Gronkowiec złocisty (Staphylococcus aureus) może powodować ropnie, czyraki, zapalenia mieszków włosowych, ale też infekcje płuc czy mięśnia sercowego. Bakteria szybko nabywa oporność na antybiotyki. Badania Instytutu Biochemii i Biofizyki PAN dowodzą, że skutecznym narzędziem w walce z gronkowcami są bakteriofagi i bakteriocyny.
Najnowsze wyniki badań prowadzonych w Instytucie Biochemii i Biofizyki PAN dowodzą, że nauka może skutecznie pomóc w profilaktyce i zwalczaniu chorób wywoływanych przez antybiotykooporne szczepy tego gronkowca. Jak? Poprzez wprowadzenie do walki z nimi bakteriofagów (wirusów infekujących tylko bakterie) i bakteriocyn (małych białek produkowanych przez niektóre bakterie przeciwko innym drobnoustrojom).
Preparat pod każdy szczep gronkowca
- W ramach wieloletnich badań wykazaliśmy wysoką skuteczność przeciwgronkowcową naszych unikalnych kombinacji bakteriofagów. Opracowaliśmy metodologię ich pozyskiwania, otrzymując jednorodny, czysty genetycznie preparat
– mówi prof. dr hab. Małgorzata Łobocka, szefowa Pracowni Biologii Bakteriofagów z Instytutu Biochemii i Biofizyki PAN.
Okazuje się, że odpowiednio dobrane zestawy bakteriofagów potrafią niszczyć aż 90 proc. lekoopornych szczepów gronkowca złocistego. I takie właśnie zestawy w formie gotowych preparatów opracował zespół prof. Łobockiej. – Po dopracowaniu procesu produkcji można będzie nimi traktować np. zakażoną gronkowcem skórę, nie niszcząc przy tym pożytecznych bakterii obecnych w tych miejscach. Chodzi m. in. o powszechnie trapiące młode pokolenie gronkowcowe zakażenia trądzikowe. Potrafimy przygotować bakteriofagowy preparat pod każdy szczep gronkowca – tłumaczy prof. Małgorzata Łobocka.
Dowodzą tego m. in. eksperymenty na nicieniach. O skuteczności preparatów bakteriofagowych zadecydowała zarówno przeżywalność zakażonych gronkowcem nicieni po podaniu bakteriofagów, jak i znikanie z ich ciał żywych komórek gronkowca.
Jak przekonuje dr hab. Tamara Aleksandrzak – Piekarczyk kierująca Pracownią Mikrobiologii Stosowanej w Instytucie Biochemii i Biofizyki PAN bakteriocyny także mogą działać na różne rodzaje patogenów. W tym na bakterie stanowiące zagrożenie dla zdrowia publicznego, takie jak wielolekooporne gronkowce czy enterokoki.
– Bakteriocyny zaburzają ich funkcjonowanie poprzez niszczenie barier oddzielających bakterię od świata zewnętrznego, takich jak błona lub ściana komórkowa. Wykazały to nasze eksperymenty. Dzieje się tak, gdyż bakteriocyny mają właściwości, które zakłócają podstawowe procesy życiowe docelowych komórek bakteryjnych, a to skutkuje zahamowaniem ich wzrostu lub nawet śmiercią. W efekcie wróg ginie, a pacjent zdrowieje
– wyjaśnia dr hab. Tamara Aleksandrzak – Piekarczyk.
W przypadku bakteriocyn naukowcy szukali odpowiedzi na pytanie, w jaki sposób wiążą się one z komórkami bakterii i jak działają. Badania wykazały, że przyłączają się one do receptora odpowiedzialnego za transport cukrów, czyli pożywienia, do wnętrza komórki bakteryjnej. Bakteriocyna przyłączona do receptora prowadzi do zmian w konformacji receptora, czyli zmienia jego kształt, tworząc w nim kanał. Przez ten kanał istotne składniki komórki uciekają na zewnątrz, co finalnie prowadzi do śmierci komórki.
Skuteczność bez efektów ubocznych dla człowieka i środowiska
Bakteriofagi i bakteriocyny mogą być skuteczną alternatywą dla antybiotyków, a ich zaletą jest brak lub niewielka toksyczność dla ludzkich komórek. To odróżnia je od antybiotyków, które mogą wywoływać poważne skutki uboczne. Oba preparaty działają niezwykle precyzyjnie, czyli tylko na określone rodzaje chorobotwórczych bakterii. Zostawiają w spokoju komórki ludzkie i pożyteczne mikroorganizmy bytujące w naszym ciele i na jego powierzchni. – Podając bakteriofagi, nie niszczymy niczego poza docelową patogenną bakterią – tłumaczy prof. Łobocka. Minimalizuje to skutki uboczne i pozwala na szybsze przywrócenie równowagi mikrobiologicznej po leczeniu, w odróżnieniu od antybiotyków, które mogą zaburzać mikrobiom na długi czas.
Podobnie jest w przypadku bakteriocyn, które w dodatku są szybko rozkładane, co oznacza, że nie kumulują się w tkankach ani w środowisku naturalnym, nie zanieczyszczają wód ani gleby. To ważne, bo ograniczają tym samym ryzyko powstawania opornych szczepów bakterii. Warto podkreślić, że bakteriocyny mogą być wytwarzane przez bakterie probiotyczne, co czyni je szczególnie atrakcyjnymi i bezpiecznymi do zastosowania w rolnictwie i przemyśle spożywczym jako naturalne konserwanty. Mogłyby więc być ważnym elementem profilaktyki zakażeń ambulatoryjnych oraz ochrony środowiska. Byłyby też skuteczne w leczeniu trudno gojących się ran i infekcji szpitalnych – tłumaczy dr hab. Aleksandrzak – Piekarczyk.
Terapie skojarzone mogą być skutecznym rozwiązaniem
Skoro wyniki już teraz są obiecujące, to oznacza, że wkrótce zapomnimy o antybiotykach? Naukowcy wskazują, że jest to mało prawdopodobne, ale jednocześnie podkreślają, że wdrożenie do szerokiego dostępu terapii bakteriofagami i bakteriocynami jest konieczne w obliczu rosnącej antybiotykooporności. Dodają również, że terapie fagami i bakteriocynami mogą odgrywać także rolę wsparcia dla antybiotyków. Terapie skojarzone, łączące antybiotyki z bakteriofagami lub bakteriocynami, mogą stanowić bezpieczne i skuteczne rozwiązanie w przypadku najtrudniejszych do leczenia infekcji. – Można sobie wyobrazić terapię, w której łączymy antybiotyk z bakteriocyną, nie zwiększając cytotoksyczności takiego preparatu. W ten sposób oba składniki uzupełniają się i wzmacniają swoje działanie, aby skuteczniej zwalczać bakterie – zauważa dr hab. Aleksandrzak-Piekarczyk.
- Trzeba przyznać, że niektóre antybiotyki działają doskonale w połączeniu z bakteriofagami i jednocześnie z punktu widzenia czysto medycznego to jest rozwiązanie bezpieczne
– dodaje prof. Łobocka, podkreślając, że takie podejście daje maksymalną szansę na sukces terapeutyczny, zwłaszcza w przypadku najcięższych zakażeń, takich jak te wywołane przez bakterie z grupy ESKAPE, wśród których jest też oporny na antybiotyki gronkowiec złocisty.
Leczenie bakteriofagami i bakteriocynami jest potrzebne
Rozwiązania naukowców czekają na badania kliniczne. Polska, niegdyś lider terapii fagowej, m. in. dzięki badaniom molekularnym naukowców z Instytutu Biochemii i Biofizyki PAN, ma szansę na utrzymanie znaczącej pozycji na światowej arenie, szczególnie w obszarze łączonych terapii opartych na bakteriofagach i bakteriocynach. A jest o co walczyć.
Na skutek zakażeń wielolekoopornymi bakteriami w samej Unii Europejskiej umiera rocznie ponad 35 tys. ludzi. Tak szacuje Europejskie Centrum ds. Zapobiegania i Kontroli Chorób. Jest więc o co walczyć. Lista antybiotykoopornych szczepów bakterii rośnie, a wraz z nią liczba nieuleczalnych zakażeń. Według najnowszych danych Europejskiego Centrum ds. Zapobiegania i Kontroli Chorób celem Polski jest, aby do 2030 roku zmniejszyć o 27 proc. całkowite zużycia antybiotyków u ludzi. Tymczasem od 2019 roku zużycie antybiotyków spadło tylko o 1,8 proc. Dlatego ważnym elementem walki z antybiotykoopornością jest inwestycja w badania i rozwój nowych środków przeciwdrobnoustrojowych alternatywnych dla antybiotyków lub wspomagających ich działanie.
dr hab. Tamara Aleksandrzak-Piekarczyk
kierownik Pracowni Mikrobiologii Stosowanej w Instytucie Biochemii i Biofizyki PAN
Polska osiągnęła niewielki spadek zużycia antybiotyków od 2019 roku, ale do celu redukcji o 27 proc. do 2030 roku wciąż daleko. Udział antybiotyków z grupy "Access" pozostaje stabilny na poziomie około 60 proc., jednak do roku 2030 powinien dojść do 65 proc. Zanotowano spadek zakażeń gronkowcem MRSA, lecz liczba zakażeń Escherichia coli i Klebsiella pneumoniae opornych na antybiotyki rośnie.
Konieczne są intensywniejsze działania w ograniczaniu zużycia antybiotyków, poprawie diagnostyki zakażeń oraz skuteczniejszego monitorowania oporności. Ważne jest także wsparcie badań nad alternatywami dla antybiotyków. Jednym z obiecujących kierunków są bakteriocyny – naturalne peptydy produkowane przez niektóre bakterie i badane przez naukowców w IBB PAN w kierowanej przeze mnie Pracowni Mikrobiologii Stosowanej. Te związki skutecznie zwalczają inne bakterie, w tym wielolekooporne gronkowce i enterokoki. Warto podkreślić, że niektóre z badanych przez nas bakteriocyn są wytwarzane przez bakterie probiotyczne, co czyni je szczególnie atrakcyjnymi i bezpiecznymi do zastosowania. Szczególną zaletą bakteriocyn jest ich selektywność – niszczą one wyłącznie konkretne gatunki lub szczepy bakterii patogennych, oszczędzając przyjazną florę bakteryjną, co sprawia, że mogą być stosowane w precyzyjnych terapiach. W przeciwieństwie do antybiotyków, które mogą na długo zaburzać równowagę mikrobiomu, bakteriocyny działają w sposób bardziej ukierunkowany. Są również mniej toksyczne dla organizmu człowieka w porównaniu z tradycyjnymi antybiotykami. Potencjalne zastosowania bakteriocyn są szerokie – od przemysłu spożywczego, gdzie mogą pełnić rolę naturalnych konserwantów, po medycynę, gdzie mogą wspierać leczenie infekcji lub stanowić element terapii łączonych z antybiotykami. Co więcej, bakteriocyny ulegają łatwej degradacji, dzięki czemu nie kumulują się w środowisku naturalnym, ograniczając ryzyko rozwoju oporności wśród bakterii. Nasz Zespół Mikrobiologii Stosowanej z IBB PAN intensywnie pracuje nad badaniem bakteriocyn. Chociaż wyniki są obiecujące, aby wprowadzić te substancje do szerokiego zastosowania klinicznego, potrzebne są dalsze badania i odpowiednie wsparcie finansowe.
dr Piotr Kramarz
Europejskie Centrum ds. Zapobiegania i Kontroli Chorób (ECDC)
Mimo widocznego postępu w niektórych obszarach, najnowsze dane pokazują, że antybiotykooporność wciąż pozostaje poważnym wyzwaniem dla krajów Unii Europejskiej i Europejskiego Obszaru Gospodarczego. Musimy wzmóc wysiłki mające na celu ograniczenie niepotrzebnego stosowania antybiotyków oraz wzmocnić działania w ramach zapobiegania i kontroli zakażeń. Tylko dzięki temu będziemy w stanie osiągnąć cele zakładane na rok 2030. Konsekwencją tego będzie wzrost trudniejszych do leczenia infekcji spowodowanych bakteriami opornymi na leki, co przełoży się na większe trudności dla pacjentów i wzrost liczby zgonów powiązanych z opornością na antybiotyki.