Как были изобретены антибиотики и как ученые сегодня борются с супербактериями: анализ

Открытие антибиотиков разделило историю человечества на до и послепревращения смертельных инфекций в излечимые болезни. Мы разобрались, как началась эра антибиотиков, как бактерии наносят ответный удар сегодня и что ученые планируют с этим делать.

Антибактериальная терапия возникла в начале 20-го века на основе концепции Пауля Эрлиха «волшебной пули». Это гипотетическое вещество, способное избирательно уничтожать болезнетворные микроорганизмы. Первым практическим результатом этой теории стал препарат на основе мышьяка — сальварсан, который применялся для лечения сифилиса.

Следующим этапом стало создание сульфаниламидов - первых системных синтетических противомикробных средств. Однако переломный момент наступил позже, когда вместо синтеза искусственных соединений ученые решили понять, как их естественные конкуренты - грибы - борются с бактериями.

Пенициллиновая эра

В 1928 году Александр Флеминг в ходе лабораторных наблюдений обнаружил, что плесеньв чашке Петри подавляет рост стафилококков. Антибактериальным оружием грибов оказалось вещество пенициллин, относительно безопасное для человека.

Следующее исследование Флеминга было направлено на изучение токсичности и спектра действия препарата. Позже была разработана технология его очистки и выделения в объемах, достаточных для клинических испытаний.

Золотой век антибиотиков

Успех пенициллина положил начало золотому веку антибактериальной терапии (1940–1960-е годы). Ключевую роль в этот период сыграл микробиолог Зельман Ваксман, разработавший метод систематического поиска антибиотиков среди почвенных микроорганизмов.

Его подход был основан на концепции межвидовой конкуренции в почве, заставляющей микробы вырабатывать естественные факторы защиты от соседних видов. Массовый скрининг этих микроорганизмов позволил ученым открыть ключевые классы лекарств:

стрептомицин,

тетрациклины,

макролиды,

гликопептиды.

Стрептомицин имел большое значение, поскольку стал первым эффективным средством лечения туберкулеза.

Как химики улучшили природные антибиотики

Многие природные молекулы редко обладают оптимальными фармакокинетическимисвойствами:

они нестабильны в кислой среде желудка;

высокотоксичный;

имеют узкий спектр действия.

Чтобы устранить эти недостатки, ученые начали модифицировать природные антибиотики. Это позволило расширить спектр действия препаратов, снизить их токсичность и повысить устойчивость к защитным механизмам бактерий.

Параллельно развивалось производство полностью синтетических антибактериальных средств, таких как хинолоны (фторхинолоны) и оксазолидиноны.

Кризис сопротивления

Массовое применение антибиотиков привело к появлению резистентных бактерий. Если микроорганизмы, чувствительные к препарату, погибают, то одиночные бактерии с мутациями, обеспечивающими устойчивость, выживают и размножаются.

Ключевыми факторами широкомасштабного распространения сопротивления были:

нецелесообразное применение – назначение антибиотиков при вирусных инфекциях (например, ОРВИ) или самовольное сокращение пациентами продолжительности курса;

массовое использование антибактериальных препаратов в животноводстве;

применение антибиотиков в стационарах, где формируются наиболее благоприятные условия для селекции супербактерий с множественной лекарственной устойчивостью.

Разработка принципиально нового класса антибиотиков требует огромных финансовых вложений, а это невыгодно фармацевтическим компаниям. В результате потребность в новых антибактериальных препаратах (действующих по другим механизмам) растет, а реальных предложений от производителей очень мало.

Найден ключ к победе над опасным вирусом, поражающим детей и пожилых людей

Важно: о супербагах

Супербактерии — это микроорганизмы, у которыхразвилась устойчивость к нескольким (или всем) антибиотикам. Международная группа экспертов опубликовала в The Lancet прогноз до 2050 года относительно проблемы устойчивости к антибиотикам у таких бактерий. По их расчетам:

Ежегодно более 1,9 миллиона человек умирают непосредственно из-за инфекций, вызванных супербактериями.

Еще 8,2 миллиона смертей будут вызваны осложнениями, связанными с этими микроорганизмами.

С 2025 по 2050 год устойчивые инфекции станут причинойпочти 40 миллионов смертей.

Почему геномика не спаситель

В 1990–2000-е годы у науки появилась новая надежда — геномика. Ученые начали массово расшифровывать геномы бактерий и искать гены,без которых микробы не могут выжить. Казалось, схема будет почти идеальной. Вам просто нужно найти жизненно важную бактериальную мишень, выбрать вещество, которое ее блокирует, иполучить новый антибиотик.

На практике метод оказался гораздо менее успешным, чем ожидалось. Молекулы, подавлявшие мишень в пробирке,не работали в живом организме. Кроме того, активированные бактерии обходят метаболические пути; им требовалась всего лишь одна точечная мутация, чтобы стать устойчивыми.

Где сегодня ищут антибиотики?

Сегодня ученые продолжают поиск новых антибиотиков в микроорганизмах.Основным источником новых молекул являются бактерии из глубоких почв и океанов, которые раньше просто невозможно было вырастить в лабораториях.

Поиск новых лекарствтакже ускоряется благодаря искусственному интеллекту. Нейронные сети способны анализировать миллионы химических соединений за считанные дни и выбирать наиболее перспективных кандидатов, которые уничтожат супербактерии. Искусственный интеллект позволяет находить молекулы с потенциально новыми механизмами действия, от которых микробы пока не имеют защиты.

Параллельно антибиотикам ищут альтернативу. Среди них:

бактериофаги — вирусы, заражающие и уничтожающие бактерии (в связи с проблемой резистентности в настоящее время растет интерес к бактериофагам);

антимикробные пептиды — короткие молекулы, повреждающие мембраны бактерий или нарушающие жизненно важные процессы в их клетках, вызывающие гибель микроорганизмов;

Разрушители бактериальной биопленки — это агенты, которые разрушают защитные барьеры бактериального сообщества, делая микроорганизмы уязвимыми для иммунной системы и других антибактериальных агентов.

Популярные лекарства от артериального давления связаны с риском для почек

Основная история антибиотиков

Быстрая эволюция супербактерий опережает развитие классических лекарств, превращая нерациональное использование антибиотиков в медицине и животноводстве в глобальную угрозу. Поскольку традиционный геномный поиск мишеней не оправдал первоначально возложенных на него надежд, а коммерческий интерес фармацевтических компаний к резервным лекарствам минимален, перед наукой стоит задача радикального изменения стратегии.

Сегодня преодоление кризиса основано на цифровизации и поиске альтернатив.Искусственный интеллект сократил время анализа миллионов химических соединений до нескольких дней, дав возможность находитьпринципиально новые молекулы.

Важные исследования

Вклад Пауля Эрлиха в фармакологию: дань уважения к столетнему юбилею его Нобелевской премии

Замена сульфаниламидных препаратов новыми ингибиторами дигидроптероатсинтазы (ДГПС).

Научная основа открытия антибиотиков

Глобальное бремя бактериальной устойчивости к противомикробным препаратам с 1990 по 2021 год: систематический анализ с прогнозом до 2050 года