Важнейшие лекарственные препараты могут иметь нежелательные последствия. Инновационные методы могут защитить микробиом от их воздействия.
Это хорошо известная проблема: антибиотики необходимы для борьбы с опасными бактериальными инфекциями, но они не делают различия между вредными и полезными микробами. Микробные сообщества кишечника часто оказываются выбитыми из колеи и на их полное восстановление могут уйти месяцы. А пока они не восстановились, люди более уязвимы к оппортунистическим инфекциям и целому ряду иммунных, метаболических и когнитивных осложнений.
«Применение антибиотиков не является безвредным действием, - говорит Андрес Кубиллос-Руис, исследователь микробной геномики из Вашингтонского университета. Лекарства часто наносят «побочный ущерб», объясняет он, нарушая микробные экосистемы таким образом, что это может иметь долгосрочные последствия для здоровья. Исследователи пытались решить эту проблему с помощью соединений, которые избирательно нейтрализуют антибиотики в кишечнике, не влияя на остальной организм, но эти попытки не увенчались успехом. Столкнувшись с отсутствием надежного решения, Кубиллос-Руис взялся за решение этой проблемы. Он взял бактерию, обычно встречающуюся в ферментированных продуктах, и сконструировал ее таким образом, чтобы она безопасно расщепляла антибиотики β-лактамы.
Кубиллос-Руис и коллеги создали микроб со способностью вырабатывать фермент β-лактамазу, разрушающий амоксициллин. В экспериментах с мышами этот живой биотерапевт выпустил свою нейтрализующую антибиотик полезную нагрузку прямо в кишечник, защитив полезные микробы от воздействия антибиотика. Но, что очень важно, антибиотик сохранял свою способность бороться с инфекциями в других частях тела. Осознавая потенциал своего открытия и широкую клиническую потребность - ежедневно по всему миру выписываются миллионы рецептов на антибиотики, - Кубиллос-Руис создал компанию, чтобы донести свою инновацию, защищающую кишечник, до пациентов. Эта компания была названа Florey Biosciences, в честь Говарда Флори, австралийского фармаколога, получившего Нобелевскую премию по медицине и физиологии в 1945 году за разработку пенициллина.
Другие компании продают пробиотики, чтобы компенсировать вред, наносимый антибиотиками. Но исследования показывают, что эти добавки - как правило, представляющие собой коктейль из бактерий, обитающих в здоровом кишечнике, - не восстанавливают микробное разнообразие эффективно и даже могут задерживать естественный процесс восстановления кишечника. Хотя предпринимались и другие попытки разработать фармацевтические препараты, предотвращающие истощение полезных микроорганизмов, ни один из них пока не смог успешно преодолеть трудности, связанные с регулированием, необходимым для вывода такого продукта на рынок. Компания Florey Biosciences утверждает, что с помощью разработанных ею микробов, защищающих кишечник, можно добиться большего - и тем самым изменить модель антибиотикотерапии в сторону подходов, которые устраняют вредные инфекции, не нарушая хрупкого баланса микробиома здорового кишечника.
Неудачи нескольких многообещающих подходов к снижению сопутствующего вреда от антибиотиков часто были связаны с коммерческими и регуляторными проблемами, а не с биологическими препятствиями. Например, DAV132 - препарат активированного угля, предназначенный для связывания и нейтрализации антибиотиков в толстой кишке. Испытания, проведенные в конце 2010-х годов как на здоровых добровольцах, так и на пациентах, находящихся в стационаре, показали, что прием препарата вместе с антибиотиками помогает защитить микробиом кишечника от нарушений, не снижая эффективности антибиотиков в кровотоке. Мария Верешильд, специалист по инфекционным заболеваниям из Университетской клиники Франкфурта (Германия), расценила эти первые результаты как четкое доказательство того, что DAV132 работает так, как нужно. «Я убеждена, что он работает», - считает она.
Однако защита микробного разнообразия не признается в качестве пользы для здоровья, достаточной для получения разрешения регулирующих органов. Чтобы соответствовать стандартам одобрения, парижской компании Da Volterra, создавшей DAV132, пришлось бы доказать, что сопутствующий препарат способен предотвратить опасные для жизни инфекции у людей, принимающих антибиотики. История подсказывает, что это будет непросто. Годами ранее компания Synthetic Biologics (ныне известная как Theriva Biologics), разрабатывала очищенную формулу β-лактамазы - для этого не требовался искусственный микроорганизм. В 2015 году компания начала плацебо-контролируемое исследование, в котором приняли участие сотни людей, госпитализированных с пневмонией, и все они получали мощный β-лактамный антибиотик широкого спектра действия.
Хотя эти антибиотики эффективны в борьбе с респираторными инфекциями, такое лечение делает людей уязвимыми для Clostridioides difficile, потенциально смертельно опасного патогена, вызывающего тяжелую диарею и колит. Исследование показало, что у тех, кто наряду с антибиотиком получал β-лактамазу, защищающую кишечник, под названием SYN-004, снизилась частота заражения C. difficile. Однако общее число случаев инфицирования в ходе исследования было невелико - только 7 из 206 человек в группе плацебо заразились C. difficile, а 2 из 207 получали активное лечение. При таком низком количестве зарегистрированных инфекций специалисты компании-разработчика Synthetic Biologics подсчитали, что им потребуется еще 80 миллионов долларов США для проведения более масштабного исследования, чтобы подтвердить преимущества SYN-004 для здоровья кишечника. Никто из инвесторов не захотел рисковать. «В этом и заключается проблема профилактики», - говорит руководитель исследования Саймон Вахер. «Это то, что трудно продать».
В условиях ограниченных финансовых ресурсов Synthetic Biologics переключила свое внимание на совершенно другую область разработки лекарств - вирусную терапию, убивающую рак. Однако от SYN-004 не отказались совсем. Компания решила еще раз попробовать препарат против β-лактамаз, но уже на более узкой группе пациентов, чтобы сделать клинические испытания более целесообразными: на людях с раком крови, получающих трансплантацию стволовых клеток из донорского костного мозга.
Антибиотики являются важнейшим компонентом схемы лечения этой группы, но они могут вызывать осложнения, связанные с иммунитетом, в частности болезнь «трансплантат против хозяина», которая поражает до половины таких пациентов. По сравнению с первоначальной целью компании, возможности рынка значительно меньше. Только около 40 000 человек в мире ежегодно проходят подобную трансплантационную терапию, в то время как миллионы людей ежедневно получают β-лактамные антибиотики по другим причинам. Ранние испытания SYN-004 по этому специализированному показанию продолжаются.
При разработке DAV132 компания Da Volterra пыталась разделить эти различия, стремясь сбалансировать широкий охват пациентов и сосредоточиться на тех, кто наиболее подвержен осложнениям, вызванным нарушениями работы кишечника, вызванными антибиотиками. Основное испытание препарата должно было проводиться на людях с раком крови, принимающих антибиотики, но в исследовании будет задействована гораздо более широкая популяция: пациенты, проходящие интенсивную химиотерапию, около 10-20% из которых заболевают инфекциями, вызываемыми C. difficile.
В 2021 году стартовало глобальное исследование DAV132, целью которого было набрать 900 участников. Однако компания столкнулась с трудностями при наборе, соблюдении и удержании участников. Через год на участие в исследовании согласились только 73 человека, но затем более половины из них довольно быстро отказались от участия. Сложные медицинские требования и короткие сроки выживаемости этой когорты сделали ее «исключительно сложной популяцией для испытаний», заключили Верешильд и ее коллеги-авторы исследования. Компания Da Volterra досрочно прекратила испытания и в конечном итоге объявила о банкротстве, оставив DAV132 в анналах фармацевтической истории.
Стремясь избежать подобной участи, Florey Biosciences планирует продвигать свои разработанные бактерии как «медицинские продукты питания» - такая классификация может упростить путь к рынку и существенно снизить затраты на разработку. Это связано с тем, что медицинские продукты питания - определяемые как специально разработанные пищевые продукты, вводимые в пищеварительную систему под активным медицинским наблюдением - должны соответствовать стандартам безопасности и демонстрировать пригодность для лечения конкретных заболеваний. Они освобождены от обширных клинических испытаний, необходимых для фармацевтических препаратов.
Florey Biosciences также внедрила несколько синтетических улучшений в дизайн, чтобы повысить шансы на терапевтический эффект. Основной продукт компании, получивший название FLR-101, создан на основе генетически модифицированного штамма Saccharomyces boulardii - вида, близкородственного пекарским дрожжам (Saccharomyces cerevisiae), которые уже продаются в натуральном виде в качестве пробиотика для лечения и профилактики проблем с пищеварением. По пояснению Кубиллос-Руиса, переход от бактерии к дрожжам был осуществлен по двум причинам: чтобы увеличить количество вырабатываемого фермента β-лактамазы и гарантировать, что разрушающие лекарства свойства дизайнерского микроба не распространятся на более широкую популяцию кишечных бактерий.
Йоханн Питоут, медицинский микробиолог из Университета Калгари (Канада), предупреждал о риске того, что сконструированные свойства могут быть переданы другим микробам, что может привести к широкому распространению устойчивости к антибиотикам. «Это очень опасная игра», - считает он. Чтобы снизить этот риск, Кубиллос-Руис и его коллеги в ходе эксперимента на мышах разделили систему экспрессии β-лактамазы на два компонента. Это означает, что даже если передача генов между микробами произойдет, реципиентам будет значительно сложнее приобрести полную функциональность. «Должен сказать, что это очень впечатляет», - отмечает Питоут.
Выбрав дрожжи вместо бактерий, Florey Biosciences добавляет дополнительный уровень безопасности. Передача генетического материала между различными доменами жизни происходит крайне редко, поэтому эти меры предосторожности должны гарантировать, что FLR-101 не поставит под угрозу эффективность существующих антибиотиков и при этом принесет пользу потребителям. «Это касается не только отдельных людей», - говорит Кубиллос-Руис. «Это необходимо и для общественного здравоохранения».
Кубиллос-Руис уверен, что FLR-101 в сочетании с антибиотиками нанесет меньший ущерб микробиому, чем лечение одними антибиотиками, и планирует подтвердить это предположение в клинических испытаниях. В случае успеха компания сможет вывести модифицированные дрожжи на рынок в качестве целевого решения для лечения дисфункции кишечника, что выгодно отличает их от других пробиотиков, представленных на аптечных полках. Кубиллос-Руис надеется вывести продукт на коммерческий рынок к 2027 году.
Некоторые исследования показывают, что менее технологичные диетические вмешательства могут быть столь же эффективны для защиты микробов кишечника от воздействия антибиотиков.
Например, диеты с высоким содержанием жиров и низким содержанием клетчатки приводят к большим нарушениям микробиома кишечника в мышиных моделях инфекции C. difficile, вызванной антибиотиками, что побудило автора исследования Кэтрин Лозупон начать клинические испытания диеты с высоким содержанием клетчатки на людях с лейкемией или лимфомой. «Волокно действительно укрепляет ваш микробиом в условиях приема антибиотиков», - говорит Лозупон, эколог-микробиолог из Университета Колорадо.
Другое исследование, проведенное на мышах, проливает свет на потенциальную основу благотворного влияния клетчатки. Биохимик-микробиолог Питер Беленький и его сотрудники из Университета Брауна (США), продемонстрировали, что эти полезные с точки зрения питания углеводы могут изменять метаболическую активность кишечных микробов, эффективно защищая их от воздействия антибиотиков. «Это переводит их в состояние некой условной анимации», - объясняет Беленький.
Исследователи проявляют осторожность, когда речь заходит о борьбе с дисфункцией кишечника, вызванной антибиотиками. Помимо того, что Florey Biosciences пытается обезвредить лекарственные препараты в кишечнике с помощью модифицированных дрожжей, компания также использует технологию искусственного интеллекта для поиска антибиотиков, которые избирательно действуют на патогенные микроорганизмы, не повреждая полезные микробы в других частях организма. В 2023 году Джонатан Стоукс, микробиолог из Университета Макмастера (Канада), выявил одно из таких соединений с узким спектром действия против Acinetobacter baumannii, распространенной причины внутрибольничных инфекций. В экспериментах с клеточными культурами это соединение оказывало минимальное воздействие на полезные бактерии в кишечнике и на коже, в то время как обычно назначаемые препараты широкого спектра действия, такие как ампициллин и ципрофлоксацин, уничтожали эти микроорганизмы.
Другие группы специалистов используют систему редактирования генома CRISPR-Cas для создания бактериофагов для уничтожения определенных видов или штаммов бактерий. А некоторые компании, в том числе Seres Therapeutics и Vedanta Biosciences создают консорциумы культивируемых штаммов бактерий, которые могут минимизировать вероятность заселения кишечника вредными патогенами после лечения антибиотиками. По сравнению с пищевыми продуктами, подобные фармацевтические или живые биотерапевтические препараты должны пройти более длительный и сложный процесс регулирования, прежде чем они смогут выйти на рынок. Тем не менее, продвижение нескольких кандидатов по различным регуляторным путям, скорее всего, повысит шансы на появление жизнеспособного решения.
После нескольких лет постепенного прогресса растущее осознание важности микробиома для общего состояния здоровья теперь стимулирует волну инноваций в области защиты от антибиотиков. «Люди начинают осознавать необходимость более эффективного управления нашим микробиомом в условиях лечения антибиотиками», - говорит Кубиллос-Руис. Возможно, это пробуждение и есть тот толчок, которого так долго ждала эта область».
