Апокалипсис отменяется: нас спасут насекомые

На XV съезде Российского энтомологического общества, прошедшем в Новосибирске, заведующий лабораторией биофармакологии и иммунологии насекомых Санкт-Петербургского государственного университета, доктор биологических наук Сергей Иванович Черныш рассказал о том, как насекомым-падальщикам, живущим в гуще микробов и питающимся отходами человеческой жизнедеятельности, удается процветать и оставаться неуязвимыми к атакам бактерий. Комплекс антимикробных пептидов, синтезируемый насекомыми, может решить глобальную медицинскую проблему — устойчивость различных болезнетворных микроорганизмов к антибиотикам.

В апокалиптических фильмах «Армагеддон» или «День независимости» конец света представляется чем-то внезапным и пришедшим извне. Но пока что нас подстерегает опасность куда более реальная, чем атака инопланетян или падение гигантского метеорита: вездесущие болезнетворные бактерии с каждым годом «умнеют», наращивая защиту к не столь быстро меняющимся препаратам:

– В середине прошлого века, с приходом антибиотиков, у человечества появилось ощущение, что с бактериями проблем не будет. Но к концу столетия ситуация существенно изменилась и продолжает меняться каждый день: бактерии оказались не так просты, как можно было подумать. Они нашли эффективные и замечательные способы выживать в среде, насыщенной антибиотиками, — у них возникла резистентность.

Эту проблему Всемирная организация здравоохранения объявила проблемой номер один для медицины настоящего и, в особенности, будущего. Вал устойчивых к антибиотикам одноклеточных, который накрывает человеческую цивилизацию на всей территории земного шара, становится все больше. Не только каждая отдельная бактерия борется за свою жизнь, они накапливают этот опыт, формируют «резистом» — комплекс защитных механизмов, которые микроорганизмы «завещают» потомкам и, что еще более важно, горизонтально передают своим соседям, — заявил Сергей Черныш.

На фоне этого ужасного сценария насекомые, существующие сотни миллионов лет в контакте с предками человека и пожирающие отходы человеческой жизнедеятельности, а зачастую и трупы людей, все то время, что существует наша цивилизация, кажутся неуязвимыми. Вещества, которые вырабатывает их иммунная система, прошли испытание временем и побеждают в борьбе с микроорганизмами. Разгадыванием этой успешной стратегии занялись сотрудники лаборатории биофармакологии и иммунологии насекомых СПбГУ.

– Наш интерес связан с изучением иммунной системы насекомых, мы «обработали» порядка двух сотен видов в первую очередь с точки зрения пользы для медицины. Прежде всего исследовались структуры антимикробных пептидов. В итоге мы остановились на одной группе насекомых — синантропных двукрылых-сапрофагах. Синантропные (экологически связанные с поселениями человека) в приоритете именно потому, что имеют непосредственный контакт с микрофлорой человека — у них и у нас общий бактериальный враг. Во-вторых, сапрофаги живут в среде, максимально насыщенной всякого рода микрофлорой: это трупы, экскременты, в некоторых случаях раны.

Словом, все те условия, где бактерии представляют самую непосредственную угрозу жизни, в том числе и личинкам двукрылых. Как следствие, у последних возникла чрезвычайно мощная иммунная система, если сравнить с другими насекомыми. Система устроена довольно сложно, но самое главное в ней для нас то, что, распознавая патоген, клетки жирового тела личинок начинают вырабатывать антимикробные пептиды в огромных количествах, превышающих те, которые нам удавалось наблюдать у других насекомых, — рассказал Сергей Черныш.

На сегодняшний день из всех групп живых организмов выделено порядка 2 500 антимикробных пептидов, примерно половина из них принадлежит насекомым и укладывается в четыре большие группы: дефензины, цекропины, диптерицины и P-пептиды (пролин-богатые пептиды).

В каждой группе насекомых есть либо одна, либо две, иногда больше форм антимикробных пептидов. Сергей Черныш и его коллеги работают с личинками синей мясной мухи Calliphora vicina (попросту — опарышами), которые сконцентрировали в себе все разнообразие пептидов, характерное для класса насекомых в целом. Личинки синтезируют все четыре группы соединений в течение нескольких часов после того, как получили «заряд» бактерий. Они накапливают в гемолимфе («крови» насекомых) спасительные вещества, формируя единый комплекс, причем его свойства не сводимы к характеристикам отдельных составляющих. Вот в этом и заключается один из секретов антибактериального «щита» насекомых.

В противовес такому многокомпонентному подходу в медицине и в фармакологии действует принцип монотерапии, во всяком случае, в отношении инфекционных заболеваний.

– Когда вы приходите к врачу с проблемой бактериального порядка, он вам прописывает один антибиотик, если лекарство не помогает — другой, потом, может быть, третий. Но если это безрезультатно — дела ваши плохи, потому что более сложной комбинации в науке не существует. Врач, конечно, может прописать сразу пять антибиотиков, но это будет совершенно научно не обосновано, да и результат неизвестен.

Принцип монотерапии переносится на разработку новых лекарственных веществ, и проблема в том, что результат является временным. Вводя в окружение бактерий какой-то отдельный фактор, пусть и очень мощный, вызывающий у них быстрый отбор, вы неизбежно провоцируете рост устойчивости, и поделать с этим на сегодняшний день ничего нельзя, — продолжил исследователь.

Насекомые используют не одно, не два, не четыре, а несравненно больше веществ одновременно, и главная возможность, которую открывают эти комплексы, — их эволюционная стабильность. Очевидно, природа не зря потратила время — почти полмиллиарда лет— и энергию на то, чтобы создать столь сложную систему.

Эффективность антибактериального комплекса, синтезируемого опарышами, иллюстрируется при помощи относительно простого эксперимента: выращивания культуры бактерий в присутствии антибиотика, например меропенема — «рекордсмена» в борьбе с грамотрицательными бактериями.

– Оказалось, что если бактерию прилежно травить, при каждом пассаже (последовательном пересеве культуры микроорганизмов) поднимая концентрацию антибиотика, у микроорганизмов изменится устойчивость. Примерно через 13 пассажей появится бактерия, которая обладает значительно большей резистентностью к меропенему, чем ее предшественники. А примерно через 20 поколений она станет абсолютно неуязвима — воздействие уже невозможно. Лечить нельзя будет даже раньше, потому что вы не можете прописать человеку вместо одной таблетки лекарства, например, шестьдесят, он их просто не проглотит, — прокомментировал Сергей Черныш.

На этом пугающем фоне эффективность антимикробного комплекса насекомых из 15 разных пептидов, адаптированных в ходе эволюции к совместному действию, выглядит фантастично:

– Сколько бы мы ни воздействовали пептидным комплексом на бактерию, например кишечную палочку или родственных ей энтеробактерий, изменения устойчивости к нему не происходит. Если микроорганизмы были чувствительны к препарату на определенном уровне, то эта восприимчивость и сохраняется, независимо от количества поколений. Мы тестировали на 250 поколениях — это солидный отрезок в эволюционно-историческом плане, — добавил ученый.

Однако борьба с бактериями — это не просто сражение с безмозглыми одноклеточными, которые лишь в ходе селекции становятся устойчивы к поражающему фактору. Нет, они способны объединяться и противостоять атакам извне почти сразу:

– Попадая в организм хозяина, бактерии очень быстро переходят в состояние биопленки: своеобразное многоклеточное сообщество, куда может входить не один, а несколько видов бактерий, и они вырабатывают определенный набор соединений, который называется матриксом. Им бактерии укрываются, как одеялом, защищаясь и от нападений клеток иммунной системы, и от антибиотиков. На сегодняшний день биопленки служат источником большинства бактериальных заболеваний у человека (более 80 %), животных и, может быть, растений. Это наиболее сложные заболевания — хронические инфекции, — отметил Сергей Черныш.

Более того, многие болезни, которые мы привыкли считать неинфекционными, вызываются как раз биопленками — бляшки в сосудах, атеросклероз, воспаления миокарда. Похожая ситуация и с онкологическими заболеваниями: многие из них имеют бактериальную природу. Конечно, рак — заболевание, связанное с какими-то мутациями или внедрением в геном вирусных онкогенов, вызывающими появление паталогически измененных клеток. Но для того чтобы такие клетки могли прижиться в организме, им нужна определенная среда: идеально подойдет воспаленный участок, возникший благодаря бактериальным биопленкам. Еще одно место скопления подобных инфекций — диабетические язвы: каждый год в мире проводится более одного миллиона ампутаций нижних конечностей из-за осложнений диабета, это больше, чем потери в военных конфликтах и террористических актах.

Обширное исследование, проведенное сотрудниками лаборатории биофармакологии и иммунологии СПбГУ, показало, что избавиться от бактериальных биопленок при помощи антибиотика очень трудно или невозможно. Даже если антибиотик уничтожит основную массу бактерий, есть высокая вероятность того, что оставшиеся в живых быстро восстановят популяцию и она уже будет менее чувствительна к антибиотику (выживают сильнейшие!). Однако если применять препарат, например, уже упомянутый меропенем, в сочетании с комплексом антимикробных пептидов FLIP7, то можно полностью уничтожить популяцию биопленочных бактерий, предотвратив таким образом развитие хронической инфекции.

Исследования уже привели к созданию нового поколения медицинских препаратов на основе пептидов иммунной системы насекомых. Первенцем в этом ряду стал «Аллокин-альфа» — противовирусный препарат на основе пептида аллоферона, получаемого путем химического синтеза. Впервые аллоферон был получен сотрудниками лаборатории биофармакологии и иммунологии СПбГУ из гемолимфы личинок все того же опарыша. На сегодняшний день уже более двух миллионов больных с папиллома-вирусными, герпетическими инфекциями, среднетяжелыми формами гепатита В, прошли лечение «Аллокином-альфа».

В перспективе еще более широкую сферу медицинского применения имеет гель «Энтомикс» — антибиопленочное покрытие на основе комплекса антимикробных пептидов FLIP7. В производстве FLIP7 используется оригинальная технология параллельного биосинтеза пептидов в эукариотической системе (личинках насекомого), разработка которой поддержана грантом Российского научного фонда. FLIP7 может самостоятельно применяться для лечения различных форм биопленочных инфекций, устойчивых к известным лекарственным средствам.

При этом его необязательно рассматривать как альтернативу традиционной антибиотикотерапии. Исследованиями установлено, что FLIP7 служит мощным синергистом многих жизненно важных групп антибиотиков (карбапенемов, аминогликозидов, цефалоспоринов, гликопептидов и т.д.), позволяя в сотни и даже тысячи раз снизить их эффективную дозу, необходимую для полного подавления инфекции.

Стадию доклинических испытаний миновал противоопухолевый и противовирусный препарат «Аллостатин», показавший хорошие результаты в борьбе с раком у лабораторных мышей:

– Мы надеемся, что «Аллостатин» и его аналоги позволят нам продвинуться в лечении онкологии и, может быть, на следующем съезде я смогу сказать, что в аптеках появился еще один препарат, — прокомментировал Сергей Черныш.