патогенные для человека виды. Для профилактики заражения пациентам дают антибиотики, в том числе ципрофлоксацин (Цп).
Все шло хорошо до 2011 года, когда из косметологических клиник США, Канады и Франции стали поступать сообщения о штаммах Aeromonas, устойчивых к антибиотику. Медицинских пиявок используют в пластической хирургии, чтобы улучшить кровоснабжение пересаженных кожно-мышечных лоскутов, и семь пациентов пострадали после гирудотерапии, несмотря на антибиотики, — им в ранки попала инфекция.
Эти случаи, крайне неприятные сами по себе, озадачили специалистов, которые не могли понять, где бактерии могли обрести устойчивость к ципрофлоксацину? Времена дуремаров прошли, пиявок больше не вылавливают в прудах, а разводят на специальных фермах, в контролируемых условиях, и антибиотиков им не дают. С фермы пиявки поступают в клинику, там дожидаются своей очереди в аквариумах с чистой водой. Используют их только один раз. Кишечным Aeromonas просто негде контактировать с Цп, и антибиотик должен был их убить. Проблемой заинтересовалась группа исследователей под руководством профессора Коннектикутского университета Йорга Графа, специалиста по микрофлоре пиявочного кишечника (mBio, 2018, 9 (4), e01328-18).
Научной общественности они сообщили две новости: плохую и хорошую. Хорошая заключается в том, что пиявки ни при чем, их кишечные симбионты не виноваты в заражении пациентов. Анализ ДНК 32 клонов бактерий, взятых из кишечника и с мест укуса, показал, что в пиявках обитают преимущественно Aeromonas veronii, а в ранках размножается другой вид, A. hydrophila, который в кишечнике приживается плохо, потому что предпочитает водную среду, а не кровь. Два вида Aeromonas очень похожи, биохимическими методами, которые использовали клиницисты, их различить нельзя, потому и возникло недоразумение. Источником инфекции, скорее всего, стали аквариумы, где держат пиявок. A. hydrophila размножились там, налипли на покровы червей и попали в организм пациентов как внутрибольничная инфекция.
А теперь плохая новость, даже две. Оба вида аэромонад оказались устойчивы к Цп, и этот препарат в следовых количествах обнаружили в пищеварительном тракте пиявок. А это значит, что мир загрязнен антибиотиками сильнее, чем мы думали, и резистентность к ним может развиваться даже при очень низкой концентрации.
В кишечнике пиявок, помимо ципрофлоксацина, нашли его ветеринарный аналог энрофлоксацин. Фермеры кормят пиявок кровью домашней птицы (кровь крупного рогатого скота не используют после вспышки коровьего бешенства), а курам для профилактики заболеваний и лучшего роста дают антибиотики. Из их крови препараты попадают в кишечник пиявок.
Еще один пример — безвредная бактерия Macrococcus caseolyticus, которая живет у коров на коже. В процессе доения она может попасть в молоко и продукты, изготовляемые из сырого молока, в том числе в сыр. Специалисты Института ветеринарной бактериологии Бернского университета обнаружили, что M. caseolyticus из молока коров, страдавших маститом, необычайно устойчивы к антибиотикам класса бета-лактамов: пенициллину, цефалоспорину и метициллину, которыми лечат больных животных (Scientific Reports, 2017, 7). Причем ген устойчивости у них новый, доселе неизвестный. Его назвали mecD.
Макрококки — близкие родичи стафилококков, а цефалоспорин — единственный антибиотик, который побеждает устойчивый к метициллину золотистый стафилококк. Участок хромосомы, содержащей mecD, может спонтанно вырезаться, образуя кольцевую молекулу, и встраиваться в хромосому золотистого стафилококка, благо оба вида обитают по соседству. M. caseolyticus с новым геном устойчивости обнаружили на коже собаки, следовательно, бактерия может колонизировать разные виды животных. У человеческих бактерий ген mecD пока, по счастью, не встречали.
Путешествия генов резистентности между разными видами бактерий для людей опасны, даже если речь идет о ветеринарных антибиотиках, которые не используют в здравоохранении. Получив такую мутацию, человеческие патогены могут приобрести множественную лекарственную устойчивость.
До недавнего времени специалисты смотрели на проблему лекарственной устойчивости с умеренным оптимизмом. За любое полезное приобретение, полагали они, приходится платить. Мутации устойчивости к антибиотикам затрагивают жизненно важные гены. У резистентных микроорганизмов нарушены репликация ДНК, белковый синтез, транспорт продуктов метаболизма, что существенно снижает их жизнеспособность и вирулентность в чистой среде. При аккуратном использовании антибиотиков обычные штаммы будут вытеснять устойчивые, и резистентность можно будет если не победить, то загнать в определенные рамки. Увы, при ближайшем рассмотрении перспектива оказалась не такой радужной.
Вместо чистой среды приходится иметь дело с очень малыми концентрациями антибиотиков. Бактерии в таких условиях приобретают устойчивость к лекарствам и при этом прекрасно себя чувствуют.
Даже обладатели традиционных мутаций устойчивости, затрагивающих жизненно важные функции, порой не уступают в приспособленности и вирулентности своим чувствительным собратьям, а то и превосходят их (Bioessays, 2016, V. 38, Issue 7, pp. 682–693). В их числе оказались возбудитель больничной инфекции синегнойная палочка Pseudomonas aeruginosa; еще один больничный патоген Acinetobacter baumannii, вызывающий инфекции кровотока, менингит и пневмонию, раневые и урологические инфекции; холерный вибрион Vibrio cholerae. Некоторые штаммы устойчивых к антибиотикам возбудителей туберкулеза и брюшного тифа оказываются более вирулентными, чем чувствительные бактерии.
Анализ ДНК показал, что мутации устойчивости, влияющие на жизнеспособность, компенсируются другими мутациями. Например, снижение активности ДНК-гиразы можно нейтрализовать повышенной активностью топоизомеразы. Такие двойные мутанты имеют повышенную приспособленность. Сальмонеллы, устойчивые к стрептомицину, быстрее дикого типа растут при недостатке углеводов. Золотистый стафилококк, устойчивый к рифампицину, в организме быстрее образует биопленки.
Как бороться с инфекциями, которые невосприимчивы ко многим антибиотикам и прекрасно себя чувствуют при их отсутствии? Идея использовать антибиотики как можно реже себя не оправдывает. Медики предлагают чередовать несколько антибиотиков, сходных по структуре и сайту действия. Они надеются, что такая стратегия затруднит бактериям выработку резистентности.
Можно использовать иммунотерапию, например антитела к полибета-1,6-N-ацетил-глюкозамину. Это полисахарид, необходимый многим бактериям для образования биопленок. Антитела к этому полисахариду могут уничтожить бактерии с множественной лекарственной устойчивостью.
Еще один вариант — фототерапия. Специалисты университета Цинциннати попытались таким образом уничтожить устойчивый к метициллину золотистый стафилококк. Они запатентовали гель, в состав которого входят наночастицы, покрытые фотосенсибилизатором. Под действием света он окисляется, образуя активные формы кислорода, уничтожающие бактерии. Предварительные испытания показали, что препарат очищает раны от инфекции и ускоряет их заживление, не повреждая при этом клетки кожи.
Эти и другие технологии пока испытывают на животных. А нам в ожидании результатов остается мыть руки, соблюдать гигиенические нормы и не злоупотреблять антибиотиками.
Исследователи из США обнаружили, что используемый в химической промышленности полимер TESET, содержащий сульфогруппы, проявляет уникальные противобактериальные свойства. Значительно понижая рН среды вокруг себя, он за очень короткое время способен убивать патогенные микроорганизмы, включая устойчивые к антибиотикам штаммы.
Устойчивость патогенных микроорганизмов к лекарственным препаратам становится все более серьезной угрозой для здравоохранения во всем мире (см., например, статьи Майи Петровой и Алексея Ржешевского Резистентность бактерий: опасность, которая рядом и R. Laxminarayan, D. Heymann, 2012. Challenges of drug resistance in the developing world). За годы применения терапии, основанной на использовании антибиотиков, некоторые микробы благодаря случайным мутациям переживали контакт с предназначенными для борьбы с ними химическими веществами, а их потомство в итоге смогло выработать механизмы, защищающие его от действия антибиотиков.
Результаты изучения биологической активности полимеров TESET позволяют говорить о том, что может существовать относительно простой и недорогой способ борьбы с «супербактериями» — противомикробные материалы, действие которых активируется обычной водой. Исследование токсикологии этих полимеров, однако, говорит о том, что они опасны и для клеток млекопитающих, то есть сами по себе TESET26 и TESET52 не смогут сразу подойти для изготовления противобактериальных поверхностей для больниц. Тем не менее, ученые не теряют уверенности, что разработка неопасных для человека противобактериальных полимеров — аналогов сульфонированных эластомеров TESET — дело ближайшего будущего.
Однако сейчас в мире наметился новый тренд - природные антибиотики на основе антимикробных пептидов - веществ, которые есть в организме человека. За много лет микробы не выработали к ним устойчивости. На сегодня открыто уже около трёх тысяч таких пептидов. Мы занимаемся несколькими из них, которые, как следует из результатов наших исследований, действуют на стафилококки, кишечную палочку, синегнойную палочку и других возбудителей, вызывающих тяжёлые пневмонии, сепсис, инфекционный эндокардит, перитонит, менингит. С ними пациенты часто лежат в отделениях реанимации и погибают. Также мы выявили, что эти пептиды действуют на возбудителей сибирской язвы, не восприимчивого к антибиотикам туберкулёза, доля которого стремительно растёт.
Животным помогает
- Антимикробные пептиды были открыты давно, почему их раньше не использовали?
- Эти вещества быстро разрушаются в организме под воздействием ферментов. Мы придумали упаковывать их в наноконтейнеры, которые не пропускают ферменты, но позволяют пептидам бороться с микробами.
Совместно с заведующим кафедрой микробиологии Игорем Базиковым и лабораторией Владимира Батурина мы разработали препарат для лечения синдрома диабетической стопы.
- На каком этапе сейчас ваши разработки?
- Мы проводим доклинические испытания на животных. Пока не было случаев, чтобы не помогло. До этого исследовали действие пептидов в пробирке. Наши выводы совпадают с результатами зарубежных коллег.
Неслучайно нас поддержал Российский фонд фундаментальных исследований, который финансирует прорывные проекты. На доклинические исследования нам выделили миллион рублей. Мы также получили стипендию по президентской программе поддержки молодых учёных - более 500 тысяч рублей.
В микробиологии известны небольшие антимикробные белки, называемые лантибиотиками, которые обладают бактерицидным потенциалом. Низин, наиболее изученный лантибиотик, был обнаружен еще до открытия Александром Флемингом пенициллина. Низин никогда не использовали в клинической практике из-за нестабильности в организме человека. Однако он широко применяется в качестве пищевого консерванта с 1953 года без каких-либо признаков развития резистентности. Низин эффективно борется, в первую очередь, против бактерий с однослойной мембраной. Есть сведения об активности в сочетании с ионами металлов против нескольких штаммов с двухслойной стенкой. Лантибиотик убивает бактерии путем разрушения мембраны и остановки синтеза клеточной стенки.
метициллинрезистентные золотистые стафилококки (МРЗС).
МРЗС обычно связан с внутрибольничными инфекциями. Иными словами, пациенты в больницах, имеющие раны и ослабленный иммунитет, являются основной группой риска. Золотистый стафилококк способен выживать в почти стерильных условиях и распространяется несмотря на дезинфекцию. Но, к сожалению, МРЗС встречается и за пределами больниц, в этом случае он называется бытовым. Именно его подхватила десятилетняя пациентка через обыкновенную царапину. Стафилококк может и не вызвать инфекции, но если организм по какой-то причине ослаблен, последствия могут быть катастрофическими.
Поедающие заживо
МРЗС является одной из тех самых «пожирающих плоть бактерий», о которых СМИ рассказывают леденящие душу истории. Этот микроб отвечает за треть всех случаев некротизирующего фасциита — тяжелой инфекции, буквально разъедающей мягкие ткани организма. Входными воротами для смертельно опасного микроба может быть порез или ожог, хотя известны случаи, когда фасциит развивался после употребления сырых морепродуктов. Зубные болезни тоже повышают риск инфекции.
Впрочем, некротизирующий фасциит можно предотвратить, если правильно ухаживать за ранами, мыть руки и следить за гигиеной полости рта. При лечении врачи ампутируют пораженные ткани и вводят ударную смесь антибиотиков. Однако даже при правильном и своевременном лечении треть пациентов умирает.
В 2015 году врачи сообщили о крайне необычном случае некротизирующего фасциита, вызванного бытовым стафилококком. Инфекция развивалась молниеносно у пациента с нормальной иммунной системой. Мужчина в возрасте 52 лет поступил в больницу с невыносимой болью в левом бедре и отеком, который держался уже неделю. На коже ноги виднелись гематомы, пузыри, а пораженные участки потеряли чувствительность. Несмотря на агрессивную терапию, хирургическую обработку раны и прием антибиотиков широкого спектра действия больной скончался от сепсиса менее чем через 24 часа после обращения. У мужчины не было никаких травм или предполагаемых контактов с МРЗС, однако он лечился от остеоартроза левого колена периодическими инъекциями стероидов. Последняя инъекция была сделана за три недели до начала симптомов.
МРЗС вызывает не только инфекции мягких тканей. Стафилококк наряду с некротизирующим фасциитом способен провоцировать смертельную некротизирующую пневмонию или внутреннюю гангрену, быстро разрушающую легочные ткани. В большинстве случаев заболевание приводит к летальному исходу, даже несмотря на ударную дозу сильнодействующих антибиотиков, нацеленных против стафилококков. Такая пневмония чаще развивается у детей и молодых взрослых, особенно после вирусной респираторной инфекции, однако поражает и людей старшего возраста.
Ежегодно в США регистрируется почти 300 тысяч госпитализаций, связанных с золотистым стафилококком, при этом почти половина приходится на МРЗС. Бытовой стафилококк отличается от внутрибольничного генетически. В Северной Америке наиболее распространен «суперзаразный» штамм USA300.
Штамм USA300 прибыл в Северную Америку в первой половине XX века из Европы, где он появился в середине XIX века. Тогда он был менее заразным и не имел многих мутаций, сейчас делающих его смертельно опасным. Роковую роль в создании супермикроба-монстра сыграл заразивший стафилококк вирус — бактериофаг ϕSa2USA, который нес в себе ген, кодирующий PVL. В начале третьего тысячелетия штамм получил широкое распространение в США, а также переселился в Южную Америку, Европу, Африку и Азиатско-Тихоокеанский регион. Считается, что к 2001 году МРЗС колонизировал примерно восемь процентов населения США.
Пока МРЗС остается восприимчив к ряду антибиотиков, не принадлежащих бета-лактамам. Однако обнаруживаются новые штаммы, которые проявляют устойчивость и к другим лекарствам. Ситуацию осложняет то, что антибиотики применяют повсеместно и часто неправильно, что только провоцирует размножение бактерий, вызывающих трудноизлечимые или вообще неизлечимые инфекции.