Każdego roku w Stanach Zjednoczonych dochodzi do ponad 2,8 miliona opornych na antybiotyki infekcji bakteryjnych, w wyniku czego umiera ponad 35 000 osób [1]. Czyli choroba, która wcześniej była leczona w domu tygodniem brania antybiotyków, teraz jest śmiertelna dla dużej ilości osób. I to wszystko dzieje się tylko dlatego, że bakterie nabywają geny (patrz przypis 1) oporności na antybiotyki i już powstają superbakterie, czyli szczepy bakteryjne oporne na wszystkie znane rodzaje antybiotyków [2].

Co to znaczy, że bakteria ma oporność na antybiotyk?

Istnieją trzy rodzaje oporności na antybiotyki wrodzona (naturalna), nabyta i krzyżowa. Jeśli chodzi o naturalną, to nie istnieje niebezpieczeństwo przeniesienia się tej oporności do bakterii patogennych. Oporność krzyżowa polega na tym, iż bakteria oporna na jeden antybiotyk, wykazuje także oporność na lek o podobnej budowie chemicznej. Natomiast oporność nabyta jest najbardziej niebezpieczna dla ludzi. Ten trzeci rodzaj oporności pojawia się w wyniku ciągłego stosowania tego samego antybiotyku na jeden szczep bakterii. Bakteria zaczyna przystosowywać się do obecności takiego antybiotyku w środowisku, tak samo, jak człowiek nauczył się przystosowywać do zmiany temperatury za pomocą dodatkowych mechanizmów drżenie mięśni, żeby się ogrzać, bądź pocenie się, żeby się ochłodzić.

Takie przystosowanie może być spowodowane:

1. mutacjami w genomie bakterii, a więc zmianami losowymi, najczęściej błędami w sekwencji nukleotydowej DNA;
2. nabyciem genu oporności od innych bakterii opornych, np. przez koniugację, połączenie dwóch bakterii (patrz przypis 2). Taka zmiana jest trwała a w konsekwencji dziedziczna. Może być rozprzestrzeniana w wyniku horyzontalnego transferu genów (horizontal gene transfer) (patrz przypis 3) [4].

Bakterie, które zasiedlają nasz organizm, mogą nabywać oporność, jeśli dochodzi do ciągłego kontaktu z pewną grupą antybiotyków. Leki, mięso i środowisko, w którym mieszkamy, to są najpowszechniejsze źródła, skąd antybiotyki mogą trafić do wnętrza naszego ciała. Pierwszy i najbardziej banalny sposób na stworzenie prawdziwej superbakterii to nadmierne i niewłaściwe stosowanie antybiotyków. Na przykład stosowanie podczas grypy lub innych chorób wirusowych, samodzielna zmiana dawki lub czasu trwania przyjmowania antybiotyków. Ciekawe jest to, że mniejsza dawka może być nie mniej niebezpieczna niż przedawkowanie. W sytuacji, gdy bierzemy antybiotyki i po kilku dniach czujemy się lepiej, wiele osób zdecyduje, że nie trzeba więcej obciążać organizmu. Natomiast z punktu widzenia bakterii może to oznaczać, że nie wszystkie zginęły i te, co przetrwały zaczną uczyć się, jak żyć z wybranym przez waszego lekarza antybiotykiem. Kolejny problem stanowi mięso zwierząt, bo antybiotyki są powszechnie używane w czasie ich hodowli. Bakterie oporne na antybiotyki obecne w jelitach zwierząt mogą dostać się do żywności, kiedy zwierzęta są ubijane i przetwarzane. Oporne bakterie mogą skazić mięso lub inne produkty pochodzenia zwierzęcego. Jeśli jesteś weganinem, to za wcześnie zaczynasz się cieszyć, ponieważ owoce i warzywa mogą zostać skażone poprzez kontakt z glebą, wodą lub nawozem zawierającym kompost i produkty uboczne pochodzenia zwierzęcego [6]. Oraz dość oczywiste, zaniedbanie mycia rąk po korzystaniu z toalety, wizycie w szpitalu lub grzebaniu się w ziemi może doprowadzić do pojawienia się w waszym organizmie niechcianych gości, którzy mogą później przekazać złośliwe geny do innych szczepów bakteryjnych.

Skąd bierzemy antybiotyki i czemu się kończą?

Wszyscy wiemy, że pierwszy antybiotyk został odkryty już ponad 90 lat temu i został wyizolowany z grzybów, a konkretnie z pleśni Penicillium. Jest to antybiotyk z grupy β-laktomaz (patrz przypis 4), który blokuje enzymy budujące ścianę komórkową bakterii, dzięki czemu dochodzi do zwiększenia jej przepuszczalności i śmierci komórki [7]. Ale skąd dzisiaj biorą się nowe rodzaje antybiotyków? Najczęściej wygląda to w taki sposób, że mikrobiolodzy grzebią się w ziemi, żeby wyizolować nowy gatunek bakteryjny i sprawdzić jaki mechanizm na zabicie innych swoich mikro sąsiadów on posiada. Jednak większość drobnoustrojów ze środowiska zewnętrznego jest trudna do wyhodowania w laboratorium. Powoduje to, że problemu oporności na antybiotyki nie da się rozwiązać, można tylko go powstrzymać. W 2017 roku Światowa Organizacja Zdrowia (WHO) zgłosiła poważny brak nowych antybiotyków. Analiza identyfikuje 51 nowych antybiotyków i leków biologicznych będących w trakcie opracowywania klinicznego w celu zwalczania priorytetowych patogenów opornych na antybiotyki, a mianowicie gruźlicy i Clostridioides difficile. Tylko ośmiu z tych kandydatów na leki sklasyfikowano jako naprawdę innowacyjne, co wskazuje na trudności w badaniach i opracowaniu nowych antybiotyków. Biorąc pod uwagę wskaźnik sukcesu wynoszący 14% od fazy I badań do zatwierdzenia, można oczekiwać, że tylko dziesięć z badanych leków trafi na rynek w ciągu 10 lat [8].

Co za tym idzie?

Terapia bakteriofagowa nie jest metodą nowoczesną, po raz pierwszy została wykorzystana w roku 1919. Lekarz i współodkrywca fagów Felix d’Herelle użył jej w leczeniu dzieci chorych na czerwonkę bakteryjną [9]. Zasada działania polega na tym, że bakteriofagi (patrz przypis 5) są bardzo specyficzne i mogą atakować tylko bakterie jednego gatunku. Po wprowadzeniu własnego materiału genetycznego (DNA lub RNA) do komórki bakteryjnej fag zaczyna wykorzystywać bakterię jako fabrykę do produkcji własnych białek. W momencie, gdy białek jest na tyle dużo, że tworzą one nowe fagi, komórka bakteryjna zostaje zniszczona, a wirusy zaczynają szukać nowych ofiar. Przez to, że bakteriofagi mogą dzielić się tylko w środku bakterii, nie są one w stanie przeżyć w organizmie ludzkim po zabiciu wszystkich przedstawicieli szczepu patogennego. Główną zaletą tej metody jest niezdolność bakteriofagów do atakowania komórek eukariotycznych, czyli ludzkich. Oprócz tego, przez to, że są wysoce specyficzne, nie zabijają mikroflory jelita i nie doprowadzają do biegunki lub wymiotów. Dodatkowo fagi nie są szkodliwe dla zwierząt, roślin i środowiska.

Nie byłoby wątpliwości, że jest to metoda, która zastąpi antybiotyki, gdyby nie to, że przygotowywanie fagów do użycia przez ludzi i zwierzęta jest dość trudne i kosztowne. A nawet jak już zrobimy koktajl fagowy, to oszacowanie odpowiedniej dawki jest procesem skomplikowanym i bardzo indywidualnym. Przedawkowanie fagami może spowodować nadmierną reakcję układu odpornościowego, co tylko utrudni leczenie. Nie mniej ważnym problemem jest to, że patentowanie takiej indywidualnej terapii jest praktycznie niemożliwe, co prowadzi do tego, że nikt nie chce inwestować w badania, które później nie przyniosą żadnej korzyści finansowej [10]. I jakby tego nie było mało, bakterie są mikroorganizmami żywymi które ewoluują bardzo szybko i mogą nabywać oporność poprzez zmianę polisacharydów na swojej ścianie komórkowej do których przyłączają się bakteriofagi [11].

Chociaż nawet biorąc pod uwagę wszystkie te trudności, są kraje, które stosują terapie bakteriofagową i ratują życie ludziom, którzy już nie mieli nadziei. Tak na przykład w Gruzji znajduje się The Eliava Phage Therapy Center, gdzie indywidualnie dla każdego pacjenta są przygotowywane odpowiednie fagoterapii do leczenia np. osób, które mają alergie na różne rodzaje antybiotyków [12].

W marcu 2016 r. dr Tom Patterson, profesor psychiatrii w UC San Diego School of Medicine, stał się pierwszą znaną osobą w Stanach Zjednoczonych, która z powodzeniem poddała się dożylnej terapii bakteriofagowej. Podczas wakacji w Egipcie w listopadzie 2015 r. zachorował na zagrażającą życiu infekcję szczepem Acinetobacter baumannii, który jest oporny na wszystkie znane dotychczas rodzaje antybiotyków. Po przyspieszonym zatwierdzeniu przez Food and Drug Administration (FDA), był leczony dożylnie eksperymentalnym koktajlem fagowym, który był specjalnie stworzony przeciw A. baumannii. Stan pacjenta zaczął się poprawiać niemal natychmiast, wyszedł z wielomiesięcznej śpiączki. Po długim okresie leczenia Patterson całkowicie wrócił do normalnego życia i pracy.

Doświadczenie Pattersona otworzyło nową drogę do badań mających na celu znalezienie alternatyw dla tradycyjnych antybiotyków, w obliczu narastającego problemu oporności na środki przeciwdrobnoustrojowe. Pięciu pacjentów w UC San Diego Health poddano leczeniu fagami. Jeden z tych pacjentów miał wieloletnią przewlekłą infekcję, która została skutecznie wyleczona, co pozwoliło mu przejść ratującą życie operację przeszczepu serca. We wszystkich przypadkach traktowanie fagami uznano za eksperymentalne i wymagało wyjątkowej zgody FDA.

Aby jeszcze bardziej rozwinąć te prace, w czerwcu 2018 r. Szkoła Medyczna Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego uruchomiła interdyscyplinarne Centrum Innowacyjnych Zastosowań Fagowych i Terapeutyki (IPATH) z trzyletnim grantem w wysokości 1,2 miliona dolarów od kanclerza Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego, Pradeepa Khosla. Jest to pierwsze takie centrum w Ameryce Północnej [13].

Tak długo, jak żyjemy obok Matki Natury, nie da się uciec przed walką z bakteriami patogennymi. Już od wielu lat dobrze sobie radzimy, ale ewolucja nie stoi w miejscu i nadchodzi czas na zmiany. Dopóki nie wymyślimy nowej broni w tej wojnie biologicznej, terapia fagowa wydaję się być dobrym rozwiązaniem. A w kombinacji z antybiotykami może być nawet bardziej skuteczna. Biotechnologia nie stoi w miejscu i możliwe, że kolejne pokolenia będą leczyły choroby bakteryjne używając inżynierii genetycznej, ale to już zupełnie inna historia.

Przypisy:

1. Gen to sekwencja nukleotydów, która koduje odpowiednie białko (m. in. białka oporności na antybiotyki) [3].
2. Koniugacja – bezpośrednie przekazywanie DNA z jednej komórki do drugiej za pośrednictwem pilusów, które wyglądają jako rurka białkowa (rysunek 1).

Rysunek 1. Schemat przedstawiający koniugację bakterii. https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/3e/Conjugation.svg

3. Horizontal gene transfer (HGT) – horyzontalny transfer genów, zjawisko przechodzenia genów między organizmami różnych gatunków, najczęściej pozostającymi ze sobą w ścisłej relacji ekologicznej. Zjawisko jest odpowiedzialne za istnienie 10–20% genów w komórkach prokariotycznych i takie kluczowe dla ewolucji cechy jak oporność na antybiotyki, wirulencja oraz zdolność przeprowadzania fotosyntezy. [5]

4. Antybiotyki beta-laktamowe – antybiotyki te mają wiązanie beta-laktamowe (rysunek 2), które w komórce bakteryjnej włączy się z enzymem odpowiedzialnym za budowę ściany komórkowej transpeptydazą (inaczej PBP penicillin binding protein – białko wiążące penicylinę). Dochodzi do zablokowanie danego enzymu co uniemożliwia syntezę ściany komórkowej.  Bakteria może mieć różne rodzaje oporności na dany antybiotyk. Pierwszy poprzez produkcję zmienionego PBP (altered penicillin binding proteins), które ma mniejsze powinowactwo do wiązania antybiotyków beta-laktomowych i może kontynuować syntezę ściany komórkowej, nawet kiedy są one obecne w komórce. Drugi poprzez produkcję beta-laktomazy, enzymu inaktywującego antybiotyki. Beta-laktamazy hydrolizują (rozrywają) wiązanie beta-laktomowe i antybiotyk traci zdolność łączenia się do transpeptydazy (PBP) [14].

Rysunek 2. Ogólny wzór penicylin https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/8/82/Penicillin-core.png

5. Bakteriofag – wirus atakujący komórki bakteryjne. Składa się głównie z kapsydu, który zawiera materiał genetyczny (DNA lub RNA) pewne typy fagów zawierają też białko kurczliwe, które wstrzykuje zawartość kapsydu wewnątrz komórki bakteryjnej [15].

Literatura:

1.  Antibiotic Resistance Threats in the United States, 2019
2. The Antibiotic Resistance Crisis. Part 1: Causes and Threats. C. Lee Ventola, MS. PMID: 25859123
3. Chorąży Mieczysław. Gen strukturalny – ewolucja pojęcia i dylematy. „Nauka”. 3, s. 57–108, 2009
4. Koonin et al., 2001; Lawrence and Ochman, 2001; Nakamura et al., 2004
5. http://www.e-biotechnologia.pl/Artykuly/Antybiotyki/page/8
6. https://www.cdc.gov/foodsafety/challenges/antibiotic-resistance.html
7. Mandell GL, Perti WA. Antimicrobial agents: penicillins, cephalosporins, and other β-lactam antibiotics. Hardman JG, Limbird LE, Molinoff PB, Ruddon RW. New York: McGraw-Hill, Health Professions Division, 1996:1073–101
8. World Health Organization – WHO. Antibacterial agents in clinical development: an analysis of the antibacterial clinical development pipeline, including tuberculosis. http://www.who.int/medicines/areas/rational_use/antibacterial_agents_clinical_development/en/ (2017)
9. https://biotechnologia.pl/biotechnologia/bakteriofagi-z-wroclawia,8329
10. Kelly Todd, The Promising Viral Threat to Bacterial Resistance: The Uncertain Patentability of Phage Therapeutics and the Necessity of Alternative Incentives, 68 Duke Law Journal 767-805 (2019)
11. https://www.healthline.com/health-news/predatory-bacteria-could-help-with-superbugs
12. Phage Therapy in a 16-Year-Old Boy with Netherton Syndrome. Pikria Zhvania, Naomi Sulinger Hoyle, Lia Nadareishvili, Dea Nizharadze, and Mzia Kutateladze. 2017 Jul 3. doi: 10.3389/fmed.2017.00094
13. https://health.ucsd.edu/news/topics/phage-therapy/pages/default.aspx\
14. https://www.mechanismsinmedicine.com/site/home
15. Padilla-Sanchez V (2021). “Structural Model of Bacteriophage T4”. WikiJournal of Science. doi:10.15347/WJS/2021.005.

Fakty i Mity Genetyki tworzone są przez pasjonatów, specjalistów w swoich dziedzinach.
Ten artykuł czytasz za darmo, bez reklam, bez spamu. Doceń naszą pracę i postaw nam wirtualną kawę 🙂
Dziękujemy! – Wasza Redakcja FiMG