Bakterijos prieš antibiotikus: kas ką nugalės?
Pir­mų­jų an­ti­bio­ti­kų iš­sky­ri­mas prieš šim­tą me­tų ir vė­les­nis jų tai­ky­mo pa­pli­ti­mas tu­rė­jo reikš­ti, kad bak­te­ri­nės in­fek­ci­jos – jau pra­ei­tis. Ta­čiau šiuo me­tu daž­nai gir­di­me apie bak­te­ri­jų at­spa­ru­mo an­ti­bio­ti­kams au­gi­mą: at­si­ran­da bak­te­ri­jų, ne­bi­jan­čių net ir nau­jau­sių an­ti­bio­ti­kų.

Problema ir medicinoje, ir žemės ūkyje

Kaip, atrodytų, primityvus organizmas sugeba pasipriešinti moderniosios medicinos išradimams? Norint geriau suprasti bakterijų atsparumo antibiotikams reiškinį, reikia žinoti, kur ir kada bakterijos susiduria su antibiotikais ir kaip jos gali išmokti su jais kovoti.

Kai šnekame apie bakterijų atsparumo antibiotikams problemą, iš karto įsivaizduojame ligoninių aplinką, žmonių infekcijų gydymą, per dažną ar per didelės dozės antibiotikų skyrimą ligoniams. Ne visada pagalvojame, kad dideli antibiotikų kiekiai yra naudojami žemės ūkyje, gyvulių ligoms gydyti, fermoms valyti ir nepageidaujamoms bakterijoms jose naikinti. Antibiotikai taip pat gali būti duodami gyvuliams profilaktiškai, siekiant pagerinti jų augimą ir išvengti ligų.

Nerimą kelia tai, kad antibiotikai gana ilgai išsilaiko nepakitę, t. y. nesuskaldyti ir funkcionalūs. Dideli antibakterinių medžiagų kiekiai nuolat patenka į aplinką ne tik su ligoninių atliekomis, bet ir su fermų nuotekomis, organinėmis trąšomis tręšiant laukus. Žinoma, palyginti su gydymui naudojamomis bakterijas naikinančiomis koncentracijomis, į aplinką patenkantys antibiotikai praskiedžiami, tad bakterijų nežudo. Tačiau tokios vadinamosios subletalios koncentracijos gali ilgainiui sukelti nepageidaujamus pokyčius ekosistemoje ir padidinti bakterijų atsparumą antibiotikams.

Atsparumas antibiotikams dažniausiai minimas kaip neteisingo ar perteklinio žmonių vartojimo (kai antibiotikų kursas ne laiku nutraukiamas ar vartojama neteisinga dozė) padarinys. Neteisingo gydymo metu bakterijos susiduria su subletalia antibiotiko koncentracija: dalis bakterijų nežūva ir po truputį mutacijų ar genetinės informacijos keitimosi būdu tampa vis labiau atsparios antibiotikui, kuriuo bandėme nuo jų apsisaugoti. Tokiu pačiu principu ir dirvos bakterijos, susidūrusios su nedidelėmis antibakterinių medžiagų koncentracijomis iš nuotekų, po truputį gali tapti atsparios šioms medžiagoms. Netyčia patekusios į žmogaus organizmą tokios bakterijos nepasiduos gydymui įprastais antibiotikais.

Vilniaus universiteto mokslininkai ieško bakterijų atsparumo priežasčių

VU GMC Biomokslų instituto Molekulinės biologijos laboratorijos mokslininkai: (iš kairės į dešinę, pirmoje eilėje sėdi) prof. Edita Sužiedėlienė ir dr. Julija Armalytė, (stovi) Laurita Klimkaitė, Gabija Goptaitytė, doktorantai Renatas Krasauskas ir Jūratė Skerniškytė, Emilija Karazijaitė

Vilniaus universiteto mokslininkai kartu su Lietuvos sveikatos mokslų universitetu įgyvendina Nacionalinės mokslo programos „Agro-, miško ir vandens ekosistemų tvarumas“ projektą „Intensyvaus ūkininkavimo įtaka antibiotikams ir biocidams atsparių bakterijų atsiradimui, išsilaikymui ir plitimui dirvožemyje bei vandenyje“, finansuojamą Lietuvos mokslo tarybos. Projekto tikslas – nustatyti, ar intensyvus ūkininkavimas ir jo poveikis dirvožemio bakterijoms turi įtakos antibakterinėms medžiagoms atsparių bakterijų atsiradimui, išsilaikymui ir plitimui dirvožemyje bei vandenyje.

Vilniaus universitete atliekamuose tyrimuose analizuojama bakterijų atsparumo antibakterinėms medžiagoms priežastis. Tiriamos bakterijos iš įvairių ekosistemų: vandens, dirvos, taip pat laukinių gyvūnų pernešama mikroorganizmų visuma. Šiuo metu tiriami dirvos mikroorganizmai: dirvožemis yra turbūt pačių gausiausių ir įvairiausių mikroorganizmų buveinė. Jau žinome, kad, nepaisant to, ar ūkininkaujama intensyviai, ar ekologiškai, dirvožemyje gausu bakterijų, pasižyminčių atsparumu naujų kartų antibiotikams (pavyzdžiui, naujos kartos beta laktamams). Pažymėtina, kad įvertinti dirvos bakterijų atsparumą antibiotikams nepakanka. Svarbu suprasti tokio atsparumo mechanizmą. Ar atsparumas atsiranda bakterijai suskaidžius antibiotiką? Gal bakterija tiesiog jo neįsileidžia? O gal jis aktyviai išmetamas iš ląstelės? Ar atsparumą antibiotikui viena ląstelė gali perduoti kitai? Pastarasis klausimas ypač svarbus, nes bakterijų sugebėjimas dalytis genais galiausiai sukuria dauginiu atsparumu (t. y. atsparumu daugeliui antibiotikų) pasižyminčias superbakterijas, prieš kurias nebėra jokių vaistų.

Dirvoje – ir ligoninėse pažįstami mikroorganizmai

Ieškodami, kokie genai sukelia dirvos bakterijų atsparumą antibiotikams, jau dabar galime pasakyti, kad tai nėra žinomi, patogeninėse bakterijose paplitę genai. Tai rodo, kad gamtoje egzistuoja daugybė įvairiausių būdų apsisaugoti nuo antibiotikų.

Nerimą gali kelti ir tai, kad dirvoje rasta nemažai mikroorganizmų rūšių, kurios jau pažįstamos ligoninėse – tai vadinamieji oportunistiniai patogenai. Šie mikroorganizmai nėra tikri patogenai – sveikam žmogui jie neturėtų būti pavojingi, tačiau nusilpusiems žmonėms, pavyzdžiui, žmonėms su susilpnėjusia imunine sistema, ligoniams, gydomiems nuo vėžio, oportunistinių patogenų užpuolimas gali pasibaigti mirtimi, ypač jei šie patogenai yra atsparūs antibiotikams. Antibiotikams atsparios dirvos bakterijos, atsiradusios tinkamoje vietoje tinkamu laiku, gali tapti mirtinos.

Antibiotikams atsparios bakterijos – net ir amžinojo įšalo žemėje

Atrodytų, kad reikia sustabdyti antibakterinių medžiagų patekimą į aplinką ir taip išvengsime bakterijų atsparumo didėjimo. Tačiau pastaruoju metu pastebėta, kad antibiotikams atsparių bakterijų gausu net ir ekosistemose, niekada nemačiusiose žmogaus veiklos: upės saloje Aliaskos gilumoje, urvuose, amžinojo įšalo žemėse. Žmogaus nepaliestose vietose rasta antibiotikams atsparių bakterijų, taigi ir atsparumą sukeliančių genų. Įdomu tai, kad nors šie genai suteikia atsparumą klinikoje naudojamiems antibiotikams, jie gali būti visai nepanašūs į šiuo metu klinikoje paplitusius genus, kurie kelia problemų gydant žmones.

Kyla klausimas: iš kur amžinajame įšale rastos bakterijos, niekada nesusidūrusios su moderniąja medicina, turi atsparumo antibiotikams genų?

Prisiminkime antibiotikų kilmę. Dauguma jų pirmiausia buvo išskirti iš (dažniausiai dirvos) mikroorganizmų. Bioinformatiniais metodais nustatytas spėjamas atsparumo genų amžius. Pavyzdžiui, skaičiuojama, kad beta laktamus skaldantys fermentai galėjo atsirasti net prieš du milijardus metų. Palyginti su moderniosios medicinos istorija, antibiotikus bakterijos naudojo daug seniau. Medicina tik pasitelkė gamtoje jau egzistavusius mikroorganizmų tarpusavio kovos ginklus ir juos pritaikė sau. Aišku, naujausius sintetinius antibiotikus sukūrė žmonės. Tačiau jie dažniausiai remiasi pradinėmis gamtinių antibiotikų struktūromis, tik jas šiek tiek pakeičia. Taigi, net sukūrus naują antibiotiko variantą, gali būti, kad gamtoje jis arba jau egzistuoja, arba egzistuoja labai panašus į jį junginys, o kartu ir atsparumą sukeliantis genas. Dėl šių priežasčių gamtoje esančių atsparumo genų visumos analizė gali padėti nuspėti, kaip bakterijos sugeba kovoti su naujais antibiotikais, ir sustabdyti atsparumo antibiotikams didėjimą.

Naujų bakterijų genų paieškos

Metagenominių bibliotekų kūrimo schema

Nauji molekulinės biologijos metodai leidžia atsparumo genų ieškoti dar giliau: dabar galime tirti ir tas bakterijas, kurių klasikinės mikrobiologijos metodais net neaptiktume. Klasikiniai metodai remiasi bakterijų dauginimu ant mitybinių terpių ir vėlesniu jų apibūdinimu, genų tyrimu. Tačiau dalis bakterijų yra taip pripratusios prie gyvenimo sudėtingoje dirvos aplinkoje, kad laboratorijos sąlygomis jų išauginti neįmanoma. Nustatyta, kad tik apie 1 proc. aplinkos bakterijų galima auginti laboratorijos sąlygomis. Didžiosios dalies bakterijų (vadinamų nekultivuojamomis bakterijomis) tirti klasikiniais metodais neįmanoma. Čia padeda mūsų laboratorijoje naudojami metodai – tam, kad apibūdintume bakterijas, nebereikia jų padauginti, pakanka išskirti DNR iš bakterijų, randamų dirvoje.

Mūsų tikslas – bakterijų atsparumo antibiotikams ištyrimas. Todėl mums svarbiausia aptikti atsparumą sukeliančius bakterijų genus. Juos galime surasti kurdami metagenomines bibliotekas (pav.), t. y. perkeldami nekultivuojamų bakterijų genus į jų labiau su mokslu kolaboruojančias giminaites bakterijas (pvz., žarnyno lazdelė Escherichia coli). Laboratorinės bakterijos įkeltus genus palaiko savais ir pradeda gaminti šių genų produktus. Taip jos įgauna ir atsparumą antibiotikams, kurį galime tirti.

Taigi galime surasti naujus atsparumą antibiotikams sukeliančius genus net ir neaugindami ypatingų sąlygų reikalaujančių mikroorganizmų.

Mikrorganizmų DNR ruošiama analizei elektroforezės metodu. Norint įvertinti bibliotekoms kurti paruoštos DNR kiekį ir kokybę, ji frakcionuojama pagal molekulių dydį ir stebima nudažius specialiais dažais

Bakterijos dalijasi informacija

Kodėl mums turėtų rūpėti nekultivuojamos bakterijos? Atrodo, jei jos nekultivuojamos, tai ir žalos žmogui neturėtų sukelti. Tačiau bėda ta, kad bakterijos dažnai linkusios dalytis turima informacija: atsparumo genai, koduojami DNR, gali būti pernešami tarp bakterijų. Taip atsparumas plinta ir iš nekultivuojamos bakterijos gali nesunkiai būti perduotas žmogui pavojingai bakterijai.

Vienas iš atsparumo genų transportavimo tarp bakterijų būdų yra genų telkiniai, vadinami integronais. Tokių atsparumo genų grupes koduojančių darinių aptinkame ir dirvos bakterijų DNR, taigi šios bakterijos jau yra pasiruošusios keistis informacija.

Šiandien jau suprantame, kad sudėtingi procesai dirvoje, bakterijų tarpusavio santykiai, žmogaus ūkinė veikla veikia dirvožemio mikroorganizmų įvairovę ir visumą. Žmonių nulemti pokyčiai ekosistemoje (pvz., tręšimas, monokultūrų auginimas) taip pat gali pakeisti jų pusiausvyrą. Kadangi dirvožemis – naujų atsparumo genų rezervuaras, reikia atidžiai stebėti procesus, vykstančius šiame didžiausiame genų banke. Bakterijų atsparumo kilmės ir evoliucijos tyrimas gali padėti užkirsti kelią naujiems antibiotikams atspariems patogenams atsirasti.