Коротка історія антибіотиків

Деякі цвілеві гриби мають антибактеріальні властивості. Автор зображення Veronidae.

Ви коли-небудь ходили діставати шматок хліба з полиці, тільки щоб побачити неприємну синювато-зелену пляму, що росте десь на скоринці? Вашим першим інстинктом, мабуть, було взяти його двома пальцями та кинути прямо у смітник. Це розумна річ.

Але якби ви були стародавнім єгиптянином, ви б, можливо, не так швидко це робили, особливо якщо у вас або у когось із ваших знайомих був неприємний поріз чи інфекція. Насправді, окремі вчені дізналися, що стародавні цивілізації в Єгипті, Греції, Китаї та Римі завжди використовували деякі досить дивні речі, як-от хлібна цвіль і певний бруд, для лікування ран. Навіщо вони це робили?

Що ж, найочевидніша відповідь полягає в тому, що це, мабуть, спрацьовувало! Лише наприкінці 1800-х років сучасні вчені почали точно розуміти, чому такі речі, як цвіль і бруд, настільки добре лікують інфекції. Однією з найважливіших підказок стало відкриття вченого Пауля Ерліха. Він виявив, що коли помістити певні барвники в посудину з бактеріями, лише деякі з бактерій забарвлюються, тобто вони поглинають барвник. Це наштовхнуло його на думку, що якби він зміг створити хімічну речовину, яка діє як барвник, але також вбиває бактерії, це може бути дуже корисним для лікування хвороб. Він почав свої пошуки зі зміни препарату, який вже використовували для лікування окремих захворювань.

Це хімічна структура препарату “Атоксил” (Atoxyl), який Пауль Ерліх модифікував для створення першого антибіотика. Натисніть, щоб дізнатися більше.

У своїй лабораторії Ерліх змінював молекулу різними способами, а потім перевіряв, наскільки добре нова молекула вбиває бактерії у кроликів. Він спробував 605 різних хімічних комбінацій, перш ніж знайти ту, яка знищує мікроби, що спричиняють поширену на той час хворобу сифіліс. Цей препарат вважається антибіотиком, оскільки він вбиває або зупиняє ріст бактерій. Чи могло бути так, що хлібна цвіль і бруд, які використовували стародавні цивілізації, також містять антибіотики?

Спочатку це може здатися божевільним, але випадкове зараження в лабораторії іншого вченого, Александера Флемінга, не тільки показало, що ті стародавні лікарі  натрапили на щось важливе, але й змінило підхід вчених і лікарів до лікування хвороб.

Смішний сік цвілі

Александер Флемінг був шотландським біологом, який дуже цікавився бактеріями, що викликають інфекції. Він служив у війську під час Першої світової війни, у ході якої він бачив, як багато солдатів померли від інфекцій ран, а не від самих поранень. Після багатьох років досліджень, намагань знову і знову знайти речовину, яка могла б знищити шкідливі бактерії, він вирішив взяти відпустку. Однак перед від’їздом Флемінг випадково залишив чашку Петрі з бактеріями відкритою на своєму лабораторному столі.

У цій наповненій бактеріями чашці Петрі білі крапки просочені антибіотиком. Натисніть, щоб дізнатися більше.

Коли він повернувся з відпустки, то помітив якусь синювато-зелену цвіль (подібну до цвілі на хлібі), що виросла в одній із чашок Петрі. Флемінг також помітив, що бактерії, які росли в чашці Петрі, не розвивалися поблизу цвілі. Кажуть, вчений промовив: ”Це смішно”, перш ніж взяти зразки цвілі і з’ясувати, чому бактерії не ростуть біля неї. Флемінг виявив, що цвілевий гриб належить до виду Penicillium notatum (пеніцил золотистий) і виробляє речовину, яка знищує багато видів шкідливих бактерій. Ця речовина, яку він назвав пеніциліном, була першим антибіотиком, що виробляється живим організмом, який було виділено і описано вченим.

Александер Флемінг відкрив антибіотик, який  назавжди змінив медицину. Тим не менше, знадобилося ще близько десяти років, перш ніж кілька хіміків змогли витягнути достатню кількість пеніциліну, щоб скористатися ним для лікування інфекцій. На щастя, пеніцилін можна було виробляти у великих масштабах приблизно в той самий час, коли Сполучені Штати вступили у Другу світову війну, врятувавши тисячі життів.

Постійна гонитва

Хоча пеніцилін все ще використовується для деяких видів лікування, він не є таким ефективним проти бактерій сьогодні, яким був у середині 1900-х років. Причина в тому, що багато видів бактерій виробили резистентність до пеніциліну. Насправді, вони виробили стійкість до багатьох різних антибіотиків, що створює величезну проблему як для пацієнтів, так і для лікарів, які намагаються їх лікувати.

Подряпина на коліні є одним із способів проникнення стійких до антибіотиків бактерій у ваше тіло. Автор зображення saulhm.

Щоб зрозуміти резистентність, уявімо такий сценарій: припустимо, ви подряпали коліно, і через пару днів воно опухло, почервоніло, свербить, ще й болить. Ваш найкращий друг пропонує звернутися до лікаря, тож ви це робите. Лікар дивиться на ваше коліно і дає вам маленьку помаранчеву пляшку антибіотиків, щоб зупинити інфекцію.

Гаразд, тепер давайте уявимо, що ви бактерія. Одного дня ви зависаєте на лавці у парку зі своїми друзями бактеріями, коли хтось кладе свою руку прямо на вас. Він несвідомо бере вас на руки, а потім чухає коліно біля свіжого порізу. Їжа!! Ви всі пробираєтеся у надріз і починаєте розмножуватися. Незабаром після цього потужний антибіотик починає вбивати ваших приятелів один за одним. На щастя, у вас є ген, який руйнує молекули антибіотика. Інші бактерії гинуть, але ви виживаєте. Ви виграли! Оскільки ви єдина бактерія, яка залишилася, ви єдина, яка буде розмножуватися. Усі ваші родичі теж матимуть ген, який руйнує антибіотик, і тому тепер поріз заражений стійким резистентним штамом бактерій.

Еволюція бактерій відбувається набагато швидше, ніж наш процес розробки ліків. Це означає, що бактерії, резистентні до певного антибіотика, розвиваються незабаром після його розробки. Це також означає, що той самий тип антибіотиків не спрацює наступного разу. Зображення від Mpelletier1.

Це означає, що той самий помаранчевий флакончик антибіотиків цього разу не спрацює. Тому лікарю доведеться придумати кращий план, щоб перемогти нову інфекцію.

Таким чином, резистентність до антибіотиків виникає, коли деякі бактерії отримують ген, який дозволяє їм виживати після дії антибіотиків, призначених для їх знищення. Нові гени можуть розвиватися в бактеріях шляхом мутації або ген може бути переданий від однієї бактерії до іншої в процесі, який називається горизонтальним переносом генів. Коли ці бактерії розмножуються і поширюються, це викликає великі проблеми, тому що багато людей хворіють. При лікуванні стійкої до антибіотиків інфекції лікарі повинні використовувати різні антибіотики. Іноді ці інші варіанти можуть працювати не так добре або викликати неприємні побічні ефекти.

“Антибіотики проти бактерій: еволюційна битва” спонсорується Центром еволюції та медицини ASU. Дізнайтеся більше про еволюційну медицину на EvMedEd.org.