Факторы резистентности и устойчивость к антибиотикам

В 1955 году одна жительница Японии вернулась из Гонконга с разновидностью дизентерии, вызываемой бактерией рода Shigella. Инфекцию Shigella легко лечить антибиотиками, но эти бактерии оказались устойчивыми сразу к четырем разным антибиотикам: сульфаниламиду, стрептомицину, хлорамфениколу и тетрациклину. Это казалось очень подозрительным, потому что обычно устойчивость к антибиотикам встречается редко. Если бактерии поместить в среду с пенициллином, то устойчивой к нему окажется примерно одна на 10⁷ клеток. Точно так же выживет и одна из 10⁷ клеток в среде со стрептомицином. Если же бактерии поместить в среду с двумя антибиотиками, то можно ожидать, что выживет одна из 10¹⁴ клеток. Поэтому одновременная устойчивость к четырем видам химических веществ выглядит почти чудом. Но все же за последующие годы бактерии дизентерии в Японии стали очень устойчивыми к антибиотикам, и количество случаев множественной резистентности многократно возросло. Цумото Ватанабе обнаружил, что множественная резистентность переносится плазмидой с условным обозначением R (от resistance — сопротивляемость), которая ведет себя приблизительно так же, как и фактор F. Сейчас известно много типов R, которые передают сопротивляемость к различным антибиотикам. Факторы R довольно опасны тем, что ими легко заразиться: как и факторы F, они переносятся от резистентной к чувствительной клетке при обычном физическом контакте и к тому же могут проникать в разные виды бактерий. Одно из проведенных в Японии исследований показало, что пропорция резистентных клеток Shigella возросла с 0,2% в 1953 году до 58% в 1965 году — во многом именно из-за фактора R. В целом очень серьезной стала ситуация и во всем мире, как заметила Лори Гаррет в своей книге «Наступающая чума»¹. Все больше встречается случаев множественной резистентности к антибиотикам у золотистого стафиллокока (Staphillococcus aureus), в том числе к ванкомицину и метициллину, которые раньше считались надежным средством при лечении таких инфекций. Три вида бактерий, вызывающие серьезные заболевания, Enterococcus faecalis, Mycobacterium tuberculosis и Pseudomonas aeroginosa, сейчас уже невосприимчивы к антибиотикам, с помощью которых с ними боролись раньше. В общем, те инфекции, которые раньше легко излечивались при помощи антибиотиков, становятся все более и более трудными для лечения.

История с плазмидами — очередной пример эволюции (и заодно человеческих ошибок). Эволюция зависит от естественного отбора, и это значит, что в данных условиях окружающей среды выживают те организмы, гены которых позволяют им приспособиться к этим условиям. Если, например, сделать посев бактерий на агар с содержанием стрептомицина, то можно вырастить резистентных мутантов, то есть клетки с фактором R (ген резистентности). Точно так же, если бактерии будут обитать в естественной среде, где часто встречается стрептомицин, образуются штаммы устойчивых бактерий с фактором R.

Ученые обнаружили множество плазмид, передающих устойчивость к различным антибиотикам, включая ампициллин, сульфаниламид, хлорамфе-никол, канамицин, неомицин, стрептомицин, спектиномицин и гентамицин, а также к таким металлам, как ртуть, никель и кобальт. Некоторые из факторов R могут одновременно передавать более десятка генов устойчивости к антибиотикам. Бактерии с фактором R обнаружены в морской рыбе, а сравнительное исследование бактерий в реке Стаут в Англии показало, что с 1970 по 1974 год количество резистентных бактерий увеличилось вдвое, хотя их общее количество осталось неизменным. Отсюда можно сделать вывод, что вследствие широкого распространения антибиотиков происходит отбор факторов R.

Быстрое распространение факторов R, легко преодолевающих межвидовые границы, обещает в недалеком будущем рост других заболеваний. Исследования, проведенные в больнице города Бирмингема, показали, что резистентная к антибиотикам бактерия Pseudomonas, выделенная из желудка пациентов, поступивших в больницу с ожогами, по всей видимости, приобрела факторы R из собственной кишечной флоры пациентов. Вызывает тревогу и тот факт, что антибиотики все чаще используются как пищевые добавки в корм для птицы, свиней, крупного рогатого скота, рыб и других хозяйственных животных. С 1954 по 2002 год производство антибиотиков в США возросло с 2 млн. фунтов до более чем 50 млн фунтов, и по приблизительным оценкам, половина этого количества добавляется в корм животным. Благодаря таким нехитрым методам удается избежать распространения не очень опасных инфекций и увеличить прирост веса. Однако такие добавки приводят к отбору среди бактерий, потому эффективность этого метода постепенно снижается. Для более быстрого роста количество антибиотиков в кормах удваивается и даже утраивается. В результате значительно увеличилась пропорция клеток R среди скота и птицы. Теперь уже более 70% бактериальной флоры у большинства видов скота имеет фактор R. В Великобритании потенциальная опасность передачи факторов R от скота человеку была отмечена в докладе Swann, в котором давались советы значительно уменьшить использование антибиотиков в качестве веществ, способствующих росту животных. В 1998 году Европейский Союз запретил применение антибиотиков, которые одновременно используются и для лечения заболеваний человека. Высокопоставленные ученые и деятели здравоохранения в США потребовали от правительства сделать то же самое. Однако доход от продажи антибиотиков фермерам огромен: в 1983 году он превысил 270 млн. долларов, и североамериканские фармацевтические компании отказались уменьшить производство антибиотиков для сельскохозяйственных животных. Эти компании также успешно борются со всеми попытками принять запрещающие законы. К сожалению, правительство США, даже во времена самых либеральных администраций, всегда принимало сторону фармацевтических компаний и критиковало ограничительные меры Европейского Союза.

Е. С. Андерсон из Великобритании, изучая факторы R, не перестает подвергать критике фармацевтов. Иногда они идут на значительные искажения фактов, как, например, в рекламе препарата Неграм концерна «Винтроп»:

«Зачем давать бактериям фору в 48 часов?» — говорится в одной рекламной статье, которая сообщает, что якобы за два дня, в течение которых происходит подготовка пациента к анализу, от одной резистентной клетки могло бы образоваться 7,9231 х 10²⁸ резистентных бактерий. Любой начинающий микробиолог знает, что такое безграничное размножение (которое на самом деле дало бы не менее 30 000 млн. тонн бактерий) может происходить только в специализированных лабораторных условиях и уж никак не внутри организма. Тем не менее на таком примере «Винтроп» доказывает, что в действительности никаких резистентных бактерий не наблюдается, а следовательно, их продукт безвреден и рекомендован для применения на практике².

Методы распространения таких продуктов бывают весьма настойчивыми («Самый лакомый кусочек для свиньи») и безответственными. В результате создается благоприятная обстановка для широкого применения сильнодействующих препаратов с факторами R.

Хотя производители утверждают, что их добавки к кормам совершенно безвредны, в 1984 году было получено убедительное доказательство обратного. В феврале 1983 года Майкл Остерхолм из департамента здравоохранения Миннесоты сообщил в Центр контроля заболеваний в Атланте о необычной вспышке желудочно-кишечной инфекции в районе Миннеаполиса и Сент-Пола, вызываемой бактерией Salmonella Newporti. Оказалось, что она резистентна к ампициллину, карбенициллину и тетрациклину и что во всех образцах бактерии встречаются одни и те же плазмиды. О другой вспышке инфекции, вызываемой той же бактерией, сообщил эпидемиолог Кеннет Сенджер из Южной Дакоты. Затем путь распространения этой бактерии проследили до фермы, в которой к кормам регулярно добавляли хлортетрациклин. Мясо животных, употреблявших эти корма, поставляли в супермаркеты Миннесоты, где его и приобрели будущие жертвы заболевания. Этот случай противоречит утверждениям производителей антибиотиков и фермеров, согласно которым их практика не приводит к отбору резистентных бактерий и не представляет угрозы для здоровья людей.

Налицо очевидная опасность факторов R, и перед ее лицом люди еще раз должны задуматься о том, что стремление получить сиюминутную выгоду может привести к пагубным последствиям в будущем. Штаммы возбудителей сифилиса и гонореи с фактором R могут ухудшить и без того серьезное положение с венерическими заболеваниями.

Таким образом, плазмиды представляют собой мощное средство генетических изменений с непредсказуемыми последствиями. Как мы увидим далее, в генной инженерии плазмиды служат одновременно источником больших надежд и опасений.

Лизогения

Биологи, проводившие эксперименты с фагами до Второй мировой войны, часто утверждали, что некоторые штаммы бактерий переносят вирусы, которые иногда непредсказуемо проявляют себя в растущих культурах. Ученые школы Дельбрюка не воспринимали серьезно подобные утверждения и отвергали эти факты, полагая, что бактерии заражались из-за недостаточно стерильных методов работы. Однако в 1950 году Андре Львов и Антуанетта Гутман из Парижа доказали существование явления, названного лизогенией, и содержание неактивных форм фагов, называемых профагами, в некоторых бактериях. Лизогенные штаммы имеют иммунитет против тех фагов, переносчиками которых они являются. Иногда профаг в лизогенной клетке спонтанно индуцируется, то есть переходит в активное, или литическое, состояние. Его ДНК быстро размножается, и клетка наполняется частицами фага, после чего лизирует, то есть разрушается, как если бы она была заражена фагом наподобие Т4. Львов позже обнаружил, что можно индуцировать литическую фазу, подвергнув бактерии воздействию ультрафиолетового света или других реагентов. Так исследователи смогли контролировать рост фагов.

Фаги, существующие в лизогенных бактериях, называются умеренными, в противоположность вирулентным фагам, таким как Т2 или Т4, которые всегда быстро размножаются и убивают своего хозяина. Когда умеренный фаг заражает чувствительную (нелизогенную) клетку, он либо размножается литически, либо становится префагом и преобразует бактерию в лизогенную клетку. Из этой клетки впоследствии может образоваться клон лизогенных клеток, содержащих копии этого профага, так как ДНК профага реплицируется во время репликации хромосомы бактерии. Подобно плазмидам эти профаги переходят из бактерии в бактерию при делении клеток.

В 1951 году Эстер Ледерберг обнаружила, что некоторые штаммы Е. coli лизогенны к фагу лямбда (λ), который с тех пор стал самым изученным и самым полезным из вирусов. На его примере удалось понять, где профаги скрываются внутри клетки. Эксперименты по картированию показали, что профаг лямбда располагается на особом участке между генами gal и biо (гены метаболизма галактозы и синтеза витамина биотина). Аллен Кэмпбелл доказал, что профаг лямбда встраивается в этот участок, подобно тому как фактор F встраивается в хромосому бактерии Hfr, так что ДНК профага и ДНК бактерии составляют одну большую молекулу ДНК. Проникший в клетку фаг внедряет в клетку свою кольцевую ДНК. Особый участок ДНК лямбды, которым она прикрепляется к ДНК бактерии, имеет ту же последовательность, что и участок хромосомы Е. coli между генами gal и biо:

После кроссинговера ДНК лямбды становится составной частью ДНК Е. coli. В интегрированном профаге имеется механизм контроля, который держит большинство генов профага в неактивном состоянии, так же как и гены любых проникающих в клетку вирусных геномов, поэтому лизогенные клетки иммунны к большинству вирусов того же типа.

Профаги других умеренных фагов, таких как Р1, не становятся частью хромосомы хозяина, а существуют отдельно, подобно плазмидам. Некоторые вирусы животных также могут существовать в своего рода лизогенном виде внутри клеток хозяина, и иногда этому состоянию соответствуют определенные стадии некоторых болезней. Многие канцерогенные вирусы (те, что вызывают злокачественные опухоли) аналогично встраиваются в хромосомы хозяина.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: