Дорогое спасение от инфекций
Проблема резистентности (устойчивости) к антибиотикам с каждым годом становится все серьезнее. Ученые считают, что недалек тот день, когда микроорганизмы перестанут реагировать на все известные антибиотики.
Тогда перед человечеством может возникнуть угроза отката в XIX век, когда любые раны были потенциально смертельными, пневмония — летальной, роды — очень опасным процессом, а средняя продолжительность жизни — короче на десятилетия. Уже сейчас очень серьезную угрозу для человека представляют внутрибольничные инфекции. От них зачастую не помогает ни один антибиотик, и от развития такой патологии не застрахован никто.
Производство антибиотиков очень дорогое. Как рассказал старший научный сотрудник МГУ Павел Назаров, разработка и вывод на рынок нового антибактериального препарата стоит $1,5−2 млрд. При этом микроорганизмы становятся устойчивыми к ним с фантастической скоростью, это даже уже не годы, а месяцы. Гены резистентности, обнаруженные, скажем, в Китае, уже через пять лет добираются до Шпицбергена, а бактерии по всему миру становятся неуязвимыми к очередному изобретению человека.
Экзотические острова и их обитатели
Бактерии борются с себе подобными в том числе и при помощи антибиотиков, которые сами и производят. Новые антибиотики можно найти в разных экзотических местах, к которым относятся и полярные регионы. В высоких широтах живет, например, белый медведь, в микробиоте (совокупность бактерий, грибков и вирусов в организме) которого вполне можно обнаружить вещество против золотистого стафилококка. А еще Арктика — регион, где обитает множество бактериофагов — антимикробных препаратов природного происхождения. Арктика — одна из точек их биологического разнообразия.
— В связи с этим есть задача научная — изучить, насколько эти арктические фаги могут быть применимы для сдерживания инфекций в человеке, в частности инфекций, против которых неэффективны антибиотики, в первую очередь бактериальных внутрибольничных инфекций. Поэтому у нас запланирован долгосрочный проект, мы хотим провести скрининг различных экосистем высокоширотной Арктики на предмет наличия фагов, способных уничтожать бактерии различных видов, — говорит Артемий Гончаров, заведующий лабораторией функциональной геномики и протеомики микроорганизмов Института экспериментальной медицины.
В экспедиции Арктического плавучего университета (АПУ) он участвует второй год подряд. В прошлом рейсе ученый собирал коллекцию арктических бактерий. В этот раз она пополняется, и материал будет исследоваться на наличие "интересных фагов", то есть таких, которые могут убивать микроорганизмы — возбудители болезней.
Счастливые случайности
Вообще микробиологи сейчас практически как герои романов Дэна Брауна, которые ищут то, что спасет человечество. И как в фантастических книгах, в их работе присутствует элемент везения. Доцент кафедры микробиологии медицинского института Российского университета дружбы народов Надежда Сачивкина читала лекцию участникам экспедиции, как британский микробиолог Александр Флеминг открыл пенициллин. В какой-то степени это была случайность. По легенде, однажды жарким летом ученый делал посевы стафилококка, а рядом оставил недоеденную тыкву. И все это он забыл в лаборатории на время отпуска. На тыкве выросла плесень, попала на чашку со стафилококком, и там, куда она попала, бактерии погибли. Так и был обнаружен первый антибиотик.
Надежда ехала в экспедицию с целью найти красный, или розовый, снег. Оттенок ему придают водоросли Chlamydomonas nivalis (хламидомонада снежная). Чтобы колония хламидомонад стала видимой, снег должен быть старым, полежавшим не один год, что возможно в Арктике или в Антарктике. Как пояснила микробиолог, она уточняла у организаторов экспедиции, насколько реально будет обнаружить цветной снег. Они уверяли, что хотя бы раз, но во всех рейсах такие находки были. По законам хорошего романа, красный снег попался на самой последней высадке на Новой Земле.
— Я его нашла в бухте Иванова, это была наша последняя снежная высадка. И это была чистая случайность. У нас был выбор: пойдем налево — каньон увидим, пойдем направо — птичий базар. Моим коллегам был больше интересен птичий базар, а мне каньон — там старые снежники. В итоге успели и туда, и туда.
В Chlamydomonas содержатся особые соединения, называемые терпеноидами. Они могут быть активны против микробов и грибов, причем не сами по себе, а при добавлении к уже известным препаратам.
— Мы посмотрим их активность по сравнению со стандартными препаратами, возможно, они будут очень слабые, а возможно, очень сильные. А возможно, они будут не особо сильно влиять на бактерии и грибы, но при добавлении к уже известным химическим элементам, известным противомикробным препаратам, они, возможно, потенциал возвысят, — Надежда объясняет, что из-за очень дорогой разработки новых антибиотиков исследователи идут другими путями. — Сейчас фокус лабораторий и исследований развернулся: а давайте научимся работать с тем, что уже есть. Мы модернизируем, сделаем надстройки, присадки. К нашему "старому пистолету" приделаем присадку, которая будет хорошо работать, позволит "пуле" лететь дальше.
Противостояние бактерий и бактериофагов
Образцы для поиска бактерий и бактериофагов микробиологам собирать, с одной стороны, проще — есть много разных мест, где они могут быть: от мелководных водоемов до птичьих базаров и даже нор леммингов и полевок, с другой стороны — нужно постараться обойти как можно больше точек потенциальных находок, чтобы собрать максимум образцов.
Бактериофаги уже применяются для лечения инфекционных заболеваний. Именно они рассматриваются как перспективные препараты в отношении внутрибольничных инфекций. Их можно использовать в комбинации с антибиотиками или сделать фаг, который несет определенные элементы, те же антибиотики или, например, фотосенсибилизаторы — молекулы, которые при поглощении кванта света выделяют активную форму кислорода, что ведет к окислению липидов и белков и разрушению клеточной стенки микроорганизмов.
— Мы попытаемся найти фаги на тех бактериях, которые были собраны, помимо этого, у нас есть обширная коллекция, которая собрана в больницах, стационарах Санкт-Петербурга и других городов, — рассказывает Артемий Гончаров. — Очень надеемся, что удастся найти фаги, которые будут активны по отношению к бактериям из второй коллекции, потому что это как раз самая интересная и важная часть. Такие фаги будут изучаться дальше с точки зрения перспектив включения в лечебные или профилактические препараты.
Бактерии-герои
Бактерии совсем непросто устроены: они могут общаться между собой, передавать друг другу выработанные механизмы защиты и даже героически погибать, чтобы жили другие. Все это помогает им успешно сосуществовать и бороться с нами. Как считает Павел Назаров, "бактерии практически вечны". В высоких широтах гораздо чаще встречается такая форма сообщества, как биопленка, или бактериальные маты: микроорганизмы живут колонией, обитатели наружных слоев которой гибнут, чтобы выжили остальные. Исследователи специально искали биопленки, чтобы взять образцы.
— Это целое микробное структурированное сообщество, где есть верхний слой из клеток, которыми, в принципе, можно пожертвовать, если они погибают. Выжившие клетки используют эти ресурсы, а с другой стороны, сами по себе отмершие клетки и слизь, которую они сформировали, выполняют функцию термоизоляции для тех бактерий, которые находятся внутри колонии. Это очень похоже на подушковидные формы растений, которые изучали в рейсе девушки из САФУ. У них получалось так, что внутри этих подушек температура немного выше, чем вне их. Здесь такую аналогию можно усмотреть, — говорит Павел Назаров.
Исследование биопленок необходимо для проекта по исследованию защитных систем бактерий от бактериофагов, так называемых ретроновых систем. Про ретроны известно, что они кодируют молекулы, которые осуществляют противовирусную защиту бактерий, благодаря этому формируется врожденный иммунитет. Принцип действия такой: если клетку поражает вирус, активируется особый белок, который убивает пораженную вирусом клетку. Это происходит очень быстро, вирусы не успевают размножиться и заразить соседние клетки.
— Бактерии, которые мы получим, будем смотреть на наличие вот этих особых защитных систем ретронов. Если в тропических широтах такая система защиты от бактериофагов может пригодиться, может и не пригодиться, потому что большая часть популяции находится в плавании, а лишь какая-то часть — в форме биопленок, то на севере очень много биопленок, — рассказывает Назаров. — При этом там условия такие, что выживать сложно. Водные системы, озера ограничены, и попадание туда бактериофагов вызвало бы просто большой коллапс вот этих систем. И, естественно, здесь происходил более жесткий отбор на выживание за счет того, что у них система защиты ретронного типа более сильная, чем даже предполагали. Это гипотеза, это нужно просто проверить.
Загадочные помпы
Есть три механизма обмена генетической информацией между микроорганизмами: трансформация, трансдукция и конъюгация. Надежда Сачивкина сравнивает их с передачей листа бумаги. При конъюгации обмен происходит напрямую: одна бактерия строит мостик к другой и по нему передает ДНК. При трансдукции передача происходит через курьера — информацию переносит бактериофаг. А трансформация — это как завещание. В бактериальную клетку встраивается "голая" ДНК от погибшей бактерии.
Генетическая информация в бактериях содержится в том числе и в плазмидах (внехромосомных молекулах ДНК, способных к автономному созданию дочерних молекул). Эти молекулы несут 40−50 генов. Они способны доставлять от бактерии к бактерии информацию о таком механизме защиты от антибиотиков, как помпы множественной лекарственной устойчивости (МЛУ). Эти помпы "выкачивают" антибиотики из микроорганизмов, и бактерии не гибнут.
— Ранее казалось, что сложные многокомпонентные помпы не должны передаваться от одной бактерии к другой. Однако совсем недавно мы узнали, что часть белков таких помп может передаваться с помощью плазмид и образовывать функционирующие помпы МЛУ, — отмечает Павел Назаров. — Если возможна такая передача помп МЛУ от бактерии к бактерии, то это меняет картину мира в вопросе понимания процессов передачи резистентности бактерий. На примере арктических бактерий мы хотим показать, как это устроено в природе.
Резюмируем простыми словами: изучение бактерий Арктики поможет понять, как они передают друг другу систему защиты от антибиотиков.
Определение чувствительности к антибиотикам
Еще один проект, для которого будут использованы арктические образцы, это исследование для создания системы быстрого определения чувствительности возбудителей к антибиотикам.
— Обычно как все привыкли: берется мазок, относится в лабораторию, три-четыре дня они там эти бактерии выращивают-мурыжат. Если у них ничего не выросло, значит, вы ничего не знаете. Когда я заболел ковидом и врач предположил присоединение бактериальной инфекции, у меня взяли мазок, четыре дня повыращивали, и ничего не получилось, — Павел объясняет, что, к сожалению, это вполне обычная ситуация, а за четыре дня бактерии могут нанести значительный урон организму. — Мы предположили, что можем создать определенную систему, которая за 6−12 ч позволит получать информацию о том, как антибиотики действуют на конкретную бактерию конкретного пациента. Мы эту систему разработали, но, чтобы ее применить, нам нужен какой-то совершенно необычный организм, не то, что мы можем сделать в стандартном лабораторном штамме, а что-то новое.
Именно это новое ученые и везут из высоких широт. Чтобы доказать, что система работает, ее проверят на микроорганизмах из Арктики, с которыми до этого никто не работал. Если на них будет виден результат, возникнет вероятность, что и на бактериях, которые обитают в больницах, она тоже сработает.
Длительные исследования
Такие исследования занимают годы. Например, у найденных перспективных фагов нужно расшифровать геном, провести электронную микроскопию, описать свойства вирусов. И лишь потом можно переходить к доклиническим и клиническим испытаниям.
Уже есть некоторые результаты из экспедиции 2021 года, тогда пробы впервые были взяты на островах Земли Франца-Иосифа. Как поясняет Гончаров, они были важны для отработки методик.
— Нам было важно понять, какие бактерии где есть, где их искать в высокоширотной Арктике, ну вот, например, озера и птичьи базары — это места, где концентрируются самые различные виды микроорганизмов.
На Шпицбергене ученые обнаружили бактерии, которые резистентны ко всем известным сейчас антибиотикам, а на Земле Франца-Иосифа пока таких супербактерий не найдено, там есть бактерии, чувствительные к одним, но резистентные к другим антибиотикам.
— В том числе там был найден один из штаммов, содержащий бета-лактамазу, которую раньше описывали у штаммов, связанных исключительно с человеком, то есть ген резистентности к антибиотикам, который, как предполагается, имеет человеческое происхождение. Он встречался в сточных водах мегаполисов. Вполне возможно, что импорт антибиотикорезистентности в высокоширотную Арктику идет. Это важно, потому что антибиотикорезистентные бактерии могут консервироваться в холодной среде в Арктике и сохраняться в отложениях озер, в воде, много лет они там будут существовать. То, что они туда привносят, может остаться там на долгое время.
Скорее всего, переносчиком таких бактерий стали перелетные птицы, поскольку пробы были взяты на островах, где люди не живут.
Как сказал Гончаров, работа над проектом будет продолжаться также и в Антарктике. Сейчас он направляется в другую полярную командировку — на этот раз на крайний юг.
Ирина Скалина