Co może być alternatywą dla antybiotyków? Na przykład przeciwciała monoklonalne oraz wirusy

Jeszcze 100 lat temu choroby zakaźne były główną przyczyną śmiertelności. To m.in. z powodu licznych infekcji (zwłaszcza wśród małych dzieci) średnia długość życia była niższa niż 50 lat. Dziś jest w krajach rozwiniętych aż o 30 lat dłuższa! Spowodowały to lepsza higiena oraz pojawienie się antybiotyków i szczepionek. Szczepienia umożliwiły kontrolę kilku poważnych chorób zakaźnych – zarówno u ludzi (np. polio czy odra), jak i wśród zwierząt (wścieklizna). Są to jednak głównie choroby wirusowe, przed powikłaniami i śmiercią z powodu tych bakteryjnych ocaliły nas antybiotyki. Początek rewolucji wyznaczyło odkrycie penicyliny w 1928 r .

Antybiotyki celują w niezbędne składniki bakteryjne lub szlaki metaboliczne. Te różnią się od występujących wśród naszych komórek, dzięki czemu większość antybiotyków nie jest dla nas toksyczna.

Z drugiej strony stosowanie antybiotyków jest nierozerwalnie związane ze zdolnością bakterii do szybkiej ewolucji i rozwoju oporności, w myśl słynnej hipotezy Czerwonej Królowej, nawiązującej do powieści Lewisa Carrolla „Po drugiej stronie lustra”, gdzie Czerwona Królowa szachów, biegnąc bez przerwy wraz ze zmieniającym się otoczeniem, mówiła do Alicji: „Tutaj (…), aby utrzymać się w tym samym miejscu, trzeba biec ile sił”. A ponieważ mamy do czynienia z mikrobami, które dzielą się i namnażają w bardzo szybkim tempie, ich zdolności do ucieczki przed antybiotykami są dużo większe niż nasze możliwości produkcji nowych związków.

Geny oporności

Pierwsze przypadki oporności na penicylinę odnotowano już w latach 40. XX w. Od tamtej pory odkryto ponad 150 antybiotyków, ale odporność na większość z nich pojawiała się coraz szybciej. Bakterie mają wiele możliwości podzielenia się odpornością z innymi mikrobami. Nie dzieje się to tylko podczas podziału komórki. Geny oporności na antybiotyki mogą być przekazywane w wyniku koniugacji – poprzez kontakt dwóch bakterii za pomocą specjalnej wypustki. Komórka dawcy kopiuje i przekazuje plazmid (mały cząsteczkowy DNA) z genem oporności do komórki odbiorcy.

Poza tym bakterie potrafią pobierać i włączać do swojego materiału genetycznego wolne cząsteczki DNA ze środowiska zewnętrznego. Pochodzą one zazwyczaj z obumarłych i rozpadłych wcześniej komórek bakteryjnych, które posiadały geny oporności. Kolejnym sposobem jest przenoszenie genów oporności za pośrednictwem bakteriofagów – wirusów, które atakują wyłącznie komórki bakteryjne i przypadkowo włączają fragmenty ich DNA do kolejnych zakażanych komórek.

Bakterie najczęściej bronią się przed antybiotykami, wytwarzając enzymy niszczące lek, zanim zdąży zadziałać. Mogą także wypompowywać cząsteczki antybiotyku na zewnątrz komórki. Modyfikują też struktury białek lub ścian komórkowych w taki sposób, że antybiotyk nie ma do czego się przyczepić. Bakterie nie tylko nabywają oporność na jeden wybrany antybiotyk – powstają też superbakterie oporne na wiele związków.

Pesymiści twierdzą, że stoimy właśnie w obliczu upadku złotej ery antybiotyków. Światowa Organizacja Zdrowia oszacowała, że superbakterie spowodowały 1,27 mln zgonów na całym świecie w 2019 r. i prawdopodobnie staną się coraz większym zagrożeniem w nadchodzących latach. Optymiści zaś uważają, że jesteśmy już w stanie rozwiązać ten problem w drodze eliminacji i demontażu mechanizmów obronnych bakterii.

Potencjał przeciwciał

Przeciwciała monoklonalne to białka odpornościowe pochodzące z jednego klonu komórek. Rozpoznają i blokują konkretny receptor lub cząsteczkę w organizmie, ściągając komórki immunologiczne, które pomagają usunąć intruza. Przeciwciała te stosuje się szeroko w medycynie, a ponad 100 z nich zostało zatwierdzonych przez FDA i Europejską Agencję Leków głównie do leczenia nowotworów i chorób zapalnych. Ostatnio badano je również jako alternatywne podejście do leczenia infekcji bakteryjnych.

Jednak pomimo postępu technologicznego jedynie kilka zostało zatwierdzonych przez FDA do stosowania przeciw patogenom bakteryjnym opornym na wiele antybiotyków.

Niedawno w piśmie „Trends in Immunology” naukowcy podkreślali potencjał wykorzystania ludzkich przeciwciał monoklonalnych do skuteczniejszego leczenia pacjentów i zwalczania opornych bakterii. „Strategia uporania się z opornymi bakteriami wyłącznie za pomocą nowych antybiotyków całkowicie zawiodła i prowadzi do powstawania potężnych bakterii opornych na wszystko” – mówi współautor artykułu Rino Rappuoli z Fondazione Biotecnopolo di Siena we Włoszech. I dodaje: „Oporność na środki przeciwdrobnoustrojowe należy zwalczać za pomocą wielu strategii, a szczepionki i przeciwciała monoklonalne są najbardziej obiecującymi narzędziami”.

W przeciwieństwie do antybiotyków o szerokim spektrum działania, które często zabijają nie tylko szkodliwe bakterie, lecz także te pożyteczne, przeciwciała monoklonalne można zaprojektować tak, aby zwalczały tylko patogeny, chroniąc w ten sposób mikrobiotę jelit. Przeciwciała monoklonalne mogą blokować uwalnianie toksyn przez bakterie, „oznaczać” je tak, aby uczynić je bardziej rozpoznawalnymi dla układu odpornościowego i zapobiegać ich przyłączaniu się do komórek ludzkich. Naukowcy stale udoskonalają metodę, wykorzystując nowe technologie, takie jak inżynieria przeciwciał i sztuczna inteligencja. Niektórzy łączą nawet przeciwciała z innymi lekami. Są to jednak wciąż drogie terapie.

Wirusem w bakterię

Pod wieloma względami doskonały zamiennik antybiotyków stanowią bakteriofagi – wirusy atakujące komórki bakteryjne. Przyczepiają się do bakterii i wstrzykują jej materiał genetyczny, który przejmuje kontrolę nad mikrobem i zmusza go do produkcji nowych bakteriofagów, aż do eksplozji komórki i uwolnienia cząstek wirusowych.

Bakteriofagi można wdychać, wstrzykiwać, pić lub aplikować bezpośrednio na skórę. Oddziałują tylko na bakterie chorobotwórcze, które zwalczają, więc nie szkodzą własnym komórkom pacjenta ani jego „dobrym” bakteriom w jelitach. Ich główną wadą jest to, że każdy rodzaj bakteriofaga może atakować tylko jeden gatunek bakterii.

Aby znaleźć odpowiedniego bakteriofaga, trzeba więc dokładnie wiedzieć, jakimi bakteriami zakażony jest pacjent. To proces czasochłonny i może oznaczać, że stan chorego pogorszy się w trakcie przeprowadzania badań. Choć prace nad bakteriofagami są prowadzone od dekad, także w Polsce, terapia bakteriofagowa jest obecnie stosowana tylko w jednorazowych przypadkach nagłych. I zazwyczaj ma charakter eksperymentalny.

Fagi mają jeszcze jedną zaletę: produkują mianowicie lizyny – białko lub enzym – które dziurawią ściany komórkowe bakterii. Komórki bakteryjne są jak balony pod wysokim ciśnieniem, więc po przebiciu ich wnętrze wycieka, zabijając mikroba. Lizyny są bardzo silne; mikrogramowe ilości mogą zniszczyć miliony bakterii w ciągu kilku sekund. Zamiast stosować całe bakteriofagi, naukowcy próbują użyć do zabijania bakterii samych lizyn.

Molekularne nożyczki

Niedawno opracowano precyzyjną metodę leczenia inwazyjnych zakażeń E. coli. Technikę CRISPR-Cas9 (molekularnych nożyczek) wykorzystano do stworzenia produktu, który rozszczepia gen kodujący groźną toksynę. Chodzi o bakterie STEC, czyli szczepy E. coli wytwarzające toksynę Shiga. Te patogeny wywołują ciężkie zatrucia pokarmowe. Do zakażenia dochodzi przez spożycie skażonej żywności (np. niedogotowanego mięsa, surowych warzyw), wody lub kontakt ze zwierzętami.

Dziś nie można tej infekcji leczyć antybiotykami, bo mogą one skłonić E. coli do wytwarzania jeszcze większej ilości toksyn. Zakażenia STEC każdego roku dotykają ok. 2,8 mln ludzi (większość to dzieci). Mogą powodować śmiertelne objawy, takie jak krwawa biegunka, zespół hemolityczno-mocznicowy i niewydolność nerek. Toksyny uszkadzają jelita i nerki.

CRISPR-Cas9 to mechanizm obronny wykorzystywany przez bakterie do ochrony przed wirusami. Pozwala on bakteriom „zapamiętać” wirusa i unieszkodliwić jego materiał genetyczny, tnąc go na kawałki.

Metoda CRISPR-Cas9, wykorzystywana przez naukowców do skutecznego kopiowania i wklejania DNA, zapoczątkowała rewolucję w inżynierii genetycznej. Badacze są na wczesnym etapie prac nad użyciem tego mechanizmu obronnego bakterii przeciw nim samym – jako podstawy przyszłych antybiotyków. Mogą to być genetycznie zmodyfikowane bakteriofagi, zaprogramowane do atakowania wyłącznie bakterii chorobotwórczych. Tak powstaliby niezwykle wydajni, konfigurowalni zabójcy bakterii. W dalekiej przyszłości moglibyśmy nawet zmodyfikować nasze bakterie jelitowe tak, aby atakowały bakterie chorobotwórcze.

CRISPR-Cas9 może się przydać jeszcze do czegoś innego. Zamiast bezpośrednio zabijać komórkę, naukowcy wykorzystują ten mechanizm do usuwania genów oporności na leki z wnętrza tzw. biofilmów bakteryjnych, skutecznie przywracając skuteczność starszym, tańszym antybiotykom.

Biofilm bakteryjny to złożona, zorganizowana warstwa mikroorganizmów zatopionych w ochronnej macierzy z cukrów i białek. Struktura ta działa jak tarcza. Sprawia, że bakterie stają się nawet do tysiąca razy bardziej odporne na leki, antybiotyki i układ odpornościowy niż pojedyncze komórki. Bez tej tarczy wiele z nich robi się wrażliwych na leki, które „w grupie” nie miały szansy ich zniszczyć.

Wiele superbakterii przeżywa terapię antybiotykami dzięki tzw. pompom wypływowym – komórkowym mechanizmom obronnym, które wypompowują antybiotyki z komórki, zanim zdążą zadziałać. Przełomowe odkrycie naukowe z King’s College London polega na chemicznym przeprojektowaniu cząsteczek leków tak, by nie dało się ich wypompować.

Wśród innych testowanych metod są strategie całkowicie odchodzące od chemii syntetycznej. Próbuje się wykorzystywać np. peptydy przeciwdrobnoustrojowe – malutkie, naturalnego pochodzenia fragmenty białek, które fizycznie nakłuwają błony bakteryjne. Ponieważ uszkodzenia mają charakter mechaniczny, a nie chemiczny, bakteriom trudno wykształcić oporność na taką metodę.

Nadzieja w brodzie?

Kolejną obiecującą metodą są tzw. inhibitory wykrywania quorum. Quorum bakteryjne (quorum sensing) to system chemicznej komunikacji między komórkami bakterii. Polega na produkowaniu i wydzielaniu cząsteczek sygnałowych (induktorów). Gdy gęstość populacji bakterii rośnie, stężenie tych cząsteczek osiąga wartość progową, co pozwala mikrobom wspólnie włączać lub wyłączać określone geny i działać jak jeden organizm wielokomórkowy. Można zatem tworzyć związki blokujące te chemiczne szlaki komunikacyjne, których używają drobnoustroje do koordynowania ataków lub tworzenia ochronnych biofilmów.

Oczywiście wciąż szuka się potencjalnych nowych antybiotyków w naturze. Największym wyzwaniem jest jednak przeniesienie fascynujących odkryć z laboratoriów do szpitali. Dla przykładu – badacze z Liverpool School of Tropical Medicine odkryli, że 25 proc. bakterii pobranych z wymazów z bród mężczyzn wykazywało aktywność antybiotyczną. To odkrycie zainspirowało ich do wysłania ludziom zestawów do pobierania wymazów z trampolin, klawiatur, banknotów, podłogi londyńskiego metra i wnętrza publicznej toalety. Próbki są wysyłane do analiz. Ale przełomu nie ma. Szuka się też nowych mikroorganizmów o potencjale antybiotycznym w znacznie bardziej ekstremalnych środowiskach, w tym w kominach termalnych, głębokich fiordach i odizolowanych islandzkich bagnach.

Rozwija się jednak alternatywne podejście – tworzenie antybiotyków od podstaw, atom po atomie. Umożliwiają to modele sztucznej inteligencji. Zamiast przeszukiwać naturę, naukowcy wykorzystują modele głębokiego uczenia, jak np. SyntheMol-RL, do projektowania całkowicie teoretycznych związków od zera. W ten sposób eksperci z MIT i Broad Institute przebadali już ponad 36 mln hipotetycznych związków, szukając zupełnie nowych leków na gronkowca i rzeżączkę.

Ważny jest czas

Czy możemy coś zrobić, by dać naukowcom więcej czasu na wypracowanie nowych metod walki z antybiotykoopornością? Tak, jednym z podstawowych elementów współczesnego podejścia do zakażeń pozostaje ograniczenie antybiotykoterapii, gdy nie przynosi ona korzyści klinicznych. Dotyczy to zwłaszcza infekcji wirusowych, takich jak większość zakażeń górnych dróg oddechowych. Jeśli lekarz mówi, że to infekcja wirusowa, nie naciskajmy, żeby przepisał antybiotyk na wszelki wypadek.

Ważny jest także czas. Stosowanie leku zbyt krótko powoduje, że giną tylko powierzchniowe bakterie z biofilmu, w którym się namnażają i żyją. Lek nie dociera do głębszych warstw (nawet jeśli bakterie są na niego wrażliwe), pozwalając patogenom nie tylko się odbudować, ale nabyć oporność na antybiotyk.