Врачи и ученые бьют тревогу

Насколько вопрос, о котором пойдет ниже речь, имеет важнейшее значение, можно судить по тому факту, что к нему четыре года назад привлек внимание научного сообщества первооткрыватель структуры ДНК нобелевский лауреат Джеймс Уотсон. В 2011 году он и еще 30 ученых-биологов из Канады, Франции, Финляндии, Бельгии, Германии, Великобритании и США собрались в Нью-Йорке на конференцию, посвященную проблеме устойчивости бактерий к антибиотикам. По ее итогам участники опубликовали совместное заявление, в котором с нескрываемой тревогой говорилось: «Развитие и распространение устойчивости к антибиотикам у бактерий представляет всеобщую угрозу для человека и животных, которую, как правило, сложно предотвратить, но, тем не менее, можно держать под контролем, и эту задачу нужно решать наиболее эффективными способами. До широкой общественности должны быть доведены факты, касающиеся важнейшей роли бактерий в жизни и благополучии людей, природе антибиотиков и важности их разумного использования».

Следующее громкое заявление прозвучало в 2012 году. Генеральный директор ВОЗ Маргарет Чен выступила в Копенгагене на конференции «Борьба с устойчивостью к противомикробным препаратам — время действовать». Отбросив всякую дипломатичность, М. Чен прямо и откровенно заявила, что наступает новый, непредсказуемый этап развития и нас может ожидать «конец современной медицины в том виде как мы ее знаем». Гендиректор ВОЗ предрекла наступление постантибиотической эпохи, когда «даже стрептококковое воспаление горла или царапина на коленке ребенка могут снова приводить к смерти».

Конечно, для того чтобы услышать из уст руководителя ВОЗ о скором конце современной медицины, должны были сложиться исключительные обстоятельства. К сожалению, об этих обстоятельствах большинство людей не имеет ни малейшего представления. Ныне процесс возникновения и распространения устойчивых клинических штаммов бактерий происходит слишком стремительно, буквально на глазах врачей и исследователей. За последние 10–15 лет в результате продолжающегося интенсивного применения антибактериальных средств (АБ) бактериальные «монстры», устойчивые к различным антибиотикам, практически полностью вытеснили штаммы, устойчивые только к одному виду АБ. Отмечено появление так называемых панрезистентных супербактерий, устойчивых абсолютно ко всем используемым ныне АБ.

Такая ситуация не только усложняет борьбу с типичными инфекционными заболеваниями, но и ставит под угрозу применение многих жизненно важных медицинских процедур вроде трансплантации органов, имплантации протезов, передовой хирургии и химиотерапии раковых заболеваний. При всех этих процедурах повышается риск развития инфекционных заболеваний.

Как возникает и распространяется устойчивость к антибиотикам?

Почему же сложилась такая ситуация, что когда-то всемогущие АБ вдруг перестали эффективно действовать на бактерии? Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо разобраться с основными способами возникновения устойчивости и путями ее распространения.

Устойчивость бактерий к АБ может быть врожденной и приобретенной. Врожденная устойчивость обусловлена особенностями строения структур клетки, на которые направлено действие антибиотика. Такая устойчивость может быть связана, например, с отсутствием у микроорганизмов мишени действия АБ или недоступностью мишени вследствие низкой проницаемости оболочки клетки. Приобретенная устойчивость возникает в результате контакта микроорганизма с антимикробным средством за счет возникновения мутаций либо благодаря горизонтальному переносу генов (ГПГ) устойчивости. В настоящее время именно горизонтальный перенос различных генов резистентности является главной причиной быстрого возникновения множественной лекарственной устойчивости у бактерий.

ГПГ — процесс, в котором организм передает генетический материал другому организму, не являющемуся его потомком. Такая переданная ДНК встраивается в геном и затем стабильно наследуется. Центральную роль в этом процессе играют различные мобильные генетические элементы — плазмиды, транс-позоны, IS-элементы, интегроны. За последние годы сформировано четкое понимание того, что ГПГ является одним из ведущих механизмов эволюции бактерий.

Эволюционные корни проблемы устойчивости

Гипотеза о том, что актиномицеты-продуценты антибиотиков, живущие в почвах, становятся источником генов устойчивости к антибиотикам, была сформулирована еще в 1973 году американскими учеными Бенвенистом и Дэвисом (Benveniste, Davies). Однако впоследствии выяснилось, что гены продуцентов АБ имеют очень низкое сходство с генами патогенных бактерий. Поэтому было сделано предположение о том, что любые природные бактерии, а не только сами продуценты, являются источником генов устойчивости к АБ. Первые свидетельства в пользу этого предположения были получены французскими учеными при изучении происхождения генов бета-лактамазы и генов устойчивости к хинолонам. В обоих случаях удалось обнаружить природные бактерии, несущие гены, почти идентичные клиническим. Однако это были лишь единичные примеры; к тому же нельзя было исключить возможность переноса генов в обратном направлении, от клинических штаммов бактерий к бактериям природным.

Для убедительного подтверждения данной гипотезы было необходимо выделить гены, идентичные или практически идентичные клиническим из природных экосистем, не подвергавшихся антропогенному воздействию. Впервые такие гены устойчивости к АБ из абсолютно нетронутых экосистем удалось обнаружить в 2008 году российским генетикам из Института молекулярной генетики РАН. Для этих исследований были использованы образцы «вечной» мерзлоты возрастом от 20 тыс. до 3 млн лет. В 2011 году канадские исследователи также обнаружили гены устойчивости в ДНК, выделенной из образца мерзлоты с Клондайка возрастом 30 тыс. лет. В настоящее время в лабораториях ряда стран активно ведутся геномные исследования в этом направлении. Благодаря всем этим исследованиям уже никто не сомневается в том, что резистентность к АБ имеет глубокие эволюционные корни и существовала задолго до начала применения АБ во врачебной практике.

Хозяйственная деятельность и устойчивость к АБ

Хотя гены устойчивости к АБ у бактерий возникли еще в древности, широкое распространение таких генов среди микроорганизмов началось после начала использования антибактериальных средств в медицине. Активное и повсеместное применение антибактериальных средств послужило мощнейшим эволюционным инструментом, способствуя селекции и распространению бактерий с измененным геномом. Более 100 тыс. тонн АБ, производимых ежегодно, заставляют микроорганизмы проявлять чудеса приспособляемости.

По сути, начав активно использовать антибиотики, человек неожиданно для себя поставил широкомасштабный и планомерный эксперимент по отбору устойчивых бактерий. Следует особо подчеркнуть, что в результате этого в клинике произошел отбор не только генов устойчивости, но и особых систем, значительно ускоряющих приобретение новых генов устойчивости за счет ГПГ. Это привело к тому, что АБ, которые еще недавно успешно использовались для борьбы с самыми различными возбудителями инфекций, теперь в подавляющем большинстве случаев оказываются неэффективными. Ведь в процессе эволюции у бактерий выработаны многочисленные приспособительные механизмы, позволяющие быстро меняться и выживать в условиях самого жесткого отбора, будь он естественным или искусственным.

Нынешняя опасная ситуация, сложившаяся в борьбе с инфекциями, напрямую связана с огромным количеством производимых АБ. Большинство из них плохо усваивается человеком и животными, в результате чего от 25% до 75% потребляемых антибактериальных средств без изменений выводится из организма с калом и мочой, попадая затем вместе с водой в естественные водоемы. По всему миру ученые регулярно находят в городских сточных водах высокую концентрацию АБ после их использования в медицине и животноводстве. И никакие очистные сооружения не в силах этому противостоять. Такая ситуация прямо способствует распространению резистентности к АБ: бактерии, живущие в естественной среде, после контакта с малыми дозами АБ из очистных сооружений приобретают к ним устойчивость.Под-тверждением этому служит тот факт, что в местах слива сточных вод постоянно обнаруживаются бактерии с генами устойчивости к АБ, а также бактериофаги, передающие эти гены бактериям. Кроме того, использование для удобрения полей навоза животных, получавших антибиотики, также приводит к заметному увеличению в почве бактерий, содержащих гены устойчивости. Эти гены потом могут передаваться бактериям, живущим на растениях, а затем с растительной пищей попадать в кишечник человека и захватываться кишечной микрофлорой.

В немалой степени способствует распространению устойчивости к АБ заведенная в животноводстве практика создания крупных комплексов с многотысячными поголовьями. Плазмиды с генами устойчивости, R-плазмиды, очень быстро распространяются на ограниченном пространстве с большим количеством животных. И здесь уже можно увидеть социальные причины увеличения резистентности к АБ. Постепенная миграция сельских жителей в города приводит к исчезновению небольших животноводческих хозяйств и замене их гигантскими комплексами, которые являются прекрасным резервуаром для накопления факторов резистентности. В таких комплексах гены устойчивости к АБ приобретают не только животные, но и люди из обслуживающего персонала.

Еще одним важным фактором распространения устойчивости к АБ оказывается принятое сегодня за правило применение субтерапевтических доз АБ в животноводстве в качестве факторов роста. Директор ВОЗ М. Чен привела поразительные данные о том, что более половины всех производимых сегодня антибиотиков скармливают животным для их быстрого роста: «Количество антибиотиков, используемых среди здоровых животных, превышает количество антибиотиков, используемых среди нездоровых людей».

Еще одной ключевой причиной распространения устойчивости к АБ стало необоснованное назначение их врачами (наряду с самолечением). Вообще, как это ни парадоксально, любые контакты со сферой здравоохранения несут в себе повышенный риск заразиться бактериями, устойчивыми к целому спектру АБ. Нужна по-настоящему стерильная чистота, аккуратность и ответственность, чтобы противостоять распространению устойчивых штаммов в таких медицинских учреждениях.

Выход есть!

Но даже из такой сложной ситуации есть выход. И здесь будет уместно привести два примера. Дания в конце 1990-х первой в Европе ввела запрет на использование антибиотиков в качестве стимуляторов роста животных. Результаты такого шага не заставили себя ждать. Международная группа экспертов показала, что отказ Дании от АБ в животноводстве не только не нанес большого ущерба доходам фермеров, но и способствовал значительному снижению факторов устойчивости к АБ на фермах и в мясе животных. В выигрыше оказались все, кроме производителей АБ. Германия, запретив использование АБ авопарцина на птицефермах, тоже добилась внушительных результатов: количество энтерококков, устойчивых к ванкомицину (аналогу авопарцина), за четыре года после запрета снизилось в три раза.

Налицо непростая ситуация. Человечество стоит перед очень сложной многогранной проблемой. Научные исследования показали, насколько сложно устроены биологические процессы у живых организмов и как осторожно нужно вмешиваться в их естественный ход. Появление в последние десятилетия устойчивых к лекарствам супербактерий и множества новых инфекций — лучшее тому подтверждение. Бездумное применение антибиотиков создало реальную угрозу для человечества. И для того, чтобы устранить или хотя бы уменьшить эту угрозу, потребуются большие усилия, и в первую очередь правительств и научно-медицинского сообщества.

Майя Петрова, Алексей Ржешевский

1. Выступление гендиректора ВОЗ М. Чен — who.int/dg/speeches/2012/amr_20120314/ru/

2. Петрова М.А. и соавт. Изучение ассоциации генов strA—strB с плазмидами и транспозонами у современных и древних бактерий. Генетика. 2008, 44(9): 112–116.

3. Allen H.K., Donato J., Wang H.H., Cloud-Hansen K.A., Davies J., Handelsman J. Call of the wild: antibiotic resistance genes in natural Nat Rev Microbiol. 2010, 8(4): 251–259.

4. D’Costa V. M. et al. Antibiotic resistance is ancient. Nature. 2011, 477(7365):457–461.

5. Cantas L., Shah S.Q., Cavaco L.M., Manaia C.M., Walsh F., Popowska M., Garelick H., Bürgmann H., Sørum H. A brief multi-disciplinary review on antimicrobial resistance in medicine and its linkage to the global environmental microbiota. Front 2013, 4: Article 96.

6. Nikaido H. Multidrug resistance in Annu Rev Biochem. 2009, 78: 119–146.