Как придумали антибиотики и как учёные борются с супербактериями сегодня: разбор

Открытие антибиотиков разделило историю человечества на до и после, превратив смертельные инфекции в излечимые болезни. Разобрались, как началась эра антибиотиков, как бактерии наносят ответный удар сегодня и что с этим планируют делать учёные.

Антибактериальная терапия появилась в начале XX века из концепции «волшебной пули» Пауля Эрлиха. Это гипотетическое вещество, способное избирательно уничтожать возбудителей болезней. Первым практическим результатом этой теории стал препарат на основе мышьяка — сальварсан, им лечили сифилис.

Следующим этапом стало создание сульфаниламидов — первых системных синтетических противомикробных средств. Однако перелом произошёл позже, когда вместо синтеза искусственных соединений учёные решили понять, как с бактериями борются их естественные конкуренты — грибки.

Эра пенициллина

В 1928 году Александр Флеминг в ходе лабораторных наблюдений обнаружил, что плесневые грибы в чашке Петри подавляют рост стафилококков. Антибактериальным орудием грибков оказалось вещество пенициллин, которое относительно безопасно для человека.

Cледующие исследования Флеминга были направлены на изучение токсичности и спектра действия препарата. Позже была разработана технология его очистки и выделения в объёмах, достаточных для проведения клинических испытаний.

Золотой век антибиотиков

Успех пенициллина положил начало «золотому веку» антибактериальной терапии (1940–1960-е годы). Ключевую роль в этот период сыграл микробиолог Зельман Ваксман, который разработал метод систематического поиска антибиотиков среди почвенных микроорганизмов.

В основе его подхода лежала концепция межвидовой конкуренции в почве, заставляющая микробы вырабатывать естественные факторы защиты против соседних видов. Массовый скрининг этих микроорганизмов позволил учёным открыть ключевые классы препаратов:

• стрептомицин,
• тетрациклины,
• макролиды,
• гликопептиды.

Огромное значение имел стрептомицин, ставший первым эффективным средством лечения туберкулёза.

© pressmaster/123rf.com

Как химики улучшили природные антибиотики

Многие природные молекулы редко обладают оптимальными фармакокинетическими свойствами:

• они нестабильны в кислой среде желудка;
• высокотоксичны;
• обладают узким спектром действия.

Для устранения этих недостатков учёные стали модифицировать природные антибиотики. Это позволило расширить спектр активности препаратов, снизить их токсичность и повысить устойчивость к бактериальным механизмам защиты.

Параллельно развивалось производство полностью синтетических антибактериальных средств, таких как хинолоны (фторхинолоны) и оксазолидиноны.

Кризис резистентности

Массовое применение антибиотиков привело к появлению устойчивых бактерий. Если чувствительные к препарату микроорганизмы погибают, то единичные бактерии с мутациями, обеспечивающими устойчивость, выживают и размножаются.

Ключевыми факторами масштабного распространения резистентности стали:

• нецелевое использование — назначение антибиотиков при вирусных инфекциях (например, при ОРВИ) или самовольное сокращение пациентами длительности курса;
• массовое применение антибактериальных препаратов в животноводстве;
• использование антибиотиков в больницах, где формируются самые благоприятные условия для отбора полирезистентных супербактерий.

Разработка принципиально нового класса антибиотиков требует колоссальных финансовых вложений, и для фармкомпаний это невыгодно. В результате потребность в новых антибактериальных препаратах (которые работают по другим механизмам) растёт, а реальных предложений со стороны производителей крайне мало.

Найден ключ к победе над опасным вирусом, поражающим детей и пожилых

Важно: о супербактериях

Супербактерии — это микроорганизмы, у которых развилась резистентность сразу к нескольким (или ко всем) антибиотикам. Международная группа экспертов опубликовала в журнале The Lancet прогноз до 2050 года относительно проблемы антибиотикорезистентности таких бактерий. Согласно их расчётам:

• Более 1,9 миллиона людей будут умирать каждый год непосредственно из-за инфекций, вызванных супербактериями.
• Ещё 8,2 миллиона смертей будут уносить осложнения, связанные с этими микроорганизмами.
• С 2025 по 2050 год устойчивые инфекции станут причиной почти 40 миллионов смертей.

© fabrikacrimea/123rf.com

Почему геномика не стала спасением

В 1990–2000-е годы у науки появилась новая надежда — геномика. Учёные начали массово расшифровывать геномы бактерий и искать гены, без которых микробы не могут выжить. Казалось, что схема будет почти идеальной. Нужно просто найти жизненно важную бактериальную мишень, подобрать вещество, которое её блокирует, и получить новый антибиотик.

На практике метод оказался гораздо менее успешным, чем ожидалось. Молекулы, подавлявшие мишень в пробирке, не сработали на живом организме. Кроме того, бактерии активировали обходные метаболические пути, им хватало одной точечной мутации, чтобы стать устойчивыми.

Где сегодня ищут антибиотики

Сегодня учёные продолжают искать новые антибиотики в микроорганизмах. Главным источником новых молекул становятся бактерии из глубоких почв и океанов, которые раньше просто не умели выращивать в лабораториях.

Поиск новых препаратов ускоряет и искусственный интеллект. Нейросети способны за считаные дни проанализировать миллионы химических соединений и отобрать наиболее перспективных кандидатов, которые будут уничтожать супербактерии. Искусственный интеллект позволяет находить молекулы с потенциально новыми механизмами действия, к которым у микробов ещё нет защиты.

Параллельно антибиотикам ищут альтернативы. Среди таковых:

• бактериофаги — вирусы, которые инфицируют и разрушают бактерии (в связи с проблемой резистентности интерес к бактериофагам сейчас растёт);
• антимикробные пептиды — короткие молекулы, которые повреждают мембраны бактерий или нарушают жизненно важные процессы в их клетках, вызывая гибель микроорганизмов;
• разрушители бактериальных биоплёнок — средства, которые разрушают защитные барьеры сообщества бактерий, из-за чего микроорганизмы становятся уязвимы для иммунной системы и других антибактериальных средств.

Популярные лекарства от давления связали с риском для почек

Главное в истории антибиотиков

Стремительная эволюция супербактерий опережает темпы разработки классических лекарств, превращая нерациональное использование антибиотиков в медицине и животноводстве в глобальную угрозу. Поскольку традиционный геномный поиск мишеней не оправдал изначально возлагавшихся на него надежд, а коммерческий интерес фармкомпаний к резервным препаратам минимален, перед наукой встала задача радикальной смены стратегии.

Сегодня преодоление кризиса строится на цифровизации и поиске альтернатив. Искусственный интеллект сократил время анализа миллионов химических соединений до нескольких дней, позволяя находить принципиально новые молекулы.

Важные исследования

1. Вклад Пауля Эрлиха в фармакологию: дань уважения по случаю столетия со дня вручения ему Нобелевской премии
2. Замена сульфаниламидных препаратов новыми ингибиторами дигидроптероатсинтазы (DHPS)
3. Научные основы открытия антибиотиков
4. Глобальное бремя резистентности бактерий к антимикробным препаратам в период с 1990 по 2021 год: систематический анализ с прогнозом до 2050 года