И вот осенью 2004 года Новик и его подопечные ввели шести бесшерстным лабораторным мышам золотистых стафилококков штамма, выделяющего ауто индуктор API-1. Кроме того, трем из этих шести мышей ввели аутоиндуктор API-2. В течение следующей недели у мышей, которым вводили только стафилококков, на месте инъекции развились большие нарывы, которые затем прорвались, превратившись в открытые гнойники. У тех же мышей, которым вместе с микробами ввели не соответствующий им аутоиндуктор, образовались лишь небольшие волдыри, которые вскоре спали и зажили. "Тем самым мы просто сместили равновесие в пользу иммунной системы, – говорит Новик. – Не то чтобы стафилококк вообще не мог вызвать заболевание, не включив производство токсинов. Но бактериям, застигнутым врасплох без токсинов, сложнее останавливать или убивать нейтрофилов, прибывающих, чтобы их уничтожить".
В настоящее время Новик уже перешел от испытаний своих подавляющих патогенность средств на мышах к работе с культурами клеток человека и смертоносными штаммами стафилококков, выделенными из легких госпитализированных больных. Один из четырех пациентов, которым после инсульта или сердечного приступа требуется аппарат для искусственной вентиляции легких, умирает от тяжелой бактериальной пневмонии. Нельзя ли спасти этих людей, вводя им подходящий аутоиндуктор, подавляющий патогенность стафилококков? "В принципе, это прекрасная идея", – говорит Новик. Но на многие вопросы еще предстоит ответить, начиная с того, насколько быстро эти вещества нужно вводить, чтобы они подействовали. Новик и его команда теперь работают над решением некоторых из этих вопросов.
Тем временем на двести миль севернее, в Гарвардской медицинской школе, Майкл Гилмор занимается поисками других похожих способов укрощения микробов. Его задача – справиться с устойчивым к ванкомицину энтерококком Enterococcus faecalis (VRE). Многие штаммы этого внутрибольничного супермикроба выделяют особые токсины, так называемые цитолизины, разрушающие клетки других разновидностей, в том числе клетки крови человека, и даже других кишечных бактерий. Разрушительный стиль жизни в сочетании с впечатляющей устойчивостью к антибиотикам делает VRE поистине страшным врагом. "По сравнению с обычными энтерококками, которые имеются у всех нас в кишечнике, внутрибольничные штаммы, синтезирующие цитолизины, смертоноснее раз в сто", – говорит Гилмор.
Как и стафилококк, VRE не применяет свое оружие беспорядочно. Гилмор и сотрудничающие с ним коллеги открыли, что выделяемые этим энтерококком цитолизины играют и еще одну роль – химического радара, который сообщает микробу о приближении к жертве на расстояние выстрела. VRE выделяет цитолизины непрерывно, но обычно в небольшом количестве и всегда в виде двух составляющих – длинной и короткой молекул, которые должны вместе сесть на человеческую клетку, чтобы ее уничтожить. "И вот какой изящный трюк здесь работает, – говорит Гилмор о своем открытии. – Если эти две субъединицы не находят в окрестностях клетку-мишень, они садятся друг на друга. А если находят, то длинная субъединица садится на эту клетку намного быстрее, чем короткая". В результате концентрация "короткого" цитолизина резко подскакивает, тем самым сообщая микробу, что жертва приблизилась на расстояние выстрела. В ответ на это он немедленно увеличивает производство токсинов более чем в сотню раз.
Хотя эта хитрая выдумка и позволяет энтерококку экономить боеприпасы, пока они не нужны, она же дала Гилмору идеальную мишень для подавляющего патогенность средства. "Короткая единица, – говорит он, – необходима и для того, чтобы убивать человеческие клетки, и для того, чтобы подавать энтерококку сигнал, что пора включать производство цитолизинов на полную мощность". Гилмору и его коллегам удалось получить химические ингибиторы, быстро и прочно связывающие этот ключевой пептид, делая энтерококка слепым к человеческим клеткам, которые он в противном случае мог бы убить. Как и аутоиндуктор Новика, зажимающий переключатель у стафилококка, препарат, полученный Гилмором, не убивает бактерию. Он просто повреждает одно из самых опасных ее орудий. Это особенно важно, учитывая, какое изобилие безвредных, а возможно, и защитных штаммов и видов энтерококков живет у пациента в кишках. "Сегодня мы просто разносим всех подряд антибиотиками, – говорит Гилмор, – а ведь именно это и способствовало распространению таких устойчивых и патогенных штаммов".
Третья важная мишень для средств, позволяющих бороться с инфекциями, не убивая их возбудителей, была обнаружена у стрептококков. Педиатр Виктор Низе из Калифорнийского университета в Сан-Диего нашел несколько замечательных мишеней, позволяющих подавлять патогенность как Streptococcus agalactiae (стрептококка группы B, вызывающего смертельные инфекции у новорожденных), так и пиогенного стрептококка – бактерии, вызывающей острый фарингит, а также некротический фасциит. В первом случае Низе нацелился на единственный ген, работа которого дает микробу, по словам исследователя, "щит и меч". Щит представляет собой пигмент, спасающий бактерию от гибели, когда она оказывается внутри пожирающей микробов клетки иммунной системы. А меч – это токсин, уничтожающий такую клетку-солдата, проделывая в ее оболочке множество дырок.
В случае же с пиогенным стрептококком Низе и его ученики разобрались в биохимическом механизме, позволяющем этой бактерии синтезировать стрептолизин – ее характерный токсин. Кроме того, они открыли, что этот стрептококк выделяет неизвестный ранее фермент, позволяющий ему прорываться на свободу из своеобразных сетей, набрасываемых некоторыми клетками иммунной системы на своих жертв. Теперь Низе исследует возможности использования этих и других факторов патогенности в качестве мишеней и надеется получить действующие на эти мишени прототипы антибиотиков нового поколения.
Хотя большинство исследований в области средств ослабления бактерий пока находятся на стадии лабораторных разработок, массачусетская биотехнологическая компания Genzyme уже, возможно, близка к выпуску одного из таких средств в продажу. Ее препарат толевамер состоит из клейких молекул, которые связывают разрушающий клетки кишечника токсин, выделяемый одним из самых опасных супермикробов наших дней – новым гиперпатогенным штаммом Clostridium difficile. Если у врачей получится нейтрализовать этот токсин, пациенту можно будет перестать принимать антибиотики, которыми обычно приходится бороться с этим микробом, чтобы загнать его в его устойчивые к антибиотикам споры. А это, в свою очередь, позволит нормальной кишечной микрофлоре пациента восстановиться до уровня, который поможет совсем вытеснить болезнетворного микроба.
Традиция лечения желудочно-кишечных инфекций подобными лекарствами, связывающими токсины, существует давно и восходит к лечению активированным углем и висмутом (действующим началом пептобисмола). Толевамер, по сути, представляет собой более сильную и более прицельную разновидность этих лекарств, повсеместно продаваемых без рецепта. Кроме того, он имеет огромные преимущества перед нынешним стандартным способом борьбы с вызываемыми C. difficile инфекциями – с помощью губительных для микрофлоры антибиотиков, применение которых как раз и приводит к развитию большинства таких инфекций.
По состоянию на начало 2007 года более шестидесяти медицинских учреждений использовали малые дозы толевамера в качестве экспериментального средства. Результаты первых испытаний показали, что при лечении поноса и колитов, вызываемых C. difficile, этот препарат сравним по эффективности с ванкомицином и при этом оказывает несколько более постоянное действие, то есть, успешнее предотвращает повторное развитие инфекции. Учитывая, что эти испытания свидетельствуют о безопасности препарата, задействованные учреждения теперь переходят на применение его в более высоких дозах, в надежде, что результаты окажутся еще лучше.
Вакцины: кто предупрежден, тот вооружен
Препараты, связывающие токсины, сами разоружают бактерий, а подходящая вакцина может стимулировать выработку иммунной системой антител, которые делают то же самое. Именно так подавляют патогенность микробов некоторые старейшие и эффективнейшие вакцины. Например, противостолбнячная вакцина стимулирует выработку антител, нейтрализующих сильнодействующий токсин тетано-спазмин, вызывающий судороги в мышцах. Противодифтерийная вакцина защищает от яда столь смертоносного, что восемь миллионных грамма этого яда могут убить взрослого мужчину. Когда подавляющие патогенность вакцины используются широко, они могут приносить и дополнительную пользу, способствуя распространению более "мирных" штаммов бактерий, не тратящих силы на производство оружия, к которому их хозяева стали невосприимчивы. Именно это происходило, например, во всех странах, где была введена почти всеобщая вакцинация против дифтерии.
Вакцины – это не только способ ослабить бактерий, но и, возможно, наша главная надежда на то, что нам удастся сократить как бремя воспалений, связанных с переносимыми на протяжении всей жизни инфекциями, так и постоянный прием антибиотиков. Вакцины, как выясняется, намного реже, чем антибиотики, способствуют выработке устойчивости, потому они не атакуют какие-то отдельные структуры (например, клеточную стенку) или вещества (например, рибосомную РНК), а вместо этого подготавливают иммунную систему к быстрому уничтожению определенного микроба в ходе комплексной атаки.
На сегодня список болезней, которые можно предотвращать с помощью вакцин, включает инфекции, вызываемые дюжиной с лишним вирусов и полудюжиной бактерий. К числу последних относятся столбняк, дифтерия, коклюш и бактериальный менингит. Одна из самых последних вакцин, против пневмококков, внедренная в медицинскую практику в 2000 году, позволила снизить заболеваемость пневмококковым воспалением легких и менингитом в США с 60 с лишним тысяч случаев ежегодно в девяностые годы до 37 тысяч в 2002 году, причем этот показатель продолжает снижаться. В качестве бонуса эта вакцина вызвала резкое снижение устойчивости к антибиотикам среди возбудителей тех пневмококковых инфекций, развитие которых она не позволяла предотвратить. Это связано с тем, что пять из семи штаммов пневмококка, на которые действует эта вакцина, вызывали 80 % устойчивых к антибиотикам пневмококковых инфекций.
Разумеется, в нашем распоряжении пока имеются вакцины далеко не против каждой бактериальной инфекции. "Все вакцины, которые было просто получить, мы давно получили", – говорит Генри Шайнфилд, который еще в пятидесятые годы боролся со стафилококками в детских палатах родильных домов и в итоге стал специалистом по вакцинам. Некоторые бактерии легко спасаются от вакцин, объясняет он, потому что существуют в форме множества штаммов, демонстрирующих иммунной системе разные "лица". Другим бактериям удается каким-то образом избежать выработки долговременного иммунитета даже после развития активной инфекции. Это относится в особенности к бактериям, прячущим свои поверхностные белки от иммунной системы в капсуле, сделанной из полисахаридов. Дело в том, что белки вызывают намного более сильные и продолжительные формы иммунного ответа, чем другие вещества.
Все эти факторы, а также некоторые другие, постоянно чинили препоны на пути исследователей, искавших "Святой Грааль" иммунологии – эффективную вакцину против стафилококковых инфекций. За десятки лет согласованных усилий Шайнфилду и его коллегам из Центра исследования вакцин консорциума Kaiser Permanente в Окленде (Калифорния) удалось ближе всех подойти к решению этой проблемы. В девяностые годы они разработали вакцину StaphVAX, сочетавшую в себе элементы наружной полисахаридной капсулы стафилококка с особым набором белков, вызывающим сильный иммунный ответ. В 2002 году они сообщили о результатах испытания этой вакцины, задействовавшего больше 1800 пациентов, которым проводили диализ (такие пациенты подвержены повышенному риску смертельного заражения крови стафилококками). Вакцина сократила риск заражения стафилококком вдвое, но вырабатываемый при этом частичный иммунитет сохранялся лишь девять месяцев, после чего защитное действие вакцины быстро шло на убыль. Представителям групп риска, таким как пациенты, которым проводят диализ, ради этого уровня защиты стоит дважды в год получать по уколу. Но до вакцины от стафилококков, подходящей любому из нас, этому средству еще далеко.
Новые надежды сулят достижения иммунологии и генных технологий XXI века. В частности, методы прочтения генов потенциально опасных бактерий открывают исследователям новый путь выявления веществ, наилучшим образом подходящих для включения в состав вакцин, чтобы обеспечивать максимальный уровень защиты. Например, Олаф Шневинд из Чикагского университета и его аспирантка Юкико Стрейнджер-Джонс используют подход, называемый обратной вакционологией, в поисках вакцины против самых опасных и распространенных штаммов устойчивого к метициллину золотистого стафилококка (MRSA).
Традиционный подход к разработке вакцин предполагает биохимическую препаровку микроба и последующее объединение его элементов в разных комбинациях в поисках тех, которые вызывают у подопытных животных особенно сильный иммунный ответ. Обратная же вакцинология предполагает поиск мишеней для иммунного ответа с помощью компьютерной программы. Юкико Стрейнджер-Джонс воспользовалась такой программой для анализа геномов восьми разных штаммов MRSA, выявившего у них общие последовательности. На основании этих результатов она нашла девятнадцать потенциальных мишеней – генов, кодирующих распространенные поверхностные белки. Выделив эти белки, она проверила их по одному, вводя каждый из них мышам, чтобы узнать, в какой степени инъекция этого белка защищает мышей от последующих стафилококковых инфекций. Среди четырех белков, показавших наилучшие результаты, были два, помогающие стафилококкам улавливать необходимое им железо (из красных кровяных телец), и два, вероятно помогающие микробу прикрепляться к человеческим тканям. По отдельности эти белки обеспечивали мышам лишь слабую защиту от стафилококков. Однако когда Юкико ввела мышам все четыре белка вместе, у них выработался полный иммунитет к двум штаммам патогенного MRSA и частичный иммунитет к еще трем штаммам. "Это только первый этап", – говорит Юкико. В начале 2007 года она вновь обратилась к геномам стафилококков в поисках других общих белков, которые повысили бы эффективность ее вакцины.
По другому пути пошли исследователи, работающие в калифорнийской фармацевтической компании Cerus. Они делают вакцины на основе живых бактерий, способных заражать клетки человека, но не способных размножаться внутри них. Эта тактика, быть может, произведет прорыв в борьбе с такими болезнями, как туберкулез, брюшной тиф, хламидиоз, бруцеллез и листериоз, вызываемыми бактериями, которые забираются в человеческие клетки. Для борьбы с этими внутриклеточными инфекциями иммунная система должна вырабатывать антитела не к бактериям как таковым, а к зараженным ими клеткам. В этом иммунной системе помогают сами такие клетки, помечая самих себя для уничтожения – с помощью фрагментов бактериальных белков, вывешиваемых клеткой на поверхности. Именно поэтому вакцины, содержащие ослабленных, но по-прежнему способных к заражению бактерий, намного эффективнее против внутриклеточных микробов, чем вакцины, содержащие мертвых бактерий или их составляющие, которые не попадают внутрь наших клеток. К сожалению, использование живых вакцин сопряжено с риском, особенно для людей с нарушениями иммунной системы, не только при введении им такой вакцины, но и при их контакте с человеком, которому ее ввели. Микробиолог из компании Cerus Том Дубенски нашел решение этой проблемы, успешно нейтрализовав одного из возбудителей внутриклеточных инфекций – вызывающего пищевые отравления микроба Listeria monocytogenes. Ему удалось это сделать, отключив у микроба несколько генов, необходимых для восстановления поврежденной ДНК, а затем облучив такие испорченные клетки ультрафиолетовым светом. В результате он получил клетки листерии, способные почти на все, на что способны нормальные микробы данного вида, за исключением размножения.
Эти и другие новые подходы возрождают надежды на то, что вакцины когда-нибудь все-таки принесут нам победу над инфекционными болезнями, которую после открытия антибиотиков многие считали делом ближайшего будущего. Но для достижения данной цели недостаточно, чтобы новые вакцины просто поступали в продажу, предупреждает Стюарт Ливи из Университета Тафтса. Конечно, вакцины редко вызывают выработку устойчивости подобно антибиотикам, способствуя распространению мутаций или передаче генов, делающих данное средство неэффективным. Однако вакцина, содержащая антигены, свойственные некоторым, но не всем штаммам того или иного микроба, может способствовать распространению штаммов, против которых данная вакцина не помогает. Так случилось, например, с появившейся в 2000 году вакциной против пневмококков, эффективной против семи самых распространенных из сотен существующих штаммов пневмококка. Для опережения микробов в этой игре, по словам Ливи, требуются совместные усилия национальных и международных органов здравоохранения, которые должны постоянно отслеживать, какие штаммы бактерий активны в каждой стране и в отдельных ее районах, а кроме того, требуются соответствующие меры со стороны производителей вакцин – они должны быть готовы периодически менять набор выпускаемых ими вакцин в соответствии с отслеживаемыми изменениями.
По мере того как распространенные инфекции, которые можно предотвращать с помощью вакцин, будут становиться все более редкими, сотрудникам органов здравоохранения придется также соответствующим образом менять рекомендации, касающиеся повторной иммунизации, компенсируя снижение эффекта естественной иммунизации, ранее обеспечиваемого контактами с зараженными родными и друзьями. Например, недавнее возвращение коклюша было отчасти связано со снижением иммунитета у взрослых, для которых единственным контактом с возбудителем этой болезни была сделанная в детстве прививка. Теперь стало ясно, что для получения длительного иммунитета к коклюшу необходимо проводить повторную иммунизацию на поздних этапах полового созревания, а также, быть может, и в средние годы или в пожилом возрасте.