Ludzkość może wygrać wojnę z bakteriami

Ludzkość może wygrać wojnę z bakteriami

Pavel Nazarov,
Kandydat nauk biologicznych, Instytut Biochemii Fizycznej i Chemicznej. A.N. Belozersky MSU
"Kommersant Science" №5, lipiec 2017

W maju tego roku antyoksydanty skierowane przeciwko mitochondriom jako wysoce skuteczne antybiotyki, opublikowane w Raporty naukowe, zespół autorów z Moskiewskiego Uniwersytetu Państwowego po raz pierwszy pokazał całkowicie nowy hybrydowy antybiotyk: jego działanie skierowane jest przeciwko potencjałowi błonowemu bakterii, która dostarcza komórkom chorobotwórczym energii.

Zwycięstwo! – ale tylko tymczasowy

W połowie ubiegłego wieku ludzkość znajdowała się w stanie euforii związanej z niesamowitym sukcesem w leczeniu chorób zakaźnych o charakterze bakteryjnym. Wiele infekcji bakteryjnych wywołujących przerażające epidemie w średniowieczu zmieniło się w infekcje kwarantannowe, które można łatwo i skutecznie leczyć.

Sukces ten stał się możliwy po odkryciu w latach dwudziestych przez brytyjskiego bakteriologa Alexandra Fleminga z pierwszego antybiotyku, penicyliny; pojawił się w grzybach pleśniowych Penicillium notatum. Dekadę później brytyjscy naukowcy Howard Florey i Ernst Chain zaproponowali metodę przemysłowej produkcji czystej penicyliny.Wszystkie trzy otrzymały Nagrodę Nobla w dziedzinie fizjologii i medycyny w 1945 roku.

Masowa produkcja penicyliny została ustalona podczas II Wojny Światowej, co spowodowało gwałtowny spadek śmiertelności wśród żołnierzy, którzy zazwyczaj umierają na infekcje ran. To pozwoliło francuskim gazetom w przededniu wizyty Fleminga w Paryżu napisać, że zrobił więcej całych dywizji, by pokonać faszyzm i wyzwolić Francję.

Pogłębienie wiedzy na temat bakterii doprowadziło do pojawienia się dużej liczby antybiotyków, które różnią się mechanizmem, szerokością spektrum działania i właściwościami chemicznymi. Prawie wszystkie choroby bakteryjne zostały całkowicie wyleczone lub poważnie zahamowane przez antybiotyki. Ludzie wierzyli, że człowiek podbił infekcje bakteryjne.

Małe kieszenie oporu – i porażka

Diplococcus z rodzaju Neisseriajeden z superbakterii odpornych na zdecydowaną większość antybiotyków

Równolegle z sukcesami pojawiły się pierwsze oznaki nadchodzącego globalnego problemu: przypadki oporności bakterii na antybiotyki. Wcześniej wrażliwe na nie mikroorganizmy nagle stały się obojętne.Ludzkość zareagowała szybkim rozwojem badań i nowych antybiotyków, doprowadziło to jedynie do zwiększenia liczby leków i nowej odporności bakterii.

W maju 2015 r. Światowa Organizacja Zdrowia uznała odporność bakterii na antybiotyki za kryzys i przedstawiła globalny plan walki z opornością na środki przeciwdrobnoustrojowe. Powinno to zostać przeprowadzone bez opóźnień, a liczne organizacje międzynarodowe, takie jak ekolodzy i sektory gospodarki – nie tylko medycyna ludzka, ale także medycyna weterynaryjna, hodowla zwierząt, instytucje finansowe i stowarzyszenia praw konsumentów – musiały skoordynować swoje działania.

W maju 2015 r. Światowa Organizacja Zdrowia (WHO) uruchomiła globalny plan działania w celu zwalczania oporności na środki przeciwdrobnoustrojowe, uznając odporność bakterii na kryzys antybiotyczny

Plan musi być jakoś spełniony, ale niestety, mimo to, we wrześniu 2016 r. Amerykański pacjent zmarł na sepsę. Tak się dzieje, a nawet częściej niż byśmy chcieli, ale zostało zniszczone przez tzw. Superbakterium – Klebsiella pneumoniae, ale nie zwykle, ale odporny na wszystkie 26 antybiotyków dopuszczonych w USA, w tym na antybiotyk z "ostatniej rezerwy" Colistin.

Ostateczna granica spadła

Kolistyna jest uważana za antybiotyk ostatniej rezerwy – jest to stary lek z klasy polimyksyn, który stał się przestarzały ze względu na toksyczny wpływ na nerki. Kiedy superbugi wyszły na światło, które oprócz tego, że były odporne na znane antybiotyki, również nabyły zdolność przekazywania sobie informacji o genach, które pozwoliłyby im się oprzeć antybiotykom, okazało się, że po pierwsze, kolistyna jest destrukcyjna dla wszystkich tych bakterii, a po drugie, bakterie nie mogą wymieniają geny oporności na kolistynę, jeśli się pojawią.

Niestety, ale w maju 2016 r. Bakteria, która była nie tylko obojętna na Colistin, ale również okazała się zdolna do przekazywania informacji o genach, weszła do amerykańskiego magazynu wieloopornych mikroorganizmów, który znajduje się w strukturze Instytutu Waltera Reeda (jest to struktura amerykańskiej armii). z tą odpornością na inne bakterie. Pierwszy taki mikroorganizm w 2015 roku odnotowano w Chinach, przez długi czas była nadzieja, że ​​jest to odosobniony przypadek, ale nie zmaterializował się.Szczególnie smutne jest, że w USA ta dobrze znana bakteria E. coli okazała się tym mikroorganizmem.

Stało się więc oczywiste dla naukowców, że infekcje bakteryjne biją ludzkość, a nowoczesna medycyna może zostać odrzucona w dniach poprzedzających odkrycie antybiotyków. Jedna z głównych kwestii poruszanych na konferencji międzynarodowej ASM Microbe, która odbyła się w Nowym Orleanie w czerwcu 2017 roku przez Amerykańskie Stowarzyszenie Mikrobiologów, brzmiała: "Czy ludzkość może wygrać wojnę z mikrobami?". Na tej samej konferencji ruch przykuł szczególną uwagę. przeciwdrobnoustrojowe zarządzanielub zarządzanie antybiotykoterapią, które ma na celu najbardziej uzasadnione i wystarczające, zgodnie z zaleceniami medycyny opartej na dowodach, przepisać antybiotyki. Do tej pory takie leczenie antybiotykami stało się prawem tylko w jednym miejscu na świecie – w stanie Kalifornia w USA.

Stało się oczywiste, że infekcje bakteryjne podbijają ludzkość, a współczesna medycyna może zostać cofnięta do poziomu sprzed odkrycia antybiotyków.

Przeciwutleniacze idą do mitochondriów

Można jednak uznać, że rozwiązanie, które omija odporność bakterii, zostało znalezione – przez rosyjskich naukowców.W maju tego roku antyoksydanty skierowane przeciwko mitochondriom jako wysoce skuteczne antybiotyki, opublikowane w Raporty naukowe, zespół autorów z Moskiewskiego Uniwersytetu Stanowego po raz pierwszy pokazał całkowicie nowy hybrydowy antybiotyk o szerokim spektrum działania, antyoksydant skierowany przeciwko mitochondriom.

Mitochondrialne przeciwutleniacze (MNA) są szeroko stosowane nie tylko jako narzędzie do badania roli mitochondriów w różnych procesach fizjologicznych, ale także jako środki terapeutyczne. Są to koniugaty, czyli związki składające się z dobrze znanego przeciwutleniacza (plastochinonu, ubichinonu, witaminy E, resweratrolu) i penetrującego, zdolnego do pokonania błony komórkowej lub mitochondriów, kationów (trifenylofosfoniowych, rodaminowych itp.).

Mechanizm działania MNA nie jest znany na pewno. Wiadomo tylko, że w mitochondriach częściowo dysocjują fosforylację oksydacyjną, szlak metaboliczny syntezy uniwersalnego paliwa komórkowego – adenozynotrifosforanu, ATP, który stymuluje oddychanie komórek i zmniejsza potencjał błonowy i może prowadzić do efektu ochronnego w stresie oksydacyjnym.

Prawdopodobnie tak wygląda.MNA, ze względu na lipofilowość (popychanie do lipidów lub powinowactwo z nimi) wiąże się z błoną mitochondriów i stopniowo migruje do mitochondriów, gdzie najwyraźniej łączą się z ujemnie naładowaną resztą kwasu tłuszczowego; po złożeniu, tracą ładunek i ponownie znajdują się poza błoną mitochondrialną. Tam, resztki kwasów tłuszczowych wychwytują proton, który powoduje rozkład kompleksu. Protonowany kwas tłuszczowy jest przenoszony w przeciwnym kierunku – a wewnątrz mitochondriów traci proton, czyli po prostu przekazuje go do mitochondriów, dlatego potencjał błony maleje.

Jedna z pierwszych MNA została stworzona na bazie trifenylofosfoniowego w Oksfordzie – przez angielskiego biologa Michaela Murphy; był to koniugat z ubichinonem (lub koenzymem Qudział w fosforylacji oksydacyjnej). Pod nazwą Mitoq Ten przeciwutleniacz zyskał znaczną sławę jako obiecujący lek, który spowalnia starzenie się skóry, a także możliwe środki ochrony wątroby w zapaleniu wątroby i jej zwyrodnieniu tkanki tłuszczowej.

Później ta sama ścieżka została podjęta przez grupę akademików Władimira Skulacheva z Moskiewskiego Uniwersytetu Państwowego: na podstawie koniugatu trifenylofosfoniowego z plastochinonem przeciwutleniającym (zaangażowanym w fotosyntezę), SkQ1.

Zgodnie z symbiotyczną teorią pochodzenia mitochondriów, rozwiniętą przez korespondenta członka ZSRR Academy of Sciences Borisa Michajłowicza Kozo-Polyansky'ego w 1920 roku i amerykańską biologię Lynn Margulis w latach 60. XX wieku, istnieje wiele wspólnego między mitochondriami i bakteriami wpływają na bakterie. Jednak pomimo oczywistego podobieństwa między bakteriami i mitochondriami oraz dziesięcioletniego doświadczenia z MNA na całym świecie, żadna próba wykrycia przeciwdrobnoustrojowego działania MNA nie przyniosła pozytywnych rezultatów.

Tajemnica dwóch kijów

Przełom nastąpił w 2015 roku: po raz pierwszy efekt antybakteryjny MNA na przykładzie SkQ1 Pokazano to w pracy "Odłączanie i toksyczne działanie kationów alkilofenylofosfoniowych na mitochondria i bakterie Bacillus subtilis w zależności od długości fragmentu alkilowego "- opublikowano go w czasopiśmie" Biochemistry "w grudniu 2015 r. Był to jednak opis zjawiska: efekt zaobserwowano podczas pracy z kijem siana (Bacillus subtilis) i nie zaobserwowano go podczas pracy z pałeczkami jelitowymi (Escherichia coli).

Ale dalsze badania, które stały się podstawą najnowszego dzieła opublikowanego w czasopiśmie Raporty naukowepokazał, że MNA SkQ1 – wysoce skuteczny środek przeciwbakteryjny przeciwko szerokiej gamie bakterii Gram-dodatnich. SkQ1 skutecznie hamuje wzrost takich irytujących bakterii, jak Staphylococcus aureus (Staphylococcus aureus) – jeden z czterech najczęstszych rodzajów drobnoustrojów powodujących zakażenia szpitalne. Równie skuteczny SkQ1 hamuje wzrost prątków, w tym kijów Koch (Mycobacterium tuberculosis). Ponadto MNA SkQ1 okazały się wysoce skuteczne wobec bakterii Gram-ujemnych, takich jak Photobacterium phosphoreum i Rhodobacter sphaeroides.

I tylko w odniesieniu do E. coli był niezwykle nieskuteczny Escherichia coli – że bakterie, które mikrobiolodzy stosowane jako organizm modelowy, który był podobno przyczyną nieudanych prób wcześniejszych wykryć przeciwbakteryjne MNA działania.

Naturalnie, wyjątkowa oporność bakterii E. coli wywołała bardzo duże zainteresowanie badaczy. Na szczęście nowoczesne mikrobiologia poczyniła duży krok naprzód w aspekcie metodologicznym, a naukowcy stworzyli całe zbiory mikroorganizmów z delecje (braku) pewnych genów, które nie powodują ich śmierć. Jedna z takich kolekcji – mutanty delecyjne Escherichia coli – jest do dyspozycji Moskiewskiego Uniwersytetu Państwowego.

Naukowcy zasugerowali, że oporność może być spowodowana pracą dowolnej z odpornych na wiele leków pomp obecnych w E. coli. Każda pompa jest szkodliwa dla osoby zarażonej, ponieważ po prostu wyrzuca antybiotyk z komórki bakteryjnej, nie ma czasu na działanie.

Jak działa pompa

Działanie pompy można zilustrować na przykładzie głównej pompy wielolekowej oporności Escherichia coli – AcrAB-TolC. Ta pompa składa się z trzech głównych komponentów: (1) białka wewnętrznej błony komórkowej Acrbktóry, dzięki potencjałowi membranowemu, może przenosić substancje przez wewnętrzną membranę (2) białka adaptacyjnego AcrApodłączenie przenośnika Acrb z (3) kanałem na błonie zewnętrznej Tolc. Dokładny mechanizm pompy pozostaje niewystarczająco zbadany, ale wiadomo, że substancja, którą pompa musi wyrzucić poza komórkę, wchodzi do wewnętrznej membrany, gdzie czeka na transportera Acrb, wiąże się z aktywnym środkiem pompy, a następnie jest wypompowywany z zewnętrznej błony bakteryjnej ze względu na energię zbliżającego się ruchu protonu.

Istnieje wiele genów odpowiedzialnych za działanie pomp odpornych na wiele leków w E. coli, i zdecydowano się rozpocząć analizę z produktami genów, które składają się z kilku pomp na raz – mianowicie białka Tolc.

Białko Tolc – kanał na zewnętrznej błonie bakterii Gram-ujemnych, służy jako zewnętrzna część kilku pomp wielolekowej oporności.

Analiza mutanta delecyjnego (tj. Sztyftu bez białka Tolc) wykazało, że jego oporność zmniejszyła się o dwa rzędy wielkości i stała się nieodróżnialna od oporności bakterii Gram-dodatnich i nieopornych bakterii Gram-ujemnych. W ten sposób można było wywnioskować, że wyjątkowa oporność Escherichia coli jest wynikiem pracy jednej z pomp odpornych na wiele leków, które zawierają białko. Tolc. Dalsza analiza mutantów delecyjnych dla białek – składników wielolekowych pomp opornościowych wykazała, że ​​tylko pompa AcrAB-TolC zaangażowany w pompowanie SkQ1.

Odporność spowodowana obecnością pompy AcrAB-TolC, nie wygląda jak bariera nie do pokonania: koniugat antyoksydacyjny SkQ1 – również substancja unikalna dla tej pompy, oczywiście, możliwe będzie znalezienie dla niej inhibitora.

Nie tylko leczyć, ale także naprawiać

Ale nazywany antybiotykiem, SkQ1 konieczne jest spełnienie szeregu kryteriów, takich jak (1) zdolność do hamowania procesów życiowych drobnoustrojów w małych stężeniach oraz (2) do uszkadzania lub nie niszczenia komórek ludzi i zwierząt. Porównanie SkQ1 ze znanymi antybiotykami – kanamycyną, chloramfenikolem, ampicyliną, ciprofloksacyną, wankomycyną itp., wykazało, że SkQ1 działa na bakterie w takim samym jak oni, a nawet w niższych stężeniach. Ponadto w badaniu porównawczym SkQ1 w sprawie hodowli linii komórek ludzkich Hela Okazało się, że minimalne stężenie bakteriobójcze SkQ1 Nie ma prawie żadnego wpływu na ludzkie komórki – i zauważ komórki SkQ1gdy stężenie koniugatu przeciwutleniacza staje się o ponad rząd wielkości wyższe niż wymagane dla działania bakteriobójczego.

Nieśmiertelność Henrietty Lax

Zdjęcie: AP

Linia "nieśmiertelnych" komórek Hela ma swoją nazwę od czarnej kobiety Henrietty Lax (Henrietta Lacs). Komórki zostały uzyskane z raka szyjki macicy, bez jej wiedzy lub zgody, w lutym 1951 roku, przez George'a Guy'a, lekarza prowadzącego badania w Pittsburgh Johns Hopkins University Hospital.Henrietta Lax zmarła w październiku tego samego roku, a doktor Guy wyizolował jedną specyficzną komórkę ze śródbłonka macicy i rozpoczął linię komórkową z nią. Wkrótce odkrył, że jest to wyjątkowo żywa kultura i zaczął dzielić się nią z naukowcami z całego świata. Komórki pochodzące od Henrietty Lax pomogły ludzkości w tworzeniu szczepionki przeciwko polio, w określaniu liczby chromosomów w komórce ludzkiej (46), w pierwszym klonowaniu komórki ludzkiej, a wreszcie w eksperymentach z zapłodnieniem in vitro.

Muszę powiedzieć, że pochodzenie komórek, które George Guy trzymał w tajemnicy – stało się znane dopiero po jego śmierci.

Mechanizm działania SkQ1 bakterie okazały się podobne do wpływu MNA na mitochondria, jednak ogólny wpływ na komórki prokariotyczne i eukariotyczne był różny. Jedną z głównych przyczyn jest przestrzenne rozdzielenie procesów wytwarzania energii (z wyłączeniem fosforylacji substratu) i procesów transportu substancji do komórki, co wydaje się być znaczącą przewagą ewolucyjną, która jest często pomijana przy rozważaniu korzyści wynikających ze wspólnego przebywania prototomochondriów i proto-eukariotów.Ponieważ bakterie wytwarzają energię i transport są zlokalizowane na błonie komórkowej, potencjalny spadek powoduje, jak się wydaje, oba procesy, które zatrzymują się natychmiast, co prowadzi do śmierci mikroorganizmu. W komórce eukariotycznej procesy transportu substancji do komórki są zlokalizowane na błonie komórkowej, a energia jest wytwarzana w mitochondriach, co pozwala komórce eukariotycznej przetrwać, gdy stężenia MHA są śmiertelne dla bakterii. Ponadto, różnica potencjałów na błonie bakterii i komórki eukariotycznej różni się na korzyść bakterii – i jest to dodatkowy czynnik, który gromadzi MNA na błonie bakterii.

Biorąc pod uwagę mechanizm działania SkQ1 na bakteriach nie można przejść przez inną unikalną właściwość tej MNA – zdolność do traktowania komórek eukariotycznych uszkodzonych przez bakterie z powodu właściwości przeciwutleniających. SkQ1działając jako przeciwutleniacz, zmniejsza poziom szkodliwych reaktywnych form tlenu powstających podczas stanu zapalnego spowodowanego infekcją bakteryjną.

Tak więc SkQ1 można uznać za wyjątkowy hybrydowy antybiotyk o najszerszym spektrum działania.Dalszy rozwój bazujących na nim antybiotyków może pozwolić nam odwrócić bieg wojny ludzkości przeciwko coraz bardziej wyrafinowanym drobnoustrojom.


Like this post? Please share to your friends:

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: