Что означает полирезистентные к антибиотикам
Инфографика: резистентность к антибиотикам
Поделиться:
Революция в медицине
Открытию антибиотиков человечество обязано Александру Флемингу, который первым в мире смог выделить пенициллин. «В тот день, когда я проснулся утром 28 сентября 1928 года, я, конечно, не планировал совершать своим открытием первого в мире антибиотика революцию в медицине… Однако, похоже, именно это я и сделал», — говорил сам ученый.
Труды Флеминга были оценены по заслугам. Вместе с Эрнстом Борисом Чейном и Ховардом Уолтером Флори, которые занимались очисткой пенициллина, он был удостоен Нобелевской премии.
Образцы той самой плесени, которую вырастил Флеминг в 1928 году, были отправлены многим знаменитостям — среди них некоторые ученые-современники, а также Папа Римский Пий XII, Уинстон Черчилль и Марлен Дитрих. Не так давно уцелевший и дошедший до нас фрагмент плесени был продан на одном из лондонских аукционов — стоимость образца составила 14 617 долларов США.
Стремительное развитие
Начиная с 1940-х годов, новые антибиотики стали появляться один за другим: за пенициллином последовали тетрациклин, эритромицин, метициллин, ванкомицин и многие другие. Эти препараты в корне изменили медицину: заболевания, в большинстве случаев считавшиеся смертельными, теперь стало возможно вылечивать. Так, например, до открытия антибиотиков почти в трети случаев пневмония оказывалась смертельной, после начала использования пенициллина и других препаратов смертность сократилась до 5 %.
Однако чем больше появлялось антибиотиков и чем шире они применялись, тем чаще встречались бактериальные штаммы, устойчивые к действию этих препаратов. Микроорганизмы эволюционировали, приобретая резистентность к антибиотикам. Устойчивый к пенициллину пневмококк появился в 1965 году, а резистентный к метициллину золотистый стафилококк, который и по сей день остается одним из возбудителей наиболее опасных внутрибольничных инфекций, был обнаружен в 1962 году, всего через 2 года после открытия метициллина.
Появление и широкое использование антибиотиков действительно ускорило процесс формирования мутаций, отвечающих за резистентность, но не инициировало его. Бактериальная устойчивость (точнее, мутации, отвечающие за нее) появилась задолго до того, как люди начали использовать антибиотики. Так, бактериальный штамм, ставший причиной дизентерии у одного из солдат, умерших во время Первой мировой войны, был устойчив и к пенициллину, и к эритромицину. Эритромицин же был открыт лишь в 1953 году.
При этом количество бактерий, приобретающих устойчивость к антибиотикам, ежегодно увеличивается, а антибиотики новых классов, обладающие принципиально новым механизмом действия, практически не появляются.
Последний бастион
Из-за того, что колистин высокотоксичен для почек, его назначали лишь в безнадежных случаях, когда другие препараты оказывались бессильны. После 2008 года и этот бастион пал — в организме заболевших пациентов стали обнаруживать бактерии, устойчивые к колистину. Микроорганизм был найден у пациентов в Китае, странах Европы и Америки. К 2017 году зарегистрировано несколько смертей от инфекции, вызванной супербактериями, — помочь таким пациентам не смог ни один антибиотик.
Причина в пациентах
В 2015 году Всемирная организация здравоохранения провела опрос среди жителей 12 стран. В нем приняли участие почти 10 тысяч человек. Всем участникам нужно было ответить на вопросы о применении антибиотиков и развитии устойчивости к этим препаратам.
Оказалось, что почти две трети опрошенных лечат с помощью антибиотиков грипп, а около 30 % прекращают принимать антибиотики при первых улучшениях. Респонденты продемонстрировали удивительное невежество не только в правилах приема антибиотиков, но и в вопросах, касающихся антибиотикоустойчивости. Так, 76 % участников опроса были уверены, что устойчивость приобретают не бактерии, а организм самого пациента. 66 % считают, что, если принимать антибиотики, то антибиотикоустойчивая инфекция не страшна.
Все это свидетельствует о том, что люди знают об антибиотиках и резистентности к ним микроорганизмов удручающе мало, а угрозу того, что эти лекарственные препараты перестанут работать, не принимают всерьез.
Соблюдайте правила
Между тем, вероятность того, что уже в этом веке человечество останется без антибиотиков, достаточно высока. Эксперты ВОЗ и другие специалисты в области здравоохранения убеждают общество пользоваться антибиотиками с умом.
Читайте также:
Опасные комбинации препаратов
Читайте также: Прежде всего стоит помнить: лекарство должен назначать врач, а сам антибиотик — продаваться по рецепту. Курс антибиотиков нужно проходить целиком, а не прекращать прием лекарства после первых улучшений. В том случае, если после завершения лечения у вас остаются неиспользованные таблетки, не нужно предлагать их своим друзьям и родным. В каждом конкретном случае назначить лекарство должен врач, и, возможно, ваши препараты не подойдут другим людям.
Фармпроизводителей же ВОЗ стимулирует активнее заниматься разработкой новых антибиотиков, подчеркивая, что сейчас в разработке находится около полусотни антибиотиков, лишь 8 (!) из которых относятся к инновационным препаратам. Эксперты подчеркивают, что этого количества явно недостаточно для обеспечения человечества необходимыми лекарствами — ведь по статистике только 14 % лекарств доходят до потребителя после всех этапов клинических испытаний.
Что означает полирезистентные к антибиотикам
ГБОУ ВПО «Казанский государственный медицинский университет» Минздрава России, Бутлерова ул., 49, Казань, Российская Федерация, 420012; ГАУЗ «Детская республиканская клиническая больница» Минздрава Республики Татарстан, Оренбургский тракт, 140, Казань, Российская Федерация, 420138
ГБОУ ВПО «Казанский государственный медицинский университет» Минздрава России
ГАУЗ «Детская республиканская клиническая больница» Минздрава Республики Татарстан, Оренбургский тракт, 140, Казань, Российская Федерация, 420138
О значении полирезистентных штаммов патогенных микроорганизмов в офтальмологической практике
Журнал: Вестник офтальмологии. 2015;131(2): 110-114
Галеева Г. З., Самойлов А. Н., Расческов А. Ю. О значении полирезистентных штаммов патогенных микроорганизмов в офтальмологической практике. Вестник офтальмологии. 2015;131(2):110-114.
Galeeva G Z, Samoĭlov A N, Rascheskov A Yu. On the importance of multidrug-resistant strains of pathogenic microorganisms in ophthalmic practice. Vestnik Oftalmologii. 2015;131(2):110-114.
https://doi.org/10.17116/oftalma20151312110-114
ГБОУ ВПО «Казанский государственный медицинский университет» Минздрава России, Бутлерова ул., 49, Казань, Российская Федерация, 420012; ГАУЗ «Детская республиканская клиническая больница» Минздрава Республики Татарстан, Оренбургский тракт, 140, Казань, Российская Федерация, 420138
Данная статья представляет обзор литературы из эпидемиологических, микробиологических и офтальмологических источников о полирезистентных штаммах бактерий в медицине и офтальмологии. Современное состояние фармацевтического рынка и наличие большого количества «дженериков» дезориентирует врача в плане выбора оптимального антибиотика для лечения гнойно-воспалительных заболеваний, в том числе в офтальмологии. В результате бессистемного применения антибактериальных препаратов происходит селекция полирезистентных штаммов бактерий. Мир возвращается к ситуации, существовавшей до эры антибиотиков, когда не было средств для лечения тяжелых инфекционно-воспалительных заболеваний. В статье описаны наиболее опасные полирезистентные штаммы бактерий, известные в медицине, определена их роль в этиологии воспалительных заболеваний глаз. Охарактеризована этиологическая структура конъюнктивитов новорожденных и послеоперационных эндофтальмитов как наиболее частых воспалительных заболеваний в офтальмологии, вызванных госпитальными штаммами полирезистентных бактерий. Изложены механизмы формирования лекарственной устойчивости бактерий к наиболее распространенным в офтальмологии антибактериальным препаратам, обозначены пути профилактики селекции полирезистентных штаммов.
ГБОУ ВПО «Казанский государственный медицинский университет» Минздрава России, Бутлерова ул., 49, Казань, Российская Федерация, 420012; ГАУЗ «Детская республиканская клиническая больница» Минздрава Республики Татарстан, Оренбургский тракт, 140, Казань, Российская Федерация, 420138
ГБОУ ВПО «Казанский государственный медицинский университет» Минздрава России
ГАУЗ «Детская республиканская клиническая больница» Минздрава Республики Татарстан, Оренбургский тракт, 140, Казань, Российская Федерация, 420138
В последние годы отмечается устойчивая тенденция к смене микробного пейзажа возбудителей гнойно-воспалительных заболеваний с возрастанием роли грамотрицательных и условно-патогенных микроорганизмов [1, 2]. Выяснилась их важная роль в общей патологии человека и хронизации инфекционного процесса.
Другой важной проблемой современной медицины является массовое распространение лекарственной устойчивости возбудителей гнойно-воспалительных и нозокомиальных инфекций, в том числе условно-патогенных микроорганизмов [3—5]. Современное состояние фармацевтического рынка в связи с большим количеством дженериков часто дезориентирует врача в плане выбора оптимального антибиотика, а высокая стоимость наиболее эффективных из них сужает спектр используемых антибактериальных средств. Часто происходит возврат к уже апробированным, ставшим «традиционными» препаратам, применение которых уже не дает желаемых результатов [6]. Бессистемное использование антибиотиков ведет к быстрой селекции и распространению в рамках стационара устойчивых штаммов микроорганизмов [7]. Формирование стойкой полирезистентности штаммов возбудителей возвращает мир к ситуации, которая существовала до эры антибиотиков, когда не было средств для лечения тяжелых бактериальных инфекций [6].
Понятие «полирезистентные штаммы» неразрывно связано с понятием «внутрибольничные инфекции» (ВБИ), так как большинство последних вызвано бактериями с множественной лекарственной устойчивостью [8—10].
Практическое значение для клинициста имеют следующие виды резистентных штаммов, распространенных в стационарах нашей страны:
— стафилококки, резистентные к метициллину (оксациллину). Метициллинрезистентные стафилококки проявляют устойчивость ко всем β-лактамовым антибиотикам (пенициллинам, цефалоспоринам, карбапенемам), включая ингибиторзащищенные, а также ассоциированную устойчивость ко многим другим группам препаратов, включая аминогликозиды, макролиды, линкозамиды, фторхинолоны;
— энтерококки, устойчивые к ванкомицину (VRE). С высокой частотой встречаются в отделениях реанимации и интенсивной терапии (ОРИТ) США, данные по нашей стране отсутствуют, однако сообщения о выделении VRE имеются. VRE сохраняют чувствительность к линезолиду, в некоторых случаях — к ампициллину [6, 7, 11, 12];
— микроорганизмы семейства Enterobacteriaceae (прежде всего Klebsiella spp. и E. coli), продуцирующие β-лактамазы расширенного спектра и устойчивые к цефалоспоринам I, II, III поколений;
— P. aeruginosa, устойчивая ко многим антибиотикам, вплоть до панрезистентных штаммов. Предсказать фенотип устойчивости P. aeruginosa в каждом конкретном случае сложно, поэтому особое значение имеют локальные данные по антибиотикорезистентности [7, 11].
Согласно нашим данным, в этиологической структуре дакриоцистита новорожденных стафилококки составляют 51,6%, бактерии семейства Enterobacteriacea — 7,3%, E. faecalis — 5,5%, P. aeruginosae — 2,9% [13, 14].
Наиболее часто офтальмолог встречается с полирезистентными штаммами при работе с новорожденными детьми. Практически все авторы единодушно относят конъюнктивит новорожденных к одному из наиболее частых проявлений внутрибольничного инфицирования в акушерских стационарах [15—20]. Гнойно-септические инфекции новорожденных занимают третье ранговое место в структуре ВБИ и составляют 10% (на первом месте послеоперационные инфекции (47,8%), на втором — постинъекционные инфекции (42,0%)).
При этом в этиологической структуре инфекций новорожденных в целом большинство исследователей ведущую роль отдают грамположительным микроорганизмам — от 40 до 57% с преобладанием S. aureus и S. epidermidis. При анализе ведущих возбудителей гнойно-септических заболеваний новорожденных за последние 25 лет авторы отмечают, что на смену S. aureus, полирезистентному к антибиотикам и дезинфектантам, пришли S. epidermidis и Staphylococcus spp. с гемолитическими свойствами. Преобладание именно условно-патогенных микроорганизмов в этиологии воспалительных заболеваний новорожденных отмечают многие исследователи [2, 18, 21, 22]. Данные об энтеробактериях неоднозначны, доля их в этиологии конъюнктивита новорожденных составляет от 7,9 до 40%, неферментирующих грамотрицательных бактерий — 4,4%, грибов (в основном семейства Candida) — от 4,4 до 9,9%, P. aeruginosa — 4,9% [16—18, 23]. В этиологии гнойных конъюнктивитов новорожденных в последние годы на первый план вышли S. epidermidis и грамотрицательные бактерии [18].
В 93% случаев гнойно-септические заболевания у новорожденных выявлялись на дому, уже после выписки из родильного дома [18].
Также в офтальмологии полирезистентные штаммы бактерий являются возбудителями послеоперационных воспалительных осложнениях, наиболее распространенным из которых является эндофтальмит после внутриглазных операций [24—27]. В литературе описаны эндофтальмиты после хирургии катаракты, глаукомы, сквозной кератопластики и витрэктомии [28—34]. Следует отметить, что частота развития послеоперационных эндофтальмитов отражена только в зарубежной литературе. Смена интракапсулярной экстракции катаракты на экстракапсулярную, улучшение методов асептики и антисептики снизили частоту данных осложнений с 10 (в начале 20 века) до 0,12% в Европе [35] до 0,72% в США [36]. При внедрении факоэмульсификации катаракты через роговичный разрез частота послеоперационных эндофтальмитов несколько возросла и составляет в настоящее время от 0, 015 до 0,3—0,5% [28].
Ранние послеоперационные эндофтальмиты после хирургического лечения глаукомы встречаются примерно в 0,1% случаев. Большинство эндофтальмитов после хирургического вмешательства по поводу глаукомы развиваются спустя месяцы и даже годы после операций и встречаются в 0,2—0,7% случаев [32].
Частота развития эндофтальмитов после операций сквозной кератопластики, по данным литературы, составляет от 0,8 до 0,2% [30, 33].
После проведения витрэктомии через плоскую часть стекловидного тела эндофтальмиты развиваются в 0,05—0,14% случаев [35].
В международной классификации болезней 10-го пересмотра (МКБ-10) в число ВБИ, подлежащих учету и регистрации в хирургических стационарах, кроме гнойно-септических инфекций, присутствовавших в старой классификации, включены инфекции и воспалительные реакции, связанные с имплантатами. В офтальмологии к имплантатам относится ИОЛ, при имплантации которой риск развития послеоперационного эндофтальмита несколько выше.
Согласно МКБ-10, выделяют следующие случаи инфекции в области хирургического вмешательства:
1. Поверхностная инфекция разреза.
2. Глубокая инфекция в области хирургического вмешательства.
3. Инфекция в области хирургического вмешательства органа/полости.
Последняя инфекция возникает не позднее 30 дней после операции при отсутствии имплантата (в офтальмологии ИОЛ) или не позднее одного года при наличии имплантата в месте операции. При этом, согласно МКБ-10, у пациента имеется хотя бы один из перечисленных признаков:
— выделение микроорганизмов из жидкости или ткани, полученной асептически из органа/полости;
— при непосредственном осмотре, во время повторной операции, при гистологическом или рентгенологическом исследовании обнаружен абсцесс или иные признаки инфекции, вовлекающей орган/полость [41].
Биохимические механизмы развития лекарственной устойчивости возбудителей универсальны. Всего существует 5 биохимических механизмов устойчивости бактерий к антибиотикам:
1. Модификация мишени действия.
2. Инактивация антибиотика.
3. Активное выведение антибиотика из микробной клетки (эффлюкс).
4. Нарушение проницаемости внешних структур микробной клетки.
5. Формирование метаболического «шунта» [42].
Остановимся на рассмотрении механизмов развития устойчивости бактерий к антибиотикам, применяющимся в офтальмологии.
Основным механизмом устойчивости к аминогликозидам является их ферментативная инактивация путем модификации. Модифицированные молекулы аминогликозидов теряют способность связываться с рибосомами и подавлять биосинтез белка. Гены ферментов локализуются, как правило, на плазмидах, что приводит к быстрому внутри- и межвидовому распространению устойчивости. Для России характерна высокая частота распространения устойчивости среди грамотрицательных бактерий к гентамицину и тобрамицину, что, вероятно, связано с необоснованно широким применением гентамицина. Частота устойчивости к нетилмицину, как правило, несколько ниже. Устойчивость к амикацину встречается достаточно редко [42, 43].
Также при взаимодействии бактерий с аминогликозидами может формироваться снижение проницаемости внешних структур. Природная устойчивость к аминогликозидам анаэробов объясняется тем, что транспорт этих антибиотиков через цитоплазматическую мембрану связан с системами переноса электронов, которые у анаэробов отсутствуют. По этой же причине факультативные анаэробы в условиях анаэробиоза становятся значительно более устойчивыми к аминогликозидам, чем в аэробных условиях.
Практически важным фактом является природная устойчивость к аминогликозидам стрептококков и энтерококков, связанная с преимущественно анаэробным метаболизмом этих бактерий и, следовательно, невозможностью транспорта антибиотиков к чувствительным мишеням. При совместном воздействии на микробную клетку аминогликозидов и β-лактамов последние нарушают структуру цитоплазматической мембраны бактерий и облегчают транспорт аминогликозидов. В результате этого между β-лактамами и аминогликозидами проявляется выраженный синергизм.
Ведущим механизмом устойчивости к хинолонам/фторхинолонам является модификация мишени действия. При этом развитие лекарственной устойчивости к фторхинолонам происходит значительно медленнее, чем к другим антибактериальным препаратам, так как для резистентности бактериальных клеток требуется модификация двух мишеней, которые представлены бактериальными ферментами: ДНК-гиразой и топоизомеразой IV, опосредующими конформационные изменения в молекуле бактериальной ДНК, необходимые для ее нормальной репликации. Поскольку топоизомеразы выполняют несколько различные функции, то для подавления жизнедеятельности микробной клетки достаточно ингибировать активность только одного фермента, активность второго может сохраняться. Эта особенность объясняет тот факт, что для всех хинолонов можно выделить первичную и вторичную мишень действия. Первичной мишенью является тот фермент, к которому данный хинолон проявляет наибольшее сродство. Хинолонов, которые бы проявляли абсолютно одинаковое сродство к обеим топоизомеразам, не существует.
У грамотрицательных бактерий наибольшее сродство хинолоны проявляют к ДНК-гиразе, благодаря чему именно этот фермент является первичной мишенью их действия. У грамположительных бактерий для большинства хинолонов первичной мишенью действия является топоизомераза IV, но для спарфлоксацина и гатифлоксацина — ДНК-гираза. Моксифлоксацин и гемифлоксацин, вероятно, обладают приблизительно одинаковым сродством к обоим ферментам.
Основным механизмом устойчивости к хинолонам является изменение структуры топоизомераз в результате мутаций в соответствующих генах и аминокислотных замен в молекулах ферментов. Аминокислотные замены в свою очередь приводят к снижению сродства хинолонов к ферментам и повышению минимальной подавляющей концентрации препаратов. Считается, что фторхинолоны, обладающие приблизительно одинаковым сродством к обеим топоизомеразам (моксифлоксацин), в наименьшей степени способствуют селекции устойчивости. Это связано с тем, что для формирования устойчивого штамма мутации должны произойти одновременно в генах обоих ферментов, вероятность же двойных мутаций существенно ниже, чем одиночных [42].
Развитие лекарственной устойчивости к тетрациклину формируется по механизму активного выведения. Детерминанты резистентности обычно локализованы на плазмидах, что обеспечивает их быстрое внутри- и межвидовое распространение [42, 43].
Ферментативная инактивация (ацетилирование) является основным механизмом устойчивости к хлорамфениколу. Гены ферментов — хлорамфениколацетилтрансфераз, как правило, локализуются на плазмидах и входят в состав транспозонов в ассоциации с генами устойчивости к другим антимикробным препаратам [42].
Для профилактики формирования множественной лекарственной устойчивости возбудителей в офтальмологии необходимо:
— иметь четко разработанную тактику применения антибиотиков, проводить непрерывные образовательные мероприятия [27];
— антибактериальную терапию следует начинать неотложно при регистрации инфекции, до получения результатов бактериологического исследования, с учетом вероятного спектра возбудителей, тенденций их антибиотикорезистентности, риска селекции полирезистентных штаммов. Дозу антибактериальных препаратов выбирать ближе к максимальной [7, 44];
— проводить локальный мониторинг антибиотикорезистентности;
— для профилактики селекции полирезистентных штаммов при лечении инфекционных заболеваний необходимо проводить бактериологические исследования с переходом в дальнейшем на этиотропную антибактериальную терапию [7];
— изменить соотношение добольничной и больничной помощи в сторону добольничной, переходить от широкомасштабной госпитализации к прогрессивным ресурсосберегающим формам и методам работы, расширять сети дневных стационаров при офтальмологических отделениях, сокращать время пребывания пациента в стационаре [41, 45].
Концепция и дизайн исследования: Г.З., А.Н.
Что делать с резистентностью к антибиотикам? Новые данные: распространение между странами и борьба с мультилекарственной устойчивостью
Что делать с резистентностью к антибиотикам? Новые данные: распространение между странами и борьба с мультилекарственной устойчивостью
Антибиотикорезистентные бактерии одолевают один препарат за другим и неконтролируемо распространяются
Авторы
Редакторы
Статья на конкурс «Био/Мол/Текст»: Устойчивость бактерий к антибиотикам — серьезная угроза здоровью людей. Из-за распространения резистентности с каждым годом подобрать эффективное лечение становится все сложнее. Человечество использует антибиотики повсеместно и тем самым только ускоряет процесс. К сожалению, резистентные штаммы могут передаваться от одного человека к другому, и масштаб проблемы до сих пор известен не до конца. Может ли, например, высокий уровень потребления антибиотиков в одной стране ухудшить эпидемиологическую обстановку в другой, где правительство регулирует использование противомикробных препаратов? Недавнее исследование, о котором мы расскажем в первой части статьи, утверждает, что да, может. А значит, опасность еще серьезнее, чем мы думали. Поэтому необходимо искать препараты, ломающие сам механизм устойчивости, так как уже сейчас существуют бактерии, которые невозможно остановить практически ни одним антибиотиком. Во второй части статьи мы расскажем об исследовании, открывшем новые свойства уже известных препаратов, как об одном из способов «отключить» резистентность и тем самым спасти миллионы жизней.
Конкурс «Био/Мол/Текст»-2020/2021
Эта работа опубликована в номинации «Вирусы и микроорганизмы» конкурса «Био/Мол/Текст»-2020/2021.
Генеральный партнер конкурса — ежегодная биотехнологическая конференция BiotechClub, организованная международной инновационной биотехнологической компанией BIOCAD.
Спонсор конкурса — компания SkyGen: передовой дистрибьютор продукции для life science на российском рынке.
Спонсор конкурса — компания «Диаэм»: крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.
Вступление
С тех пор как Александр Флеминг впервые выделил пенициллин, жить стало значительно веселее: теперь можно было не умирать от остеомиелита, родильной горячки, гангрены или сифилиса. За последующие девяносто лет человечество успело обзавестись внушительным арсеналом противомикробных препаратов и начать их активно использовать везде: от медицины до сельского хозяйства. И все бы хорошо, если бы не одно но: со временем антибиотики, которые призваны убивать бактерии или останавливать их рост, предотвращая развитие болезни, перестают работать. Некоторые микроорганизмы выживают после применения того или иного лекарства. Они мутируют и продолжают расти и размножаться, уже не встречая конкуренции со стороны других штаммов. К таким «суперзлодеям» от мира бактерий относятся, например, метициллинрезистентный золотистый стафилококк (рис. 1) или микобактерии туберкулеза со множественной лекарственной устойчивостью.
Рисунок 1. Нейтрофил обезвреживает метициллин-резистентную бактерию Staphylococcus aureus, фагоцитируя ее. Фото конфокального микроскопа, цвета условны. Подробнее о конфокальной микроскопии можно прочесть в материале «12 методов в картинках: микроскопия» [1].
По данным комиссии, собранной британским министерством здравоохранения в 2014–2016 гг., ежегодно около 700 000 человек по всему миру умирает от бактериальных инфекций, которые вызваны невосприимчивыми к действию антибиотиков патогенами. К 2050-му эта цифра может вырасти до 10 миллионов человек в год [2]. А по данным за 2019 год, только в США и европейских странах суммарно от болезней, вызванных резистентными бактериями, умирает около 68 000 человек в год (рис. 2) [3], [4].
Рисунок 2. Количество смертей от болезней, вызванных резистентными к антибиотикам бактериями, в европейских странах по данным за 2015 год
О механизмах резистентности и ее передаче можно подробнее почитать в материалах [5] и [6].
Распространение резистентности: связь с уровнем потребления антибиотиков и влияние окружения
Многие исследования говорят в пользу существования прямой зависимости между увеличением потребления антибиотиков и распространением устойчивости бактерий к их действию [2–4], [7]. Помимо прямого влияния, когда из-за малых доз или недостаточно долгого применения лекарства бактерии быстро адаптируются к враждебной среде, существуют и косвенные «преимущества», которые дает устойчивым штаммам прием противомикробных препаратов: такие как устранение конкурентов в лице восприимчивых штаммов или подавление полезной микрофлоры, которая помогает организму справляться с инфекционной нагрузкой.
Иногда случается так, что потребление антибиотиков сокращается, а уровень устойчивости наоборот, только растет. Например, так произошло в Исландии 20 лет назад. В 2002 году было опубликовано исследование [8], согласно которому, несмотря на сокращение потребления противомикробных препаратов с 1,5 до 1,1 курса в год на одного ребенка (возрастом от одного года до шести лет), за пять лет распространенность устойчивых к пенициллину пневмококков выросла в двух наиболее удаленных от столицы регионах в четыре и в десять раз. Причем в десять раз она выросла там, где сокращение потребления антибиотиков было самым значительным по стране. Хотя в среднем за этот период уровень резистентности в Исландии действительно сократился: на 5%. Авторы исследования предположили, что из-за слабого коллективного иммунитета жители сельских регионов (рис. 3, 4) оказываются более уязвимыми к новым патогенам, которые сначала распространяются в крупных городах и только спустя время доходят до деревень. Можно было бы предположить, что свою роль сыграли и маленькие дозы лекарства или некорректная длительность терапии, однако, по данным исследования, все дети получали адекватное лечение.
Рисунок 3. Поселение Болунгарвик (исл. Bolungarvík), где зарегистрировали самый значительный рост резистентности при наиболее сильном снижении объема потребления антибиотиков.
Рисунок 4. Маяк Оусхоулавити (исл. Óshólaviti) в Болунгарвике. Фотограф: Герберт Ортнер, Вена (Herbert Ortner, Vienna).
Тем не менее исландский кейс остается скорее частным примером того, как на резистентность могут влиять и другие факторы, помимо объема потребления противомикробных препаратов. В целом же, прием антибиотиков остается одной из главных причин распространения устойчивости в мире [2–4].
К сожалению, даже если человек никогда не злоупотреблял антибиотиками, он может получить резистентную микрофлору от кого-то из своего непосредственного окружения, например, от родственников.
Исследование [9] на основе данных, полученных в 1998 году в двух деревнях штата Юта (рис. 5), показало, что вероятность получить как устойчивые, так и чувствительные штаммы растет с увеличением количества детей в семье. А прием антибиотиков ребенком увеличивает количество именно устойчивых бактерий у братьев и сестер.
Рисунок 5. Билборд на въезде в штат Юта со слоганом штата: Life Elevated («Возвышенная жизнь»)
В 2019 году израильские ученые показали, что прием матерями фторхинолонов (противомикробных лекарств широкого действия) повышал риск заражения резистентными штаммами не принимавших эти лекарства детей на 50% [10].
Бактерии распространяются не только в семьях, но и в других небольших сообществах, где люди тесно взаимодействуют, например в больницах. Так, в 2001 году другой исследовательский коллектив из Израиля подтвердил, что прием цефалоспоринов и амикацина (полусинтетического антибиотика группы аминогликозидов) в шести отделениях больницы был связан с повышенным риском заражения устойчивыми патогенами в течение последующих месяцев, в том числе и у пациентов, не принимавших эти антибиотики в течение предыдущего года. Причем у принимавших этот риск был выше 1,5–3 раза [11].
Распространение резистентности в больших сообществах
Второго ноября было опубликовано исследование [12] ученых Гарвардского университета, которое показало, что на степень распространения резистентности к антибиотикам среди населения одного региона существенно влияет уровень их потребления в соседних — точнее, в тех, которые интенсивнее всего с этим регионом взаимодействуют: например, если люди активно перемещаются между ними. Для описания таких ситуаций авторы статьи используют термин «спилловер-эффект» (от англ. to spill over — «выходить за пределы чего-либо, распространяться на другие области»; существительное spillover обозначает соответствующий процесс «распространения»).
Исследователи рассматривали данные о потреблении антибиотиков и распространенности устойчивости к ним в американских штатах и европейских странах. Они предположили, что чем два штата или две страны теснее взаимодействуют, тем меньше между ними разница в уровне резистентности к антибиотикам, и непосредственное влияние объема потребления антибиотиков на устойчивость будет ниже, чем в идеальной ситуации, когда регион полностью изолирован от других.
Чтобы проверить гипотезу, ученые сначала использовали математические модели, с помощью которых они делали численные предсказания того, насколько спилловер-эффект увеличится от усиления интенсивности взаимодействия сообществ. А затем они обратились к эмпирическим данным и соотнесли разницу в уровне резистентности внутри регионов с интенсивностью их взаимодействия друг с другом. Степень интенсивности определяли по данным о перелетах американскими и европейскими авиалиниями — ученые предположили, что чем меньше рейсов между регионами, тем слабее эти регионы взаимодействуют (рис. 6).
Рисунок 6. Карта авиаперелетов
В результате две математические модели, применявшиеся в исследовании, — WHN и D-type (см. «Расшифровки» в конце статьи), — подтвердили предположение, что у активно взаимодействующих между собой сообществ разница в уровне устойчивости ниже, чем у тех, которые взаимодействуют меньше. Конкретные величины зависят от выбора модели, однако согласно обеим, достаточно, чтобы было всего на 1% больше взаимодействий между сообществами, для сокращения разницы в уровне резистентности между ними на треть, а то и на 50% — опять же, зависит от выбора модели.
Исследователи рассматривали три пары патогенов и антибиотиков: «пневмококки и макролиды», «пневмококки и β-лактамы» и «кишечная палочка и фторхинолоны». Именно эти комбинации наиболее часто исследовали прежде.
Источники информации о потреблении антибиотиков и распространении устойчивости внутри регионов ученые распределили по трем группам: первые две включали в себя американские базы данных, а третья — данные по европейским странам.
Но в итоге было сформировано шесть датасетов вместо девяти: два убрали, потому что пришлось исключить данные по устойчивости пневмококков к β-лактамам в США — в предыдущих исследованиях на этих датасетах связь между объемом потребления антибиотиков и уровнем резистентности получила отрицательную точечную оценку. Кроме того, информация по потреблению фторхинолонов для США была только во втором наборе данных, так что для этой комбинации патогена и антибиотика собрали два датасета вместо трех, как у остальных (один европейский и один американский).
После попарного сравнения регионов, связь между интенсивностью взаимодействия и снижением зависимости уровня резистентности от объема потребления антибиотиков оказалась статистически значимой в четырех из шести датасетов. Иными словами, чем активнее люди перемещались между сообществами, тем меньшее влияние на распространенность устойчивости оказывал уровень потребления антибиотиков внутри каждого из них — значительную роль начинали играть соседи.
Ученые также сгруппировали все сообщества по парам и ранжировали список по степени интенсивности взаимодействия. Затем они сравнили первые 10% пар из начала с 10% пар с конца и выяснили, что для пар в начале рейтинга связь между объемом потребления антибиотиков и резистентностью в среднем на 50% слабее, чем для пар, которые взаимодействовали меньше всего.
О чем говорят эти данные? В первую очередь о том, что спилловер-эффект оказывает значимое влияние на распространение устойчивости бактерий к антибиотикам на уровне США и европейских стран. Из этого наблюдения следуют несколько важных выводов. Во-первых, бессмысленно проводить какую бы то ни было политику по сокращению потребления антибиотиков с целью снизить уровень резистентности, не учитывая ситуацию в соседних регионах. Во-вторых, куда эффективнее любые меры принимать не на уровне отдельной страны или штата, а на уровне более крупных регионов: США или Евросоюза целиком. В-третьих, массовые испытания антибиотиков могут привести к росту устойчивости внутри всей контрольной популяции (если она не полностью изолирована от испытуемых) за счет все того же спилловер-эффекта.
Однако на распространение устойчивости влияют не только потребление антибиотиков или путешествия между регионами. Свою роль могут играть и другие факторы. Так, исследование 2017 года показало, что устойчивость бактерий к антибиотикам растет с повышением среднегодовой температуры на 2–4% [13]. А согласно другому исследованию, уже 2018 года, на распространение резистентности влияют и социально-экономические факторы (рис. 7): чем лучше развита инфраструктура и выше расходы государства на здравоохранение, тем ниже уровень распространения устойчивости к антибиотикам [14]. Поэтому не исключено, что схожесть в уровне резистентности у тесно взаимодействующих регионов может быть связана с их схожестью в плане географии или на экономическом уровне. Также, различия в образе жизни между разными социальными группами (разделенными по гендерному, этническому или экономическому признакам) может оказаться очень высокой — возможно, сравнение между собой административных единиц не совсем корректно, и куда эффективнее было бы сравнивать разные социальных слои [15], [16]. Кроме того, в исследовании не учитывались другие способы передвижения между регионами, помимо авиаперелетов. Кажется, что на близкие расстояния люди могут чаще перемещаться наземным транспортом: поездами или автомобилями, поэтому небольшое количество рейсов между двумя регионами еще не говорит об их слабом взаимодействии. Поэтому для получения адекватной картины происходящего необходимо принимать во внимание даже такие «мелочи», как дорожная инфраструктура региона или стоимость перемещения разными видами транспорта.
Рисунок 7. Разница в уровне доходов у американского населения по штатам. Экономическое неравенство сказывается и на сфере здравоохранения: у людей с высоким и низким доходом разные условия проживания, неравный доступ к медицине и др. Это может быть релевантно при анализе эпидемиологической обстановки региона.
К тому же, чтобы упростить себе задачу, в рамках исследования ученые исходили из того, что связь между объемом потребления антибиотиков и уровнем резистентности неоспорима, а изменения в распространенности устойчивости следуют за изменениями в объеме потребления антибиотиков в течение какого-то относительно небольшого и обозримого отрезка времени, хотя оба эти положения являются предметом активного изучения. Попарное сравнение сообществ также существенно упрощает задачу построения математической модели и обработки данных. Однако надо понимать, что на деле регионы взаимодействуют между собой одновременно, и это взаимодействие может иметь сезонный характер, или его интенсивность может меняться в зависимости от каких-то социальных, политических или экологических процессов. Так что теоретические выкладки, полученные исследователями, довольно грубы и позволяют составить только беглое представление о проблеме.
Борьба с резистентностью: поиск новых решений
Итак, мы выяснили: устойчивость к антибиотикам страшна не только тем, что ее уровень растет по мере того, как увеличиваются объемы потребления антибиотиков, но и своей способностью распространяться внутри сообществ любого размера: от семей до государств. Особенное беспокойство вызывает распространение мультилекарственной резистентности некоторых патогенов — защищенности сразу от нескольких групп препаратов. Борьба с угрозой идет в основном по двум фронтам: во-первых, человечество создает все новые и новые препараты, способные эффективно подавлять устойчивые микроорганизмы, а во-вторых, придумывает способы замедлить распространение резистентности (как правило, за счет снижения объемов потребления антибиотиков) и выиграть время. Однако эта гонка бесконечна (см. обзор [17]). Как долго мы сможем «убегать»?
Хорошо бы научиться «отключать» резистентность, чтобы уже известные антибиотики заново стали эффективным «оружием». Для этого нужно проанализировать механизмы передачи, хранения и реализации устойчивости к антибиотикам. О некоторых из уже существующих способов борьбы с мультилекарственной резистентностью можно почитать в материалах [6] и [18].
Рисунок 8. Инфографика по карбапенем-резистентным энтеробактериям из доклада Департамента здравоохранения и социальных служб США. Согласно ей, в 2017 году насчитывалось 13 100 случаев госпитализации пациентов с инфекциями, вызванными карбапенем-резистентными энтеробактериями, в том числе и 1100 случаев летального исхода, а соответствующие затраты на здравоохранение в Америке составили 130 миллионов долларов США. Карбапанем-резистентные энтеробактерии представляют серьезную проблему для пациентов медицинских учреждений: некоторые штаммы развили устойчивости почти ко всем распространенным антибиотикам, что вынуждает врачей прибегать к более токсичным или менее эффективным препаратам.
А здесь мы рассмотрим, как может решаться проблема мультилекарственной резистентности, на примере карбапенем-резистентных энтеробактерий (CRE, от Сarbapenem-Resistant Enterobacteriaceae). CRE могут поражать органы мочеполовой системы, кровь или легкие, но главная их опасность заключается в устойчивости к самым серьезным препаратам, направленным против них (рис. 8). Карбапенемы — антибиотики «последней надежды», то есть средства, которые применяются лишь в крайних ситуациях, когда ничто больше не помогает. Часто CRE устойчивы не только к карбапенемам, но и ко многим другим классам антибиотиков, что делает лечение от них чрезвычайно тяжелым [19]. В 2019 году Центр по контролю и профилактике заболеваний США поместил карбапенем-резистентных энтеробактерий среди пяти групп микроорганизмов, защиту от которых из-за угрозы здравоохранению необходимо разрабатывать в первую очередь [3].
Рисунок 9. Как последовательности ДНК, ответственные за резистентность, попадают в клетку бактерии и хранятся в ней? Последовательности ДНК, кодирующие ферменты, которые обеспечивают резистентность, могут находиться в плазмидах — кольцевых ДНК внутри клеток бактерий, — передаваться в составе плазмид потомкам и родственникам при коньюгации. Еще такие последовательности ДНК могут передаваться из ДНК одной бактерии в ДНК другой путем трансдукции — переноса внутри вируса.
Устойчивость CRE работает по проверенной механике Докинза: резистентность переносится плазмидами устойчивости CRE (pCRE, CRE resistance plasmids), которые так и хочется назвать эгоистичными (рис. 9). Ведь карбапенем-резистентные энтеробактерии платят высокую цену за свою неуязвимость: если клетка утрачивает pCRE, то она погибает из-за токсина, который был закодирован в плазмиде и остался в клетке [20]. (До утраты pCRE с нее синтезировался неустойчивый антидот, блокирующий действие токсина.) pCRE очень большие, поэтому количество их копий в одной клетке CRE можно сосчитать по пальцам. Чтобы не потеряться во время деления, в pCRE закодирован механизм распределения по дочерним клеткам, как и множество ферментов, «обслуживающих» плазмиду, в которой заложено всё для ее распространения и выживания ее носителя, в том числе карбапенемаза — фермент, расщепляющий не только карбапенемы, но и многие другие β-лактамные антибиотики (рис. 10) [21]. Фермент, закодированный в плазмиде, «защищает» ее носителя. То есть в первую очередь опасность представляют не бактерии, а плазмида, поэтому методы борьбы должны быть направлены главным образом против нее.
Рисунок 10. Разрушение β-лактамного кольца β-лактамазой путем гидролиза связи между атомами углерода (серыми) и азота (голубыми)
Кэйтлин Зулауфа и Джеймс Кирби из Гарвардской медицинской школы нашли подходящие для вмешательства в работу плазмиды препараты среди тех, которые уже используются, но в иных целях, и попробовали объяснить их эффективность в борьбе с резистентными штаммами [22]. Это исследование кажется нам важным, поэтому ниже мы расскажем об экспериментах, проведенных коллегами-учеными, и данных, говорящих в пользу их открытия.
В результате скрининга более 12 000 биоактивных соединений исследователи выделили три, после воздействия которых копии pCRE не распространялись в культуре бактерий при делениях, что делало последующие поколения восприимчивыми к карбапенемам.
Наш первый кандидат — касугамицин — аминогликозидный антибиотик, который, судя по данным исследователей, мешает процессу синтеза белка RepE, играющего ключевую роль в размножении pCRE путем репликации (удвоения) [23]. То есть без RepE плазмида, скорее всего, не передастся новым поколениям бактерий. После воздействия касугамицина в течение 24 часов репликация pCRE случалась реже более чем в 10 раз (рис. 11), по сравнению с необработанными бактериями (более 90% потомков бактерий, резистентных еще сутки назад, утратили защиту). Однако даже во время применения максимальной в этом исследовании дозы касугамицина плазмиды все же размножались (их становилось больше на два порядка). Зафиксируем, что касугамицин не блокирует репликацию полностью, а лишь сильно замедляет ее.
Рисунок 11. Зависимость активности размножения плазмид в растущей бактериальной культуре от воздействия препаратов. По вертикальной шкале — количество плазмид бактерий после инкубирования при разных концентрациях препаратов, выраженное в процентах от количества плазмид в посевах в обычных условиях. Первые два столбца — контрольный эксперимент (без воздействия препаратов): серый столбец — количество в начале контрольного эксперимента; черный — в бактериях после обычных условий культивирования. Зеленые столбики — после культивирования при разных концентрациях касугамицина; красные столбики — после культивирования при разных концентрациях CGS 15943; фиолетовые столбики — после культивирования при разных концентрациях Ro 90-7501.
Наш второй кандидат — CGS 15943 (см. «Расшифровки» в конце статьи) — возможно, нарушает считывание последовательности RepE. В любом случае, он мешает репликации плазмид настолько, что их количество при максимальной дозе CGS 15943 почти не увеличилось (рис. 11). Отметим, что CGS 15943 способен почти полностью останавливать репликацию pCRE.
Третий кандидат — Ro 90-7501 (см. «Расшифровки» в конце статьи) — имеет самые впечатляющие результаты. Взглянув на рисунок 11, хочется назвать его «убийцей» pCRE. Дело в том, что Ro 90-7501 — интеркалятор ДНК, то есть соединение, которое встраивается между цепями ДНК, «ломая» ее структуру и мешая репликации. Только начиная исследование, ученые не хотели использовать интеркаляторы, потому что для человека целостность собственной ДНК не менее важна, чем для плазмиды целостность своей. Например, зафиксировано воздействие этого же Ro 90-7501 на клетки млекопитающих: он влияет на сборку фибрилл амилоида β42 (связанного с болезнью Альцгеймера) [24], на активность врожденного иммунитета [25] и ингибирует протеинфосфатазу 5 — фермент, важный в регуляции ключевых событий жизни клетки [26], [27]. Однако Ro 90-7501 оказался селективным к pCRE, и ученые изучили его особенно тщательно. Оговорив, что концентрация Ro 90-7501, при которой достигается максимальный антиплазмидный эффект, ниже токсичной для клеток млекопитающих почти в 30 раз [28].
Сравним препараты: CGS 15943 не имеет известных побочных эффектов для клеток человека, однако он и не истребляет плазмиды так, как это делает Ro 90-7501. То есть после окончания курса CGS 15943 резистентные патогены могут выжить и размножиться опять. Возможно, получится изменить последовательность Ro 90-7501 так, чтобы он перестал воздействовать на процессы в клетках млекопитающих. Однако обоим препаратам стоит «поучиться» у касугамицина проникать в клетки грамотрицательных бактерий (к которым относятся и энтеробактерии), видимо, для их применения в реальных условиях нужно разработать подходящий способ проникновения молекул препарата внутрь клетки.
Таким образом, использование каких-то из этих препаратов может привести нас к победе над опасными карбапенем-резистентными энтеробактериями. Ученым предстоит долгая и кропотливая работа по поиску или синтезу веществ, которые окажутся действенными в устранении описанного нами механизма резистентности.
Исследования, подобные этому, внушают надежду на то, что нам удастся не просто вечно бежать на шаг впереди, создавая препараты, к которым у бактерий еще не выработалась устойчивость, но и «поворачивать время вспять» — сопротивляться уже существующим механизмам резистентности, придумывая способы для непосредственной остановки их действия. И тогда пугающая цифра в 10 миллионов смертей в год никогда не станет реальностью.