Jakie terapie mogą nam pomóc w walce z lekoopornymi bakteriami

Od ponad 30 lat firmy farmaceutyczne nie wprowadziły na rynek nowej klasy antybiotyku, który mógłby pomóc w walce z narastającą antybiotykoopornością bakterii. Eksperci Światowej Organizacji Zdrowia (WHO) wykazali niedawno, że w 2019 r. na całym świecie 1,27 mln osób zmarło bezpośrednio w wyniku zakażeń szczepami bakterii opornymi na dostępne terapie, w przypadku zaś kolejnych 5 mln osób stwierdzono potencjalny związek śmierci z lekoopornością bakterii. W naszym życiu coraz częściej mamy do czynienia z trudnymi infekcjami, na które pacjenci muszą zażywać po kilka różnych antybiotyków, żeby dojść do zdrowia. Być może dziwimy się też w przychodniach, dlaczego lekarze mniej chętnie wypisują recepty na antybiotyki w przypadku łagodniejszych infekcji, niż robili to kilkanaście lat temu (a nawet jeśli tak nie robią, to prawdopodobnie powinni).

Klasy antybiotyków definiuje się poprzez określony mechanizm działania, czyli zabijanie bakterii lub powstrzymywanie ich namnażania oraz skuteczność w walce z określonymi typami infekcji. I tak np. penicyliny czy cefalosporyny blokują aktywność pewnych enzymów bakterii, uniemożliwiając im budowę ściany komórkowej. Inne antybiotyki mogą ingerować w różne elementy komórkowej maszynerii bakterii. Antybiotyki stosowane od lat 80. XX w. to jedynie odmiany leków odkrytych znacznie wcześniej. Żeby opracować nowy antybiotyk, który może być dopuszczony na rynek farmaceutyczny, potrzeba około 10-15 lat badań i nawet do 1 miliarda dolarów na ich finansowanie.

Koszty i długi czas wynikają również z faktu, że łatwo dostępne substancje bakteriobójcze są już znane i używane, a opracowanie nowych jest dużym wyzwaniem naukowym. Nakład środków nie wiąże się jednak ze stopą zwrotu finansowego dla firm farmaceutycznych, ponieważ antybiotyki są relatywnie tanie w porównaniu do innych leków. Ponadto, aby przeciwdziałać antybiotykooporności, stosuje się je w małych dawkach. To połączenie wpływa na niskie dochody ze sprzedaży, co spowodowało, że wiele firm farmaceutycznych wycofało się z opracowywania nowych antybiotyków. W latach 80. w badania tego typu zaangażowanych było 18 międzynarodowych firm; dziś jest ich tylko garstka.

Przez cały ten czas bakterie, niestety, nie próżnowały.

Ewolucja pod presją

Głównym czynnikiem mającym wpływ na rozwój antybiotykooporności jest ewolucyjna zdolność bakterii do adaptacji do środowiska. Masowe stosowanie antybiotyków w medycynie – a także w hodowli zwierząt – tylko „zachęciło” bakterie do tym zręczniejszego unikania ich niszczycielskich skutków. Drobnoustroje wykształcają mechanizmy, które bronią je przed działaniem szkodliwych dla nich substancji, np. poprzez rozkład lub usuwanie antybiotyków z komórki, dodatkowe zabezpieczenia przed wnikaniem szkodliwych substancji przez barierę ściany komórkowej lub modyfikację białek bakteryjnych, które są celem terapii. Pojawiające się u drobnoustrojów geny oporności to wynik tego, że bakteria „uczy się” obrony przed antybiotykiem na zasadzie mutacji lub poprzez transfer genów.

Mutacje, czyli losowe błędy w kopiowaniu materiału genetycznego, zachodzą stale w czasie rozmnażania się wszystkich organizmów – w tym bakterii – i umożliwiają pojawianie się u nich nowych adaptacji. W wyniku pojawiania się mutacji pewna część bakterii będzie lepiej radzić sobie z presją środowiska – w tym ze stosowanymi antybiotykami – i to te bakterie dalej będą się namnażać. Transfer genów odbywa się natomiast poprzez kontakt pomiędzy dwoma bakteriami, z których jedna ma gen oporności i przekazuje go drugiej. WHO szacuje, że problem będzie znacząco narastał: do 2050 r. z powodu antybiotykooporności może rocznie umierać nawet 10 milionów ludzi, dlatego tak ważne jest poszukiwanie nowych leków.

Jedną z nadziei na przyszłość może być terapia fagowa. Fagi, nazywane także bakteriofagami, czyli dosłownie „zjadaczami bakterii”, to wirusy atakujące bakterie. Są ich naturalnymi wrogami, nieszkodliwymi dla człowieka, zwierząt czy roślin. Fagi są dosłownie wszędzie – znajdziemy je w glebie, atmosferze, oceanach czy jelitach człowieka. Szacuje się, że w danym momencie na świecie znajduje się 10³¹–10³² bakteriofagów, co sprawia, że ​​stanowią one najliczniejszą jednostkę biologiczną na Ziemi i odgrywają kluczową rolę w regulowaniu populacji bakterii. Jest ich tak dużo w naszym środowisku, że codziennie zabijają, przykładowo, ok. 20-40 proc. wszystkich bakterii powierzchniowych w morzu. Ich wykorzystanie w zastępstwie antybiotyków może stanowić alternatywę w leczeniu uporczywych infekcji. Zaletą fagów jest to, iż są wybredne – działają wybiórczo, w przeciwieństwie do antybiotyków, które najczęściej wykazują szerokie działanie na wiele typów bakterii, zabijając zarówno te chorobotwórcze, jak i te dla nas korzystne, składające się na naszą mikroflorę. Selektywność fagów związana jest z tym, iż ewoluują w ścisłym związku z bakteriami – stale „uczą się” atakować konkretne szczepy bakterii, nawet gdy te równolegle same ewoluują.

Czerwone terapie

Naukowcy mogli dokładnie obejrzeć bakteriofagi dopiero po wynalezieniu mikroskopu elektronowego, czyli w latach 40. XX w. Obecnie wiemy, że zbudowane są z kapsydu białkowego, w którym zlokalizowany jest materiał genetyczny (częściej w postaci dwuniciowego DNA, rzadziej – RNA), oraz ogonka, który łączy się z komórką bakterii. W momencie infekcji materiał genetyczny faga wstrzykiwany jest do komórki bakterii przez kanał umiejscowiony w ogonku. Tak jak w przypadku infekcji wirusowej u ludzi czy zwierząt, w komórce bakteryjnej też dochodzi do namnażania fagów (replikacji) – a w konsekwencji do zniszczenia komórki i wydostania się nowej porcji fagów na zewnątrz – czyli w sąsiedztwie innych komórek bakterii, które mogą zostać zaatakowane. Niektóre bakteriofagi mają zdolność integrowania swojego materiału genetycznego z DNA bakterii – wtedy pozostają w formie „uśpionej”, nie niszcząc od razu organizmu żywiciela.

Pierwszy raz terapia fagowa została wykorzystana w leczeniu zakażenia bakterią Shigella dysenteriae już w 1919 r. – prawie dekadę wcześniej, niż Alexander Flemming odkrył penicylinę. Odkrycie i nazwanie bakteriofagów przypisuje się francusko-kanadyjskiemu mikrobiologowi Felixowi d’Herelle, który jako pierwszy wyizolował fagi i zastosował je w leczeniu. Za jego pracami szczególnie chętnie podążano w byłym Związku Radzieckim, gdzie fagi stosowano na wiele chorób wywoływanych przez bakterie, w tym dur brzuszny czy cholerę. Wczesne publikacje naukowe napawały optymizmem, jednak prowadzone wtedy eksperymenty nie spełniały tak wyśrubowanych standardów, jakich oczekujemy dzisiaj, a wyniki były publikowane w niszowych czasopismach i nie tłumaczono ich na język angielski. Mimo to terapia fagowa w latach 30. i 40. XX w. została na tyle spopularyzowana, że w USA kilka firm farmaceutycznych zaczęło produkować preparaty fagowe (m.in. w formie żeli lub płynów) wykorzystywane głównie do leczenia infekcji górnych dróg oddechowych.

Ostatecznie terapie fagowe nie przyjęły się jednak w zachodnim świecie, z kilku powodów. Po pierwsze, w połowie ubiegłego wieku naukowcy nie rozumieli jeszcze specyficzności bakteriofagów i nie wiedzieli, które z nich należy podać w walce z danymi bakteriami. Po drugie, w preparatach często stosowano fenol jako środek konserwujący, co powodowało denaturację fagów – czyli wystąpienie takich zmian strukturalnych, które powodują utratę ich aktywności biologicznej. Obie te przyczyny odpowiadały za ogólną niską skuteczność terapii. Gwoździem do trumny wczesnych terapii fagowych okazało się odkrycie i rozpropagowanie antybiotyków, które zrewolucjonizowały leczenie infekcji bakteryjnych na całym świecie. Nie bez znaczenia była także zimna wojna z ZSRR, która tłumaczyła wielką rezerwę zachodniego świata do doniesień naukowych pochodzących zza żelaznej kurtyny.

Koktajl z nieczystości

Renesans terapii fagowej nastąpił w ostatniej dekadzie, zwłaszcza w USA, głównie dzięki zaangażowaniu i osobistym doświadczeniom Steffanie Strathdee, profesorki Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego i współzałożycielki Centrum Innowacyjnych Zastosowań i Terapii Fagów (IPATH – pierwszego centrum terapii fagowej w Ameryce Północnej). W 2015 r. podczas wizyty w Egipcie mąż doktor Strathdee – profesor psychiatrii Tom Patterson – doświadczył potencjalnie zabójczej infekcji wywołanej przez bakterię Acinetobacter baumannii, z którą nie mogły sobie poradzić żadne antybiotyki.

By uratować życie męża, Strathdee przeczesywała literaturę naukową i pewnego dnia natrafiła na artykuł dotyczący terapii fagowej, która po konsultacji z lekarzami, ekspertami z Centrum Technologii Fagowej Uniwersytetu w Teksasie, naukowcami z marynarki wojennej USA oraz amerykańską Agencją Żywności i Leków (FDA) została zastosowana wobec jej męża. Największym wyzwaniem było znalezienie odpowiednich bakteriofagów. Wymagało to izolacji nowych szczepów z takich środowisk jak ścieki, odpady czy zęzy okrętów wojennych (zęza to najniższe miejsce w kadłubie statku, gdzie spływają rozmaite płyny i nieczystości), w celu przygotowania odpowiedniego dożylnego koktajlu leczniczego. Ten wysiłek się opłacił – terapia okazała się skuteczna, a pacjent po 9 miesiącach pobytu w szpitalu mógł wrócić do domu.

Obecnie, za sprawą rosnącego zagrożenia ze strony antybiotykoopornych bakterii, terapie fagowe zyskują zwolenników, a coraz więcej naukowców podejmuje badania, by lepiej zrozumieć wpływ tego rodzaju leczenia na zdrowie pacjentów. Leczenie bakteriofagami stanowi również alternatywę dla pacjentów uczulonych na niektóre klasy antybiotyków. Terapie fagowe to w tym momencie rodzaj leczenia ostatniej szansy, kiedy wszystkie dostępne antybiotykoterapie już zawiodły. Przeprowadza się je w wyspecjalizowanych ośrodkach badawczych. Bakteriofagi są potencjalnie dużo bezpieczniejsze dla mikroflory ze względu na swoją wysoką selektywność względem bakterii, które atakują. Z drugiej strony zastosowanie odpowiedniej terapii fagowej w przypadku konkretnej infekcji wymaga przeprowadzenia szczegółowych badań pacjenta i dokładnego określenia, z jaką bakterią mamy do czynienia, w celu dobrania odpowiedniego szczepu bakteriofaga.

W trakcie leczenia może się pojawić zjawisko oporności, podobnie jak w przypadku antybiotyków (atakowane przez wirusy bakterie mogą się na ataki uodpornić). Wtedy alternatywą jest podanie innego szczepu fagowego, ale z reguły od razu można stosować koktajle złożone z kilku rodzajów bakteriofagów, które zapewniają większą skuteczność. Zaletą wirusów bakteryjnych jest też ich zdolność do namnażania w organizmie człowieka tylko wtedy, gdy są w nim obecne bakterie. Gdy bakteriofagi dotrą na miejsce infekcji, zaczną się intensywnie namnażać, dzięki czemu nie trzeba ich wielokrotnie podawać. A gdy zwalczą już wszystkie bakterie, także one stracą możliwość produkowania własnych kopii.

Przerwana reakcja

Ponieważ człowiek od tysięcy lat współegzystuje z bakteriami, również bakteriofagi nie są obce dla naszego układu odpornościowego, który umie je sprawnie usuwać z organizmu, kiedy infekcja zostanie już zwalczona. Ale reakcja naszego własnego organizmu na fagi może mieć różną intensywność – czego kontrola jest jednym z wyzwań obecnych terapii. Po pandemii covid-19 wszyscy doskonale pamiętamy, że dla naszego organizmu niebezpieczne mogą być nie tylko cząsteczki wirusów, ale także nieadekwatna reakcja komórek odpornościowych na nie.

Problemem aktywacji reakcji immunologicznej przez wirusy bakteryjne zajmują się m.in. badacze z Uniwersytetu Gdańskiego oraz Uniwersytetu Rolniczego im. Hugona Kołłątaja w Krakowie. W marcu tego roku opublikowali wyniki swoich prac w czasopiśmie „Nature Communications”. Badania prowadzone były m.in. na kurczakach zakażonych popularną bakterią Salmonella enterica, następnie poddanych działaniu koktajlu fagowego o działaniu bakteriobójczym. Eksperymenty wykazały, że fagi inicjują procesy komórkowe, które mogłyby prowadzić do uruchomienia silnej reakcji odpornościowej, ale są one hamowane na początkowym etapie. Reakcja nie następuje, ponieważ DNA bakteriofaga nie jest rozpoznawane przez enzym występujący w komórkach zwierzęcych – w tym ludzkich. To z kolei uniemożliwia produkcję dwuniciowych cząsteczek RNA, które są konieczne do uruchomienia ostatniego etapu pełnej odpowiedzi immunologicznej.

„Wyniki te nie tylko stanowią odkrycie mechanizmu przerwanej reakcji immunologicznej w odpowiedzi na bakteriofagi, ale wskazują na to, że terapia fagowa może być uznana za metodę bezpieczną, dającą więc nadzieję na skuteczne zwalczanie chorobotwórczych bakterii opornych na antybiotyki” – wyjaśniał w informacji prasowej Uniwersytetu Gdańskiego współautor badań, prof. Grzegorz Węgrzyn.

Ostatnie lata przyniosły też szereg zarejestrowanych badań klinicznych analizujących bezpieczeństwo i skuteczność terapii fagowych zgodnie ze standardami stosowanymi w przypadku leków onkologicznych czy szczepionek. To dobra wiadomość, bo czas nagli, a bakterie, jak zawsze, depczą nam po piętach.