Это у нас в крови: пермские ученые планируют создать антибиотик из крови человека

Исследователи Пермского Исследовательского Политехнического Университета разработали антибактериальное и противовирусное соединение. В результате может получиться эффективный антибиотик на основе лейкоцитов человека, который не будет вызывать устойчивость у бактерий. Раньше такие субстанции получали из крови собак, коз, обезьян и лосей. Исследователи уже запатентовали технологию, а результаты работы опубликовали в журнале «Вопросы биологической, медицинской и фармацевтической химии».

Антибиотик – одно из величайших открытий человечества, которое обеспечило настоящий прорыв в лечении инфекционных болезней, спасло миллионы людей, а также увеличило продолжительность жизни. Но не все с этими лекарствами так хорошо.

Еще в 2014 году BBC, с ссылкой на заявления экономиста из Великобритании Джима О'Нила, писали о том, что инфекции, которые вырабатывают все большую устойчивость к антибиотикам, к 2050 году будут будут убивать около 10 миллионов человек в год. ВОЗ же считает устойчивость к антибиотикам одной из самых главных опасностей для здоровья человечества, а лечить пневмонию, туберкулез, сальмонеллез и другие инфекционные болезни с каждым днем становится все сложнее.

Плесневелый хлеб и тифозные кролики

Древние египтяне и греки наверняка что-то знали об антибиотиках: они использовали плесень и некоторые растения для лечения инфекций. В Древнем Китае люди прикладывали плесневелый хлеб на раны и гнойники – для дезинфекции. По словам специалиста по этноботанике Энрике Облитаса Поблете, плесень использовали даже индейские знахари в XV-XVI веках. Конечно, никто не знал наверняка, что в плесени содержится именно антибиотик, но проверить эффективность метода было несложно: раны затягивались, а гнойники расходились.

В начале XIX века русские медики Алексей Полотебнов и Вячеслав Манассеин всерьез взялись за «вопрос плесени». Полотебнов внимательно изучил грибок Penicillium glaucum и подробно описал основные бактериостатические свойства зеленой плесени – путем экспериментов он обнаружил, что плесень временно подавляет способность микроорганизмов к размножению. В 1872 году, в своей статье в Медицинском Вестнике, он рекомендовал использовать плесень, чтобы лечить кожные заболевания. Но идея не получила широкого применения.

Спустя почти два десятилетия итальянец Винченцо Тиберио в журнале экспериментальной гигиены публикует статью, в которой он подробно рассказывает об антибактериальной силе некоторых экстрактов плесени. Тиберио опробовал их на тифозных и холерных кроликах. Это открытие получило уже более широкое распространение.

Счастливый случай

Настал 1928 год. По легенде, британский микробиолог Александр Флеминг спешил поскорее отправиться в отпуск и забыл промыть чашки Петри. Вернувшись с отдыха, он обнаружил на колониях плесневых грибов проплешины. В чашках были остатки рядового эксперимента по исследованию болезнетворных бактерий. Он заметил, что некоторые из оставшихся колоний стафилококков заражены плесенью Penicillium, и вокруг каждой колонии плесени были участки без бактерий, с проплешинами.

Вывод для Флеминга был очевиден: плесень вырабатывает вещество, которое растворяет бактерии, убивая их. Назвал он это вещество «пенициллином». Был ли на самом деле Флеминг таким забывчивым неряхой – неизвестно, но обнаружение антибактериального вещества сам ученый называл «счастливым случаем». Результатом открытия ученый поделился на заседании Медицинского исследовательского клуба при Лондонском университете 13 сентября 1929 года. Тогда статья не вызвала бурной реакции, так как обнаруженное вещество оказалось недостаточно стойким; пенициллин Флеминга разрушался при кратковременном хранении, особенно в кислой среде. Флеминг не был химиком, и вывести совершенно чистое вещество не мог, поэтому забросил дальнейшие исследования.

Открытием Флеминга в середине 1939 года заинтересовались ученые из Оксфорда – Говард Флори и Эрнст Чейз. Спустя два года они выделили, очистили и получили соль пенициллиновой кислоты. Этот желтоватый порошок обладал перспективными свойствами: даже спустя миллионы разводов в воде или других веществах он продолжал убивать бактерии, которые паразитируют в живых организмах. Антибиотик испытали на мышах: пенициллин спас 24 из 25 животных со смертельной дозой стрептококков.

12 февраля 1941 года очищенный пенициллин впервые ввели человеку с золотистым стафилококком. До последнего врачи не были уверены в том, что преуспеют, хотя по предварительным данным эффективность антибиотика была велика. Через сутки пациент почувствовал значительное облегчение, но через несколько дней скончался. Причина была не в качестве вещества, а в его количестве – небольшого запаса пенициллина, которым медики располагали в тот момент, было недостаточно, чтобы полностью излечить человека.

Трагический исход этого эксперимента не помешал медицинскому сообществу признать потенциал пенициллина. Спустя три месяца ученые смогли собрать достаточное количество вещества, чтобы спасти пятнадцатилетнего мальчика с заражением крови. После успеха пенициллин стали производить массово, так как шла Вторая Мировая война, и лекарство пришлось очень кстати.

В СССР успехи с получением антибиотиков тоже не заставили себя ждать: уже в 1942 году советский микробиолог Зинаида Ермольева получила первый антибактериальный советский антибиотический препарат – «Крустозин».

Нобелевская премия же за открытие пенициллина в 1945 году досталась сразу трем ученым: Александру Флемингу, Говарду Флори и Эрнсту Чейну.

А как вообще работают антибиотики?

Когда антибиотик попадает в организм, его главная задача – присоединиться к бактерии и уничтожить ее, либо убить ее, лишив способности размножаться. Для того, чтобы добиться цели, у каждого антибиотика есть своя собственная мишень – белок, фермент или часть ДНК патогенного микроорганизма, а также механизм воздействия на бактерию.

Медики чаще всего прописывают такие препараты, которые прицельно бьют по мишеням, не трогая здоровые клетки нашего организма. Такие препараты называют лекарствами узкого спектра, так как понятно, какая патогенная бактерия вызывает болезнь, и можно точечно уничтожить ее без вреда для других клеток.

Антибиотик более широкого спектра, например, левомицетин, будет убивать все бактерии, которые подходят под определенный фильтр. Это более дешевый и быстрый вариант лечения, когда врач не может определить источник инфекции.

Как узкий, так и широкий спектр антибиотиков могут привести к дисбиозу. А если человек по ошибке примет неподходящий антибиотик, и вовсе – ослабить организм, делая его менее устойчивым к будущим заражениям бактерий. Именно поэтому доктор назначает не только прием антибиотиков, но и лекарственные препараты, которые восстановят микрофлору и не допустят неприятных последствий.

Что еще не так с противомикробными препаратами?

Антибиотики действительно спасают много жизней. До открытия пенициллина в США, например, 30% смертей происходило именно из-за бактериальных инфекций.

Однако об опасности, которую антибиотики могут повлечь за собой, предупреждал и сам Флеминг. В Нобелевской речи ученый отметил потенциальную проблему препаратов на основе пенициллина: бактерии быстро приобретают устойчивость к пенициллину, и слишком частое применение может привести к выведению резистентных штаммов.

Сегодня легкая доступность антибиотиков в аптеках и существующее представление об антибиотиках как о лекарстве от всех болезней приводят к негативным последствиям. Один чих – и люди сразу бегут в аптеку за антибиотиком, а некоторые недобросовестные врачи могут прописать широкий спектр, отлично «закалив» им наши микробы.

Также критическую роль играет то, что препараты активно используются в сельхозпроизводстве. Из-за их приема животные быстрее набирают вес, так как у них начинает сбиваться баланс кишечной микрофлоры, а огромное количество антибиотиков попадает в окружающую среду и становятся отличными «тренерами» антибиотикорезистентности бактерий.

По данным медицинского журнала Lancet, каждый день антибиотикорезистентность убивает 3,5 тысяч человек; это больше чем ВИЧ и малярия. В 2019 году из-за того, что инфекции, которые раньше поддавались лечению, перестали реагировать на антибиотики, умерли 1,2 миллиона человек. Для сравнения: ВИЧ/СПИД и малярия в том же году погубили 860 и 640 тысяч жизней соответственно.

Надежда есть, и она… у нас в крови

Существующие антибиотики уже не проблема для современных бактерий, так как последние попросту к ним привыкли, а новые – не открывали более 30 лет. Самый главный страх медицинского сообщества – пост-антибиотическая эра, в которой распространение инфекций и даже самые незначительные травмы вновь могут стать смертельными.

Сегодня, как и столетия назад, ученые всерьез занимаются поиском новых антибиотиков. Исследователи из Пермского политеха, к примеру, рассказали о том, что им удалось создать антибактериальное и противовирусное соединение из крови человека, а в будущем это может стать полноценным антибиотиком.

Пермские исследователи рассказывают, что сейчас белково-пептидные субстанции получают из лейкоцитов млекопитающих: коз, лосей и других, получая на их основе препараты антибактериального и иммуномодулирующего воздействия. Далее их обрабатывают с помощью процесса лиофилизации, то есть консервируют вещество с помощью высушивания – сублимации. Сублимация переводит вещество из твердого состояния в газообразное, минуя жидкое. Это позволяет не использовать высокие температуры, что, в свою очередь, не вызывает таких изменений, как расщепление. В итоге – внутренняя и внешняя структуры веществ не разрушаются, помогая надолго сохранить его свойства и повысить устойчивость к негативным факторам.

Однако алгоритм, который разработали ученые из Перми, значительно повышает биологическую активность субстанции. Благодаря ультразвуковой обработке антибиотики можно будет получить и из крови человека. Но что самое главное – из такой субстанции получатся такие препараты, которые не будут вызывать устойчивость у бактерий. Ученые выяснили, что эффективность лейкоцитов зависит от способа забора крови и контейнеров для хранения; этого можно добиться благодаря цитоферезу, то есть извлечению нужных клеток из крови, в нашем случае – лейкоцитов, а также ультразвуковой обработке.

«По мере появления новых классов антибиотиков развиваются и механизмы «сопротивления» микроорганизмов. Сегодня большинство из них действует только на грамположительные бактерии. Эту проблему может решить создание препаратов, которые не вызывают устойчивости у бактерий. В частности, одними из них становятся антимикробные пептиды, которые содержатся в нейтрофилах человека и животных. Это важные факторы системы врожденного иммунитета, которые обеспечивают защиту от инфекций», – поясняет профессор кафедры «Химия и биотехнология» Пермского Политеха, доктор медицинских наук Лариса Волкова. Нейтрофилы выполняют фагоцитарную роль в организме, то есть обеспечивает еще более выраженную способность лейкоцитов распознавать, поглощать, убивать и переваривать чужеродные клетки.

Для начала исследователи извлекли пептиды из лейкоцитарных клеток человека при низких значениях pH и обеззаразили при пониженных температурах. Затем материал был подвержен ультрафильтрации, и из него выделили низкомолекулярную белковую фракцию. Потом белок был подвержен концентрации и обессоливанию. Чтобы получить антимикробные частицы, вещество очистили, разделили, проанализировав его состав, а также изучили его физико-химические свойства для дальнейших действий.

Экспериментальный образец нового лейкоцитарного белково-пептидного комплекса или ЛБПК был получен с помощью ультразвуковой обработки лейкоцитов человека в пробирке.

Клетки крови в разбавленных суспензиях достаточно чувствительны к ультразвуковой обработке, поэтому ученые смогли отрегулировать параметры ультразвукового воздействия на лейкоциты – частоту, мощность, время воздействия, а также температуру, pH и клеточную нагрузку, и получить конечный продукт с нужными параметрами, заданными ранее с помощью математических вычислений. Ультразвук положительно повлиял и на фагоцитарную активность лейкоцитов.

Далее ученые провели доклиническую оценку цитотоксичности «в пробирке» на клетках почки эмбриона свиньи, и на опухолевых клетках, полученные от людей с колоректальной карциномой и меланомой. В качестве оценки влияния на рост клеток ЛКБП использовали индекс пролиферации, то есть цифровое значение степени активности опухолевой прогрессии. Также эксперимент по изучению острой токсичности ЛБПК провели на мышах. Препарат вводили внутрибрюшинно.

В итоге, добавление экспериментального образца ЛБПК благоприятно влияло на рост клеток у эмбриона свиньи, не проявило цитотоксического действия в отношении опухолевых клеток человека, а также не повлияло на жизни мышей, будучи мало токсичным препаратом по классификации ГОСТ. Также ученые определилил антибактериальную и противовирусную активности субстанции; они оказали антимикробное воздействие на грамположительные и грамотрицательные патогенные микроорганизмы, хотя раньше такие соединения оказывали влияние только на грамположительные, то есть более широкий и распространенный спектр бактерий. Активность на грамположительные микроорганизмы, например, выросла в 9 раз.

В работе над выделением нового вещества также принимали участие специалисты Пермского медуниверситета и Пермской государственной фармацевтической академии Минздрава. Исследователи уже запатентовали технологию, а результаты эксперимента были опубликовали в журнале «Вопросы биологической, медицинской и фармацевтической химии».

Препарат на данный момент прошел лишь доклинические исследования. Ученые предполагают, что из нового вещества могут получиться такие антибиотики, которые не будут вызывать устойчивость у бактерий за счет антимикробных пептидов из нейтрофилов человека. Также вещество обладает умеренным противовирусным действием. Разработка может стать основой для создания новых эффективных препаратов, и стать прорывом в лечении современных более изощренных бактериальных инфекций.