Где развивается резистентность к антибиотикам?

Ингибиторы

Второй путь к преодолению резистентности бактерий к антибиотикам связан с обезвреживанием нежелательных мутаций бактерий. Наши микроскопические враги выработали несколько стратегий, чтобы избежать смерти, самая распространенная из них — синтез ферментов, которые химически нейтрализуют молекулы лекарств. Большая часть применяемых сегодня антибиотиков имеет в составе бета-лактамное кольцо и нацеливается на определенный белок, отвечающий за создание клеточной стенки, без которой клетка погибает. Бактерии из этого уязвимого пенициллинсвязывающего белка в ответ сформировали новый, который получил название бета-лактамаза. Он успешно дезактивирует антибиотики, гидролизуя их бета-лактамное кольцо.

Ученые парировали эту активность бактерий разработкой ингибиторов бета-лактамазы. Но эта победа оказалась локальной: за несколько десятилетий в мире было создано всего шесть таких соединений (одно в Великобритании, пять — в США), которые в составе антибиотиков дошли до клинической практики. Тогда как потребность в них постоянно растет.

«И пенициллинсвязывающие белки, и лактамаза находятся под давлением мутационных процессов. Этих белков становится все больше. Если в 2018 году мы имели примерно три тысячи лактамаз, то в 2023 году их уже восемь тысяч. Сделать столько ингибиторов нереально. Выиграть в этой гонке можно только за счет создания универсальных ингибиторов на целые классы ферментов, которые гомологичны по своей структуре. Это направление представляет большой практический интерес», — отмечает Алексей Егоров, заведующий лабораторией инженерной энзимологии химического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова.

Наиболее коварными считаются появившиеся относительно недавно в результате очередных мутаций металло-бета-лактамазы с цинком в активном центре. Они обладают широким спектром действия, обезвреживая практически все антибиотики, и нечувствительны к классическим ингибиторам. Получение их «антидотов» — одна из принципиальных задач медицинской науки, которую пытаются решить сильнейшие лаборатории мира.

С каждым годом публикуется все больше работ по созданию ингибиторов этих ферментов. Как правило, в их состав включают комплексы висмута, производные пиринидил-никотинамида и борной кислоты, но данных по экспериментам как in vitro, так и in vivo недостаточно, чтобы сделать вывод о продвижении их в качестве кандидатов для клинических испытаний. Поиски ингибиторов металло-бета-лактамаз ведутся и на химфаке МГУ — в качестве оружия здесь рассматривают вещество унитиол, известное как противоядие при отравлении тяжелыми металлами.

«Унитиол связывает и цинк, и белковую часть фермента, — поясняет Алексей Егоров. — Мы начинаем исследовать его на животных. На сегодняшний день создание нового антибиотика с мощным ингибитором кажется реальной целью».

Ученые убеждены: только таким образом можно «продлить жизнь» бета-лактамам, а это 60% от всего количества антибиотиков.

 

Новые мишени

Надежды также возлагают на создание препаратов с новым механизмом действия. Классические антибиотики атакуют клеточную стенку, цитоплазматическую или наружную мембрану, комплекс для синтеза копий ДНК или рибосомы, отвечающие за трансляцию белка. Но все эти системы в той или иной степени подготовились к нападению, видоизменяя свои гены и создавая защитные ферменты. Значит, нужно искать другие мишени.

Главным претендентом на эту роль стала токсин-антитоксиновая система бактерий. Она состоит из двух расположенных рядом генов, один из которых кодирует «яд» и при активации нарушает клеточные процессы; другой, его антагонист, нейтрализует яд.

Такие модули были обнаружены в плазмидах, а в дальнейшем и в хромосомах бактерий и поначалу рассматривались просто как любопытные генетические конструкции. Но со временем стало ясно, что они играют решающую роль в адаптации клетки к стрессам. Благодаря этой парочке бактерия при внешнем воздействии, например, антибиотиком, не погибает окончательно, а переходит в спящее состояние, чтобы потом вернуться к жизни. Возникли предположения, что, если разрушить механизм «токсин-антитоксин», клетка уже не сможет восстановиться. Ученые сейчас пытаются понять, как работают разные типы таких систем, чтобы в будущем найти способ прицельного воздействия на них с помощью антимикробных агентов.

В качестве рабочего варианта альтернативной мишени рассматривается также рибопереключатель гена ribВ, кодирующий фермент, ответственный за синтез одного из предшественников рибофлавина, который необходим для роста бактерий. Ученым из корпорации Merck в экспериментах с кишечной палочкой удалось доказать, что именно в этой нуклеотидной последовательности накапливаются мутации, вызывающие устойчивость к рибоцилу, который блокирует синтез рибофлавина и останавливает тем самым развитие патогена.

Перспективные цели для новых антибиотиков ищут также в ходе больших скринингов уже известных соединений. Несмотря на то что при их разработке закладывался классический, уязвимый для бактерий механизм действия, на практике они могут работать иначе — поражать сразу несколько мишеней или вовсе не ту, которая была задана. Это выясняется при новых экспериментах с использованием более точного оборудования, которое позволяет увидеть мельчайшие процессы в клетке.

В частности, при изучении нового антибиотика АМС-109, созданного для поражения трудноизлечимого золотистого стафилококка, ученые из Университета Гронингена (Нидерланды) обнаружили, что он не создает отверстие в мембране, подобно другим лекарствам того же класса, а растворяет ее более толстые участки — и этого, оказывается, достаточно, чтобы бактерия погибла.

Теории

Предпринимаются попытки «подкрутить» и генетические механизмы, которые позволили бактериям развить стратегию самозащиты. Мишенью в этом случае становятся интегроны — подвижные участки ДНК, отвечающие за накопление и экспрессию новых генов. Они действуют как каркасы для перегруппировки генов и вмещают множество кассет генов, кодирующих детерминанты устойчивости к антибиотикам. Считается, что их можно редактировать с помощью системы CRISPR-Cas — своеобразных генетических ножниц, позволяющих вносить точечные изменения в геном. Эксперименты по исправлению интегронов проводятся во многих странах, в том числе в России. В теории они дают надежду на обращение вспять нежелательной эволюции бактерий. На практике успехи пока скромные: в кассетах идентифицируются гены резистентности; идет сбор доказательств возможности направлять фрагменты нуклеазы Cas9 в нужные геномные локусы с получением программируемого результата.

Перспективными считаются также фундаментальные работы по созданию адъювантов, помогающих антибиотикам проникать в клетку по принципу «троянского коня», присоединяясь к маленькому фрагменту с железом.


Итак, несмотря на тревожность ситуации с антибиотикорезистентностью, отчаиваться рано: ученые тестируют сразу несколько способов обмануть и обезоружить бактерии. Не все из них близки к практическому воплощению, но и возможности микробов небезграничны. По словам Алексея Егорова, анализ нейросетей в этой области дает обнадеживающие сигналы: если до 2018 года число новых мутаций бактерий, которые защищаются от беталактамных антибиотиков, увеличивалось по нарастающей, то теперь активность наших микроскопических противников явно пошла на спад.