Человек вступил в гонку вооружений с микробами и ученые пытаются найти различные стратегии, чтобы быть на шаг впереди.
Интерес Йохана Паулссона к антибиотикам начался с болей в теле и тошноты в августе 2021 года. Его заболевание, которое быстро переросло в сепсис, привело его в реанимацию. «Это было довольно драматично», - вспоминает Паулссон. Он провел неделю в больнице и его органы начали отказывать. Хотя его память об этом времени нечеткая, он вспоминает, что врачи испробовали один за другим три разных антибиотика, чтобы найти препарат, который наконец-то помог ему почувствовать себя лучше.
Даже в бреду Паулссон - биофизик микроорганизмов из Гарвардской медицинской школы, - был встревожен тем, что врачи не могли идентифицировать микроорганизм, вызвавший таинственную инфекцию. Они сделали несколько предположений и проверили его кровь на наличие генов вероятных подозреваемых. Но не было такого метода, который позволил бы выявить все бактерии. И некоторые результаты были получены только через несколько недель после того, как Паулссону стало лучше. Но даже в этом случае анализы так и не подтвердили, что именно стало причиной его болезни.
Паулссон решил, что некоторые из разработанных им методов изучения микробов могут помочь. В тот же день, когда он вышел из клиники, он связался с коллегами, чтобы найти решение. В результате был создан проект стоимостью 104 миллиона долларов США с грандиозными целями: лучше понять, как бактерии избегают лекарственных препаратов, разработать новые кандидаты в антибиотики, а также эффективно и недорого диагностировать инфекции и резистентность к противомикробным препаратам. Этот проект, получивший название Defeating Antibiotic Resistance through Transformative Solutions (Борьба с резистентностью к антибиотикам с помощью трансформационных решений - DARTS), был начат в 2023 году и является одной из первых крупных инициатив американского Агентства перспективных исследовательских проектов в области здравоохранения (ARPA-H).
Пенициллин был открыт почти сто лет назад, за ним последовал целый ряд антибиотиков, полученных из почвенных микробов, в частности актиномицетов. Какое-то время эти препараты помогали людям побеждать в борьбе с бактериальными инфекциями. Но вскоре колодец стал иссякать, поскольку открывали все меньше и меньше соединений. В то же время бактерии становились устойчивыми к используемым лекарствам. Сегодня большинство новых антибиотиков - это просто разновидности известных препаратов, и их можно использовать всего несколько лет до появления резистентности, что не только ограничивает их эффективность, но и делает их разработку финансово невыгодной для фармацевтических компаний. «Мы должны бежать, чтобы оставаться на месте», - отмечает Ким Льюис, микробиолог из Северо-Восточного университета в Бостоне.
Хунчже Сунь, химик-биолог из Университета Гонконга, говорит, что в его части света «мы ожидаем, что следующей пандемией может стать кризис резистентности к антибиотикам». Действительно, глобальный кризис уже происходит. Согласно исследованию журнала Lancet, в 2019 году около 1,27 миллиона смертей во всем мире были вызваны инфекциями с лекарственной устойчивостью, что делает их одной из основных причин смерти. К 2050 году такие инфекции могут убивать до десяти миллионов человек ежегодно, согласно данным экспертной группы, созданной по заказу правительства Великобритании в 2014 году.
Паулссон, Льюис, Сунь и другие стремятся вернуть людям преимущество в гонке противомикробных вооружений. Некоторые ученые стремятся ускорить создание новых антибиотиков или ускорить разработку вспомогательных молекул, которые помогают антибиотикам работать лучше, используя искусственный интеллект (ИИ) и другие стратегии. Другие надеются замедлить развитие и распространение резистентности со стороны микробов.
Исследователи оптимистично полагают, что многосторонний подход поможет переломить ситуацию.Существует пять стратегий, которые используют ученые. «Возможно, мы вступаем в эру, когда новые антибиотики будут открываться быстрее, чем развиваться устойчивость к ним», - полагает Джонатан Стоукс, микробиолог из Университета Макмастера (Канада).
Антимикробные вещества естественного происхождения
Микробы по-прежнему обладают множеством природных противомикробных средств, которые ученые еще не использовали. Например, исследователи, изучающие соединения, выделяемые Actinomyces, в прошлом искали антибиотики широкого спектра действия, а потому могли пропустить молекулы с более узким спектром действия. Группа Льюиса использует эту возможность.
Болезнь Лайма, например, обычно лечат антибиотиками широкого спектра действия, которые повреждают здоровый микробиом и способствуют развитию резистентности. Когда сотрудники группы Льюиса искали соединения, созданные актиномицетами, которые могли бы уничтожить Borreliella burgdorferi, вызывающую болезнь Лайма, исследователи заново открыли препарат под названием гигромицин А. Впервые он был обнаружен исследователями в фармацевтической компании Eli Lilly в 1953 году, он вмешивается в работу рибосом, машин для производства белков внутри клеток. Но препарат оказался не очень эффективным, поскольку большинство микробов его не воспринимают. Однако у B. burgdorferi есть уникальный поверхностный белок, который обеспечивает проникновение гигромицина А. По словам Льюиса, сейчас этот препарат разрабатывается компанией Flightpath Biosciences и в настоящее время проводятся испытания на ранней стадии.
Исторически сложилось так, что микробиологи искали антибиотики, созданные меньшинством бактерий, которые легко выращиваются в лаборатории. Это означает, что огромное количество соединений, вероятно, было упущено из виду. Когда Льюис и его коллеги впервые изобрели новый метод выращивания некоторых из этих труднокультивируемых микробов, они обнаружили антибиотик, который назвали теиксобактином. Препарат прилипает к предшественникам клеточной стенки бактерий и не дает им сформироваться.
Льюис стал одним из основателей компании Novobiotic, занимающейся разработкой теиксобактина и других антибиотиков из видов, которые раньше считались невозможными для культивирования. По словам Льюиса, в настоящее время теиксобактин проходит последние испытания на токсичность на животных, и в скором времени он может поступить на испытания для людей.
Сейчас Льюис возглавляет подразделение DARTS, занимающееся поиском лекарств, в основе которого лежит микрофлюидный чип, разработанный Паулссоном и другими исследователями. Он содержит миллионы микроканалов, в которых содержатся бактерии, и все это на устройстве площадью около 2,5 сантиметров. По словам Льюиса, сочетая это с мощной автоматизированной микроскопией, исследователи могут наблюдать за отдельными патогенными микробами, как они растут и делятся, и помещать их рядом с почвенными бактериями, которые могут производить антибиотики, ослабляющие или убивающие их. Технология должна сократить время, необходимое для выявления антибиотиков для дальнейшей разработки, считает Паулссон: «Этот метод может помочь нам достичь цели в десять раз быстрее».
Перспективы использования ИИ
Некоторые ученые передают скрининг антимикробных препаратов в руки искусственного интеллекта (ИИ). «Я думаю, что искусственный интеллект действительно может помочь ускорить этот процесс», - заявляет Сезар де ла Фуэнте, биоинженер из Пенсильванского университета.
Многие животные белки обладают антимикробной активностью и именно это де ла Фуэнте надеется использовать. С помощью искусственного интеллекта он выявил пептиды, которые встречаются у современных людей и у животных, а также у других вымерших животных, включая шерстистых мамонтов и гигантских лосей. По мнению Роби Бхаттачарии, молекулярного микробиолога из Института Броуда, для возникновения резистентности к противомикробным пептидам вымерших организмов может потребоваться больше времени, чем для современных, поскольку эволюционное давление на древние пептиды уже исчезло.
Но Джим Коллинз, биоинженер из Массачусетского технологического института, опасается, что из-за больших размеров молекул будет сложно превратить пептиды в удобные для применения медикаменты. Вместо этого Коллинз и Стоукс, его бывший постдокторант, использовали искусственный интеллект для поиска небольших молекул с антимикробным потенциалом. Они уже добились определенных успехов и стали соучредителями компании Phare Bio для дальнейшего развития своих идей.
Исследователи используют данные реальных экспериментов с антибиотиками и микробами, чтобы обучить свои алгоритмы предсказывать, какие молекулы из десятков миллионов известных химических веществ могут убить бактерии. ИИ далек от совершенства, считает Стоукс, но он достаточно хорош, чтобы сузить область поиска до сотен соединений, достаточно немногочисленных, чтобы ученые могли протестировать их в лаборатории.
Такой подход привел ученых к галицину - соединению, которое изначально рассматривалось как средство для лечения диабета. Галицин препятствует энергетическому движению протонов через мембраны микроорганизмов. В лаборатории он успешно лечил мышей, зараженных Acinetobacter baumannii - патогеном, который может инфицировать легкие, раны, кровь и мочевыводящие пути, а также Clostridioides difficile, вызывающим инфекции толстой кишки. Исследователи также использовали ИИ для открытия соединения под названием абауцин, которое действует именно на A. baumannii.
Теперь эта группа перешла от использования предиктивного ИИ, который рассматривает выбор существующих молекул, к генеративному ИИ, который может разрабатывать новые, потенциально полезные вещества. Они уже начали синтезировать и тестировать некоторые из них. «Это лучшие соединения, с которыми мы работали до сих пор», - рассказывает Ахила Косараджу, исполнительный директор и президент Phare Bio. По ее прогнозам, с помощью искусственного интеллекта специалисты компании смогут изобрести классы антибиотиков, которые позволят продлить время развития резистентности намного дольше пяти лет.
Комбинированные методы лечения
Еще один вариант - «коктейльный» подход, когда на микробы действует сразу несколько лекарств. Это не совсем новый метод: например, он уже используется для борьбы с возбудителем туберкулеза. Но потенциал для поиска новых комбинаций еще велик, отмечает Нассос Типас, системный биолог и микробиолог из Европейской лаборатории молекулярной биологии в Гейдельберге, Германия. Он считает, что два препарата могут действовать синергически, а использование пары может даже блокировать развитие резистентности к одному из них.
Коктейль также может включать молекулы, которые сами по себе не убивают бактерии, но помогают антибиотикам работать лучше. Один из наиболее перспективных способов сделать это - вмешаться в способность бактерий взаимодействовать или объединяться в группы, объясняет Ронан Маккарти, микробиолог из Лондонского университета. Микробы объединяются в группы и выделяют липкие биопленки, которые затрудняют их уничтожение, и хотя вмешательство в этот процесс может не убить микробы полностью, оно может позволить антибиотикам или даже иммунным клеткам добраться до микробов и уничтожить их. Маккарти и его коллеги обнаружили, что каэмпферол - соединение, содержащееся в клубнике, - может препятствовать образованию биопленок A. baumannii и повышать чувствительность микробов к сублетальным дозам антибиотика колистина.
Поддержка иммунной системы
Новые антибиотики и молекулы-помощники могут ускорить гонку на стороне медицины, но исследователи также ищут способы замедлить распространение резистентности среди микробов. Одна из возможностей - улучшить клиническое лечение инфекций, чтобы в целом требовалось меньше антибиотиков.
Дэвид Докрелл, иммунолог из Эдинбургского университета (Великобритания), отмечает, что в большинстве случаев иммунная система справляется с патогенами без посторонней помощи. Заболевание, утверждает Докрелл, возникает, когда реакция организма, например воспаление, идет не по плану. Это говорит о том, что если врачи смогут «откалибровать» иммунный ответ, они смогут восстановить способность организма справляться с бактериями. Это та же концепция, что и назначение стероидов, подавляющих воспаление, при COVID-19.
Получив финансирование от Совета по медицинским исследованиям Великобритании, Докрелл с 2016 по 2022 год возглавлял коалицию из 30 групп по изучению этого подхода к укреплению иммунитета как способа сокращения использования антибиотиков. Ученые из Университета Ньюкасла (Великобритания), например, ранее обнаружили, что когда люди заболевают пневмонией после пребывания на аппарате искусственной вентиляции легких, ихлейкоциты часто обладают пониженной способностью уничтожать микробы. Исследователи проверяют, может ли естественный иммунный модулятор под названием GM-CSF придать импульс этим слабеющим фагоцитирующим клеткам. Они обнаружили, что у некоторых людей это возможно. Если такие методы лечения приведут к сокращению использования антибиотиков, они также уменьшат давление на микробы, заставляя их вырабатывать устойчивость.
Эффективная диагностика
Быстрая и точная диагностика причины инфекции и определение антибиотиков, к которым она чувствительна, также могут сократить использование антибиотиков и замедлить развитие резистентности. «На самом деле мы очень редко сталкиваемся с полностью не поддающимися лечению организмами, - поясняет Бхаттачария, который также является врачом-инфекционистом в Массачусетской больнице общего профиля в Бостоне и сотрудником DARTS. Но когда люди очень больны и врачи не могут ждать результатов анализов, они назначают антибиотики широкого спектра действия или пробуют несколько препаратов, пока не добьются успеха, как это было в случае с Паулссоном. Однако попытки использовать лекарства, которые не помогают, также могут ускорить развитие резистентности.
Используя микрофлюидику и микроскопию Паулссона, специалисты DARTS сосредоточились на том, как выглядят отдельные микробы и как они реагируют на лечение, пояснил Пол Шихан, руководитель программы проекта в ARPA-H в Вашингтоне. Целью проекта, говорит Шихан, является переход от образца крови к диагнозу и профилю резистентности к антибиотикам менее чем за час, что было бы «чудом». Группа Паулссона считает, что сможет сделать это менее чем за десять минут.
Аналогичная технология, разработанная в Швеции, в июне получила премию Longitude за устойчивость к противомикробным препаратам в размере 8 миллионов фунтов стерлингов (10 миллионов долларов США) за демонстрацию того, что она может определить, является ли инфекция мочевыводящих путей бактериальной или вирусной, и если бактериальной, то какой антибиотик с наибольшей вероятностью будет против нее работать, и все это примерно за 45 минут.
Диагностика и иммунные модуляторы способны защитить здоровье людей, поскольку ученые научатся разрабатывать новые антибиотики с высокой скоростью, что вновь склонит гонку в пользу врачей и пациентов. Разрабатываются и другие подходы, такие как вакцины и лечение на основе фагов. «Сейчас нам нужен не один метод», - уверена Деспоина Мавриду, микробиолог из Техасского университета. «И нам нужно не 10, а более 100 таких решений».
