Сакс Джессика Снайдер: Микробы хорошие и плохие. Наше здоровье и выживание в мире бактерий
Про устойчивость к антибиотикам...
2000 г. до н. э. - “Вот, поешь этих кореньев”. 1000 г. н. э. - “Эти коренья для язычников. Вот, прочти эту молитву”.
1850 г. - “Эта молитва - суеверие. Вот, выпей это снадобье”.
1920 г. - “Это снадобье - шарлатанство. Вот, прими эту таблетку”.
1945 г. - “Эта таблетка - слабое средство. Вот, прими этот пенициллин”.
1955 г - “Упс… микробы стали устойчивыми. Вот, прими этот тетрациклин”.
1957-2007 гг. - Еще 42 раза “упс… “Вот, прими этот более сильный антибиотик”.
20?. - “Микробы победили! Вот, поешь этих кореньев”.
Аноним
…Абигайль Сэльерс знает, что антибиотик в пробирке у ее аспирантки не только не сможет убить бактерий, плавающих внутри, но и будет способствовать передаче ДНК между ними. “Если представить себе передачу генов между бактериями как бактериальный аналог случайных связей между незнакомыми людьми, то антибиотики играют здесь роль афродизиака, - говорит она. - Тетрациклин может их как следует завести”. Такая рекация, возможно, связана с одним из многих методов совместного выживания, широко распространенных в мире бактерий. Принцип здесь, по словам исследовательницы, может быть такой: “Я поделюсь с тобой своими генами, если ты поделишься со мной своими”.Абигайль Сэльерс разделяет обеспокоенность Стюарта Ливи из Университета Тафтса по поводу того, что не только антибиотики, но и многие другие современные антибактериальные продукты могут способствовать распространению устойчивости к лекарственным препаратом за счет этих и других трюков, которыми владеют бактерии. “Ливи указывает на серьезные основания для беспокойства, - говорит она, - поскольку некоторые из этих продуктов могут способствовать отбору мутаций, делающих бактерий устойчивыми не только к самим этим продуктам, но и к некоторым другим антибиотикам”. Особенное беспокойство у Ливи вызывает триклозан - химикат, который особенно часто добавляют в антибактериальные мыла, зубные пасты, ополаскиватели для полости рта и бытовые чистящие средства. В 1998 году сотрудница его лаборатории Лора Макмёрри показала, что триклозан действует скорее как антибиотик, чем как убивающие все подряд вещества для дезинфекции, такие как спирт или гипохлорит натрия. А именно она показала, что триклозан отключает фермент, используемый бактериями для синтеза жиров, причем совсем небольшое изменение ДНК, то есть мутация, позволяет кишечной палочке и многим другим микроорганизмам обходить эту преграду.
Сотрудники лаборатории Ливи с тех пор также показали, что триклозан может запускать механизм, обеспечивающий устойчивость ко многим антибиотикам у кишечной палочки, сальмонелл, шигелл и других кишечных бактерий. Он делает это, заставляя сработать ключевой генетический переключатель - так называемый оперон устойчивости ко многим антибиотикам, или mar (multiple-antibiotic-resistance орегоп). Этот переключатель в свою очередь активирует целый набор из примерно шестидесяти различных генов, помогающих бактерии выжить, в том числе ген так называемого откачивающего насоса, который выводит из бактериальной клетки не только триклозан, но и ряд других антибиотиков. Аналогичный генетический “рвотный рефлекс” запускается, когда эти бактерии сталкиваются с дезинфицирующими средствами, такими как скипидар, или химическими консервантами, такими как хлорид бензалкония и другие четвертичные аммониевые соединения, широко используемые в глазных каплях, аэрозолях для носа и косметике. Следовательно, все эти хозяйственные товары могут способствовать выработке у бактерий устойчивости ко многим антибиотикам, отбирая тех мутантов, у которых трюмный насос для откачивания антибиотиков работает круглосуточно. Проблему может усугубить то обстоятельство, что триклозан и его близкий химический родственник триклокарбан устойчиво сохраняются в очищенных стоках и за последние двадцать лет стали повсеместно встречаться в грунтовых и подземных водах, а также в пресноводных озерах и реках США.
Стюарт Ливи и Абигайль Сэльерс отнюдь не одиноки в своем стремлении донести до людей данные исследований, показывающие, что за период чуть больше чем пол- века массовое применение антибиотиков и других антибактериальных веществ преобразило экосистемы микробов обитающих внутри нас. Например, исследователи из лон' донского Стоматологического института Истмена недавно установили, что почти у всех младшеклассников в ротовой полости обитают бактерии, устойчивые к тетрациклину, несмотря на то что врачи вообще не прописывают тетрациклин детям младше двенадцати из-за того, что этот антибиотик портит цвет растущих зубов.
Вопрос, ответа на который подобные исследования дать не могут: откуда произошли все эти опасные гены. В редких случаях новая разновидность устойчивости к антибиотикам возникает в результате случайных мутаций. Если повезет, такая мутация оказывается в состоянии изменить биохимическую мишень антибиотика так, что ему больше не за что будет ухватиться в бактериальной клетке. Простая мутация может также подействовать на переключатель, заставляющий откачивающий насос работать сверхурочно. Но сам откачивающий насос представляет собой вполне работоспособный биохимический аппарат, генетический чертеж которого выработался в ходе эволюции за сотни миллионов лет. То же относится и к сложным генам бактериальных ферментов, таких как беталактамаза, которая расщепляет, блокирует или иным способом нейтрализует десятки важных антибиотиков. Ясно, что эти механизмы устойчивости не могли выработаться в ходе эволюции за последние шестьдесят с чем-то лет. Так же ясно, что до внедрения антибиотиков они встречались редко, если вообще встречались, у бактерий, заселяющих или заражающих человеческий организм. Но оказалось, что они всегда были не дальше от нас, чем грязь, которую мы топчем ногами…
Про кариес...
Летом 1976 года молодой специалист по микробиологии полости рта Джеффри Хиллман, всего два месяца назад получивший диплом, поступил на работу в бостонский Институт Форсайта. Однажды утром он заглянул в чашки Петри, которые заполнял бактериями зубного налета, и увидел на белом фоне два красных пятнышка. В желеобразную среду, на которой росли бактерии, был добавлен индикатор кислотности, выбеливающийся в присутствии кислоты, в данном случае - молочной, выделяемой Streptococcus mutans, главным виновником кариеса.Красные пятнышки образовались колониями микробов, у которых был поврежден один из генов, управляющих синтезом вышеупомянутого разъедающего зубную эмаль вещества. Мутация нисколько не замедлила их рост. Именно на это и надеялся Хиллман. Впоследствии он показал, что такие бескислотные мутанты прекрасно живут на поверхности искусственных зубов, сделанных из биоминерала гидроксиапатита, ничуть их при этом не повреждая.
“В то время многие ученые по всему миру изучали, какими путями Strepococcus mutans заражает людей, - вспоминает Хиллман, - и нельзя ли заменить у нас во рту один его штамм на другой”. Например, исследования показывали, что большинству из нас Strepococcus mutans достается от матери, причем одни штаммы производят намного больше разъедающей эмаль кислоты, чем другие. Более того, стоит некоторому штамму поселиться во рту, и потеснить его, освободив место для другого штамма, оказывается крайне сложно. “Мы проверяли всевозможные безумные идеи, - говорит Хиллман о тактике, применявшейся им и его коллегами, когда они пытались уничтожить этих микробов во рту добровольных участников эксперимента, прежде чем подселять туда полученные экспериментальные штаммы. - В одном случае мы мазали им зубы йодом. В другом - пытались купать их зубы в антибиотиках, залитых в специальные емкости”. Но как ни старались Хиллман и его коллеги изгнать собственный штамм 5. mutans с зубов человека и как быстро они ни подселяли на его место свою бескислотную разновидность, такая замена никогда не держалась больше пары месяцев. “Медленно, но верно собственный штамм всегда возвращался”, - говорит Хиллман.
К 1982 году Хиллману начало казаться, что все возможные ухищрения уже исчерпаны. Тогда-то ему и пришла в голову идея найти бактерию, которую он сможет использовать в качестве киллера. Если получится найти такой супер- агрессивный штамм, рассуждал он, то можно будет удалить из него ген, позволяющий ему производить кислоту. Хиллман и два других сотрудника его лаборатории целый год собирали образцы слюны у студентов и сотрудников своего института и получили коллекцию из сотен немного разных подвидов 5. mutans. Они проверили каждого из этих микробов на способность изничтожать представителей других штаммов, выращивая их бок о бок в чашках Петри. Когда они увидели, как одна точечная колония расчистила себе безупречный круг на поле, занятом другим штаммом, им стало ясно, что перед ними превосходный кандидат на нужную роль. Анализы показали: этот штамм в большом количестве выделяет неизвестный ранее бактериоцин (природный антибиотик).
В 1985 году Хиллман и двое его коллег сами выступили в роли первых подопытных кроликов, ватными палочками нанеся себе на зубы этот суперштамм. У всех троих он сразу же и навсегда поселился во рту, попутно изгнав оттуда их собственные штаммы S. mutans. Полдюжины исследований, проведенных на крысах, подтвердили предварительный результат: стоило нанести на зубы крысы данный штамм, как он неизменно вытеснял собственный штамм S. mutans данного животного. Но план Хиллмана просто лишить штамм способности производить кислоту натолкнулся на неожиданное препятствие, когда требуемая для этого мутация оказалась летальной. Дело в том, что некоторые штаммы S. mutans, в том числе и обсуждаемый, используют молочную кислоту для выведения из клетки продуктов обмена веществ, которые в противном случае накапливаются, достигая токсичных концентраций.
Хиллману удалось решить проблему, добавив бактерии лишний экземпляр гена производства спирта, что позволило направить выведение продуктов обмена веществ по другому пути. “Штамм, который мы получили в итоге, ничем не отличался от исходного, кроме двух генетических модификаций, известных нам с точностью до буквы”, - говорит Хиллман. Опыты на крысах показали, что с новой разновидностью S. mutans их зубы оставались почти в безупречном состоянии при кормлении пищей с повышенным содержанием сахара, от которой обычно у крыс развивался кариес. C точки зрения безопасности потенциального лекарственного препарата большое значение имело то, что, как показал Хиллман, исходный штамм, поселившийся во рту у него и его коллег, за десять с лишним лет не передался никому из членов их семей.
В 1998 году Хиллман собрал результаты всех этих исследований и обратился в Управление пищевых продуктов и медикаментов за разрешением проверить свой генетически модифицированный штамм S. mutans на добровольных участниках испытаний. “Тогда я, к счастью, еще не знал, что меня ждет”, - говорит он. Для начала сотрудники управления потребовали от Хиллмана как-нибудь покалечить этого микроба, чтобы его было легко уничтожить, если окажется, что он вызывает какие-то неприятности. “Когда я спросил их, какого рода неприятности, они сказали, что понятия не имеют, - вспоминает он. - Должно быть, мы создавали прецедент для оценки безопасности генетически модифицированных организмов”.
Хиллман отключил у бактерии еще некоторые гены, на этот раз сделав ее не способной жить без двухразового питания определенной аминокислотой, которая редко встречается в человеческой пище. Чтобы бактерия оставалась живой, испытуемым нужно было ежедневно пользоваться ополаскивателем для рта, содержащим это вещество. “Надеюсь, что когда мы продемонстрируем ее безопасность, нам разрешат использовать бактерию в виде полноценного организма”, - говорит Хиллман.
Уверенный, что на этот раз ему удалось соблюсти все необходимые меры предосторожности, в марте 2004 года Хиллман вновь обратился к экспертам из Управления пищевых продуктов и медикаментов, организовав к тому времени биотехнологическую компанию Orogenies для финансирования требуемых клинических испытаний. К своему удивлению, он узнал, что все без разбора штаммы S. mutans, с которыми он работал, отнесли к разряду потенциального биологического оружия. На этот раз экспертная комиссия выдвинула следующие требования: Хиллман мог начать с небольшой проверки на предмет безопасности с участием десяти испытуемых, но все они должны быть совершенно беззубыми, то есть носить полные вставные челюсти, которые, вместе с искусственными зубами, можно окунуть в раствор для дезинфекции, чтобы полностью удалить с них бактерию после недельных испытаний. Пока шел набор участников этого эксперимента, комиссия выдвинула еще несколько требований: у испытуемых дома не должны жить дети, их супруги тоже должны быть совершенно беззубыми и как они, так и их супруги должны быть людьми крепкого здоровья и не старше пятидесяти пяти лет. “Мы проверили больше тысячи потенциальных участников и нашли только двоих, соответствовавших всем этим требованиям”, - говорит Хиллман. Мини-эксперимент, проведенный на двух испытуемых в 2006 году, прошел без сучка без задоринки, не выявив никаких побочных эффектов, и после семи дней исследования все бактерии были успешно удалены.
Сейчас, в середине 2007 года, Хиллман по-прежнему ожидает одобрения на проведение своих исследований на людях, имеющих собственные зубы. Но в то время, как Управление пищевых продуктов и медикаментов всячески тормозит работу первого исследователя, создавшего “искусственную микрофлору”, которую можно использовать в медицине, в научных журналах появляется все больше публикаций результатов, полученных теми, кто рвется сделать следующий шаг. Смешивая гены разных организмов подбирая их комбинации, микробиологи в лабораториях по всему миру создают трансгенных микробов, которые могут оказаться способны на куда большее, чем вытеснять своих вредоносных собратьев из человеческого организма, ^дна европейская исследовательская группа уже проверила свою трансгенную бактерию на предмет безопасности в эксперименте с десятью пациентами, помещенными на все время эксперимента в больничный изолятор с пониженным давлением, чтобы эта бактерия не могла случайно попасть в окружающую среду.
Пробиотики в животноводстве
Вакцины и пробиотики нового поколения могут не только направить развитие медицины в новое русло, но и помочь животноводству слезть с иглы антибиотиков. Весной 1998 года казалось, что команде Food and Feed (“Еда и корм”) исследовательской службы Министерства сельского хозяйства, работающей в городе Колледж-Стейшен в Техасе, удалось забить важный гол в этой игре. Сотрудники лаборатории разработали простой в применении пробиотический аэрозоль, препятствующий заражению свежевылупившихся цыплят сальмонеллами - опасными пищевыми бактериями, нередко загрязняющими сырые яйца и курятину. Аэрозоль, которым фермер может за считаные минуты обработать сотни цыплят, содержит смесь из двадцати девяти разновидностей безвредных и живучи/ бактерий, выделенных Дэвидом Нисбетом и его коллегами из пищеварительного тракта здоровых кур. Одноразовая обработка данным средством на всю жизнь защищала от сальмонелл более 99 % цыплят, а кроме того, ускоряла их рост в степени, сравнимой с той, что помогают достичь используемые для этой цели антибиотики.
Исследователи назвали полученное средство Preempt и в марте 1998 года оно было одобрено Управлением пищевых продуктов и медикаментов - новость, попавшая в заголовки национальных газет (“Полезные микробы спасают птиц от вредных”), а также в телерепортажи, где показывали счастливых фермеров, опрыскивающих сотни очаровательных желтых цыплят. Компания MS Bioscience, получившая лицензию на производство этого аэрозоля, описывала его в своем пресс-релизе как “первый бактериальный продукт нового поколения, специально предназначенный для повышения защищенности организма против болезней”. Выступая перед репортерами, Джон Делоаш, один из разработчиков аэрозоля, добавил, что его широкое использование может когда-нибудь позволить свести уровень опасных болезнетворных микробов в яйцах и сырой курятине до уровня “столь низкого, что это перестанет иметь какое-либо значение”.
Но ажиотаж вокруг нового средства вскоре начал спадать, первоначальная волна спроса на Preempt схлынула, и на него осталось лишь несколько долгосрочных заказов от “органических” птицеферм. В 2002 году компания MS Bioscience, не поднимая шума, прекратила продажи этого аэрозоля на североамериканском рынке. Что же произошло? Микробиолог Тодд Кэллауэй, присоединившийся к “пробиотической” команде исследовательской службы Министерства сельского хозяйства в 1999 году, говорит: “Это средство имело успех, но оно было все же не столь дешевым, как антибиотики. Его применение в пересчете на одну птицу обходилось примерно в один цент, притом, что с помощью антибиотиков фермеры могли добиться такой же стимуляции роста за одну треть цента”. Что же касается пользы аэрозоля для борьбы с сальмонеллами, то куры не страдают от этих опасных болезнетворных микробов, как люди, а платить фермерам дополнительные деньги за то, что их продукция гарантированно не будет загрязнена сальмонеллами, никто не собирался.
Но такой исход отнюдь не обескуражил исследователей, вскоре разработавших свиной аналог аэрозоля Preempt, который должен был снизить уровень загрязнения свинины сальмонеллами и другими возбудителями опасных болезней человека. Но на этот раз они постарались получить средство, которое в первую очередь будет приносить выгоду фермерам, а снижение уровня опасных для человека микробов станет для потребителей лишь “бесплатным бонусом”. Полученный пробиотик обеспечивал защиту от едва ли не главного бедствия современного свиноводства - поносов, вызываемых дюжиной с лишним токсичных штаммов кишечной палочки. Штаммы этой бактерии, вызывающие понос у свиней, не представляют опасности для человека, но по их вине гибнут миллионы поросят ежегодно. Инфекция часто развивается у поросят в тот непростой период, когда их отнимают от матери и в массе собирают в отдельных загонах.
“Это грустное зрелище, - говорит Фрэнсис Форет, отвечающий в свиноводческом предприятии Missouri Sow Center (базирующемся в городе Ламар, штат Миссури) за выращивание четверти миллиона поросят ежегодно. - Поросята, страдающие поносом, мало едят, перестают расти, лежат себе и лежат, бледные как мел, с взъерошенной щетиной, а задики у них красные, воспаленные, как у младенцев с ужасным пеленочным дерматитом". Во время вспышек этих инфекций фермер нередко теряет порядка 20 % поросят, объясняет Форет, а те, что выживают, растут медленно и так никогда и не достигают положенного веса. “Никакие антибиотики тут особенно не помогают”, - добавляет он. Более того, в результате применения антибиотиков эти инфекции в целом становятся еще смертоноснее.
Форет охотно принял участие в практическом испытании средства, полученного исследователями из Министерства сельского хозяйства, и выяснил, что работники предприятия могут без труда давать этот препарат не менее чем 750 только что отлученным от матери поросятам ежедневно, впрыскивая пробиотик им в рот из бутылочки с пульверизатором и мерной шкалой. По словам Форета, препарат не только показал свою эффективность для профилактики поносов, но и позволил вылечить многих уже зараженных поросят. “Они менялись на глазах, - вспоминает он. - Только что были бледными как мел, и вот они уже розовеют, встают на ноги, начинают прыгать и скакать, отъедаются и округляются”.
Суммарным результатом проведенных на предприятии испытаний оказалось снижение смертности на 2,5 %. Может показаться, что это не так уж много, но если помножить число спасенных поросят на 50 долларов, которые предприятие получает в пересчете на голову выращенной свиньи, сумма будет немалой. За тот год, когда Форет принял участие в практическом испытании этого пробиотика, дополнительная прибыль Missouri Sow Center составила около 312 000 долларов.
В дальнейшем исследователи из Министерства сельского хозяйства надеются испытать свой пробиотик на новорожденных поросятах, многие из которых тоже заболевают поносами. “Если впрыскивать препарат поросятам в течение первых суток их жизни, это увеличит вероятность того, что у них в организме навсегда поселятся полезные разновидности бактерий”, - говорит руководитель исследования Харви. Свиноводам, таким как Форет, нравится эта идея, потому что тогда пробиотик можно будет включить обычный набор прививок и минеральных добавок, которые получает каждый новорожденный поросенок. “Мы вполне готовы, - считает Форет. - Будет совсем нетрудно еще и впрыскивать им этот препарат”.
Тем временем компания MS Bioscience вновь заинтересовалась реализацией аэрозоля Preempt- на этот раз на европейском рынке, где действует запрет на применение антибиотиков для стимуляции роста. “Кого бы вы ни выращивали - цыплят, поросят или телят, - вы всегда будете заинтересованы в том, чтобы у них в организме поселились хорошие микробы, прежде чем туда успеют попасть плохие, - подытоживает Кэллауэй. - Но пока у фермера есть антибиотики, снижающие себестоимость продукции, нельзя винить его в том, что он выбирает именно их”.