Zdravila, ki nas že več kot sedemdeset let ščitijo pred vseprisotnimi bakterijami, počasi izgubljajo oprijem in za boj proti okužbam potrebujemo novo orožje. Bakterije, ki povzročajo bolezni, postajajo imune na antibiotike, ki so jih nekoč ubili, tudi na zdravila, ki so bila nekoč zadnja obrambna linija.
Antibiotične odporne (na antibiotike odporne) bakterije ubijejo približno en odstotek ljudi, ki jih okužijo, tudi v razvitih državah. In če to prezremo, bodo vsako leto pobili petkrat več ljudi.
"Mnogo stvari, ki jih v tem trenutku jemljemo za samoumevne, kot je carski rez ali zamenjava kolka ali presaditev organov brez antibiotikov, bo postalo zelo težko," pravi François Franceschi, vodja programa za terapevtski razvoj na oddelku za bakteriologijo in mikologijo Nacionalnega inštituta za alergijo in nalezljive bolezni.
Ljudje z oslabljenim imunskim sistemom so še posebej ranljivi, v post-antibiotičnem svetu pa bodo vsi brez izjeme ogroženi.
"Ljudje pravijo, da nam v obdobju po antibiotiku antibiotiki ne bodo mogli več pomagati niti pri najmanjši praskanju," pravi Cesar de la Fuente, bioinženir s tehnološkega inštituta v Massachusettsu.
Za boj proti odpornim bakterijam se obrnemo na nove zaveznike, kot so virusi, ki napadajo le bakterije; nanodelci in drobni proteini, ki jih proizvaja imunski sistem različnih organizmov. Vsako orodje ima svoje prednosti in slabosti, zato znanstveniki preučujejo različne pristope.
"Veliko ljudi na terenu trenutno išče alternativne strategije, s katerimi bi lahko dodali svoj arzenal," pravi Timothy Lu, tudi na MIT. "Ne gre za to, da si vsak od njih skuša izumiti svoj srebrni krog, ki nas bo rešil pred bakterijami do konca življenja, ampak raje preučuje problem iz različnih zornih kotov."
Promocijski video:
Tukaj je nekaj načinov, kako nam lahko pomagajo pri soočanju z neželenimi bakterijami.
Razorožite napadalce
Za nevtralizacijo bakterij ni treba vedno ubijati. Nekateri načini zdravljenja posredno ciljajo mikrobe, tako da jim odvzamejo orožje. Bakterije bodo na mestu, vendar posledice okužbe ne bodo resne, imunski sistem pa se bo lahko sam boril proti okužbi.
Če vaše zdravilo dejansko ne ubije bakterij, bo manj spodbudilo za odpor do njega. Razvoj odpornosti bo trajal dlje, ker se bakterije ne bodo aktivno borile proti drogi, pravi Franceschi.
Mnoge bakterije sproščajo toksine, ki poškodujejo gostiteljske celice. Ena najpogostejših vrst toksinov se imenuje tvorjenje por, ki prebija luknje v celicah. Izolirajo ga meticilinski odporni Staphylococcus aureus, Escherichia coli, Listeria, antraks bakterije in strup iz kač, škorpijonov in morskih anemonov.
Liangfang Zhang je ugotovil, kako odpraviti te strupe. "Odvzameš orožje in ti postanejo veliko šibkejši," pravi Zhang, nanoinženir na kalifornijski univerzi v San Diegu. Nanodelce premaže s sladko tarčo - membranami, sestavljenimi iz rdečih krvnih celic. Rdeče krvne celice delujejo kot prikradek, sesajo toksin, ki bi sicer napadel zdrave celice. "To je kot goba, ki sesa strupe," pojasnjuje Zhang.
V svoji prvi raziskavi je pokazal, da nano gobice absorbirajo toksine, ne da bi pri tem škodovali mišem. Letos je bilo Zhang-ovo delo z nanodelci kot drogami eden izmed 24 projektov, ki so prejeli sredstva od Nacionalnih inštitutov za zdravje. Upa, da bo začel klinična preskušanja na ljudeh že naslednje leto.
Nanodelci, ki so pogosto narejeni iz plastike ali kovin, kot je srebro, lahko oslabijo tudi bakterije tako, da uničijo njihove zaščitne celične membrane ali povzročijo poškodbe DNK. Z nanodelci je enostavno delati, ker sami gradijo. "Nadzorujete temperaturo, topilo in vse ostalo. Te molekule se zberejo v nanodelce," pravi Zhang.
Nanodelci so lahko dražji od tradicionalnih antibiotikov. In pripeljati jih na pravo mesto v telesu je lahko tudi izziv. Drugi izziv je zagotoviti, da so nanodelci narejeni iz materialov, ki ne bodo sprožili takojšnjega imunskega odziva in se bodo sčasoma razgradili, da se v telesu ne kopičijo.
Vprašanja glede dolgoročne varnosti nekaterih od teh stvari ostajajo, pravi Lou.
Posebna dostava
Za izboljšanje učinkovitosti obstoječih antibiotikov se lahko uporabijo alternativni načini zdravljenja. Na primer, znanstveniki zdaj preučujejo, kako bi lahko nanodelce uporabili za dostavo zdravil proti raku in antibiotikov.
Antibiotiki se porazdelijo po telesu in so v velikih odmerkih strupeni. S pomočjo nanodelcev bi lahko sprostili koncentrirane odmerke zdravil. Na tisoče molekul drog bi lahko potisnili v en sam nanodelček.
"Z lahkoto se le pritrdijo na membrano in postopoma sprostijo zdravila neposredno na bakterije," pravi Zhang. Posledično bi bilo mogoče natančneje usmeriti učinkovitejšo obremenitev, ne da bi povečali skupni odmerek zdravila. Na ta način bi lahko zatrli mehanizem bakterijske odpornosti - preprosto ne bi razvili odpornosti proti točkovno delujočim antibiotikom.
Težava z nanodelci, kot pri mnogih drugih orodjih, je, da jih imunski sistem vidi kot grožnjo. »Po velikosti so zelo podobni virusom. Naše telo se bo naučilo braniti pred temi nanodelci ali virusi, če jih ne zaščitite."
Zhang in njegovi sodelavci so nakrivili nanodelce v suknjičih, izdelanih iz trombocitnih membran, celic, ki pomagajo pri strjevanju krvi. Na strani so nanodelci podobni tem miniaturnim krvnim celicam. Nekatere bakterije privlačijo trombociti - z njihovo pomočjo se maskirajo iz imunskega sistema. Nanodelci, obloženi s trombociti, bi se lahko igrali dvakrat, vpoklicali so napadalce, da bi jih detonirali z drogo.
Zhang pravi, da bodo vsi nanodelci sprostili zdravila v prisotnosti bakterij. S pomočjo delcev, prevlečenih s trombociti, je že ozdravil miši, okužene z več antibiotikom odpornim sevom MRSA.
Neposredni napad
Včasih pa polovica ukrepov ne pomaga. Obstajajo alternative tradicionalnim antibiotikom, ki lahko ubijejo bakterije. Ena od strategij je ustvariti umetne različice protimikrobnih peptidov (AMP), ki so del prirojenega imunskega odziva mikrobov, rastlin in živali (kot tasmanski hudiči). Te komponente napadajo patogenovo membrano in puščajo pusto v celici.
V okviru nedavnega projekta je de la Fuente skupaj z Lou in drugimi sodeloval pri izbiri nestrupenega AMP, ki ga najdemo v preprostih morskih živalih, imenovanih plaščarji. Znanstveniki so osnovnemu okolju dodali več aminokislin, kar je izboljšalo njegovo sposobnost zdravljenja miši, okuženih z antibiotiki odpornimi sevi E. coli ali MRSA. Okrepljeni AMP krepi tudi imunski sistem glodalcev, zmanjšuje vnetja in kliče na pomoč v obliki belih krvnih celic.
Antimikrobni peptidi lahko premagajo širok spekter patogenov, bakterije pa težko razvijejo odpornost nanje. "V primerjavi s klasičnimi antibiotiki so ti peptidi v mnogih primerih učinkovitejši," pravi de la Fuente.
AMP sestavljajo razmeroma kratke verige aminokislin, gradnikov beljakovin. Zato so za gradnjo precej preproste (čeprav drage). "Stroškov še nismo znižali," pravi de la Fuente. Znanstveniki raziskujejo načine, kako AMP ceneje s programiranjem mikrobov, da se ne zanesejo na stroj in pustijo mikrobe, da to storijo sami.
Kljub temu obstajajo pomisleki, da bi AMP lahko napadel gostiteljeve celice. Tako kot pri mnogih alternativnih antibiotikih je lahko pošiljanje peptidov na pravo mesto v dovolj visoki koncentraciji, da ostanejo učinkoviti. De la Fuente je kratkoročno verjetno, da je lokalna uporaba bolj verjetna. Te peptide lahko na primer vključimo v kremo, ki jo lahko nanesemo na odprto rano ali na mesto okužbe na koži. Uporabili bi jih lahko tudi za pokrivanje miz, računalnikov, kirurških instrumentov ali katetrov, da se mikrofi ne bi kolonizirali.
Ponovna preobčutljivost
Drug način za oslabitev bakterij je, da se znebite odpornosti, ki so jo razvili na antibiotike. Za takšne misije bi lahko uporabili viruse, ki so specializirani za prehrano bakterij, bakteriofagov.
Bakteriofagi so izjemno učinkoviti ubijalci bakterij, vendar bi jim znanstveniki s pomočjo genskega inženiringa lahko dali nove sposobnosti, vključno s ponovno vzpostavitvijo občutljivosti bakterij na tradicionalna zdravila.
Preprogramirani bakteriofagi lahko postanejo obsedeni z bakterijami, ki nosijo gene, ki dajejo odpornost na antibiotike, odstranijo to sposobnost ali ubijejo bakterije. Ko se odporni mikrobi uničijo ali postanejo neškodljivi, bo preostala populacija izpostavljena antibiotikom.
Druga metoda, ki bakterijam omogoča, da se upirajo antibiotikom, je izločanje spojin, ki ustvarijo biofilm, skozi katerega zdravilo ne more prodreti. Mogoče je ustvariti bakteriofage, ki bodo požrli biofilm.
V naravi lahko bakteriofagi neposredno ubijejo bakterije. Nekateri od njih vtaknejo svoj DNK v bakterije in se, da se osvobodijo, preprosto pojedo skozi celično steno in razstrelijo celico, pravi Lu. Drugi delujejo kot zajedavci.
Bakteriofagi so bili odkriti pred približno sto leti. Antibiotiki so jih nadomestili v ZDA, vendar se še naprej uporabljajo v Rusiji in nekaterih vzhodnoevropskih državah. Ko rast bakterij, odpornih na antibiotike, se znanstveniki spet obračajo na bakteriofage - prav tako učinkovite so pri zdravljenju ljudi, samo klinična preskušanja tega še niso potrdila.
Ena od prednosti teh virusov je, da se lahko razmnožujejo. Lahko daste le majhno količino in ubijete številne bakterije. In ker za razmnoževanje potrebujejo žive celice, se bodo prenehale razmnoževati, takoj ko bodo uničene vse gostiteljske celice.
Vendar pa lahko bakteriofagi, tako kot druge alternative, sprožijo odziv imunskega sistema. "Če v človeško telo vbrizgate katerikoli virus ali tuji peptid, obstaja vedno možnost, da bo sledila reakcija," pravi Lu. Druga skrb je, da lahko nekateri fagi poberejo gene, povezane z odpornostjo na antibiotike, in jih prenesejo drugim bakterijam.
Vendar verjetno ne bodo poškodovali človeškega tkiva. Bakteriofagi se v človeških celicah ne razmnožujejo. V sebi imamo kup bakteriofagov - težko je reči, da so nam tujci.
Osebni stik
Več alternativnih načinov zdravljenja bi lahko bilo prilagojenih za ciljanje na specifične mikrobe. Tu so spet bakteriofagi idealni kandidati. "V bistvu so naravni sovražnik bakterij," pravi Lu. Običajno "če najdete bakterije, najdete tudi bakteriofage."
Tradicionalni antibiotiki bakterije pogosto uničujejo neselektivno - tudi v naravnem mikrobiomu našega telesa, ki ima pomembno vlogo v našem zdravju. Saj preproga bombardira vse.
Virusi ponujajo bolj personaliziran pristop. "Dobre bakterije lahko poskusite obdržati, medtem ko slabe bakterije ubijete," pravi Lu.
Vendar je ta posebnost tudi meč z dvema robama. Da bi zajeli zadostno število različnih bakterij, ki lahko okužijo pacienta, bo treba v koktajl zmešati veliko virusov. Čeprav bakteriofagi niso zelo dragi za gojenje, so koktajli različnih virusov v celoti druga stvar.
Lou dela na koktajlih bakteriofagov, zgrajenih na varnih gozdovih. Z določitvijo območja, ki naj bi ga bakteriofagi okužili, lahko napadete različne bakterije, jih bakteriofage usmerite v različne smeri. Ostaja le ugotoviti, kako to storiti.
Kljub temu je težko ustvariti učinkovito zdravilo, ne da bi vedeli, kaj povzroča okužbo. Če greste k zdravniku, vam ne bo mogel zagotoviti ozkega spektra, če ne ve, katere bakterije vas mučijo.
Zdravniki potrebujejo hitrejše diagnostične metode, da lahko ugotovijo vrsto ciljnih bakterij in kako odporni so na tradicionalne antibiotike. Lu in njegovi sodelavci si prizadevajo za hitro in poceni diagnostiko. Ko okužijo svoje ciljne bakterije, jih osvetlijo z istim beljakovinam, ki jih uporabljajo kresnice. Pacientu preprosto dajte vzorec bakteriofaga in "lahko ugotovite, ali je vzorec žarel ali ne, v njem so bakterije ali ne," pravi Lu.
Širok arzenal
To niso vse orožje, ki ga dodamo v svoj arzenal. Znanstveniki raziskujejo druge možnosti, na primer pošiljanje drugih bakterij za boj proti patogenom, iskanje novih antibiotikov in uporabo protiteles in drugo.
"Težko se zanesete na eno metodo ali eno tehnologijo, da bi odpravili celoten problem," pravi Zhang. Preučevanje superbabkov iz različnih zornih kotov, kombiniranje novih taktik in tradicionalnih metod zdravljenja, bo razširilo naš arzenal.
Kar nekaj let bo minilo, preden bodo novi instrumenti odobreni za široko uporabo. Nekaj časa se bodo alternativne protimikrobne metode uporabljale le takrat, ko antibiotiki ne bodo več delovali. Poceni in učinkovitost antibiotikov je glavni razlog, da jih je težko zavrniti. Toda dolgoročno bo to edina možnost.
ILYA KHEL