Логотип журнала "Провизор"








Л. В. Львова,
кандидат биологических наук

В поисках идеального лекарства

журнал “Провизор”

Есть невидимый мир. И состоит он из множества бактерий. Некоторые из них полезны. Благодаря им формируется плодородие почвы и поддерживается содержание углекислого газа в атмосфере. Некоторые — агрессивны. Они угрожают нашему здоровью. Для борьбы с ними создаются все новые и новые препараты...

Имя им — легион

В 1675 г., рассматривая зубной налет под микроскопом, Левенгук увидел множество шарообразных, извитых и палочковидных обитателей полости рта. Это были бактерии.

Шаг за шагом ученые проникали в тайны невидимого мира. Оказалось, что шаровидную форму имеют кокки, палочковидную — бациллы, клостридии и псевдомонады, а извилистую — вибрионы, спириллы и спирохеты. И живут они повсюду — в воде, атмосфере, почве и даже в организме человека, участвуя в круговороте веществ в природе, формировании структуры и плодородия почв, поддержании запасов углекислого газа в атмосфере, а некоторые из них вызывают инфекционные заболевания. Встречаются среди бактерий гиганты, достигающие нескольких десятков микрон (серобактерии), и лилипуты, подобные Micrococcus progrediens величиной 0,15 мкм. Все они объединены в царство одноклеточных организмов — прокариот. У прокариотических клеток нет заключенного в мембрану ядра. Вся генетическая информация, необходимая для нормальной жизнедеятельности, сосредоточена в нуклеоиде в виде двойной спирали ДНК, образующей кольцо. Длина такой своеобразной хромосомы 1,2 мм, толщина —20А, молекулярная масса — 2, 8 109 Да. И кодирует она около 2000 разных белков. Некоторые полезные для бактерий качества закодированы в плазмидах — сравнительно небольших кольцевых молекулах ДНК, содержащих от четырех до пятидесяти тысяч пар оснований. Кстати, именно в плазмидах находятся гены устойчивости к антибиотикам. Синтез белков осуществляется на “фабриках белка” — рибосомах, а в резервных гранулах накапливаются запасные вещества, в частности, полифосфаты, используемые для синтеза нуклеиновых кислот и фосфолипидов в условиях недостатка фосфора. Весь остальной объем клетки занимает цитоплазма.

Очень важную роль в жизни бактерий играют клеточные оболочки. Они выполняют транспортную функцию, регулируя потоки питательных веществ и метаболитов, и сохраняют целостность клетки, защищая ее от неблагоприятных физических и химических факторов. В соответствии с реакцией Грама бактерии делят на грамположительные и грамотрицательные. И те и другие имеют цитоплазматические мембраны, но мембраны грамположительных клеток “отдают предпочтение” фосфатидилхолину (Bacillus megaterium), а мембраны грамотрицательных (E. coli) — фосфатидилэтаноламину. Основным компонентом клеточных стенок грамположительных бактерий является пептидогликан, состоящий из пептидов и дисахаридов, связанных между собой поперечными связями. На его долю приходится 60–90% состава клеточных стенок, причем бактерии очень различаются по составу своих пептидогликанов. Над петидогликановым слоем располагаются тейхоевые кислоты — полимеры глицерол- или рибитолфосфата, замещенные различными сахарами и D-аланином. С пептидогликановым слоем они связаны фосфоэфирными мостиками. У тейхоевых кислот несколько функций. Они поддерживают высокую концентрацию двухвалентных катионов вблизи клеток, способствуют стабильности стенок и обусловливают антигенные свойства бактерий при попадании в организм человека.

У грамотрицательных бактерий над тонким слоем пептидогликана (моно- или бимолекулярным) располагается липополисахаридная оболочка. В состав ее входит множество различных фосфолипидов и углеводных остатков, варьирующих даже в пределах одного вида. Яркий пример — небезызвестная сальмонелла. Такая вариабельность состава клеточных стенок предполагает наличие у бактерии видоспецифических ферментных систем, благодаря которым они приспосабливаются к неблагоприятным условиям окружающей среды. У многих видов микроорганизмов внешняя мембрана окружена капсулой и слизистым слоем, по химической природе представляющим собой полисахарид. Очень часто именно с капсулой связаны патогенные свойства бактерий. Taк, возбудителем пневмонии может быть только штамм пневмококков, имеющий капсулу, построенную из остатков глюкозы и глюкуроновой кислоты. Мутанты-пневмококки, не обладающие такой защитой, практически безвредны.

В ответ на “чрезвычайные обстоятельства” некоторые бактерии образуют споры, которые всегда формируются внутри клеток. При этом размеры и форма самих клеток либо меняются, либо нет. При благоприятных услових споры прорастают, их оболочки лопаются, и “на свет появляются” бактерии. Такой процесс характерен для возбудителя столбняка Clostridium Tetani. Если спорам через поврежденные кожные покровы или слизистые оболочки удается проникнуть в организм, то из них развиваются бактерии, которые вырабатывают токсин, действующий на нервную систему.

Живую бактериальную клетку можно сравнить с химическим реактором, в котором происходит множество независимых, катализируемых ферментами реакций. Совокупность всех химических превращений называют метаболизмом. Метаболические реакции, как правило, объединены в последовательности — пути метаболизма. Связь между ними осуществляется либо через циклические, закрытые пути, в которых продукт последней стадии является исходным веществом для первой стадии, либо посредством ответвлений от основных путей, соединяющих одну последовательность реакций с другой. В процессе метаболизма образуются основные компоненты клетки — аминокислоты, нуклеиновые кислоты, АТФ и липиды. На завершающем этапе — спирты и органические кислоты, а иногда в экстремальных обстоятельствах “запускается производство” вторичных метаболитов — токсинов или антибиотиков. Исходными веществами при синтезе антибиотиков являются первичные метаболиты — аминокислоты, поликетиды и т. д. (рис. 1). Регуляторами этого процесса служат первичные метаболиты, отношение концентрации АТФ к сумме концентраций АТФ, АДФ и АМФ, а также средний уровень концентрации фосфатов.

рис. 1
рис.1. Упрощенная схема путей метаболизма, ведущих к образованию антибиотиков

По типам питания бактерии представляют собой довольно разнородную группу. Наиболее распространено среди них гетеротрофное питание. К гетеротрофам относятся сапрофиты, использующие органические вещества погибших животных и растений (Acetobacter), и паразиты, которые функционируют только в живом организме (E. сoli). Некоторые бактерии живут в присутствии кислорода. Их называют аэробами. Другие — не нуждаются в кислороде. Это анаэробы. Но лучше всех устроились факультативные анаэробы — они могут существовать как в присутствии кислорода, так и без него.

Энергию, полученную при деградации питательных веществ, клетки аккумулируют в виде высокоэнергетических соединений типа АТФ. Это очень удобно, поскольку при отщеплении одной фосфатной группы выделяется 28–48 тыс. джоулей. Запасенная энергия расходуется на синтез молекул, транспорт веществ и механическую работу, связанную с делением и передвижением бактерий. Углерод, азот, серу и фосфор, необходимые для построения структурных элементов, гетеротрофы получают из органических веществ.

Размножаются бактериальные клетки путем поперечного деления. Исключением являются Spirochaetales, которые делятся в продольном направлении. Процесс этот очень интенсивный. К примеру, в богатой питательными веществами среде число клеток E. coli удваивается всего за 20 минут. Жизненный цикл бактерии включает от 10 до 17 делений и заканчивается лизисом.

Вот так и живут бактерии. И все было бы хорошо, если б некоторые из них не обладали патогенными свойствами. Представители этой группы — гетеротрофы — прекрасно себя чувствуют в организме человека.

Многочисленных представителей кокков, способных вызывать гнойно-воспалительные процессы, часто называют гноеродными кокками. Все они не образуют спор, не имеют капсул (за исключением пневмококков), но различаются по морфологии, типу дыхания и структуре клеточных оболочек. Стафилококки, образующие гроздевидные скопления, являются возбудителями более ста различных заболеваний. Это грамположительные бактерии, факультативные анаэробы. Стрептококки (внешне представляют собой цепочку из клеток) вызывают скарлатину, рожистое воспаление, ревматизм. Грамположительны. Факультативные анаэробы. Пневмококки после деления материнской клетки образуют пары. Провоцируют развитие крупозной пневмонии, отита и ползучей язвы роговицы глаза. По типу дыхания и структуре клеточной оболочки не отличаются от стафилококков и стрептококков. А вот гонококки, вызывающие гонорею, являются аэробами. По форме похожи на пару бобов, грамотрицательны.

Еще одна группа патогенных бактерий “специализируется” на инфекционных кишечных заболеваниях, которые ежегодно уносят тысячи жизней практически во всех странах мира.

Возбудители кишечных заболеваний, как правило, представляют собой грамотрицательные палочки, не образующие спор. По типу дыхания — факультативные анаэробы.

E. coli имеет множество штаммов. Некоторые из них обитают в кишечнике и участвуют в процессе пищеварения, синтезируют витамины и защищают нас от патогенных бактерий. Это — “положительные герои”. Но есть и “отрицательные”, которые, попадая в организм с водой и продуктами питания, могут вызывать заболевания. Бороться с ними очень трудно, поскольку E. coli может очень быстро приспосабливаться к новым условиям жизни, образуя штаммы, устойчивые к лекарственным препаратам.

Vibrio coma, распространяясь через пищу и воду, может вызывать эпидемии холеры. Только с 1991 по 1994 гг. в странах Южной и Центральной Америки было зарегистрировано более миллиона случаев этого заболевания, причем 10 тыс. со смертельным исходом.

Большую угрозу здоровью общества представляет Salmonella. Вспышки сальмонеллеза чаще всего связаны с потреблением яиц, мясных и молочных продуктов, содержащих болезнетворный агент. Ее новые штаммы, устойчивые ко многим антибиотикам, занимают лидирующие позиции в качестве возбудителей кишечных заболеваний.

В 1976 г. газеты пестрели сообщениями о таинственном недуге, поразившем участников ежегодного съезда Американского легиона. С легкой руки журналистов его стали называть болезнью легионеров. Через год удалось выявить возбудитель. У него оказался уникальный жирнокислотный состав клеточной стенки и необычная последовательность нуклеотидов ДНК. Он не имел родства ни с одним из известных микроорганизмов, и поэтому его выделили в новый род — Legionella. Дальнейшие исследования показали, что легионеллы обитают в природных водоемах, а патогенные формы — в искусственных водных системах. Они настолько хорошо приспосабливаются, что могут селиться целыми колониями на металлах и синтетических материалах, а многие грамотрицательные бактерии используются ими для стимуляции размножения. Семейство Legionella насчитывает уже десятки видов, но до сих пор неясно, что именно обусловливает патогенные свойства, почему одни легионеллы вызывают вспышки пневмонии, другие — острой респираторной лихорадки, третьи — лишь единичные случаи заболевания на фоне нарушения иммунологического статуса больных, а четвертые — и вовсе безвредны. При лечении легионеллезов возникают трудности, обусловленные способностью возбудителей образовывать штаммы, устойчивые к антибиотикам.

Бактерии могут быть и палачами, и жертвами. Все зависит от обстоятельств. Выступая в роли палача, они угрожают нашему здоровью, но, выступая в роли жертвы, зачастую сами гибнут. Большую опасность для них представляют бактериофаги — вирусы, состоящие из ДНК (или РНК) в белковой оболочке. Это типичные паразиты, которые начинают размножаться только после проникновения в клетку-хозяина. Происходит это так. Прикрепившись к мембране, фаг впрыскивает в бактерию свою ДНК, которая заставляет рибосомы синтезировать ферменты, разрушающие ДНК клетки-хозяина и содействующие многократному копированию фаговой ДНК. После чего синтезируются белки, необходимые для формирования оболочки вируса. Соединяясь с ДНК, они формируют полноценные зрелые бактериофаги, которые начинают синтез лизоцима, способного разрушать пептидогликаны клеточных стенок бактерий. В результате лизиса клетка погибает и высвобождается множество новых фагов, готовых “приступить к работе”. Разрушительные способности не остались незамеченными, их стали использовать при лечении инфекционных заболеваний.

Лекарства антибактериальные — пока еще не идеальные

В середине 30-х — начале 40-х годов один за другим в медицинскую практику вошли стрептоцид и пенициллин. Открытие их антибактериальных свойств связано, как это часто бывает, с Его величеством Случаем.

В 1935 г. Герхард Домагк совершенно неожиданно обнаружил, что некий краситель пронтозил, известный в народе как красный стрептоцид, может оказывать мощное антибактериальное действие. Лишь позднее стало ясно, что гибель бактериям несет не сам препарат, а продукт его превращения в организме — амид сульфониловой кислоты.

У пенициллина история более длинная. Все началось в 1929 г., когда Флеминг выявил способность Penicillinum угнетать рост стафилококков. Но сам пенициллин был выделен Флори и Чейном только в 1940 г., а производство антибиотика развернуто в 1943 г. Это первые шаги, но надо было идти дальше, поскольку очень скоро выяснилось, что препараты не всемогущи, да еще имеют и ряд отрицательных качеств.

В первые годы своего существования стрептоцид спас от смерти множество людей, страдающих бактериальной пневмонией, тяжелыми ангинами и дизентерией.

Бактериостатическое действие сульфаниламидов реализуется следующим образом.

Сульфаниламид по структуре очень похож на пара-аминобензойную кислоту (важнейший строительный блок фолиевой кислоты). Будучи конкурентом, он занимает место пара-аминобензойной кислоты, и биосинтез фолиевой кислоты прекращается. А поскольку фолиевая кислота является коферментом углеродного обмена и жизненно необходима делящимся клеткам, останавливается и размножение бактерий. Но... для человека фолиевая кислота — витамин. Если пациент во время лечения будет принимать витаминные препараты, содержащие эту кислоту, то бактерии будут успешно размножаться, и прекращение биосинтеза им не страшно — необходимый кофермент поступит извне. “Вот уж, действительно, все относительно”... Наш организм не синтезирует фолиевую кислоту. И это хорошо — сульфаниламиды не влияют на ее метаболизм. Но мы нуждаемся в витаминах и потребляем их, а это плохо — нивелируется действие антибактериальных препаратов.

И все-таки сульфаниламиды широко применяются и поныне.

Способность сульфаниламида сохранять антибактериальные свойства при введении заместителей как в амино-, так и амидную группы позволило создать целую серию новых препаратов. Различия в химической структуре совершенно четко определяют область применения каждого из них. К примеру, сульгин и фталазол плохо всасываются в пищеварительном тракте и потому особенно подходят для его дезинфекции. Сульфален очень долго не выводится из организма и удобен как лекарство с продленным действием. Уросульфан же, напротив, быстро выбрасывается через почки: его используют при инфицировании мочевыводящих путей.

Применение сульфаниламидов привело к возникновению устойчивых штаммов, поэтому в последние годы сульфаниламиды часто применяют совместно с триметопримом. Он тоже ингибирует, но другой фермент фолиевого биосинтеза — дигидрофолатредуктазу. Это позволяет уменьшить дозы и справиться со штаммами бактерий, устойчивыми к ингибированию какого-то одного из двух ферментов.

Природный пенициллин (бензопенициллин) во время войны спас от смерти десятки, а может, и сотни тысяч жертв раневых инфекций.

Шли годы. Продолжались поиски, и появлялись новые антибиотики. А начиналось это так. Из-за низкой продуктивности Penicillinum даже из огромного количества плесени получали очень мало пенициллина. Нужны были высокопродуктивные мутанты. Их получили, облучая плесневые грибы ультрафиолетом, но... через 25 лет. Примерно в это же время, в 70-е годы, начался настоящий прорыв в производстве антибиотиков, неразрывно связанный с использованием биотехнологических методов.

Эффективность биотехнологического процесса определяется множеством факторов, но особое место занимают кинетика образования антибиотиков и высокая продуктивность штаммов.

Яркая иллюстрация — синтез цефалоспорина. Его производит плесень Cephalosporium acremonium, которая в зависимости от состава может существовать в трех различных морфологических формах. Антибиотик преимущественно продуцируется набухшими гифами, а скорость синтеза связана с активностью соответствующих ферментов, которые индуцируются внутриклеточным метионином и подавляются глюкозой. На основе экспериментальных данных была создана модель, которая прекрасно описывала зависимость количества синтезируемого цефалоспорина (в единице объема) от начальной концентрации глюкозы и от времени введения в культуру метионина. Кроме того, она помогла предсказать, что именно одновременное введение метионина и глюкозы обеспечит максимальный выход продукта.

Эффективность продуцента можно повысить не только за счет оптимизации культуральной среды. Иногда для получения желаемого результата нужно “внести изменения” в генетический аппарат микроорганизмов.

Метод трансдукции основан на том, что в процессе репродукции бактериофаг способен захватить небольшие фрагменты ДНК клетки-хозяина. При попадании такого бактериофага в другую клетку может произойти кроссинговер, то есть обмен фаговой и клеточной ДНК. В итоге клетка приобретает новые, генетически детерминированные качества. Таким образом удалось передать способность синтезировать стрептомицин от продуцирующего штамма Streptomyces к непродуцирующему. “Новички” оказались очень способными, и продуктивность значительно возросла.

Глубокие генетические изменения, включающие кроссинговер генетического материала различных видов, могут быть достигнуты путем слияния клеток разных типов. На первом этапе гидролазы клеточных стенок “сдирают” наружные стенки со всех клеток. Образовавшиеся протопласты подвергаются специальной обработке для получения гибридных протопластов. Затем осуществляется регенерация клеточных стенок, которая и завершает процесс формирования гибридных клеток. Таким способом были получены гибриды различных штаммов Penicillium, Streptomyces, Aspergillus и даже межвидовые гибриды Penicillium и Aspergillus.

С использованием биотехнологических методов производится множество антибиотиков, но давно уже вошли в обиход полусинтетические (при получении которых удачно сочетаются методы биотехнологии и органического синтеза) и даже синтетические антибиотики. В соответствии с молекулярной структурой их разделяют на группы. По числу представителей лидирует группа пенициллинов.

Все они являются производными 6-аминопенициллиновой кислоты, состоящей из пятичленного тиазолидинового цикла и четырехчленного лактамного кольца, несущего ацильную группу (R-СО-). Природный пенициллин (он же бензопенициллин) вводили только внутримышечно , так как в кислой среде он мгновенно инактивировался. Феноксиметилпенициллин можно было принимать уже в виде таблеток — он отличался кислотоустойчивостью. Следующим шагом было получение полусинтетических пенициллинов (к примеру, ампициллина), у которых ацильная группа замещалась химическим путем какой-нибудь другой группой. Все эти антибиотики эффективны лишь по отношению к определенным бактериям, и их активность зависит от способности вторгаться в структуру клеточной стенки. Они взаимодействуют с ферментами, контролирующими синтез пептидов, образующих пептидогликановый слой. При этом фермент инактивируется, а сами пенициллины превращаются в пенициллоиновые кислоты. Возникающие повреждения клеточной стенки приводят к тому, что клетка под действием осмотического давления разрушается. Бензилпенициллин и феноксиметилпенициллин действуют только на грамположительные бактерии. Спектр действия ампициллина шире — он может поражать и грамотрицательные бактерии, правда, во время лечения они способны приобрести устойчивость к этому препарату. Большую опасность для антибиотиков этой группы представляют b-лактамазы, вырабатываемые многими бактериями, которые гидролизуют b-лактамное кольцо лекарства и таким образом полностью обезвреживают его.

Антибиотики цефалоспориновой группы тоже содержат b-лактамное кольцо, а кроме того, дигидротиазиновый цикл и три заместителя R1, R2 и R3, что дает широкие возможности при получении новых, полусинтетических препаратов этого ряда. По сравнению с пенициллинами цефалоспорины имеют ряд преимуществ: широкий спектр антибактериальной активности, низкую токсичность и устойчивость к нативным b-лактамазам.

Механизм действия других групп антибиотиков — aминoгликoзидoв, мaкpолидов, тетрациклинов и хлорамфеникола — состоит во вмешательстве в процесс синтеза белка бактериальных клеток. Различная структура рибосом прокариот и эукариот, казалось бы, гарантирует высокую избирательность действия антибиотиков. Но на практике это не всегда так. Пожалуй, только тетрациклины ингибируют синтез белка на стадии элонгации исключительно у бактерий. Представители аминогликозидов (стрептомицин) и макролидов (эритромицин) блокируют образование белка на стадии терминации и у бактерий, и у эукариот. Аналогично ведет себя и хлорамфеникол, только действует он на стадии элонгации. Кстати, у него довольно интересная история. Выделенный впервые из продуктов жизнедеятельности микроорганизмов, ныне хлорамфеникол производится синтетическим путем.

Все препараты этих групп эффективны по отношению к грамположительным и грамотрицательным бактериям, их часто применяют при лечении заболеваний, вызванных пенициллиноустойчивыми штаммами бактерий. Но есть, как говорится, и обратная сторона медали. Препараты широкого спектра действия могут уничтожить не только патогенные бактерии, но и всю полезную микрофлору пищеварительного тракта, “а свято место”, как известно, “пусто не бывает” — его занимают отнюдь не безвредные одноклеточные грибы. И тогда уже надо бороться с ними.

У всех антибактериальных препаратов есть одна общая черта — они действуют непосредственно на возбудителей заболевания. Вроде бы все хорошо, и никаких коллизий не должно быть. Но бактерии, чтобы выжить, научились приспосабливаться к самым неблагоприятным условиям, и в ответ на действие лекарств образуют устойчивые к ним штаммы. Да и сами препараты подчас поражают не только бактерии, но и человека, стимулируя обострение сопутствующих заболеваний и развитие аллергий.

Наши знания еще недостаточны для того, чтобы разобраться в тонкостях процессов, происходящих в живых организмах. Поэтому-то, наверное, и не создан до сих пор идеальный препарат, способный поразить определенную бактерию, не вызывая побочных явлений у человека. Но отдадим должное антибактериальным средствам — все-таки они работают, и перед ними отступают многие заболевания.





© Провизор 1998–2017



Грипп у беременных и кормящих женщин
Актуально о профилактике, тактике и лечении

Грипп. Прививка от гриппа
Нужна ли вакцинация?
















Крем от морщин
Возможен ли эффект?
Лечение миомы матки
Как отличить ангину от фарингита






Журнал СТОМАТОЛОГ



џндекс.Њетрика