Żywy antybiotyk

Zaczęło się od złamania nogi a w wyniku tego do zakażenia w biodrze. 70-latka przez dwa lata borykała się ze stanem zapalnym. Kilkakrotnie była z tego powodu w szpitalu. Lekarze w Nevadzie podali kobiecie siedem różnych antybiotyków, jeden po drugim. Środki przeciwbólowe niewiele pomagały. Wyniki badań laboratoryjnych wykazały, że żaden z 14 antybiotyków dostępnych w szpitalu nie może zapobiec zakażeniu spowodowanemu przez bakterie Klebsiella pneumoniae.

Epidemiolog Lei Chen z Washoe County Health District wysłał próbkę do U.S. Centers for Disease Control and Prevention (CDC). Po zbadaniu bakterii okazało się, że produkuje ona enzym o nazwie New Delhi metalo-beta-laktamaza (NDM-1), znany już z unieszkodliwiania wielu antybiotyków. Enzym został po raz pierwszy zauważony u pacjenta z Indii. Tam też kobieta z Nevady złamała nogę i otrzymała pierwszą pomoc przed powrotem do Stanów Zjednoczonych.

Ten enzym nas niepokoi, ponieważ broni bakterie przed karbapenemami, grupą antybiotyków ostatniej instancji - mówi Alexander Kallen, epidemiolog CDC z Atlanty.

Raport końcowy CDC zawierał zaskakujące wnioski: bakterie, które rozpanoszyły się w ciele kobiety były odporne na wszystkie 26 antybiotyków dostępnych w Stanach Zjednoczonych. Chora zmarła z powodu z wstrząsu septycznego. Infekcja zniszczyła jej narządy.

Według danych z 2013 r., bakterie oporne na antybiotyki atakują co roku ponad 2 miliony osób w USA i co najmniej 23 tys. umiera. „Zagrożona jest zdolność przyszłych pokoleń do radzenia sobie z infekcjami. To stało się problemem o skali globalnej - twierdzi Elizabeth Tayler ze Światowej Organizacji Zdrowia w Genewie.

Nadszedł czas, aby odwrócić koszmarny scenariusz i wysłać zabójcę po śmiercionośne bakterie. Strategia, określana jako „żywy antybiotyk”, zaszczepiłaby jedną grupę bakterii - podawanych jako lekarstwa i nazwanych drapieżnikami - przeciw bakteriom, które powodują spustoszenie w organizmach ludzkich.

Liczba szczepów odpornych na leki wzrasta lawinowo, po części dlatego, że lekarze zbyt często przepisywali antybiotyki. Według CDC, podawanie co najmniej 30 proc. tych leków nie jest konieczne - wyjaśnia Kallen. - Kiedy więcej osób jest narażonych na dużą ilość antybiotyków, oporność bakterii wzrasta szybciej niż opracowywania nowych antybiotyków.

W poszukiwaniu pomysłów DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency), która inwestuje w przełomowe technologie, wsparła pracę nad drapieżnymi bakteriami. Zajmuje się tym Daniel Kadouri, mikrobiolog z Rutgers School of Dental Medicine w Newark. Wyzwanie podjęli także Robert Mitchell z Ulsan National Institute of Science and Technology w Korei Południowej, Liz Sockett z Uniwersytetu w Nottingham w Anglii i Edouard Jurkevitch z Hebrew University w Jerozolimie. Ta praca, jak twierdzą naukowcy z DARPA, odbiega od konwencjonalnych terapii antybiotycznych.

Pojęcie drapieżnych bakterii wydaje się nieco przerażające, zwłaszcza gdy Kadouri porównuje najbardziej dogłębnie badane Bdellovibrio bacteriovorus, do stworów kosmicznych w filmach o Obcych.

Wszystkie te bakterie Gram-ujemne (G-) mają wewnętrzną membranę i zewnętrzną ścianę komórkową. Bakterie-drapieżniki nie są przez to podobne do Gram-dodatnich, ponieważ te mają tylko jedną membranę a ich ściana komórkowa jest cienka i złożona tylko z jednej warstwy. Gdy agresywne mikroby atakują drobnoustoje, drapieżnik wydaje się łapać ofiarę w pułapkę dzięki haczykowatym wypustkom. Potem, niczym włamywacz, który wycina krążek w szkle, B. bakteriofos wślizguje się przez zewnętrzną membranę i zamyka za sobą otwór. W przestrzeni między zewnętrznymi i wewnętrznymi błonami, Bdellovibrio wydziela enzymy, które rozkładają składniki odżywcze i tną DNA na kawałki. Następnie wykorzystują fragmenty struktur genetycznych ofiary do tworzenia własnego DNA i zaczynają się mnożyć. Najeźdźca i jego potomstwo wyłaniają się z łupiny w sposób przypominający kinową scenerię wydobywania się Obcego klatki piersiowej.

To bardzo skuteczna maszyna do zabijania - mówi Kadouri - i bardzo dobra wiadomość, ponieważ skłonność drapieżników do atakowania bakterii odpornych na antybiotyki chcemy wykorzystać do stworzenia naturalnego leku na śmiertelne infekcje. To być może wydaje się ryzykowne - kontynuuje naukowiec - ale z tego, co mogliśmy dotąd ustalić, zabójcze bakterie wydają się bezpieczne. Na przykład B. Bakteriofor nie żywi się komórkami ssaków.

Po pierwszych testach zespół Daniela Kadouri badał zdolność bakterii-drapieżnika do pożerania niebezpiecznych mikrobów u szczurów i kurczaków, B. bakteriofos rzeczywiście zmniejszyły liczbę chorobotwórczych bakterii. Ale zwierzętom podawane były małe, nieśmiertelne dawki patogenów. Nie wiadomo zatem czy bakterie-drapieżniki mogłyby uratować życie.

Sockett musiał zobaczyć dowody na poprawę przeżycia żywiciela. „Jeśli będziemy mieć Bdellovibrio jako lek, musimy coś leczyć - mówi. - Możemy liczyć na zmiany w liczbie bakterii, ale jeśli to nie spowoduje poprawy zdrowia i nie zapobiegnie śmierci - to nie warto".

Testy przeprowadzono na larwach danio pręgowanego - małej ryby akwariowej. Podano im śmiertelne dawki odpornego na antybiotyki szczepu Shigella flexneri, które powoduje biegunkę u ludzi. Przed zarażeniem ryb, naukowcy podzielili je na cztery grupy. Dwie z nich miały zmienione systemy odpornościowe, aby produkować mniej makrofagów, białych krwinek, które atakują patogeny. Układy odpornościowe w pozostałych dwóch grupach pozostały nienaruszone. B. bakteriofor zostały wstrzyknięte do niezmienionej grupy i grupy z niedoborem makrofagów, podczas gdy dwie pozostałe nie zostały w ogóle poddane leczeniu.

Wszystkie nieleczone ryby z mniejszą liczbą makrofagów padły w ciągu 72 godzin od podania S. flexneri. Spośród ryb z prawidłowym układem odpornościowym, 65 proc., które otrzymały bakterię-drapieżnika przeżyło w porównaniu z 35 proc. nieleczonych. Nawet u ryb z zaburzeniami układu immunologicznego drapieżniki uratowały około jedną czwartą grupy.

To pierwszy przypadek, w którym zabieg był zastosowany jako zastrzykowa terapia na żywych organizmach - mówi Liz Sockett. - A co najważniejsze - z powodzeniem.

W poprzednich pracach naukowcy nie byli w stanie zobaczyć całego procesu przebiegającego w zwierzęciu. Larwy danio są przezroczyste i współautorka badania, Alexandra Willis, przechwyciła obrazy jak B. bakteriofora atakuje S. flexneri.

Musieliśmy dosłownie biegać od mikroskopu do mikroskopu, ponieważ proces przebiegał tak szybko - opowiada Willis. - Gdy bakteria-drapieżnik zaatakuje, ofiara, która wcześniej miała kształt pręcika, staje się okrągła. Działo się to w przeciągu 15 min, a cały cykl drapieżnika trwał od trzech do czterech godzin.

Ta prędkość może dać przewagę nad infekcją. W krótkim czasie populacja chorobotwórczych mikrobów może zostać zredukowana do poziomu, który będzie mógł obsłużyć system odpornościowy. Przy dużej infekcji staje się on niewydolny. Ryby otrzymały szokową ilość Shigella - 50 000 bakterii. W ciągu 48 godzin u ryb, które przeżyły ilość patogenów spadła o 98 proc.

System immunologiczny ryb reagował również na drapieżniki. Miały jednak one wystarczająco dużo czasu, aby zaatakować zakażenie, zanim zostaną usunięte z organizmu. Willis twierdzi, że nawet gdyby system odpornościowy nie zajął się drapieżnikami, jest to bezpieczne. W zdrowym organizmie nie mają nic do jedzenia. Przestają się mnożyć i umierają. 

Drapieżniki „dezaktywują genom” swojej ofiary, mówi Mitchell. - Nie tylko zabijają bandytę, topią całą broń DNA, więc patogeny nie mogą jej użyć. W jednym z eksperymentów, które jeszcze nie zostały opublikowane, drapieżnik prawie w ciągu dwóch godzin zjadł materiał genetyczny całej kolonii bakterii.

Niektóre chorobotwórcze drobnoustroje potrafią się ze sobą zespalać i tworzą rodzaj biologicznej osłony, która zapewnia ochronę przed antybiotykami. Ale dla drapieżnych bakterii, tarcza jest bardziej mile widziane, ponieważ staje się dużym, skoncentrowanym łowiskiem.