Охотники за антибиотиками

За последние 30 лет среди медицинских препаратов не появилось ни одного нового антибиотика. Но это не означает, что наука стоит на месте. Попробуем разобраться в том, как открывают новые антибиотики, что мешает выиграть гонку вооружений с микробами и кто может вселить в нас оптимизм по этому поводу.

От чего дрожит микроб

За почти сто лет, прошедших со времен открытия пенициллина, люди успели обнаружить множество антибиотиков. Из них американским Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA) одобрено 167. Может показаться, что это много, но их разнообразие обманчиво: все антибиотики можно разделить на 12 основных классов (в каждом из которых собраны производные одного вещества).

Антибиотики борются с бактериями одним из четырех способов:

1. Нарушают синтез клеточной стенки (например, пенициллин, цефалоспорин и их производные).

Бактериальные клетки окружены слоем пептидогликанов — углеводов с белковыми вставками, которые образуют клеточную стенку. Она регулярно обновляется: одни части разрушаются, другие достраиваются. Антибиотики могут связываться с белками, собирающими цепочки пептидогликанов, и блокировать их работу. Тогда клеточная стенка продолжит разрушаться, но достраиваться уже не будет, и постепенно исчезнет совсем. Бактерия не сможет контролировать поступление и выход веществ из клетки и погибнет — остановятся ее внутриклеточные процессы или она просто лопнет.

2. Нарушают синтез белка (как делают стрептомицин, тетрациклин и многие другие).

Как и в наших клетках, у бактерий белок производится на рибосомах. Это сложно организованные молекулярные машины, похожие на яйцо, состоящее из двух половин с полостями внутри. В них заходят молекулы транспортной РНК, несущие аминокислоты. Внутри рибосомы аминокислоты собираются в белковую цепочку, которая потом выходит в цитоплазму. Антибиотики могут блокировать эти процессы на разных этапах: мешать половинам рибосомы соединяться, запрещать транспортным РНК заходить внутрь и отдавать свою аминокислоту, отсоединять белковую цепочку раньше времени, когда она еще не готова. После остановки белкового синтеза бактерия как минимум не может делиться, а иногда умирает.

3. Нарушают копирование ДНК (чем занимаются, среди прочих, ципрофлоксацин и оксолиновая кислота).

Чтобы выживать, нужно размножаться, особенно если вы — патогенная бактерия. А значит нужно копировать свою наследственную информацию. Но молекула ДНК сильно скручена, и, прежде чем копировать, нужно раскрутить и разъединить две ее цепи. Этим занимаются бактериальные ферменты гиразы и топоизомеразы, и именно их блокируют антибиотики класса хинолонов. Кроме того, они мешают считывать информацию с ДНК и «переписывать» ее на РНК, то есть останавливают синтез белка по матрице РНК. Ну и, наконец, в результате действия хинолонов в ДНК бактерии накапливаются поломки, что ведет к ее разрушению и смерти клетки.

4. Нарушают синтез фолиевой кислоты (так работает группа сульфонамидов).

В отличие от человека, бактерии не получают ее с едой, а создают сами. Фолиевая кислота, среди прочего, необходима для репликации ДНК и деления клеток. В ее отсутствие бактерии не погибают, но перестают делиться, а значит, не могут больше захватывать территории в организме.

Однако все чаще бактерии становятся устойчивы к действию «волшебных пуль». И здесь существуют три основные стратегии.

Во-первых, можно не дать антибиотикам проникнуть внутрь клетки, снизив проницаемость наружной мембраны. Во-вторых, можно завести специальный белок, который эти антибиотики выкачивает из клетки или расщепляет. Например, у бактерий встречается фермент 𝛽-лактамаза, разрушающий вещества пенициллинового ряда. Поэтому в современных препаратах можно встретить сочетание антибиотика и клавулановой кислоты, которая 𝛽-лактамазу ингибирует (Амоксиклав = амоксициллин + клавулановая кислота). И, наконец, можно изменить мишень для антибиотика, чтобы он с ней хуже связывался.

Не всегда это удается сделать без ущерба для работы мишени, но бактерии, которые так или иначе смогли приобрести такую мутацию, получают значительное преимущество. После того, как хотя бы одна бактерия случайным образом стала устойчива к антибиотику, его эффективность оказывается под угрозой. Бактерии делятся и активно обмениваются друг с другом генами, распространяя устойчивость в популяции. При этом скорость приобретения устойчивости невероятная: спустя всего лишь несколько лет после открытия пенициллина оказалось, что около 50% бактерий надежно от него защищены. Поэтому вопрос поиска новых средств все еще остается актуальным.

Антибиотики в стогу сена

К счастью, мы точно знаем, где искать. Антибиотики — вещества природные, плоды сурового отбора, которому в течение миллионов лет подвергались бактерии в стремлении избавиться от своих конкурентов. Значит, нужно выделить из всех возможных бактерий все возможные антибиотики и проверить, насколько эффективно они действуют на микробов-патогенов. Задача выглядит неподъемной. Не обязательно обладать знаниями комбинаторики, чтобы прикинуть, сколько времени может занять такая работа.

Тем не менее, на заре изучения антибиотиков ученые действовали именно так. Брали почву, выделяли из нее культуры бактерий. Дальше к каждой культуре подселяли колонии известных патогенов и смотрели, в каком случае рост колонии патогенов затормозится. Затем собирали продукты обмена почвенных бактерий и искали там то самое тормозящее вещество. Этот метод называют платформой Ваксмана в честь разработавшего его в 40-х годах XX века микробиолога Зельмана Ваксмана. С помощью такой стратегии удалось открыть около двадцати антибиотиков, используемых в медицине до сих пор.

Но со временем платформа Ваксмана перестала приносить свои плоды. У метода обнаружились существенные ограничения. С одной стороны, он довольно трудоемкий. С другой, он рассчитан только на бактерии, поддающихся культивированию в стандартных лабораторных условиях. Таких среди всех микробов почвы приблизительно 1%, а значит разнообразие добываемых антибиотиков сильно ограничено. Тем не менее, сейчас исследователи пытаются вернуться к этой методике, используя более продвинутые технологии. Например, в 2010 году американским ученым удалось вырастить около 50% почвенных бактерий в лаборатории. Идея довольно проста: их культивируют не на искусственных подложках, а прямо на почве. При этом участки почвы, предназначенные для разных бактерий, разделены перегородками из полупроницаемой мембраны: вещества через нее проходят свободно, а вот бактерии целиком уже не пролезут. С помощью такой технологии был открыт новый антибиотик тейксобактин, который, впрочем, до сих пор не нашел применения в медицинской практике.

Раз открывать антибиотики с той же скоростью, с которой бактерии приобретают устойчивость, не получается, то приходится действовать хитростью.

Например, можно «пришить» к известному препарату какую-нибудь химическую группу, обеспечивающую проникновение через мембрану или устойчивость к расщепляющим ферментам.

Это довольно простой способ получить новое лекарство на основе старого, и так возникают полусинтетические антибиотики второго и последующих поколений. Большинство из 167 используемых сейчас антибиотиков — усовершенствованные производные всего лишь нескольких природных соединений.

Кроме того, если новые средства борьбы не находятся, на помощь может прийти комбинаторика. Совмещение нескольких антибиотиков в одном препарате часто оказывается выигрышным, так как выработать устойчивость к двум веществам одновременно сложнее, чем к одному. К тому же, иногда оказывается, что другие лекарства, не оказывающие сами по себе влияния на микробов, могут усиливать действие антибиотиков. Например, лоперамид, известный препарат от диареи, нарушает работу мембраны бактерий, что позволяет миноциклину (родственнику тетрациклина) лучше проникать внутрь.

Не так давно было высказано предложение использовать комбинации антибиотиков, чтобы направить эволюцию бактерий в выгодную для нас сторону. Допустим, у нас есть пара антибиотиков, А и В, которые блокируют действие друг друга. И есть популяция бактерий, часть из которых устойчивы к антибиотику А, то есть разрушают его или выкачивают из клетки. Если мы эту популяцию обработаем смесью антибиотиков, А и В, то бактерии, не обладающие устойчивостью к ним, выживут. А бактерии, устойчивые к антибиотику А, не смогут блокировать антибиотик В, и погибнут. Таким образом, отбор будет препятствовать приобретению устойчивости, и впоследствии с этим бактериями будет справиться проще.

Открытия на бумаге

Но допустим, мы все-таки хотим обнаружить принципиально новые антибиотики. И хотим сделать это прицельно и эффективно, не тратя ресурсы на сканирование всех бактериальных культур подряд. Можно ли как-то оптимизировать этот процесс?

В 90-х годах, когда закончилась волна открытия новых антибиотиков, возникло направление «от гена к лекарству». Логика проста: нужно сначала обнаружить жизненно важные гены (и их белковые продукты), без которых бактерии не могут выживать, а потом уже искать вещества, их блокирующие. Однако этот подход не принес ожидаемых плодов. С одной стороны, поиск жизненно важных генов оказался нелегкой задачей. В некоторых случаях были обнаружены какие-то белки с неясными функциями, а в других — выяснилось, что при разных внешних условиях становятся важны разные гены, и не очень понятно, какие именно условия имеют место в организме больного. С другой стороны, даже если удается обнаружить ключевой ген (или белок) и блокирующее его вещество, то вовсе не обязательно, что этот ген будет найден у других патогенов, в то время как хочется придумать антибиотики широкого спектра, действующие на самых разных бактерий. К тому же, это найденное вещество может оказаться неприменимым в медицине, например, опасным для человека или не проходящим через бактериальную клеточную стенку.

Поэтому в последнее время ученые подходят к проблеме поиска с другого конца. Примером такого исследования может служить недавняя статья, в которой коллектив ученых из России и США сообщает об обнаружении нового класса антибиотиков и его первого представителя — клебсазолицина.

Cовременный процесс поиска устроен так:

1. Отправляемся в интернет-базу данных по отсеквенированным геномам бактерий.

В обсуждаемом исследовании ученых интересовали симбиотические и патогенные бактерии человека, так как их геномов особенно много в базах.

2. Ищем в этих геномах последовательности, похожие на уже известные гены антибиотиков.

У многих бактерий процесс синтеза антибиотиков выглядит следующим образом: сначала рибосома строит белок, а потом специальные ферменты модифицируют его, добавляя функциональные химические группы. Такой двухступенчатый процесс позволяет повысить разнообразие антибиотиков. В геноме бактерий гены собственно антибиотика и белков-модификаторов образуют скопления (кластеры). Вероятно, это нужно, чтобы удобнее было делиться с другими бактериями целым кластером генов одновременно. В этих скоплениях много похожих последовательностей, что позволяет искать их сразу во всей базе геномов.

3. Выбираем из найденных последовательностей антибиотиков такую, которая наименее похожа на уже известные.

Если структура молекулы отличается от других, то может отличаться и механизм действия.

4. «Подсаживаем» интересующую нас последовательность кластера генов (вместе с белками-модификаторами) в клетки E.coli, которые по ней синтезируют исследуемый антибиотик. Теперь можно его выделить и охарактеризовать.

5. Определяем окончательную структуру антибиотика.

6. Пробуем подействовать им на разных патогенных бактерий.

Смотрим, насколько он активен и с помощью каких механизмов проникает в клетки и на что действует.

7. Выясняем, какие именно части молекулы критичны для ее деятельности и какая за что отвечает.

В данном исследовании оказалось, что клебсазолицин ингибирует синтез белка, закрывая отверстие рибосомы, сквозь которое белок должен выходить наружу. Кроме того, он делает это эффективнее, чем аналогичные антибиотики, так как плотнее закупоривает канал. То есть нельзя говорить об открытии принципиально нового механизма борьбы с бактериями, но можно — об обнаружении ранее неизвестного класса антибиотиков. Что характерно, клебсазолицин имеет модульную структуру, отдельные участки его отвечают за самостоятельные функции. А это значит, что возможен «антибиотический конструктор» - можно видоизменять те части молекулы, которые не отвечают за основную ее функцию, чтобы, например, облегчить прохождение антибиотика в клетку, и таким образом создать несколько препаратов на одной основе.

Что в конце тоннеля?

Несмотря на открытие новых классов антибиотиков и совершенствование методов их поиска, основная проблема — развитие устойчивости у бактерий — остается нерешенной. И как бы мы ни старались, разрабатывая новые препараты, это будет похоже на попытки устоять на беговой дорожке, потому что способы остановить перенос генов между бактериями нам все так же неизвестны.

Еще одна проблема заключается в том, что клинические испытания сильно замедляют разработку препаратов.

Они обязаны соответствовать множествам требований безопасности, поэтому их совершенствование и проверка отнимают много времени. Да, компьютерные методы существенно ускорили и удешевили поиск новых антибиотиков, но сократить этап клинических испытаний пока не представляется возможным. Тем временем бактерии мутируют с гораздо большей свободой — эта беговая дорожка движется быстрее, чем мы.

Помимо того, сами исследователи жалуются на бездействие фармакологических компаний и отсутствие поддержки в разработке антибиотиков. Они отмечают, что компании заинтересованы в выпуске лекарств широкого спектра и высокой эффективности. Поэтому исследованиям многих перспективных препаратов, рассчитанных на конкретные группы бактерий, часто не дают хода, считая их невыгодными. Не исключено, что это продлится до того момента, когда устойчивые бактерии начнут представлять реальную угрозу, то есть число пациентов станет сильно больше (увы, сложно предсказать, насколько).

Что мы в итоге можем противопоставить микробной экспансии? Современные исследования не обещают нам скорой и сокрушительной победы, но предлагают тактику постепенной и изобретательной партизанской войны. Регулярные открытия новых антибиотиков, модификация старых, модульный конструктор и комбинирование препаратов создают некоторое разнообразие, сдерживающее натиск бактерий. Перемещение науки с лабораторного стола в компьютер позволяет потихоньку наращивать темпы производства боевых орудий и дает надежду на то, что в обозримом будущем мы сможем догнать беговую дорожку эволюции бактерий и бежать с ней хотя бы синхронно, оставаясь на месте. А бег на месте, как известно, общепримиряющий.

Полина Лосева