Антиантибиотики снижают риск появления резистентных оппортунистических патогенов

Рис. 1. Графическое представление сути обсуждаемой работы. Антибиотики (показаны синим) применяют для лечения инфекций, в том числе путем внутривенного введения. Помимо целевых бактерий (показаны зеленым) антибиотики атакуют и оппортунистические патогены в желудочно-кишечном тракте, что может привести к развитию резистентности. Антиантибиотики (показаны фиолетовым) могут связывать антибиотики в желудочно-кишечном тракте и препятствовать их воздействию на бактерии кишечника. При этом выделяемые с фекалиями оппортунистические патогены не являются устойчивыми к антибиотикам. Рисунок с сайта news.psu.edu

Устойчивость к антибиотикам ставит под угрозу жизни миллионов людей, которые рискуют умереть от «обычных» бактериальных инфекций, поскольку по мере приобретения ими устойчивости лечить их становиться, по сути, нечем. При этом устойчивость может развиваться и у бактерий, которые в норме не приносят нам вреда или даже приносят пользу, ведь они тоже подвергаются воздействию антибиотиков. Одна из возможностей предотвратить такой способ появления резистентности — использование антиантибиотиков, подавляющих действие антибиотика там, где оно нежелательно. Ученые опробовали применимость такого подхода, давая препарат колестирамин мышам, которым вводили антибиотик даптомицин — к нему еще не успела развить устойчивость бактерия Enterococcus faecium. Эта бактерия входит в состав нормального микробиома человека, но может вызвать оппортунистические инфекции. Колестирамин связывает даптомицин, поэтому антибиотик не взаимодействует с бактериями в кишечнике, а значит шанс развития устойчивости становится ниже. Авторы не считают, что этот метод подойдет широкому кругу пациентов, но на его основе возможна разработка более действенной антиантибиотиковой терапии.

Нобелевский лауреат Александр Флеминг после получения премии в 1945 году дал интервью газете New York Times, где отметил, что неправильное использование пенициллина может привести к размножению мутантных форм бактерий, которые будут устойчивы к этому новому, чудесному препарату. Уже в 1946 году — всего через три года после начала использования пенициллина — в больницах Лондона удалось изолировать 14 устойчивых к нему штаммов бактерий. Проблема устойчивости к антибиотикам появилась практически сразу после их открытия. Впрочем, это не удивительно: сами бактерии способны выделять вещества, убивающие другие бактерии, и приобретать пути борьбы с этими веществами. Тем самым они постоянно участвуют в своеобразной гонке вооружений, которая идет в мире микроорганизмов едва ли не со времен появления жизни на Земле. Несмотря ни на что микроорганизмы вполне преуспевают и по сей день, а использование людьми антибиотиков для них — не более чем еще один эпизод этой гонки. Основа устойчивости к антибиотикам связана с тем, что их применение накладывает сильное внешнее давление на популяции микроорганизмов, приводящее к тому, что случайные мутации, которые даже немного снижают лечебное воздействие антибиотиков, крайне эффективно поддерживаются естественным отбором (наглядную демонстрацию того, как это происходит, можно увидеть в этом видео). Подробнее о механизмах возникновения устойчивости и вызываемых ей проблемах читайте в статье Назад в доантибиотиковую эру?.

Получается, что в тот момент, когда пенициллин стал массово применяться для лечения раненых, люди вступили в ту же гонку вооружений с патогенными бактериями. И чем дальше, тем сложнее для нас она складывается. Дело в том, что разработка новых эффективных антибиотиков — долгий и дорогостоящий процесс, а «запас» антибиотиков, к которым пока еще не появились резистентные штаммы, постепенно исчерпывается. Скорость, с которой это исчерпание происходит, увеличивается, в частности, из-за того, что многие пациенты безответственно относятся к своему лечению и либо не пропивают курсы антибиотиков до конца, либо занимаются самолечением, применяя их тогда, когда это совсем не требуется. В 2020 году ситуация может дополнительно ухудшиться из-за массового неконтролируемого и несвоевременного использования антибиотиков для лечения пневмонии. И если пандемия COVID-19 имеет шанс окончиться, то с последствиями устойчивости к антибиотикам человечеству явно придется бороться годами. Поэтому поиск решений этой серьезной проблемы, вероятно, станет еще более интенсивным.

Часть решений связана с вопросами здравоохранения: необходимо снизить количество случаев инфицирования (прежде всего, соблюдая гигиену и делая прививки), и, соответственно, поводов для использования антибиотиков, а также следить за их правильным назначением и обучать пациентов правильно принимать препараты. Поиск новых антибиотиков безусловно продолжается, но это длительный процесс, который не обязательно сможет решить проблему устойчивости. Поэтому нужно искать и такие стратегии, которые позволят как можно дольше использовать уже известные антибиотики.

В состав микробиома человека входит огромное количество микроорганизмов, на которые потенциально влияет прием антибиотиков. Часть микроорганизмов погибает, нарушая нормальный состав микробиома. В такой ситуации место погибших организмов могут занять размножившиеся оппортунистические патогены, например кишечная палочка (Escherichia coli), Clostridium difficile и другие бактерии. Они не опасны для здорового организма, но у людей со сниженным иммунитетом могут стать источником тяжелых инфекций, особенно, если они устойчивы к антибиотикам.

Бактерия Enterococcus faecium, устойчивая к антибиотику ванкомицину (VR E. faecium), — одна из бактерий, для которых нужно срочно решить проблему устойчивости. В 2017 году ВОЗ включила ее в список 12 «приоритетных патогенов». Один из оставшихся антибиотиков для лечения инфекций — препарат даптомицин. Но и к нему постепенно возникает устойчивость.

Проблема осложняется еще и тем, что бактерии могут приобретать устойчивость к антибиотикам, даже если терапия не направлена на них. В норме E. faecium входит в состав микробиома кишечника и ее присутствие не вызывает симптомов. Но при попадании в кровоток эта бактерия вызывает серьезные инфекции, которые лечатся внутривенным введением антибиотиков, например даптомицином. Даптомицин почти полностью выводится из организма почками, но примерно 5–10% препарата выводится с желчью в тонкий кишечник. Этого достаточно для того, чтобы препарат воздействовал на микроорганизмы в ЖКТ. Устойчивая к даптомицину E. faecium может передаваться другим людям, и это особенно опасно в больничных условиях.

Таким образом, при лечении пациентов антибиотик влияет на две популяции бактерий: целевую популяцию в крови или мочевыводящих путях и побочную в кишечнике. Именно бактерии второй популяции, устойчивые к антибиотикам, наиболее опасны, потому что могут распространяться от пациента к пациенту. Решение оказалось простым: бактерии в кишечнике надо оградить от воздействия антибиотика, используя дополнительную терапию веществом, локально подавляющим его действие, то есть антиантибиотиком. На основе этой идеи исследователи из Университета штата Пенсильвания и Мичиганского университета разработали новый подход к антибиотиковой терапии.

Препарат колестирамин уже более 50 лет используется для коррекции высокого уровня липидов и (или) липопротеинов в сыворотке крови, а также профилактики атеросклероза и его осложнений. Колестирамин — анионообменная смола, которую пациент принимает перорально (через рот). В кишечнике препарат связывает желчные кислоты — конечные продукты распада холестерина, которые связывают и переносят липиды в водной среде, способствуя их перевариванию. Желчные кислоты при этом всасываются обратно и используются повторно. Связывание желчных кислот колестирамином препятствует этому процессу, а продукты связывания выводятся с калом.

Антиантибиотики снижают риск появления резистентных оппортунистических патогенов

Рис. 2. Схема действия колестирамина и других cеквестрантов желчных кислот. Первичные желчные кислоты (красные и синие кружочки) синтезируются в печени. Затем они переносятся в желчный пузырь (зеленый). Вместе с желчью они попадают в просвет кишечника. В кишечнике также образуются вторичные желчные кислоты (бирюзовые кружочки). После эмульсификации жиров в просвете кишечника желчные кислоты всасываются и переносятся в печень через воротную вену (Portal circulation). Секвестранты желчных кислот (BAS — bile acid sequestrants, черные звездочки) связывают желчные кислоты и выводят их с калом. Иллюстрация из статьи E. Heřmánková et al., 2018. Polymeric bile acid sequestrants: Review of design, in vitro binding activities, and hypocholesterolemic effects

У колестирамина и других подобных препаратов есть побочное действие — они могут связывать другие препараты, находящиеся в ЖКТ. Именно это свойство и использовали авторы обсуждаемого исследования для того, чтобы протестировать, способен ли колестирамин снизить воздействие даптомицина на VR E. faecium.

Сперва авторы показали, что и у мышей возможно возникновение устойчивых к даптомицину и ванкомицину E. faecium. Мышей заражали перорально двумя штаммами VR E. faecium, полученными от пациентов. Даптомицин либо вводили подкожно в дозах, соответствующих клиническому применению, либо давали его с питьем, в том числе и в дозе, которая соответствует количеству препарата, выведенного желчью в кишечник.

Затем фекалии мышей изучали на присутствие E. faecium, высевая их на агар для выращивания энтерококка с ванкомицином и даптомицином и без него. При получении мышами очень больших доз антибиотика (400 мг/кг подкожно или более ≥50 мг/кг перорально) VR E. faecium в кале обнаружить не удавалось. Однако при использовании низких доз ученые смогли обнаружить несколько клонов E. faecium обоих штаммов, устойчивых и к ванкомицину, и к даптомицину.

У штамма BL00239-1 обнаружили клон с мутациями в уже известных связанных с резистентностью участках генома (см. статьи H. Adams et al., 2015. Mutations associated with reduced surotomycin susceptibility in Clostridium difficile and Enterococcus species и C. Zhao et al., 2010. Role of methionine sulfoxide reductases A and B of Enterococcus faecalis in oxidative stress and virulence). У штамма PR00708-14 обнаружили клон с мутациями в участках генома, которые раньше не связывались с резистентностью. Дальнейшие эксперименты проводили с этими двумя штаммами (BL00239-1-R и PR00708-14-R).

Сперва авторы решили узнать, как будет влиять введение даптомицина на устойчивые к даптомицину VR E. faecium. Предполагалось, что оно создаст дополнительное селекционное давление. Мышей заражали клонами бактерий, полученными в первом эксперименте, а затем в течение 5 или 10 дней подкожно вводили даптомицин. Гипотеза подтвердилась: у мышей, которые не получали даптомицин, доля устойчивых к даптомицину VR E. faecium не увеличивалась, но возрастала при дополнительной селекции даптомицином, который попадает в кишечник в концентрации, достаточной для селекции. Присутствие даптомицина в кишечнике также подтвердили, изучая образцы фекалий методом жидкостной хроматографии и тандемной масс-спектрометрии. Интересно, что именно количество даптомицина в кале, а не доза введенного даптомицина коррелировало с долей устойчивых к даптомицину VR E. faecium. Это накладывает ограничение на разработку терапии против этих бактерий: если ответ индивидуальный, то дозу терапии нужно подбирать для каждого конкретного пациента.

Перед использованием колестирамина в экспериментах с животными его способность связывать даптомицин была проверена in vitro. Авторы показали, что колестирамин связывает даптомицин в растворе, а связанный колестирамином даптомицин не способен убивать E. faecium.

Для изучения того, как дополнительная терапия колестирамином повлияет на действие даптомицина в кишечнике, авторы провели серию экспериментов. Они использовали разные линии мышей (Swiss Webster и C57BL/6), чтобы узнать, не зависит ли ответ от генотипа, разные штаммы VR E. faecium (BL00239-1-R и PR00708-14-R и соответствующие родительские штаммы), два режима применения колестирамина (за один день до заражения бактериями или в день введения антибиотика). Антибиотики вводили в течение 5 дней, а наблюдения за выведением VR E. faecium проводили в течение двух недель, высевая образцы кала мышей на агар с ванкомицином без даптомицина и с ним.

Общий анализ экспериментов показал, что добавление колестирамина к пище снижало долю устойчивых к даптомицину VR E. faecium, выводящихся из кишечника. Наиболее сильный эффект наблюдался в дни после приема даптомицина (рис. 3, сверху). Одновременно колестирамин снижает общее выведение VR E. faecium после приема антибиотика (рис. 3, правый нижний график). Это наблюдение очень важно: чем меньше устойчивых к антибиотику бактерий выводится из зараженного организма, тем меньше вероятность заражения ими других пациентов. Интересно, что прием колестирамина мышами в отсутствие антибиотика не влиял на способность мышей заражаться и выводить VR E. faecium. Вероятно, препарат не оказывает влияние на микробиом кишечника мышей, но авторы не изучали этот процесс в деталях.

Антиантибиотики снижают риск появления резистентных оппортунистических патогенов

Рис. 3. При дополнительной терапии колестирамином (chol, розовая линия) снижается пропорция устойчивых к даптомицину VR E. faecium в ЖКТ мышей. A — доля устойчивых к даптомицину VR E. faecium в фекалиях мышей в течение 14 дней эксперимента. Красным обозначен период использования антибиотика. Долю рассчитывали как соотношение колониеобразующих единиц (CFU; colony-forming units) VR E. faecium на агаре с даптомицином (+DAP) к числу колониеобразующих единиц на агаре без даптомицина. B — общая плотность VR E. faecium в образцах кала мышей. Слева: прием колестирамина не влияет на общую плотность VR E. faecium в кале мышей, не получавших антибиотик (розовый пунктир — эффект колестирамина, бирюзовый пунктир — эффект стандартного питания). Колестирамин снижает общее выведение VR E. faecium после приема антибиотика. Рисунок из обсуждаемой статьи в eLife.

В ходе исследования выяснился один важный недостаток: колестирамин несколько по-разному действует на разные организмы (в экспериментах это выяснили на разных мышах). Вероятно, это связано с отсутствием зависимости между количеством даптомицина в кале и дозой введенного даптомицина. Фармакокинетика даптомицина в организмах пациентов также может различаться. Поэтому до того, как эта методика может быть использована в клинике, нужно получить дополнительные данные о том, что и как быстро происходит с даптомицином при попадании в кишечник, и какая может быть вариабельность от пациента к пациенту.

Ограничения накладывает также и то, что разные штаммы VR E. faecium могут требовать разные концентрации даптомицина, а значит, концентрацию колестирамина следует подбирать соответствующим образом.

Тем не менее, колестирамин — хороший претендент на роль дополнительной терапии. Он хорошо изучен, известна его фармакокинетика и возможные побочные эффекты. Это большой плюс: подход, подобный приему колистерамина, уже изучается в клинических исследованиях. В 2020 году закончилась вторая фаза клинического исследования препарата DAV-132 на основе активированного угля в гранулах из пектината цинка. Его прием снижал концентрацию принимаемых антибиотиков в толстом кишечнике, а также защищал микробиом от изменений. Результаты пока доступны в виде пресс-релиза. Препарат также хорошо переносится, но так как он ранее не использовался в клинической практике, потребовались дополнительные клинические исследования, которые занимают ценное время. Колестирамин в этом плане имеет большое преимущество: этот препарат уже хорошо изучен, поэтому его возможное введение в терапию возможно в ближайшие годы.

Другое интересное решение проблемы устойчивости к антибиотикам подсмотрено у природы. Один из механизмов возникновения устойчивости — присутствие ферментов, разрушающих антибиотики. Например, пенициллины, цефалоспорины и другие бета-лактамные антибиотики разрушаются ферментом бета-лактамазой. Поэтому для того, чтобы нейтрализовать антибиотики, которые присутствуют в кишечнике (а быть там не должны) можно применять бета-лактамазы. Один из таких препаратов SYN-004 уже находится в клинических исследованиях (см. M. Kaleko et al., 2016. Development of SYN-004, an oral beta-lactamase treatment to protect the gut microbiome from antibiotic-mediated damage and prevent Clostridium difficile infection). Его прием успешно инактивирует бета-лактамные антибиотики и не влияет на концентрацию антибиотиков в кровотоке.

Борьба с устойчивостью к антибиотикам продолжается. Пока нам, как Черной Королеве из «Алисы в Зазеркалье» Льюиса Кэрролла, приходится «бежать со всех ног, чтобы только остаться на том же месте», но, благодаря таким открытиям, бежать удается чуть-чуть быстрей.

Источник: elementy.ru

ОСТАВЬТЕ ОТВЕТ

Please enter your comment!
Please enter your name here

девять − 8 =