SZ nr 1–8/2020z 23 stycznia 2020 r.
Nowych antybiotyków może już nie być
Justyna Grzechocińska
Wyobraźmy sobie, że nie mamy leku na anginę, że nic nie pomoże chorym na zapalenie płuc, że nie będzie kuracji na bakteryjne zapalenie opon mózgowych. Słowem, wyobraźmy sobie świat bez antybiotyków. Jeśli się nie opamiętamy, to do 2050 roku z powodu oporności na środki przeciwdrobnoustrojowe może potencjalnie umierać jedna osoba co 3 sekundy, a zjawisko może stać się częstszą przyczyną zgonów niż rak.
Kiedy na przełomie lat 30. i 40. XX wieku Fleming i współpracownicy rozpoczęli pracę nad przemysłowym pozyskiwaniem penicyliny, wiedziano, że właśnie dzieje się przełom w leczeniu zakażeń bakteryjnych. Antybiotyki nazywano wtedy cudownymi lekami. Cząsteczki z tej grupy ograniczyły śmiertelność z powodu chorób o etiologii bakteryjnej i zmniejszyły częstość powikłań w profilaktyce okołooperacyjnej. Rysą na diamencie była wiadomość, że już przed masowym zastosowaniem pierwszego antybiotyku – penicyliny, izolowano szczep Staphylococcus aureus wytwarzający beta-laktamazę. Dlatego do walki przeciw szczepom opornego gronkowca została włączona wankomycyna, ale i w tym przypadku szybko zanotowano pierwszy przypadek wankomycynoopornego szczepu gronkowca złocistego (VRSA). Rozpoczęto więc produkcję kolejnego antybiotyku – linezolidu i znów już po roku wykryto pierwszy szczep oporny na ten lek. W ostatniej dekadzie XX wieku problem oporności zaczął wymykać się spod kontroli, a opcje terapeutyczne zakażeń bakteryjnych zaczęły ulegać wyczerpaniu. Przy braku odpowiednich działań zapobiegawczych w 2050 r. z powodu infekcji bakteryjnych będzie umierać do 10 milionów osób rocznie.
Trendy antybiotykooporności
patogenów alarmowych
Minęło już sto lat, od kiedy Alexander Fleming odkrył pierwszy antybiotyk. Od tego czasu wyprodukowano i zaaplikowano tysiące ton tych leków, zarówno ludziom, jak i zwierzętom. Są one używane do leczenia infekcji bakteryjnych, ale także jako promotory wzrostu, dodawane do paszy w celu zwiększania wagi zwierząt. Od kiedy Unia Europejska zakazała używania antybiotyków jako dodatku do pasz zwiększyło się ich użycie w leczeniu. To ogromne i często nieracjonalne natężenie ich użytkowania doprowadziło do rozwoju lekooporności wśród bakterii. Ponad 1/3 izolatów pałeczek Klebsiella pneumoniae, raportowanych w ramach sieci EARS-Net (ang. European
Antimicrobial Resistance Surveillance Network), było opornych na przynajmniej jedną grupę terapeutyczną, ale najczęściej stwierdzano u tych drobnoustrojów oporność na 3 lub więcej grup terapeutycznych. Wśród pałeczek Escherichia coli w krajach europejskich odnotowano istotny statystycznie wzrost oporności na cefalosporyny trzeciej generacji, fluorochinolony i aminoglikozydy. Coraz częściej oporny na wankomycynę okazuje się Enterococcus faecalis. Za tę oporność odpowiedzialne są trzy geny kodujące warianty białek zmniejszających zdolność wankomycyny do wiązania się na powierzchni komórki bakteryjnej. Do patogenów alarmowych typu XDR (extensively drug resistant – oporne wobec szerokiej gamy leków), które stały się szczególnie niebezpieczne, zalicza się Gram ujemne pałeczki jelitowe wytwarzające karbapenemazy – enzymy wykluczające terapię antybiotykami z grupy beta-laktamów, w tym karbapenemów uznawanych dotychczas za leki ostatniej szansy. Jedynym pozostałym lekiem, skutecznym w terapii zakażeń takimi drobnoustrojami jest kolistyna. Niestety w efekcie nadużywania tego leku (zwłaszcza w produkcji zwierzęcej), pojawiła się oporność eliminująca z terapii również i ten lek. Innymi przykładami izolowanych już od dawna patogenów alarmowych są szczepy Streptococcus pneumoniae, oporne na penicylinę i cefalosporyny III generacji, oraz enterokoki oporne na wysokie stężenia aminoglikozydów, wankomycynę i linezolid. Z kolei szczepy Staphylococcus aureus oporne na meticylinę, tylko w USA w 2013 roku wywołały ok. 94 tys. zakażeń, powodując ok. 19 tys. zgonów, czyli więcej niż w tym samym czasie spowodowało AIDS. Oporność na metycylinę jest uwarunkowana obecnością genu MecA, który koduje syntezę nowego białka, przejmującego funkcje inaktywowanych przez antybiotyki β-laktamowe białek odpowiedzialnych za syntezę mureiny ściany komórkowej. Coraz większe zagrożenie stanowi wspomniany wcześniej szczep VRSA, na który nie ma żadnego skutecznego lekarstwa. W krajach nadbałtyckich oraz w krajach Europy Południowej i Południowo-Wschodniej odnotowano wysoki odsetek szczepów Acinetobacter spp opornych łącznie na fluorochinolony, aminoglikozydy i karbapenemy. Jako optymistyczny na poziomie europejskim należy uznać fakt, że w Europie mamy też relatywnie niski odsetek szczepów E. coli i K. pneumoniae opornych na karbapenemy. Niestety, Polski te optymistyczne dane i prognozy nie dotyczą.
Superbakteria w Polsce
Dramatyczna sytuacja występuje w takich krajach jak Indie czy Chiny. Dostęp do antybiotyków, w tym tych stosowanych w rolnictwie jest niekontrolowany. Ścieki komunalne i odchody zwierząt trafiają wprost do zbiorników wodnych. W tych krajach poziom leków przeciwdrobnoustrojowych w środowisku jest trudny do wyobrażenia. Prawdziwe eldorado dla rozwoju antybiotykooporności.
W Unii Europejskiej najgorsza sytuacja jest w krajach południowych. Zgodnie z prawem europejskim antybiotyki wydawane są jedynie na podstawie recepty lekarskiej, jednak np. w Grecji, słynącej z umiarkowanego poszanowania przepisów, antybiotyk można z łatwością otrzymać bez recepty. Prowadzi to do rozwoju antybiotykooporności. Jest jeszcze jeden słaby punkt takiego procederu, turysta, trafiając do szpitala (które są największym siedliskiem bakterii lekoopornych), zaraża się jednym z patogenów, a następnie transportuje bakterię w inne miejsca na świecie. Polska jest jednym z tych innych miejsc, co potwierdza cykliczny raport Krajowego Ośrodka Referencyjnego ds. Lekowrażliwości Drobnoustrojów (KORLD). Superbakteria New Delhi, to potoczna nazwa bakterii Klebsiella pneumoniae o cechach antybiotykooporności. Zwyczajna Klebsiella powoduje zapalenie płuc lub infekcje układu moczowego. Gdy staje się bakterią New Delhi, nie działają na nią żadne antybiotyki. Powikłania mogą spowodować sepsę, którą przeżywa 50 proc. pacjentów. Liczba potwierdzonych przypadków zakażenia tą bardzo groźną bakterią rośnie – i to w postępie geometrycznym (najwięcej jest w województwie mazowieckim i podlaskim). Dane z 2019 roku mówią już o 3 tys. potwierdzonych przypadków. Z raportu KORLD za 2018 r. wynika, że w całym kraju potwierdzono aż 2355 nowych zakażeń (w 2016 r. było 1780).
Antybiotyki na talerzu
Dane pochodzące z uruchomionego przez EMA w 2009 programu nadzoru nad zużyciem antybiotyków u zwierząt nie są korzystne dla Polski. Z raportu wynika, że w 2017 roku w hodowli zwierząt w Polsce zużyto czterokrotnie więcej antybiotyków niż w Danii, prawie trzykrotnie więcej niż w Holandii, 2,4-razy więcej niż we Francji i niemal dwukrotnie więcej niż w Niemczech – w przeliczeniu na 1 kg masy zwierząt, od których pozyskuje się żywność (population correction unit – PCU). Bardziej jednak niepokojący niż liczby bezwzględne jest zaobserwowany trend. Po wcześniejszym, czteroletnim okresie spadków, zużycie „weterynaryjnych” antybiotyków wzrosło w naszym kraju o 28% (ze 129,4 mg/PCU w 2016 r. do 165,2 mg/PCU
w 2017 r.). W tym samym czasie w większości państw Unii wykorzystanie tych substancji w hodowli zwierząt obniżyło się – choć w krajach takich jak Włochy czy Hiszpania wciąż pozostaje znacząco wyższe niż u nas. Niechlubny rekord należy do Cypru – aż trzykrotność danych dla Polski. Z kolei najmniej środków przeciwbakteryjnych w hodowli zwierząt zużywano w 2017 r. w Norwegii (3,1 mg/PCU), Szwecji (11 mg/PCU) i na Islandii (4,6 mg/PCU).1
W Europie nie zaleca stosowania u zwierząt karbapenemów, bo to jedne z leków ostatniej szansy u ludzi. Weterynarze jednak chętnie stosują tę grupę antybiotyków ze względu na wygodę podania leku. W Brazylii, Indiach, Rosji i Chinach nikt nie kontroluje podaży antybiotyków w weterynarii. Sytuacja najpewniej nie zmieni się tak długo, jak długo konsumenci będą oczekiwali dużo taniego mięsa.
Antybiotyki w wodach
powierzchniowych i głębokich
Antybiotyki są metabolizowane w organizmach tylko częściowo i w związku z tym zostają wydalane razem z kałem np. do ścieków lub też wód poprodukcyjnych z gospodarstw rybackich jako leki macierzyste bądź też ich metabolity. Te rozpuszczalne komponenty są częściowo usuwane w procesie oczyszczania ścieków i mogą przedostawać się do wód powierzchniowych stanowiących odbiorniki ścieków oczyszczonych. Ich stężenie w wodach jest najczęściej niewielkie, jednak w długiej perspektywie także dawki podprogowe leków mogą powodować nabieranie oporności na nie. Ponadto antybiotyki, wkraczając do środowiska, mogą zmieniać struktury zbiorowisk bakteryjnych, co ma ścisły związek z funkcjami ekosystemu. Głównym źródłem zanieczyszczenia lekami są ścieki komunalne i szpitalne. Zawarte w nich substancje, mimo że obecne w niewielkich stężeniach rzędu ng – µg/l, utrzymują się trwale w środowisku wodnym ze względu na ich ciągłe dostarczanie, działając na wiele pokoleń organizmów wodnych. Dużym źródłem antybiotyków w środowisku są wspomniane już gospodarstwa chowu zwierząt, ale tym razem z innego powodu. Gospodarstwa produkują obornik stosowany powszechnie jako nawóz na pola uprawne. Zawarte w nim antybiotyki przedostają się nie tylko do gleby i wód gruntowych, ale są także pobierane przez rośliny rosnące na polach. Antybiotyki są także powszechnie stosowane w hodowlach ryb. Nieprzyswojone przez ryby leki i ich metabolity dostają się wraz z ekskrementami do wód powierzchniowych, gdzie mogą odkładać się w osadach dennych. Tello i in. wykazali, że koncentracje antybiotyków w środowisku są wystarczająco wysokie, aby wywołać selektywną presję na bakterie o znaczeniu klinicznym i ograniczyć wzrost bakterii wrażliwych na leki.2 Gao i in. wykazali pozytywną korelację pomiędzy zawartością sulfonamidów a koncentracją bakterii opornych na te antybiotyki, z drugiej zaś strony ci sami autorzy stwierdzili brak takiej zależności dla tetracyklin.3 Należy wziąć pod uwagę fakt, że wzorzec oporności obserwowany w środowisku może być związany z ekspozycją bakterii na mieszaninę leków i metali ciężkich, stąd istnieje potrzeba monitorowania ich obecności.4 Ze względu na to, że antybiotyki zostały stworzone z myślą o leczeniu infekcji bakteryjnych u ludzi i zwierząt, ich pozostałości w środowisku mogą stanowić większe zagrożenie niż pozostałości pestycydów, których głównym celem działania są chwasty, grzyby i bezkręgowe szkodniki.5
Oprócz antybiotyków i ich produktów transformacji do środowiska wraz ze ściekami oczyszczonymi i obornikiem trafiają geny antybiotykooporności (antibiotic resistance genes – ARGs) oraz bakterie lekooporne (antibiotic resistant bacteria – ARB). Jednym ze środowisk, które ma szczególne znaczenie w szerzeniu się oporności na antybiotyki wśród bakterii, są oczyszczalnie ścieków. Wynika to z kilku zasadniczych faktów: ścieki obfitują w różnorodne gatunki drobnoustrojów, w tym szczepy patogenne, niosące geny oporności na antybiotyki, zawierają związki antybakteryjne, są bogate w substancje odżywcze, a duże zagęszczenie komórek bakterii przyczynia się do transferu oporności na liczne antybiotyki i chemioterapeutyki.6 W środowisku kształtowanym antropogenicznie stwierdzono występowanie drobnoustrojów opornych na prawie wszystkie znane leki. Stwarza to potencjalne ryzyko dla zdrowia ludzi i zwierząt, ponieważ ARGs i ARB naniesione do środowiska mogą ponownie, np. wraz z wodą pitną czy roślinami, przedostawać się do organizmów ludzi i zwierząt.
Nie wszystko przeminie
Antybiotyki przedostające się do środowiska ulegają biotycznej bądź abiotycznej degradacji. Ponieważ leki te są bardzo często podawane doustnie, najczęściej są niewrażliwe na hydrolizę. Większość stosowanych w medycynie antybiotyków jest tylko częściowo metabolizowana7, a metabolity utrzymują się w środowisku i nie jest możliwa ich inaktywacja8 – zwłaszcza związki półsyntetyczne i syntetyczne, które są bardzo stabilne i mają zdolność do silnej sorpcji. W związku z tym mogą się kumulować i osiągać wysokie stężenie.
Czas degradacji antybiotyków w środowisku jest różny i zależny od stężenia antybiotyku, struktury chemicznej związku, składu i struktury gleby/osadu, zawartości kwasów huminowych, wilgotności, pH, temperatury, zdolności sorpcyjnych, składu chemicznego środowiska i innych. Udowodniono, że pod wpływem chlorowania wody degradacji ulegają: trimetoprim i β-laktamy, utylizacja ścieków pozwala na eliminację fluorochinolonów i tetracyklin. Inne antybiotyki można usunąć za pomocą: filtracji węglowej, jonizacji i koagulacji.9
Naukowcy grzebią w ziemi
Rozwiązaniem problemu wzrastającej oporności drobnoustrojów na antybiotyki mogłaby być produkcja nowych antybiotyków. Jednak firmy farmaceutyczne nie wykazują zainteresowania takimi badaniami ze względu na duże nakłady finansowe na badania kliniczne, a także coraz bardziej restrykcyjne wytyczne rejestracyjne.
Niekorzystny jest także coraz krótszy czas skuteczności antybiotyków. Potwierdzają to wyniki badań przeprowadzonych w USA, w których porównano liczbę wprowadzonych na rynek nowych antybiotyków w latach 1983–1987 z liczbą wprowadzonych antybiotyków w latach 1998–2002. Okazało się, iż w przeciągu 20 lat liczba wprowadzonych antybiotyków spadła o 56%.
W 2015 r. zespół mikrobiologów z Northeastern University w Bostonie w stanie Massachusetts opublikował odkrycie nowego antybiotyku, tejksobaktyny, produkowanego przez bakterię glebową Eleftheriaterrae. Badania wykazały, że tejksobaktyna niszczy ściany komórkowe bakterii Gram-dodatnich. Zwalcza wiele powszechnych infekcji bakteryjnych, np. gruźlicę, posocznicę i zakażenia wywołane przez gronkowca złocistego, w tym szczep niewrażliwy na metycylinę (MRSA). Przed wprowadzeniem na rynek muszą zostać przeprowadzone wieloletnie i kosztowne badania kliniczne.
Naukowcy literalnie grzebią w ziemi. Badania takie prowadzone są np. na Uniwersytecie Stanowym Connecticut. W pracach biorą udział również studenci, którzy podczas zajęć laboratoryjnych badają próbki ziemi ze swojego otoczenia. Izolują oni szczepy, żeby sprawdzić je pod kątem przydatności w zwalczaniu innych bakterii. O ile może się wydawać, że to dość nowatorska metoda, to nie ma w niej nic nowego. Poszukiwanie antybiotyków w glebie to standardowa procedura, wykorzystywana w badaniach od lat. Dzięki tej metodzie w 2018 roku, podczas analizy setek próbek gleby, naukowcy z Uniwersytetu Rockefellera odkryli nową rodzinę antybiotyków – malacydyny. Testy pokazały, że anihilują one szereg chorób bakteryjnych, które stały się oporne na większość istniejących antybiotyków. Ba, okazały się skuteczne nawet na metycylinooporne szczepy gronkowca złocistego (MRSA). Obecnie zespół pracuje nad poprawą efektywności działania malacydynów. Profesor Colin Garner z Antibiotic Research w Wielkiej Brytanii przyznał, że odkrycie nowej klasy antybiotyków to znaczący sukces, ale nie zaspokaja to najbardziej palących potrzeb. Malacydyny nie działają bowiem na bakterie Gram-ujemne. W kwestii wynajdywania nowych antybiotyków to, co było łatwe, już się wydarzyło.
– Bardzo trudno znaleźć nowy słaby punkt bakterii, na który będziemy w stanie wyprodukować antybiotyki. Takich punktów jest mało, bardzo trudno je rozpoznać – dlatego wyprodukowanie nowego antybiotyku jest szalenie kosztowne – dr Tomasz Ozorowski, ekspert Narodowego Programu Ochrony Antybiotyków.
Co zastąpi antybiotyki?
Może fagoterapia, czyli forma terapii antybakteryjnej prowadzonej przy użyciu określonych bakteriofagów lizujących tylko komórki bakteryjne zarówno Gram-dodatnie, jak i Gram-ujemne. W terapii wykorzystywane są bakteriofagi, które wykazują zdolność do namnażania się i lizy określonych szczepów bakterii odpowiedzialnych za infekcję. Mimo że o fagach wiemy od lat 20 minionego wieku, to dopiero wzrastająca z roku na rok ilość szczepów opornych na antybiotyki spowodowała, że kuracja fagowa stała się ponownie obiektem zainteresowań firm i ośrodków badawczych na świecie. W Polsce taki ośrodek znajduje się we Wrocławiu (Instytut Immunologii i Terapii Doświadczalnej PAN), gdzie prowadzone jest między innymi leczenie osób zainfekowanych bakteriami antybiotykoopornymi. Ponieważ dotychczas nie są dostępne wyniki standardowych badań klinicznych preparatów fagowych, ta forma terapii dostępna jest obecnie wyłącznie w ramach terapii eksperymentalnej. Istnieje wiele argumentów przemawiających za rozpowszechnianiem oraz kontynuowaniem badań w zakresie terapii fagowej. Pierwszym argumentem, który przemawia za stosowaniem kuracji fagowej, jest jej selektywność, co oznacza, że bakteriofagi zdolne są do infekcji tylko ściśle określonych komórek bakteryjnych. Fagi lityczne przyjmowane doustnie nie uszkadzają naturalnej flory bakteryjnej przewodu pokarmowego i mają zdolność przenikania do krwi i narządów wewnętrznych. Dzięki temu wykazują wysoką skuteczność w leczeniu infekcji. Cechą unikatową bakteriofagów jako leków jest samoczynne zwiększanie dawki w czasie infekcji, natomiast po lizie wszystkich komórek bakteryjnych są one usuwane z organizmu, gdyż nie mają zdolności do rozwoju w komórkach eukariotycznych. Argumentem, który przemawia na niekorzyść stosowania terapii fagowej, jest fakt, że bakteriofagi kodują geny toksyczności, w związku z czym mogą przekształcić niegroźne bakterie w patogeny (problem ten można wyeliminować, izolując szkodliwe geny). Wadą jest również długi czas trwania fagoterapii (z reguły około 6 tygodni). W porównaniu z antybiotykoterapią, która trwa około 10 dni. Istnieje też obawa o szybkie tempo niszczenia dużej liczby bakterii Gram-ujemnych, co może powodować uwolnienie znacznej liczby endotoksyn, a w konsekwencji stanowić obciążenie dla wątroby i innych narządów wewnętrznych. Czynnikiem, który ogranicza skuteczność fagoterapii jest tzw. szybki killer fagów, który jest zależny od niespecyficznego wychwytywania wirusów przez układ siateczkowo-śródbłonkowy wątroby i śledziony. Zapobiegać temu zjawisku można, stosując bakteriofagi o wydłużonym okresie półtrwania w wątrobie.
Trzeba spojrzeć prawdzie w oczy
Ewolucja jest procesem działającym na Ziemi od setek milionów lat, współczesne zaś nauki medyczne mogą się pochwalić stażem liczącym niespełna półtora stulecia. Bakterie zaczęły z nami zwyciężać. Dlatego trzeba spojrzeć prawdzie w oczy i przyznać, że nowych antybiotyków może już nie być. To już coś więcej niż uświadamianie, to alarm.
Przypisy:
1. Sales of veterinary antimicrobial agents in 31 European countries in 2017 Trends from 2010 to 2017, Ninth ESVAC report.
2. Tello A., Austin B., Telfer T.C., 2012. Selective Pressure of Antibiotic Pollution on Bacteria of Importance to Public Health, „Environmental Health Perspectives" nr 120, s. 1100–1106.
3. Gao P., Munir M., Xagoraraki I., 2012. Correlation of tetracycline and sulfonamide antibiotics with corresponding resistance genes and resistant bacteria in a conventional municipal wastewater treatment plant. „The Science of the Total Environment" nr 421–422, s.173–183.
4. Takasu H., Suzuki S., Reungsang A., Pham Hung V., 2011. Fluoroquinolone (FQ) Contamination Does Not Correlate with Occurrence of FQ-Resistant Bacteria in Aquatic Environments of Vietnam and Thailand, „Microbes and Environments" nr 26, s. 135–143.
5. Za M. Harnisz, Leki w środowisku, Bakterie lekooporne w środowisku.
6. Manaia C.M., Novo A., Coelho B., Nunes O.C., 2010, Ciprofloxacin resistance in domestic wastewater treatment plants, „Water Air Soil Poll“. nr 208, s. 335–343.
7. Kümmerer K., 2004, Resistance in the environment, „J. Antimicrob. Chemother." nr 54, s. 311–320.
8. Thiele-Bruhn S., 2003. Pharamceutical antibiotic compounds in soils – a review. „J. Plant Nutr. Soil Sci." nr 166, s. 145–167.
9. M. Popowska., 2017. Antybiotykooporność w środowisku naturalnym – przyczyny i konsekwencje. „Kosmos, problemy nauk biologicznych". Tom 66, nr 1, s. 81–91.