Nierówna walka człowieka z chorobami wywoływanymi przez mikroorganizmy – fikcja czy rzeczywiste zagrożenie

Zdolność szybkiego uodparniania się bakterii na antybiotyki stała się przyczyną narastającego problemu nieskuteczności wielu antybiotyków. Choroby, które uznano wcześniej za opanowane i uleczalne, na przykład gruźlica czy stany zapalne opon mózgowych, dziś są coraz bardziej groźne i coraz częściej lekarze mimo stosowania antybiotyków są wobec nich bezradni. Wiele leków wcześniej uważanych za skuteczną bron przeciwko chorobom bakteryjnym i wirusowym dziś nie pozwala na wygranie z tymi chorobami walki. Dzieje się tak, ponieważ bakterie i wirusy do perfekcji opanowały zdolność szybkiego uodparniania się na antybiotyki. Bakterie, które miały kontakt z danym antybiotykiem potrafią przekazać informację na temat tego, jak obronić się przed jego działaniem również tym bakteriom, które nie miały z lekiem żadnego kontaktu. Bakterie coraz szybciej mutują nabierając zdolności bronienia się przed lekami, jakimi dysponuje ludzkość. Przyspieszamy ten bardzo groźny dla nas proces nadużywając antybiotyków. Jeżeli lekarze ordynują terapię antybiotykową nawet wtedy, gdy nie jest ona konieczna, na przykład przy zwykłych infekcjach górnych oddechowych czy grypie o łagodnym przebiegu, dają bakteriom możliwość wzmocnienia swojej odporności na dany antybiotyk. Zwiększają prawdopodobieństwo mutacji bakterii w stronę zwiększenia ich odporności na leki. Antybiotyki są nagminnie nadużywane. Według niektórych szacunków nawet jedna trzecia przypadków ordynowania leków antybiotykowych nie jest konieczna. Antybiotyki stosuje się nie tylko w medycynie. Ogromne ilości antybiotyków jest dodawana między innymi do pasz, płynów odkażających i czyszczących (płyny do mycia naczyń, mydła itp.). Antybiotyki zawarte w tych substancjach likwidują bakterie wrażliwe na dany antybiotyk, ale jednocześnie przyspieszają proces uodparniania się na nie innych szczepów bakterii. Nawet jeżeli ludzie się opamiętają i zaczną bardziej rozsądnie stosować antybiotyki to nie zmieni to faktu, że bakterie, dzięki bardzo szybkiemu tempu podziałów komórkowych, potrafią szybko zmieniać swoją budowę tak, aby obronić się przed antybiotykami. Jednak ostrożne stosowanie antybiotyków spowolni to zjawisko.

Charakterystyka antybiotyków pochodzenia naturalnego.

Zdecydowaną większość znanych medycynie antybiotyków stanowią antybiotyki naturalnego pochodzenia. Oznacza to, że zostały one wytworzone przez organizmy żyjące w naturze, odkryte i ulepszone przez naukowców, ale nie sztucznie, od początku zsyntetyzowane. Antybiotyki są substancjami pełniącymi ważną rolę w procesach przystosowywania się niektórych organizmów do środowiska oraz do konkurencji o zasoby naturalne pomiędzy poszczególnymi gatunkami. Zdolność wytwarzania antybiotyków zwiększyła ich szanse na przetrwanie i stała się bronią przeciwko innym gatunkom traktowanym jako zagrożenie lub konkurencja. Antybiotyki są wytwarzane przez wiele gatunków grzybów, przez promieniowce, niektóre rośliny i kilka gatunków bakterii. Antybiotyk daje im przewagę między innymi nad tymi bakteriami, które są na dany antybiotyk wrażliwe. Ponieważ bakterie mają zdolność uodparniania się na antybiotyki, istnieje tendencja do wytwarzania przez organizmy nowych substancji tego typu (efekt istnienia tak zwanej presji selekcyjnej w przyrodzie).

Pierwszy antybiotyk odkrył w latach dwudziestych dwudziestego wieku Aleksander Fleming. Podczas prac laboratoryjnych prowadzonych na uniwersytecie w Londynie odkrył, po części przez przypadek, bakteriobójcze działanie substancji, którą nazwał penicyliną. Odkrył on, że pewien gatunek grzyba: pędzlak znaczony = łac. Penicillium notatum, ma zdolności bakteriobójcze i zabija bakterie rodzaju Staphylococcus. Odkrycie Fleminga stało się przełomem w medycynie i zapoczątkowało poszukiwania innych organizmów, które produkują antybiotyki o innych właściwościach. Najwięcej antybiotyków pozyskiwano z różnych pleśni.

Do antybiotyków o najwyższej skuteczności zalicza się wankomycynę. Została ona odkryta w roku 1956 w laboratoriach Eli Lilly and Company. Jedynie wankomycyna jest skutecznym antybiotykiem działającym na metycylinoopornego gronkowca złocistego (Staphylococcous aureus). Gronkowiec złocisty jest bardzo niebezpiecznym mikroustrojem, który jest odpowiedzialny za wiele zakażeń szpitalnych, prowadzących nawet do śmierci.

Działanie wankomycyny polega na zaburzeniu struktury ściany komórkowej bakterii, która pełni funkcję podtrzymującą kształt komórki oraz odpowiada za wszelkie interakcje pomiędzy komórką bakteryjną a jej otoczeniem. Dzięki swoim właściwościom wankomycyna potrafi zakłócić proces syntezy peptydoglikanu przez przyłączanie się antybiotyku do łańcuchów peptydowych zanim jeszcze zostają one połączone przez enzym transpeptydazę. Antybiotyk może przyczepić się do D-alanin leżących na końcu łańcucha i zablokować w ten sposób działanie transpeptydazy. Nie mogą się wówczas wykształcić poprzeczne mostki, bez których peptydoglikan ma rzadką, nietrwałą strukturę. Osłabiona dzięki temu ściana komórkowa ulega rozpadowi a komórka bakteryjna obumiera.

Najważniejszą cechą wankomycyny stanowiącą jej siłę w walce z gronkowcami jest jej umiejętność bardzo dokładnego dopasowania się do końca łańcucha peptydowego w ścianie komórkowej bakterii. Jednak bakterie wykształciły w sobie oporność na tę cechę antybiotyku. Aby przełamać opór bakterii należy dowiedzieć się jak najwięcej o mechanizmach powstania i działania tej oporności. Aby dowiedzieć się o tym jak najwięcej mikrobiolodzy dokładnie przebadali inne niż gronkowce bakterie, które uodporniły się dużo wcześniej, bo już w latach osiemdziesiątych, na działanie bakteriobójcze wankomycyny. Bakteriami tymi są VRE - vancomycinresistant enterococci, wankomycynoodporne enterokoki. W komórkach tych enterokoków zmianie uległy łańcuchy peptydowe, co uniemożliwia przyłączenie się wankomycyny do dwóch końcowych D-alanin. Proces ten zachodzi u większości entrokoków, czego efektem jest powstanie 5 wodorowych mostków, jednak u VRE jest to niemożliwe. W ich łańcuchach peptydowych D-alaniny mają zastąpiony tlen atomami azotu i wodoru. Przez tą zmianę w ich strukturze wankomycyna łączy się z łańcuchem peptydowym poprzez cztery a nie przez pięć wiązań wodorowych. Brak piątego wiązania jest przyczyną oporności tych bakterii na wankomycynę.

Bakterie sprawnie zmieniają swoje właściwości uodparniając się na wankomycynę. Wystarczą nawet małe zmiany ich struktury aby wankomycyna nie potrafiła przyłączyć się do łańcuchów peptydowych bakterii a przez to utraciła swoją zdolność niszczenia danych bakterii. Bakterie dzięki częstemu używaniu przez człowieka antybiotyków mają coraz więcej możliwości kontaktu z danym lekiem i wykształceniu u siebie odporności na ich działanie.

Antybiotyki nowej generacji.

Wcześniej, aby wykryć nowy antybiotyk i prześledzić jego działanie na poszczególne struktury komórki bakteryjnej działano wybraną substancją na całe komórki bakteryjne. Dzięki rozwojowi biologii molekularnej alternatywnym sposobem szukania skutecznych leków przeciwbakteryjnych są dokładne badania na poziomie molekuł. Pozwalają one identyfikować związki, które mają bardzo specyficzny, wyodrębniony sposób działania, na przykład są inhibitorami transpeptydazy, enzymu odpowiedzialnego za łączenie się peptydów w większe łańcuchy. Dzięki doświadczeniom i obserwacjom przeprowadzanym przez biologów molekularnych możemy dokładnie śledzić działanie konkretnego leku na daną strukturę komórki bakteryjnej. Dąży się do analizy działania antybiotyków w kilku miejscach komórki bakteryjnej jednocześnie.

Postęp w dziedzinie badań nad antybiotykami został zapoczątkowany dzięki znacznej miniaturyzacji procesów laboratoryjnych. Automatyzacja w działaniu wielu urządzeń laboratoryjnych zwiększyła precyzję badań. W tej chwili, dzięki wysokiej wydajności urządzeń przesiewowych naukowcy mają możliwość analizowania działania dużej ilości związków. Celem naukowców jest wyhodowanie transgenicznych szczepów bakterii, które produkowałyby antybiotyki o określonych przez człowieka właściwościach.

Do postępów w dziedzinie badań nad antybiotykami włożyły duży wkład badania genetyczne. Rozwój genetyki pozwala opracowywać nowe metody testowania właściwości leków. Badania nad genami, które kodują białka i odpowiadają za struktury komórkowe, zwiększyły szanse na wygraną w walce człowieka z chorobotwórczymi antybiotykami. Mikroorganizmy takie atakuje się na wiele sposobów. Niszczy się wybrane geny bakteryjne kluczowe dla funkcjonowania bakterii. Próbuje się również zakłócić produkowanie tych białek, które pomagają bakteriom rozprzestrzeniać się oraz pozwalają im na wykształcenie oporności na leki. Naukowcy odkryli, że skuteczność niektórych antybiotyków polega na możliwości blokowania genów odpowiedzialnych za podstawowe funkcje życiowe bakterii. Postęp w biologii molekularnej pozwala na szybsze i bardziej dokładne identyfikowanie tych genów. Służy do tego technika ekspresji In vivo (IVET). W technice tej wstawia się do kolejnych genów bakteryjnych specjalnie stworzonej sekwencji łańcucha DNA. W DNA zawarte są jednocześnie znaczniki i dezaktywatory genu. Bakterie oznaczone w ten sposób są wprowadzane do testowych organizmów. Następnym etapem w tej technice jest odseparowywanie bakterii z organizmów żywicieli i identyfikowanie znaczników, które były wcześniej umieszczane w bakteriach. Jeżeli nie będzie w genomie bakterii któregoś ze znaczników będzie to dowodem na to, że gen przez dany znacznik blokowany był genem niezbędnym do tego, aby dana bakteria mogła przeżyć.

Naukowcy szukają nie tylko genów kodujących podstawowe funkcje życiowe bakterii. Szukają oni również takich genów, które odpowiadają za uodparnianie się bakterii na antybiotyki. Jeżeli odnajdzie się takie geny, umożliwi to przywrócenie skuteczności antybiotyków. Przykładem antybiotyku niedziałającego już na wiele bakterii jest penicylina należąca do antybiotyków beta-laktamowych. Unieaktywnienie genu bakterii przez stosowanie jego inhibitora, którym jest kwas klawulanowy dołączany do amoksycyliny doprowadziło do stworzeniu nowego leku: augmentinu. Prawdopodobnie już niedługo badania polegające na szukaniu genów determinujących oporność na antybiotyki będą standardowo wykonywane.

Wielkie nadzieje w walce z bakteriami chorobotwórczymi pokłada się z badaniami bakteryjnego RNA. Większą częścią RNA to rRNA, czyli RNA rybosomalny, który wchodzi w skład rybosomów, które stanowią miejsce budowy białek. Do rRNA łatwo mogą przyłączać się antybiotyki. Już w roku 1987 odkryto, że antybiotyki należące do aminoglikozydów (np.: streptomycyna) wiążą się z bakteryjnym RNA i upośledzają proces odczytu kodu genetycznego przez rybosomy, co nie pozwala bakteriom na syntezę białek. Niestety wiele z antybiotyków o takich właściwościach działa toksycznie na organizm człowieka, nie mogą więc one być powszechnie stosowane w medycynie. Oprócz prób blokowania rRNA podjęto też próby blokowania mRNA, czyli RNA informacyjnego, które steruje produkcją białek. mRNA krąży pomiędzy DNA jądra komórkowego a rybosomami i przenosi informację genetyczną z nici DNA jądrowego do rybosomów. W rybosomach zachodzi translacja, syntetyzowane są białka. Każde mRNA ma inną strukturę i buduje tylko jeden typ białka. W laboratoriach mikrobiologicznych wytworzono małe molekuły (nie białka), które potrafią wiązać się z poszczególnymi mRNA. Wykorzystuje się je do walki z wirusem HIV. Wytworzone sztucznie molekuły potrafią wiązać się z mRNA, co blokuje ich współdziałanie z aktywatorami białkowymi, które jest konieczne do procesu replikacji wirusa.

Naukowcy przywiązują również dużą wagę do rozwijania tak zwanej terapii antysensowej. Produkuje się sekwencje takich nukleotydów, które potrafią ściśle wiązać się ze ściśle określonymi sekwencjami mRNA opakowując go. mRNA otoczony tym związkiem ulega dezaktywacji albo całkowitemu zniszczeniu. Badania nad lekami antysensowymi są dopiero w początkowej fazie, chociaż dopuszczono już do rynku leków pierwszy antysensowy lek, który walczy z wirusem cytomegalii. Większość dotąd wytworzonych leków tego typu ma działanie szkodliwe dla organizmu ludzkiego. Szkodliwość antybiotyków dla ludzi jest główną barierą blokującą rozwój badań nad terapiami antybiotykami nowej generacji. Jednak wykorzystując osiągnięcia genetyki medycyna jest coraz bardziej skuteczna i istnieje duża szansa na opracowanie nowych, skutecznych antybiotyków. Poznanie mapy genetycznej bakterii pozwala wyprodukować ściśle selektywne antybiotyki. Zwiększy się prawdopodobnie pula antybiotyków możliwych do stosowania w walce z mikroorganizmami. Poznanie mechanizmów uodparniania się bakterii na antybiotyki pomoże w szybkim tworzeniu takich leków, które będą tą odporność przełamywały.

W dziedzinie medycyny widoczne są ogromne postępy w porównaniu z sytuacją sprzed kilkudziesięciu lat. Nie pozwala to jednak na zwolnienie ludzi z obowiązku nie nadużywania antybiotyków. Należy stale pamiętać o zagrożeniach, jakie niesie zez sobą zdolność patogenów do szybkiego namnażania się i zmieniania swojej molekularnej struktury. Bakterie potrafią skutecznie się bronić przed coraz to nowymi antybiotykami i jak dotąd tempo tworzenia nowych leków nie jest na tyle szybkie, aby prześcignąć tempo mutacji bakterii i wirusów i zapewnić pełne bezpieczeństwo ludziom przed nowymi szczepami mikroorganizmów mogących zagrozić ich życiu.