Бактериальные инфекции с множественной лекарственной резистентностью (MDR) представляют собой серьезную проблему для общественного здравоохранения и являются причиной значительной доли заболеваемости и смертности во всем мире.
Парадоксально, но многие фармацевтические компании прекратили свои программы по разработке антибиотиков. Это может быть связано с быстрым распространением MDR-бактерий, что делает коммерческий успех новых антимикробных препаратов непредсказуемым. Например, компания GlaxoSmithKline (GSK) потратила 15 миллионов долларов США на создание молекулы GSK2251052 и вложила дополнительные средства в ее разработку; однако к GSK2251052 возникла резистентность и проект был отменен. Антибиотики, выпущенные на рынок, также могут потерять свою полезность и прибыльность всего за несколько лет из-за резистентности. Далбаванцин - один из немногих доступных препаратов для лечения метициллин-резистентных инфекций Staphylococcus aureus, но уже через 2 года после начала коммерческой реализации к нему возникла резистентность.
Бактерии приобретают резистентность с помощью различных генетических механизмов, включая точечные мутации, амплификацию геномных сегментов и горизонтальный перенос генов резистентности. Способность предсказывать возможные эволюционные пути развития резистентности явно необходима, особенно на ранних этапах создания антибактериальных препаратов, чтобы разрабатывать антибиотики с ограниченной резистентностью. Однако это сложная проблема по трем основным причинам: (1) многочисленные и разнообразные молекулярные механизмы способствуют возникновению устойчивости к противомикробным препаратам, (2) необходимо учитывать множество патогенных бактерий и (3) необходимо протестировать множество потенциальных антибактериальных соединений.
Мы задались вопросом, демонстрируют ли кандидаты в антибиотики различия в их способности к развитию резистентности по сравнению с антибиотиками, которые используются в настоящее время. Объединив лабораторную эволюцию и функциональную метагеномику, мы изучили in vitro возникновение резистентности к антибиотикам, появившимся после 2017 года или находящимся в стадии разработки, по сравнению с антибиотиками, которые используются в настоящее время.
На основании отчета Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) о перспективах и обзоров на эту тему мы отобрали антимикробные соединения, которые были внедрены в клиническую практику недавно (после 2017 года) или находятся в стадии разработки (т. е. антибиотики последнего поколения). Отобранные соединения, как правило, представляют собой небольшие молекулы и направлены непосредственно против грамотрицательных бактерий. Большинство анализируемых антибиотиков-кандидатов предполагается использовать в качестве монотерапии, в основном при внутривенном или пероральном введении, однако предыдущие знания о возникновении резистентности de novo ограничены.
Мы рассматривали ведущие соединения, которые проходят клинические испытания или имеют, по крайней мере, доказанную эффективность против грамотрицательных патогенов ESKAPE, включая Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae, Acinetobacter baumannii и Pseudomonas aeruginosa в моделях инфекций на мышах. Эти антибиотики представляют собой многоцелевые соединения, которые считаются менее склонными к резистентности. Аналогично, соединения, воздействующие на важные компоненты внешней клеточной мембраны, ранее считались защищенными от бактериальной резистентности, поскольку потенциальные мутации резистентности к этим препаратам серьезно нарушали бы нормальное функционирование клеток. Поскольку эволюционная динамика резистентности к комбинациям антибиотиков может сильно отличаться от монотерапии, мы рассматриваем последние достижения в области адъювантной терапии (например, ингибиторы β-лактамаз) в отдельном исследовании.
Нашей основной целью было сравнить профили резистентности этих «недавних» антибиотиков с антибиотиками, зарекомендовавшими себя в клиническом применении (т.е. контролем). Контрольные антибиотики принадлежат к разным основным классам антибиотиков и все они используются в клинической практике уже более 25 лет. Чтобы систематически охарактеризовать способность бактерий к резистентности и молекулярные механизмы, обусловливающие резистентность, мы объединили лабораторную эволюцию, функциональные метагеномные скрининги и направленный мутагенез. Для изучения потенциальной клинической значимости наших результатов мы проверили, встречаются ли выявленные мутации резистентности и гены резистентности к антибиотикам в природных бактериальных изолятах и в микробиомах, связанных с человеком.
Мы обнаружили, что важнейшие грамотрицательные патогены развивают резистентность в течение короткого периода времени после воздействия антибиотиков in vitro. Мутации, вызывающие эту резистентность, обнаруженные в лабораторных штаммах, уже присутствуют в природных популяциях патогенов, что говорит о том, что резистентность может быстро возникать в результате отбора уже существующих вариантов. Кроме того, мы выявили мобильные гены резистентности к антибиотикам-кандидатам среди клинических изолятов, а также в микробиомах окружающей среды и человека.
Однако некоторые комбинации антибиотиков и штаммов бактерий были менее склонны к развитию резистентности, что позволяет выявить потенциальные антибактериальные препараты узкого спектра действия, которые могут оставаться эффективными. Наконец, мы разработали критерии, которыми следует руководствоваться при разработке эффективных кандидатов в антибиотики. Хотя наши результаты показывают, что ни одно из протестированных соединений не отвечает всем критериям идеального будущего антибиотика, они также выявляют возможности для улучшения некоторых критических свойств. Это подчеркивает острую необходимость в инновационных подходах к открытию и оптимизации новых антибиотиков, особенно тех, которые решают проблемы эффективности и резистентности.
