Исследования, проведенные в Европе, где антибиотики-пролекарства уже приобрели популярность, подтвердили, что такие пролекарства, как пивмециллинам или бакампициллин, не оказывают сильного воздействия на бактерий, обитающих в ротовой полости, носоглотке и пищеварительном тракте. Пивмециллинам особенно популярен в Швеции, Дании и Норвегии, где он стал основным лекарством от инфекций мочевых путей – благодаря низкому уровню устойчивости к нему возбудителей (от которой страдают по всему миру многие женщины, больные хроническими формами подобных инфекций). Однако в США антибиотики-пролекарства еще предстоит внедрять: лишь немногие из американских врачей когда-либо слышали о таких препаратах.
Подавление устойчивости
Минимизация сопутствующего ущерба от применения антибиотиков может замедлить дальнейшую выработку устойчивости к ним, но не обязательно позволит снизить тот уровень устойчивости, которого микробы уже достигли на сегодняшний день. Надежды на то, что бактерии будут избавляться от генов устойчивости, как только перестанут в них нуждаться, давно пришлось похоронить. Теперь нам известно, что устойчивые к антибиотикам бактерии могут вполне успешно конкурировать со своими неустойчивыми родичами даже в организме человека, не прикасавшегося к антибиотикам уже не один месяц или не один год.
Хотя и наивно было бы надеяться на то, что нам когда-либо удастся вернуть те следовые количества устойчивости, которые наблюдались до внедрения пенициллина, рано или поздно у нас в распоряжении могут оказаться технологии, позволяющие избирательно выключать бактериальную устойчивость, подавляя ген за геном и инфекцию за инфекцией. Одно из перспективных направлений исследований в этой области касается "плазмидных рвотных" – химических соединений и других средств, побуждающих бактерий извергать из себя плазмиды – эти колечки ДНК, которыми они обмениваются, нередко под завязку набитые генами устойчивости. Первые попытки "лечить" от плазмид бактерий, устойчивых ко многим антибиотикам, были предприняты в семидесятых годах, когда микробиологи еще только начали разбираться в том, что представляют собой эти "факторы устойчивости". В лабораторных условиях исследователям иногда удавалось очищать колонию бактерий от устойчивости к антибиотикам, воздействуя на нее токсичными веществами, например акридиновыми красителями, едкими детергентами или таким канцерогеном, как бромистый этидий.
В то время подобные токсичные вещества казались совершенно непригодными для лечения пациентов. Но серьезные побочные эффекты некоторых антибиотиков, используемых сегодня в качестве последнего средства, заставили ученых вернуться к исследованиям препаратов, очищающих бактерий от плазмид. Например, припадки, к которым иногда приводит антибиотик имипенем, считаются теперь "допустимым" побочным эффектом при лечении инфекций, вызываемых устойчивыми к ванкомицину энтерококками или устойчивыми ко многим антибиотикам псевдомонадами (Pseudomonas) или ацинетобактерами (Acinetobacter). К сожалению, ни одно средство "лечения от плазмид" не действует ни на все разновидности плазмид, ни даже на большинство из них, а некоторые бактерии носят с собой сразу несколько их разновидностей.
Более безопасный и более эффективный подход будет, возможно, найден благодаря исследованиям механизмов, позволяющих бактериям передавать свои коллекции плазмид дочерним клеткам. Бактерии, как и все клетки, размножаются делением, хотя механизм деления у них намного проще, чем у более крупных и сложнее устроенных клеток растений и животных. Оказывается, плазмиды содержат собственный генетический аппарат для независимого удвоения и наследования. Более того, они должны жестко контролировать этот процесс: при каждом делении клетки в ней всегда должно быть достаточно плазмид, чтобы раздать их следующему поколению, но не слишком много, чтобы их количество внутри отдельной бактериальной клетки не стало чрезмерным.
Пол Хергенротер, долговязый химик-вундеркинд из Иллинойсского университета, считает, что сложность механизма размножения плазмид дает ученым достаточно возможностей испортить этот механизм – либо заставив плазмиды "думать", что их слишком много (и тем самым выключив их удвоение), либо приведя в негодность их аппарат распределения копий по дочерним клеткам. В 2006 году исследовательской группе Хергенротера удалось реализовать первый из этих двух вариантов с помощью молекул небольшого, похожего на антибиотик вещества апрамицина, имитирующего сигнал о том, что плазмид стало слишком много. В клетках кишечной палочки, которым в среду добавляли это вещество, плазмиды устойчивости переставали удваиваться, и с каждым новым поколением дочерним клеткам доставалось все меньше плазмид. После смены примерно 250 поколений (кишечные палочки делятся в среднем раз в двадцать минут) в их колониях почти не осталось плазмид, и они стали вполне уязвимы для антибиотиков, которые еще три дня назад не оказывали на них никакого действия. Ясно, что врачам понадобится более быстродействующее средство для очистки бактерий от плазмид, если они будут использовать его в сочетании с антибиотиками. Но успех Хергенротера стал важнейшим шагом в этом направлении.
Другой способ борьбы с такими плазмидами состоит в том, чтобы найти гены, используемые некоторыми бактериями для включения и выключения содержащихся в этих плазмидах генов устойчивости. Такая "индуцируемая устойчивость" создает ужасные проблемы при лечении некоторых разновидностей бактериальных инфекций, потому что их возбудители могут, судя по результатам лабораторных анализов, казаться восприимчивыми к определенному антибиотику, а во время лечения пациента неожиданно включать гены устойчивости. Однако выключатели этих генов привлекают медиков как перспективные мишени для средств, подавляющих устойчивость микробов к антибиотикам. Например, в английском Бристольском университете специалистка по молекулярной биологии Вирве Энне занимается поисками выключателя, который в нормальных условиях подавляет активность целой плазмиды устойчивости у кишечной палочки. Эта плазмида, когда она включена, делает кишечную палочку неуязвимой для тетрациклина, ампициллина, стрептомицина и сульфаметоксазола – четырех антибиотиков из числа наиболее широко используемых в медицине. К началу 2007 года исследовательнице удалось сузить область поисков "регуляторного переключателя" этой плазмиды до одной из нескольких групп генов. Когда она найдет этот переключатель, следующая ее задача будет состоять в том, чтобы разобраться, какого рода сигналы его запускают и как их можно заблокировать.
Разумеется, плазмиды – не единственное хранилище генов устойчивости. Некоторые из таких генов, попадая в бактерию на плазмиде, тут же перескакивают в главную хромосому. Другие возникают в результате мутаций или встраиваются в хромосому вместе с ДНК бактериофагов (вирусов, которые заражают бактерий) или конъюгативных транспозонов (своего рода "перескакивающих генов"). Надежда во всех этих случаях прежде всего на один или несколько методов прямого выключения генов – на так называемые антисмысловые генетические технологии. Эти технологии предполагают искусственное создание фрагментов ДНК с обратной последовательностью, блокирующих работу соответствующих генов. Самым известным примером применения таких технологий был не имевший коммерческого успеха сорт помидоров "Флавр-Савр", выведенный в начале девяностых. Специалисты по генной инженерии получили этот медленно созревающий сорт, введя в него антисмысловой ген, частично блокировавший синтез гормона созревания, что позволяло фермерам собирать уже зрелые (а значит, более ароматные) помидоры, не боясь, что они сгниют по дороге к покупателю. Незначительно улучшенного аромата оказалось недостаточно, чтобы преодолеть недоверие покупателей к генетически модифицированному "Франкенфрукту", но сам факт его получения был выдающейся демонстрацией возможности антисмысловых технологий.
Примерно в то же время, когда "Флавр-Савр" совершал свой непродолжительный дебют, команда Стюарта Ливи в Университете Тафтса начала работу над созданием антисмыслового гена, блокирующего работу гена устойчивости ко многим антибиотикам mar (multiple-antibiotic-resistance), обнаруженного у множества близкородственных болезнетворных микробов, в том числе сальмонелл (возбудителей пищевых отравлений), шигелл (возбудителей бактериальной дизентерии), чумных палочек (возбудителей чумы) и дюжины с лишним возбудителей внутрибольничных инфекций: энтерококков, цитробактеров, серраций и клебсиелл. Ген mar представляет собой своего рода центральный переключатель для целого набора генов устойчивости, делающих микробов невосприимчивыми к десяткам антибиотиков, от давних стандартных средств, таких как тетрациклин и ампициллин, до перспективных новых препаратов, таких как норфлоксацин. Ливи и его коллеги встроили полученный антисмысловой ген к гену mar в плазмиды и с помощью минутного повышения температуры до 42° C или электрического импульса побуждали клетки кишечной палочки поглощать такие плазмиды. Этот метод, конечно, нельзя было использовать на практике для борьбы с болезнетворными микробами, но он открывал многообещающее новое направление исследований.
С тех пор как Ливи продемонстрировал саму подобную возможность, ряду других ученых удалось добиться аналогичных результатов, побуждая бактерий в пробирках поглощать антисмысловые последовательности, лишавшие их устойчивости к ванкомицину в одном эксперименте и к амикацину в другом. (Амикацин – довольно токсичное средство, особенно часто применяемое при тяжелых формах внутрибольничных инфекций, устойчивых ко всему остальному.) Как и в случае с методами очистки от плазмид, конечный успех работ, ведущихся в этом направлении, целиком и полностью зависит от того, удастся ли найти практические способы заставить бактерий делать то, что от них требуется, в организме пациента. С другой стороны, обнадеживает то, что микробиологи в настоящее время исследуют сразу несколько возможных способов введения антисмысловых генов в бактериальные клетки. Например, такие гены можно упаковывать в бактериофагов, или заключать в маленькие жировые пузырьки, легко проходящие через клеточные стенки бактерий.
Возможности животноводства
Хотя самый непосредственный источник устойчивости к антибиотикам – это их использование для профилактики и лечения человеческих заболеваний, все новые и новые данные подтверждают, что устойчивые бактерии и их опасные гены попадают в наш организм также с мясом, яйцами и через загрязненные стоки с животноводческих ферм. Ширится движение североамериканских ученых, врачей и потребителей сельскохозяйственной продукции, которые пытаются добиться от государственных структур США и Канады запрета на добавление антибиотиков в корма для стимуляции роста сельскохозяйственных животных. В Европейском союзе полный запрет на такую практику был введен в 2005 году. Но даже если использование антибиотиков для стимуляции роста полностью прекратится, их по-прежнему будут в большом количестве скармливать сельскохозяйственным животным для профилактики распространения предполагаемых инфекций. А кроме того, как справедливо отмечали представители фармацевтической промышленности, в некоторых случаях введенный в Европе запрет на ускоряющие рост антибиотики привел к росту заболеваемости и более активному использованию антибиотиков в терапевтических целях.
Что же делать? Скотт Макьюэн, специалист по ветеринарии и безопасности пищевых продуктов из Гуэлфского университета, консультируя канадские органы государственного регулирования, советует найти выгодный обеим сторонам компромисс. "На наш взгляд, успех в этом деле зависит от более тонкого подхода", – говорит Макьюэн. В качестве консультанта при Министерстве здравоохранения Канады, канадского аналога Управления пищевых продуктов и медикаментов, Макьюэн давно пытается угодить защитникам интересов как промышленности, так и потребителей. "На мой взгляд, – говорит он, – европейский опыт должен научить нас тому, что есть множество ситуаций, где мы можем резко понизить устойчивость микрофлоры животных, не оказывая никакого или почти никакого негативного воздействия на производительность животноводческих ферм". В частности, Макьюэн отмечает, что прекращение добавления антибиотиков в пищу животных в более зрелом возрасте, ближе к тому возрасту, в котором их забивают, может дать их организмам шанс повторно заселиться не столь опасными бактериями, не вызывая существенных изменений ни в скорости роста, ни в их восприимчивости к инфекциям. Когда же фермеры впервые отнимают поросят от матери и собирают их вместе в больших "поросячьих яслях", не проводя при этом профилактического курса антибиотиков, среди таких поросят нередко свирепствуют респираторные и желудочно-кишечные инфекции.
В то же время Макьюэн отмечает, что ионофоры (на которые приходится до половины "питательных" антибиотиков, используемых в североамериканском животноводстве) никогда не применялись и, судя по всему, не будут применяться для лечения и профилактики заболеваний человека, а кроме того, не отмечено никакой связи между устойчивостью к этим препаратам и устойчивостью к важнейшим "человеческим" антибиотикам. "Так почему бы их не использовать? – удивляется Макьюэн по поводу запрета на их применение в Европе. – Если же кто-то попытается сказать, что в качестве стимуляторов роста стоит обратиться к цефалоспоринам или фторхинолонам, то это очевидная ерунда. Все наши данные говорят о том, что устойчивость к этим антибиотикам вырабатывается быстро и представляет явную угрозу здоровью людей". Наилучший, по словам Макьюэна, из найденных до сих пор компромиссов являет собой политика такого гиганта американского фастфуда, как McDonald’s. Согласно новым правилам этой компании, распространяющимся на всех ее поставщиков мяса во всем мире, им запрещается использовать исключительно для стимуляции роста антибиотики какого-либо из классов, разрешенных к применению для лечения заболеваний людей, – независимо от того, активно ли применяются эти антибиотики в настоящий момент.
Ограничить использование антибиотиков в ветеринарии, заключает Макьюэн, как и их применение для лечения и профилактики заболеваний человека, будет не так-то просто. Ясно, что никто не захочет вообще отказаться от лечения больных животных, будь то из сострадания или из нежелания есть мясо таких животных. "Тут начинают поступать предложения использовать одни классы антибиотиков только для людей, а другие – только для животных, – говорит он. – Но сделать это не так-то просто. Вспомним хотя бы примеры с авопарцином и ванкомицином". По словам Макьюэна, что бы мы ни делали для решения этих проблем, одной из важнейших задач всегда будет непрерывный мониторинг, включающий поддержание баз данных по всем антибиотикам, используемым животноводами и ветеринарами, сбор сведений о том, какие гены устойчивости наблюдаются у бактерий, загрязняющих мясо и яйца, и анализ устойчивости к важнейшим "человеческим" антибиотикам, с которой врачи сталкиваются у своих пациентов. "В настоящее время золотым стандартом такого мониторинга может служить система, внедренная в Дании, – говорит Макьюэн, – где порядок предоставления информации строго регулируется, и ни одна свинья или другое животное не получит антибиотика без соответствующего предписания, а данные, поступающие со всей страны, сопоставляются и анализируются". При этом он готов признать, что стоимость и практические особенности такой системы делают ее недоступной для внедрения в Канаде и США, где животноводством занимаются более крупные предприятия, а потребляемые животными антибиотики представляют собой мешанину из средств, требующих и не требующих предписаний к применению. "Может быть, когда-нибудь…" – говорит Макьюэн. А пока канадское правительство организовало предварительный вариант подобной системы мониторинга, где внимание сосредоточено на сети сигнальных ферм и ветеринарных клиник, призванных на ранних этапах предупреждать об устойчивых микроорганизмах, оказавшихся на пути к нашему столу.
Мы добились бы большего, если бы вернули животноводство к более традиционным способам ведения хозяйства, добавляет Макьюэн. Результаты всех исследований говорят о том, что животные, выращенные на небольших "семейных" фермах, нуждаются в меньшем количестве антибиотиков и переносят меньше устойчивых к антибиотикам бактерий. Но такие старомодные фермы не могут тягаться с крупными животноводческими предприятиями, масштабы которых позволяют им существенно сократить расходы. "Мало кто из потребителей согласится платить соответствующую разницу в цене", – признаёт Макьюэн. В конечном итоге, подытоживает он, решить эту проблему позволят поиски эффективных альтернатив антибиотикам. В этом отношении выгоду сельскому хозяйству сулят разработки новых способов лечения и профилактики заболеваний человека.
Не только антибиотики: новые способы борьбы с микробами
Как и целая куча других химикатов, бактериофаги чертовски похожи на живые организмы. Большинство бактериофагов, если посмотреть на них в электронный микроскоп, напоминают головастых пауков или, может быть, лунные модули. Когда фаг поджимает свои членистые "ноги", его "хвост" соприкасается с клеточной стенкой бактерии, и по нему вирус вводит в клетку гены, которые превратят ее в фабрику по производству фагов. Вирусы, заражающие растения и животных, напоминают просто шарики из жеваной бумаги и представляют собой гены в белковой оболочке, которые садятся на поверхность клетки, и она по ошибке поглощает их.
В более сложном устройстве бактериофагов нет ничего удивительного, если принять во внимание, что их гонка вооружений с бактериями началась задолго – возможно, за несколько миллиардов лет – до появления на Земле любых других форм жизни. Столь долгой эволюцией может объясняться и то, что бактериофаги – самые разборчивые из всех вирусов на планете. Многие из них заражают не просто определенный вид бактерий, а лишь несколько избранных штаммов. До появления молекулярно-генетических методов эта разборчивость давала микробиологам удобный способ определять штаммы бактерий и отличать их друг от друга. Например, штамм золотистого стафилококка 80/81, по чьей вине в пятидесятые годы погибали дети, был назван так за свою восприимчивость к бактериофагам № 80 и 81 из набора, в котором их было больше сотни.
В наши дни особую известность бактериофагам принесли популярные статьи вроде той, что вышла в журнале Wired под заголовком "Почему прожорливые советские вирусы спасут мир?" (подзаголовок: "Они завтракают бактериями, устойчивыми к антибиотикам"). Романтическим историям об открытиях, связанных с бактериофагами, и о способах их применения посвящены многие десятки журнальных статей, документальных телефильмов и книг, от статьи Питера Радетски "Хороший вирус", опубликованной в 1996 году в журнале Discover, до вышедшей в 2006 году книги Томаса Хойслера "Вирусы против супермикробов".