Антибиотикам ищут «сменщиков»

ФОТО АВТОРА

То, что россияне, как никто более в мире, принимают антибиотики «просто для профилактики», известно уже давно. Несмотря ни на какие запреты, эти лекарства по-прежнему можно купить в аптеке без рецепта, да и его получить совсем не сложно. Во время нынешней пандемии эта привычка уже приобрела угрожающий характер: хотя каждый вроде бы понимает, что против вируса антибактериальный препарат бессилен, тем не менее, по данным Всемирной организации здравоохранения, более 70% пациентов с COVID-19 получали антибиотики «на всякий случай».

Результатом стало появление особенно сильных штаммов микроорганизмов – тех же стафилококков и синегнойной палочки, – устойчивых ко всем существующим антибиотикам.

Что в свою очередь превратилось в огромную проблему, прежде всего для больниц: эти бактерии часто поражают пациентов, находящихся в палатах интенсивной терапии.

– При сохранении подобной тенденции борьба с инфекциями в скором времени может стать такой же, какой была до открытия антибиотиков, – утверждает наш собеседник. Артемий Евгеньевич – доктор медицинских наук, в Институте экспериментальной медицины он возглавляет лабораторию функциональной геномики и протеомики микроорганизмов.

– Короткой была эра антибиотикотерапии – и до ста лет не дотянула, если считать с 40-х годов прошлого столетия...

– Массовое применение пенициллина началось где-то в 1943-м, и медики всего мира тогда были уверены, что получили мощное оружие от всех болезнетворных микроорганизмов. Но всего 60 лет спустя, в 2000 году, в Торонто была принята Декларация по борьбе с бактериальной резистентностью, а годом позже ВОЗ опубликовала Глобальную стратегию по сдерживанию устойчивости к противомикробным препаратам.

И основной проблемой современного здравоохранения стали как раз инфекции, распространяющиеся в реанимационных отделениях больниц: риск летального исхода у пациентов с такими поражениями увеличивается в 5 – 7 раз. В условиях нынешней пандемии именно резистентные бактерии, а не ковид зачастую становятся причиной гибели больных.

– Мы в тупике?

– Ну не мы, а антибиотики – скажем так... И надо искать варианты решения.

Летом прошлого года совместно с медуниверситетом имени Мечникова и НИИ эпидемиологии и микробиологии имени Пастера мы проводили исследование в стационарах, перепрофилированных под коронавирус. В результате обнаружили в этих больницах бактерии, абсолютно устойчивые ко всем антибиотикам, и сейчас изучаем их геном.

Важно понимать, как он меняется в условиях ковидного стационара, где, с одной стороны, мы имеем скопление в ограниченном пространстве большого количества зараженных людей, а с другой – мощное использование антибиотиков. Процесс быстрой эволюции микроорганизмов происходит именно в больничных палатах.

– Кстати, какова средняя продолжительность жизни бактерии?

– Смена поколений происходит у них в течение максимум 20 минут.

– То есть спустя это время бактерия делится на две новые, у которых уже могут быть иные структуры в геноме?

– Получается, накопление мутаций может происходить действительно быстро. Поэтому расшифровка генома в дальнейшем поможет разработать методы прогнозирования эпидемиологически опасных ситуаций.

– Создается впечатление, что человек, «венец природы», постоянно проигрывает микробам.

– Пока все-таки не проиграл... Просто мир микроорганизмов в миллиарды раз многочисленнее: вы же знаете, что даже геном обитающих внутри каждого из нас вирусов, бактерий, грибов, архей в сотни раз превышает количество наших собственных генов. А если вспомнить, что каждые двенадцать лет человечество увеличивается еще на миллиард, то несложно представить, насколько возрастает число вирусов и бактерий, живущих внутри человека. Плюс добавим к этому вирусы внутри самих микроорганизмов...

Тут самое время вспомнить пословицу о том, что враг моего врага может стать моим другом: если антибиотики не помогают, можно попробовать использовать вирусы, способные уничтожать бактерии.

– Бактериофаги?

– Именно. Как известно, вирусы – самая древняя форма жизни на нашей планете, а бактериофаги к тому же и самая многочисленная, существующая на Земле свыше 3 млрд лет. Они присутствуют повсюду в нашем мире – в океане, почве, глубоководных источниках, питьевой воде и в нашей пище. Их размножение происходит только внутри бактерии-хозяина, и важным свойством бактериофагов является их специфичность: фаги могут поражать определенный вид бактерий или даже только избранные штаммы одной бактерии.

Очевидно, что в процессе совместной эволюции бактерии выработали своего рода иммунитет против фагов. Например, бактерия с помощью мутаций может лишиться рецепторов к определенному фагу, чтобы он не смог проникнуть внутрь нее, но и фаги могут вполне успешно и довольно быстро преодолевать иммунитет бактерий за счет точечных мутаций уже у себя.

– Своеобразное противостояние...

– Несомненно, что эти вирусы – инструмент регуляции бактериальной плотности. В свое время активно изучались бактериофаги, которые паразитируют в холерных вибрионах, потому что было доказано, что для человека холера становится опасной, когда там поселяется бактериофаг и начинает продуцировать токсин. Без вируса холерный вибрион не опасен для нас, и, например, в Неве периодически его находят, но никаких заболеваний не фиксируется, поскольку в вибрионах нет бактериофагов.

Это, кстати, типичная схема для патогенных бактерий: та же дифтерийная бактерия – нормальный обитатель слизистых нашего горла, но как только туда приходит специальный бактериофаг, начинается заболевание.

– Так, пока не очень понятно, чью же популяцию в итоге регулируют бактериофаги?

– Они эгоистичны – им важно рассеяться как можно шире, а обитая внутри бактерии, которая способна передаваться от человека к человеку, бактериофаг получает возможность максимального распространения.

Вирусы вообще и бактериофаги в частности могут использовать разные стратегии выживания. Некоторые могут внедряться в организм хозяина, и для них важно длительное сосуществование с ним (например, таков вирус герпеса человека), а есть вирусы, которым важно как можно быстрее охватить максимальное количество организмов – так и возникают эпидемические события, с которыми человечество борется.

Выбор той или иной эволюционной стратегии, судя по всему, определяется самой биологией микроорганизма.

– Зачем же нам бактериофаги, которые способны незаразную бактерию сделать для нас опасной?

– Мы ищем те микроорганизмы, которые способны убивать бактерии, хотя такой функцией, похоже, обладает не самая большая группа бактериофагов. Большинству важно не уничтожить хозяина, а договориться с ним. Но и у тех организмов, что способны подавить бактерию, по всей видимости, есть механизмы регуляции этого процесса: вирусы никогда не ликвидируют популяцию целиком – чтобы использовать этот кормовой ресурс в будущем.

Кстати, при борьбе с опасной бактерией, поразившей организм человека, вовсе не обязательно ставить цель уничтожить всех «врагов» с помощью бактериофага – достаточно, если он лишь снизит концентрацию бактериальных клеток, разрушив ту самую биопленку, с помощью которой инфекция защищает себя от нашей иммунной системы. Именно способность разрушать эту преграду – одно из замечательных свойств бактериофагов.

Вообще история применения бактериальных вирусов в медицине насчитывает уже более ста лет. Сегодня у всех на слуху имя российского микробиолога Николая Гамалеи – институт, носящий его имя, разработал вакцину «Спутник V». Но вообще-то Николай Федорович в 1886 году создал первую в стране, в Одессе, бактериологическую станцию и осуществил вакцинацию людей против бешенства, а с 1912-го по 1928 год он руководил Петербургским (Петроградским) оспопрививательным институтом имени Дженнера. Так вот, по некоторым данным, именно он еще в 90-е годы ХIХ века наблюдал гибель бацилл сибирской язвы – вроде как самих по себе.

Но первая научная публикация о фагах вышла лишь в 1915 году. Ее автор, английский микробиолог Туорт, описал необычное инфекционное поражение стафилококков. Ученый отследил, как некий инфекционный агент свободно проходил через бактериальные фильтры, и выдвинул несколько гипотез, объясняющих это явление. В частности – гипотезу о некоем вирусе, подобном вирусам растений и животных. Однако Туорт ушел на фронт, забросив научную работу, – шла Первая мировая.

Лишь в 1917 году уже канадский бактериолог Д,Эрелль сообщил научному сообществу об открытии вируса, «пожирающего» бактерии: он проводил эксперимент с шигеллами, вызывавшими дизентерию. В дальнейшем он обнаружил фаги стафилококка, холерного вибриона и сальмонеллы.

Ученик Д,Эрелля грузинский микробиолог Георгий Элиава в 1923 году основал в Тбилиси Институт бактериофагов, и в Советском Союзе была сформирована серьезная научная школа. Кстати, рассказывают, что сам Иосиф Сталин подарил канадскому ученому дом в Грузии, чтобы он остался там жить навсегда: с помощью бактериофагов успешно лечили раневые инфекции, и это, видимо, впечатлило Сталина. Но в 1930-е годы, когда ученых стали арестовывать одного за другим, Д,Эрелль быстро вернулся домой.

Тем не менее в Грузии был создан мощный институт – он и сегодня (под названием НИИ бактериофагов, микробиологии и вирусологии) один из лидирующих по этой проблеме в мире. А еще были предприятия по изготовлению препаратов на основе бактериофагов в Уфе, Нижнем Новгороде и Перми.

Одним из самых, пожалуй, масштабных примеров практического применения фагов является их использование во время Великой Отечественной войны: в Ташкентском институте вакцин и сывороток разработали препарат, содержащий 19 видов бактериофагов, в том числе холерный, брюшнотифозный и дифтерийный. В Сталинграде в связи с угрозой эпидемии холеры производство холерного фага было налажено прямо во время битвы!

К сожалению, вместе с Советским Союзом ушла и стройная система изготовления лекарственных препаратов на основе бактериофагов. К тому же все были уверены, что антибиотики решат наши проблемы с инфекциями.

– Но мы ошиблись. Тем не менее бактериофаг, как вы заметили, очень избирателен: универсального, способного убивать все бактерии, быть не может?

– Видимо, не может. Поэтому так важно создавать коллекции фагов и изучать возможности каждого из них. Поскольку бактериофаги «работают» в конкретных микроорганизмах, важно постоянно изучать их и находить полезные в этом смысле для нас.

– Именно поэтому вы участвуете в экспедициях в районы вечной мерзлоты?

– Да, в тамошних отложениях, которые сотни тысяч, а то и миллионы лет находятся в ненарушенном виде, можно отыскать древние бактерии, а внутри них – древние вирусы. Например, в Верхоянском районе Якутии есть Батагайский термокарстовый кратер – он интересен тем, что это одно из самых холодных мест в Северном полушарии. И одновременно – место, где не было каких-то глобальных геологических изменений, и можно после бурения скважины и извлечения кернов получить древние микроорганизмы.

Мы не случайно ищем новые бактериофаги в необычных, экстремальных нишах. Например, в Арктике и Антарктике – колоссальное разнообразие бактерий, сравнимое с разнообразием микроорганизмов в джунглях. И из этого резервуара можно черпать новые разновидности тех же бактериофагов: низкие температуры для них не помеха – суровые условия лишь ускоряют, видимо, их эволюцию.

Поэтому с недавних пор я сам участвую в экспедициях палеонтологов в Якутию. Вот в марте вернулся из очередной поездки: мы смогли получить непрерывный ряд биологических образцов, которые характеризуют почву вместе с бактериями. Правда, нам важно отыскать микроорганизмы, свойственные не для почвы, а для, например, пищевого тракта древних животных: важно понять, как эволюционирует микробиота, которая может вызывать заболевания у животных и человека.

Кстати, в останках организмов в древней мерзлоте мы обнаружили микроб, который обитает и в ковидных стационарах – ацинетобактер, поражающий легкие пациентов, находящихся на искусственной вентиляции. Этот микроорганизм прекрасно чувствует себя и в Арктике, и в Антарктиде, его не уничтожить ни дезинфектором, ни ультрафиолетом, и к антибиотикам он быстро вырабатывает устойчивость. Вот тут-то и найти бы против него бактериофаг!

– Пару лет назад вышел документальный фильм Дениса Бевза «Охотники за мамонтами»: немного странно было видеть, как вы, микробиолог, искренне радовались, обнаружив в якутской пещере фекалии древнего зайца. Это действительно ценная находка?

– Еще какая! До этой экспедиции я занимался изучением палеонтологического материала, работая в лаборатории. Палеонтологи привозили мне из Якутии в больших пакетах, например, останки мамонта или ткани других древних животных, и мы искали в них живые микроорганизмы.

Но от вечной мерзлоты до дверей лаборатории этот палеонтологический материал проделывал длинный путь, из-за чего наши находки были небесспорными. Например, мы нашли у Малоляховского мамонта бактерии, но то, что они древние, убедительных доказательств тогда предоставить не смогли: останки животного, найденные местными охотниками за древностями, сначала волоком тащили по льду в село Казачье, где они долго хранились в погребе одного из местных жителей.

– То есть в останки мамонта вполне могли заселиться современные бактерии?

– Теоретически могли. Тогда стало понятно: надо работать непосредственно на раскопках. И когда наши коллеги из Северо-восточного федерального университета в Якутске запланировали экспедицию в район Бунге-Толль (это место названо в честь двух ученых, которые в конце ХIХ века открыли крупнейшее в мире кладбище мамонтов – перед тем как отправиться на поиск Земли Санникова), я сразу же согласился.

– Немного странно видеть, как серьезные ученые работают рядом с нелегальными искателями древних ценностей.

– Да, охотники за бивнями мамонтов с помощью специальных водяных помп размывают почву и тем самым разрушают слои вечной мерзлоты, но при этом они находят уникальные для нас экземпляры древней фауны, которые пролежали бы в земле еще тысячи лет.

– Скажем им спасибо вместо наказания?

– Тут есть две точки зрения. Кто-то утверждает, что если мы не можем добыть этот палеонтологический материал, не создавая ущерба, то и не надо ничего трогать – пусть все останется еще лет на двести, пока не появятся достойные технологии. По большому счету нормальные раскопки должны идти вручную – чтобы не повредить мягкие ткани древних находок или костный аппарат. Ведь своими водяными помпами люди полностью разрушают слой мерзлой почвы, в которой находятся ископаемые останки, что делает бессмысленными дальнейшие научные исследования.

Оппоненты возражают: территория Республики Саха – это шесть Франций, район вечной мерзлоты колоссальный, при этом местным жителям работать негде, и они вынуждены заниматься этим трудным и опасным промыслом.

– И ученые решили хоть как-то этим воспользоваться?

– Нам приходится в полевой работе с этим соприкасаться. В Якутске работают несколько сильных палеонтологических групп, и у каждой из них есть свои знакомые среди искателей – если кто-то из местных жителей находит что-то интересное, местное население быстро об этом узнает. Иногда палеонтологи покупают находки, а какие-то кажутся местному населению неинтересными – они могут просто нам их подарить.

В экспедиции 2019 года, о которой снят тот фильм, мы работали в одной из пещер, размытых как раз промысловиками. Получили образцы тканей и фекалий древних грызунов и сейчас ведем поиск бактериофагов, которые вполне могут быть активными против современных антибиотикорезистентных бактерий. Помогают нам в этом коллеги из Марселя – с их помощью мы характеризуем ДНК древних организмов из образцов вечной мерзлоты.

– Коллеги из Марселя? Не слишком ли далеко от зоны вечной мерзлоты?

– Марсельская команда биоинформатиков – одна из сильнейших в мире. К тому же руководит ими Жан Мишель Клавери – известнейший вирусолог, один из первооткрывателей гигантских вирусов, особых микроорганизмов, которые обитают внутри одноклеточных организмов, например амеб.

– Что ж, выходит, по причине фиаско антибиотиков ждем ренессанса бактериофагов?

– Антибиотики пока позиций своих не сдают – что бы кто ни говорил, в борьбе с инфекциями без них пока не обойтись. Но, несомненно, надо искать альтернативные препараты, и тут именно бактериофаги могут прийти на помощь.

Еще в начале 2000-х Гленн Моррис, сотрудник Мэрилендского университета в США, совместно с коллегами из грузинского института начал испытания фаговых препаратов для получения лицензии на их применение. В итоге в 2006 году использование бактериофагов в США было одобрено – в качестве пищевой добавки (спрей для обработки мяса), а в некоторых штатах фаготерапию разрешено применять натуропатам или же в качестве дополнительного метода в комплексном лечении, например ран.

В России сегодня зарегистрировано и производится чуть более десятка таких препаратов, и применяются они в основном по-прежнему как мази при лечении раневых инфекций. Но, надеюсь, в ближайшее время мы все-таки сумеем найти новые и эффективные бактериофаги против особо опасных микробов.