Логотип журнала "Провизор"








Альтернативный подход к разработке антибиотиков
Другие статьи из раздела: Новейшие разработки
Статья
№ 24'2010 Гальвус
№ 24'2010 Ганфорттм
№ 24'2010 Halaven
№ 17'2009 ТРУДНЫЙ ПУТЬ К ОБРЕТЕНИЮ ЛЕКАРСТВА ОТ БОЛЕЗНИ АЛЬЦГЕЙМЕРА
№ 17'2009 ТРУДНЫЙ ПУТЬ К ОБРЕТЕНИЮ ЛЕКАРСТВА ОТ БОЛЕЗНИ АЛЬЦГЕЙМЕРА
№ 16'2009 Новые препараты, одобренные FDA в 2008 году
№ 16'2009 НОВЫЙ ПРЕПАРАТ ДЛЯ ЛЕЧЕНИЯ НЕОТЛОЖНЫХ СОСТОЯНИЙ В ПСИХИАТРИИ
№ 03’2008 Эндокринология: наука и практика
№ 24’2007 Что день похмельный нам готовит?
№ 24’2007 Как бороться С ПОХМЕЛЬЕМ

Альтернативный подход к разработке антибиотиков

A. R. M. Coates, Y. Hu, факультет молекулярной медицины университета Лондона

Антибиотики — неотъемлемая часть современной медицины. Мутирование бактерий делает их устойчивыми к антибиотикам, что значительно снижает эффективность данных лекарственных средств. Традиционный способ борьбы с проблемой — это разработка новых антибиотиков, способных уничтожать резистентных мутантов. К сожалению, после 50-летнего периода успеха, фармацевтическая индустрия значительно сократила производство антибиотиков, в особенности, эффективных по отношению к грамотрицательным микроорганизмам. Статья рассматривает возможные способы создания новых антибиотиков. Одной из альтернатив может стать использование некультивируемых форм патогенных бактерий. Бактериофаги доказали свою антибактериальную эффективность на животных и также могут использоваться в лечении некоторых инфекционных заболеваний. Разработка антибиотиков, поражающих нереплицируемые бактерии, может дать лекарственные средства, снижающие резистентность микроорганизмов и сокращающие сроки лечения. Однако на данный момент большинство новых антибиотиков — это структурные аналоги существующих семейств.


Антибиотики являются стержнем современной медицины. Тем не менее, у некоторых пациентов устойчивость их микрофлоры к антибиотикам наблюдается уже с первых дней появления препарата на рынке. Период появления лекарственной резистентности зависит от вида бактерии и самого противомикробного препарата. Например, устойчивость к пенициллину у бактерий Staphylococcus spp развилась почти одновременно с появлением препарата, в то время как устойчивость Streptococcus pneumoniae была выявлена спустя несколько десятилетий. Терапевтически значимая устойчивость бактерий к существующим антибиотикам достигла такого уровня, что разрешить ситуацию сможет только появление совершенно новых препаратов противомикробного действия, активных по отношению к устойчивым мутантам.

Существующие методы разработки антибиотиков

Применяемые в медицине методы разработки бактерицидных препаратов основаны на выявлении природных и синтетических соединений, поражающих активно делящиеся клетки микроорганизмов (пребывающие в логарифмической фазе), а также модификации существующих. Для производства аналогов используются природные базовые структуры, такие как 6-аминопенициллановая кислота — основа амоксициллина. Создание производных существующих препаратов — это наиболее продуктивный способ разработки новых антибактериальных агентов. Новые препараты получают и путем искусственного соединения компонентов — пронтосил (предшественник сульфаниламидных препаратов), метронидазол, изониазид, оксазолидинон. Для создания новых антибиотиков используется также скрининг соединений с энзимами или целыми клетками, которые способны нарушать регуляцию микробной РНК. 

Рассматривая вопрос в ретроспективе, можно отметить, что почти все известные антибактериальные агенты были обнаружены в период с 1929 по 1962 гг. С тех пор были открыты только два новых класса антибиотиков — оксазолидиноны и циклические липопептиды. Остальные антибиотики, появившиеся в другое время — это аналоги существующих. К сожалению, количество производных от антибиотика конечно, да и эффективность таких препаратов относительно резистентных бактерий обычно снижается. Для подавления лекарственной устойчивости разрабатываются комбинированные бактерицидные средства, такие как ко-амоксиклав (комплекс амоксициллина и клавулоновой кислоты).

За последние 20 лет количество выпускаемых на рынок противомикробных препаратов сократилось наполовину, в то время как лекарственная устойчивость патогенных бактерий значительно выросла. Это означает, что потеря эффективности старых антибактериальных агентов значительно опережает их замену новыми бактерицидными средствами, особенно среди грамотрицательных противомикробных препаратов.

Производство антибиотиков стало заложником собственного успеха. Но существенное сокращение их разработки произошло по ряду причин. Так, появление первых классов антибактериальных агентов создало впечатление о полной победе над инфекционными заболеваниями, что подкреплялось увеличением продолжительности жизни жителей развитых стран и общим снижением уровня контагиозных болезней. Большинство крупных фармацевтических и биотехнических компаний существенно сократили исследования в этой области, поскольку производство препаратов, рассчитанных на кратковременный прием (к которым относятся и антибиотики) экономически менее выгодно, чем производство лекарственных средств для лечения хронических или неизлечимых заболеваний. К тому же, проводимая в последнее время политика финансового стимулирования фармацевтических компаний в этом отношении неудачна, поскольку введенные ограничения на применение антибиотиков значительно сокращают потенциальный доход компаний от их продажи.

Революция в геномике

После расшифровки генома Haemophilus influenzae в 1995 г., расшифровка геномов сотен других патогенных бактерий значительно расширила область знаний исследователей. В настоящее время геномика используется для определения потенциально новых мишеней поражения бактерий для изучения патогенеза их лекарственной устойчивости. Мишенью поражения бактерии может стать лиганд-рецептор, энзим или пути метаболизма. Основное условие определения мишени — ее несовместимость с человеческими характеристиками, что гарантирует при ее поражении только уничтожение или обезвреживание самой бактерии.

Несмотря на то, что на настоящее время было протестировано множество потенциальных мишеней, исследования свидетельствуют о задействовании большинства из них. Примером геномного подхода может служить методика выбора мишени с помощью биоинформатики и определения профиля экспрессии каждого гена с использованием микроматрицы ДНК и выбивающих мутантов. Тем не менее ни один из антибиотиков, разработанных на основе геномики, так и не вышел на рынок. Это, в первую очередь, связано с тем, что поражение мишени не всегда вызывает адекватное бактерицидное действие, да и сам процесс превращения полученного соединения в лекарственный препарат достаточно сложен и трудоемок. С помощью геномики была открыта деформилаза, для подавления действия которой были разработаны ингибиторы, участвовавшие в клинических испытаниях. Однако было замечено, что прием этих препаратов вызывает мутации бактерий, и от дальнейшего продвижения препаратов отказались. GlaxoSmithKline использовала геномный подход в течение 7 лет. В процессе исследований было открыто свыше 300 генов. Однако ни одна из обнаруженных мишеней не привела к разработке и выходу на рынок нового антибактериального средства. Неудачи геномики в сфере разработки противомикробных препаратов уменьшают энтузиазм фармацевтов, однако в долгосрочной перспективе наука о геномах и полученные в ходе исследований знания еще могут пригодиться.

Компания GlaxoSmithKline вернулась к более традиционным методам разработки антибиотиков. Дальнейшее успешное использование проверенных подходов требует расширения существующих баз данных химических веществ. Однако стоит ли составлять базы данных для низко- или только для крупномолекулярных соединений? Связь между молекулярной массой молекулы и ее бактерицидными свойствами однозначно сейчас не установлена, но, как показала практика, низкомолекулярные химические вещества наиболее эффективны при разработке пероральных лекарственных препаратов. Большинство же современных бактерицидных средств — это крупномолекулярные гидрофильные соединения.

По-прежнему актуален и скрининг баз данных природных соединений, несмотря на свою относительную изученность. Можно с уверенностью утверждать, что в будущем некоторые антибиотики будут получены именно этим способом, например из платенсимицина, выделенного из Streptomyces platensis. Комбинаторная генетика позволит создавать антибиотикообразующие рекомбинантные организмы. Соединения, полученные из растений — это еще один многообещающий способ получения новых противомикробных препаратов.

Производные существующих антибиотиков — это на данный момент времени самый результативный способ получения бактерицидных лекарственных средств. Единственная сложность — быстрая выработка лекарственной устойчивости бактерий к препаратам одного семейства, что в конечном итоге приводит к истощению антимикробного потенциала, и вызывает необходимость поиска новых способов создания противомикробных препаратов.

Новые методы разработки антибиотиков

Природные соединения: поражение некультивируемых форм патогенных бактерий


Рис. 1 Некультивируемая форма патогенных бактерий. Пустая окруж‑
ность слева диаграммы — бактерия в некультивируемой фор‑
ме. Меньшая окружность внутри нее — геном бактерии, синий сег‑
мент — фрагмент генома, отвечающий за синтез антибиотика.
Необходимый фрагмент ДНК извлекается и помещается в вектор,
который, в свою очередь, переносится в культивируемую бактерию
или другой антибиотикообразующий носитель. Биосинтез антибио‑
тика, как правило, осуществляется несколькими путями и использу‑
ет большие фрагменты ДНК, что значительно усложняет процесс
их клонирования.


Бактерии производят антибиотики, убивающие или подавляющие размножение конкурентов. На данный момент, такие антибактериальные агенты как стрептомицин были получены из бактерий, выращенных в искусственной плотной или жидкой питательной среде. К сожалению, большинство видов бактерий не растут в искусственной среде. Способность выращивать бактерии в плотной питательной среде дала исследователям возможность клонировать и «выжимать» большие фрагменты генома некультивируемых ранее форм патогенных бактерий при помощи технологии рекомбинантной ДНК (рис. 1).

ДНК извлекается из нескольких видов бактерий и помещается в вектор, например, в искусственную хромосому. Open-reading frames фрагмента экспрессируются в клетку в культивируемой форме, например, Streptomyces spp, и проверяются на антибактериальную активность. Для определения месторасположения генов, отвечающих за производство антибиотиков, используются технологии молекулярных ДНК. Проводя подобные исследования, компания SelectХ нашла способ определения и обогащения синтеза антибиотика из некультивируемых организмов, что может существенно расширить возможности создания новых антибактериальных агентов. У подхода есть и свои недостатки: продуктивные фрагменты ДНК открыть нелегко, но даже после их обнаружения нет гарантии того, что фрагмент содержит все необходимые для производства антибиотика гены. Такой подход, несмотря на свой потенциал, пока не привел к разработке нового противомикробного препарата.

Бактериофаги

Бактериофаги и их фрагменты убивают бактерии. По оценкам специалистов, каждые два дня ими уничтожается половина популяции бактерий планеты. В некоторых странах фаги используются как заменители антибиотиков при лечении человека и животных. В 2006 г. FDA разрешила применение бактериальных вирусов для устранения контаминации мяса бактерией Listeria monocytogenes. Однако их систематический прием может нейтрализовать антитела и даже вызвать токсический шок (при массовом лизисе бактерий). Одним из способов решения данной проблемы может стать использование бактериофагов, не инициирующих лизис. Фаги могут применяться для транспортировки антибиотиков в бактерии. К сожалению, устойчивость бактерий к бактериофагам проявляется достаточно быстро, поэтому для успешного лечения необходима одновременная терапия несколькими бактериальными вирусами.

Разработка антибактериальных агентов на основе генов бактериофагов — потенциально эффективный способ разработки новых противомикробных препаратов. Лизин (гидролаза клеточной оболочки), вырабатываемый фагами, прикрепляется к пептидогликану и разрушает клеточную оболочку грамположительных бактерий, вызывая гипотонический лизис. Систематический прием лизинов не вызывает резистентности бактерий, не нейтрализует антитела и не приводит к токсическому шоку. Лизины активны в отношении бактерий, находящихся в нереплицируемом коковидном состоянии, и биопленок, что может существенно упростить лечение инфекций, вызванных, например, постоянным использованием катетера.

В разработке антибиотиков также могут быть задействованы другие малогеномные вирусные компоненты, такие как Qβ, φХ174 и фаги Dna2. Клинические испытания бактериофагов и их компонентов, проведенные на животных, показали их высокую эффективность.


Поражение покоящихся бактерий

Рис. 2 Покоящиеся бактерии. Активно делящиеся бактерии погибают
под воздействием антибиотика, покоящиеся — выживают даже при
высокой концентрации антибактериального агента в крови, затем
переходят в активную фазу, превращаясь в бактерии‑мутанты,
что приводит к рецидивам заболевания и появлению лекарственной
устойчивости.

При клинической инфекции бактерии существуют в двух ипостасях: активно делящиеся (логарифмическая фаза) и находящиеся в нереплицируемом состоянии (стабильная, «дремлющая», латентная фаза). Например, биопленки на постоянных катетерах состоят из нескольких форм бактерий — активно делящихся и покоящихся. Как показывают исследования, около 60 % инфекционных заболеваний человека вызваны покоящимися бактериями. Активно делящиеся бактерии легко поддаются лечению антибактериальными агентами, в то время как покоящиеся выживают (рис. 2). По прошествии некоторого времени, когда концентрация антибиотиков в крови падает ниже терапевтического уровня, покоящиеся бактерии переходят в активное состояние. При преждевременном прекращении лечения на этом этапе часто наблюдаются рецидивы заболевания по причине активного размножения микроорганизмов, что требует назначения дополнительного противомикробного препарата для борьбы с инфекцией, «возродившейся» из покоящихся бактерий. Количество микроорганизмов, вызывающих конкретное заболевание, конечно, поэтому лечение со временем приводит к уничтожению всех бактерий. Например, лечение туберкулеза длится от нескольких месяцев до нескольких лет, септического эндокардита — несколько недель, а стрептококковой ангины — до 10 дней.

К причинам, вызывающим повторный рост бактерий, можно отнести также появление бактерий-мутантов, стойких к антибиотику, и несоблюдение больным режима и схемы лечения. Поэтому многие исследователи отметили необходимость разработки антибактериальных агентов для борьбы с покоящимися микроорганизмами, которые пациент мог бы принимать в комбинации с обычными антибиотиками для повышения эффективности лечения.

Преимущество антибиотиков, эффективных относительно бактерий, находящихся в нереплицируемом состоянии, заключается в существенном сокращении сроков лечения, поскольку при комбинированной терапии можно одновременно бороться со всеми видами микроорганизмов. Сокращение сроков лечения позволит улучшить результаты лечения таких заболеваний, как туберкулез, менингит, эндокардит, остеомиелит, и снизить уровень лекарственной резистентности бактерий.

К недостаткам такого подхода можно отнести тот факт, что у покоящихся бактерий количество мишеней может быть сильно ограничено, поскольку нарушена регуляция большинства их генов. На практике могут возникнуть проблемы с разработкой антибиотиков, эффективных относительно покоящихся спороподобных бактерий, а также из-за того, что каждый отдельный вид микроорганизмов, находящихся в нереплицируемом состоянии, может быть чувствителен к конкретному веществу или соединению. Например, возбудителями туберкулеза считаются по меньшей мере три различных субпопуляции покоящихся бактерий, поэтому для их уничтожения потребуется несколько противомикробных препаратов.

В некоторых ситуациях, например, при борьбе с биопленками, помимо разнообразия препаратов огромную роль будут играть степень проникновения антибиотика и высокая локальная концентрация препарата, что терапевтически трудно достижимо.

Выводы

Если современная медицина не сбавит оборотов, то для эффективной борьбы с инфекционными заболеваниями ей понадобится регулярное пополнение семейств антибактериальных агентов, поскольку производство аналогов существующих препаратов со временем истощит свой источник пополнения. Геномика, некультивируемые бактерии, бактериофаги и покоящиеся микроорганизмы — потенциальный банк данных для создания новых эффективных противомикробных препаратов.

www.provisor.com.ua






© 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