Красимира Захариева: CRISPR и нанотехнологиите като иновативно решение за справяне с наболелия проблем антимикробна резистентност и преборване на мултирезистентните бактерии
НАУЧЕН ОБЗОР
Нарастващата употреба на антибиотици се обуславя от фактори като застаряване на населението, повишената поява на инфекции и по-високата заболеваемост от хронични заболявания, които изискват антибиотично лечение. Прекомерната и ненужна употреба на антибиотици при хора и животни доведе до появата на бактерии, устойчиви на наличните понастоящем антимикробни средства, както и до селективното развитие на устойчиви микроорганизми, като по този начин се допринесе за широкото разпространение на гени за резистентност и в околната среда. В резултат на този наболял проблем, а именно антимикробна резистентност (АМР), все повече се правят опити за разработване на нови техники за борба с резистентните бактерии, сред които са редакция на гени или нанотехнологии. Използването на тези технологии, самостоятелно или в комбинация, е обещаващо за решение на проблема, пред който човечеството е изправено днес и което би могло да доведе до изключително сериозни последствия за хора, животни и околна среда: разпространение на патогенни бактерии, устойчиви на почти всеки клас антимикробни средства и фатален изход за хора и животни поради неефективно лечение.
От откриването им през 1929 г. насам антибиотиците са широко използвани в хуманната и ветеринарната медицина както за рутинно лечение, така и превантивно за предотвратяване на бактериални инфекции. Прекомерната употреба на антибиотици за превенция или лечение значително е увеличила нивото на бактериална резистентност в световен мащаб. Броят на смъртните случаи при хора е тревожен, достигайки 50,000 годишно в Съединените щати и Европа, като до 2050 г. се очакват 10 милиона смъртни случая годишно, което надвишава броя на смъртните случаи в момента, дължащи се на всички видове ракови заболявания (около 8.2 милиона).
Първият списък на резистентни към антибиотици патогени е публикуван от Световната здравна организация (СЗО) през 2017 г. Този списък показва, че от 12-те резистентни патогени, седем са били отбелязани, че са резистентни на бета-лактамни антибиотици. Следователно отново се поставя акцент върху производството на нови антибиотици, като се поставят цели за разработване на бъдещи стратегии в областта на научните изследвания (СЗО, 2017 г.).
Прекомерната употреба и злоупотребата с антибиотици при хората и животните са довели до селективна поява на бактерии, устойчиви на наличните понастоящем антибиотици, както и устойчива непатогенна микрофлора, което води до разпространение на гени за резистентност и в околната среда. Най-голяма загриженост относно способността на тези микроорганизми да развият резистентност към голяма част от класовете антимикробни средства (АМС) будят бактериалните видове: Enterococcus spp., Staphylococcus aureus, Klebsiella pneumoniae, Acinetobacter baumannii, Pseudomonas aeruginosa и Enterobacter spp., обединени с акронима ESKAPE.
Антимикробната резистентност се глобализира, като тя може да се прояви по различни начини в зависимост от придобитите и селективни генетични промени или въвеждане на външни гени, което води до несъществуващи до момента фенотипни прояви при бактериите. В последно време се появиха няколко механизма за устойчивост, включително промяна на таргетната цел при атакуване на клетката (чрез ДНК гираза), увеличаване на ефлукса (екскретиране на активното вещество извън микроорганизма), инактивиране на флуорохинолоните (чрез аминогликозид N-ацетилтрансфераза), потискане на 30S рибозомалната субединица (от аминогликозидите) и защита на целта от ДНК свързващите протеини (Qnr family). Някои от тези промени са вече добре известни, като например предизвиканото от бактериите изменение на химическата структура на антимикробните средства, намаляване на концентрацията на антимикробните средства в полето им на действие, изменение на целта на действие на конкретния клас АМС, и изменение на пропускливостта/пермеабилитета на мембраната на атакуваната клетка.
Съществуват механизми за намаляване на пропускливостта на мембраните (при P. Aeruginosa), които не включват екскреция на порин, а представляват по своята същност промени в областта на клетъчната обвивка, които са свързани с резистентност към полимиксини. В допълнение, антибиотиците, които атакуват клетъчната бактериална стена, като например пеницилини и гликопептиди, дейностите на други антимикробни средства, които действат върху бактериалните рибозоми, също могат да намалеят поради промени в основната им цел. Това „явление“ засяга основно макролидите и тетрациклините. Присъствието на тези механизми на резистентност е все по-често срещано в голям брой микроорганизми поради селективния натиск, упражняван и от антимикробните средства, което води до естествен подбор, който води до доминиране на определени групи резистентни бактерии и отмиране на чувствителни микроорганизми.
В мета-анализ на Bell et al.(2014), е направено заключението, че „Увеличаването на консумацията на антибиотици не само може да доведе до по-голяма устойчивост на равнището на отделните индивиди, но също така може да доведе до по-голяма устойчивост на ниво общност, страна и на регионално равнище, което може да навреди на отделни пациенти.“ Друго проучване от същата година е направило оценка на употребата на антибиотици в световен мащаб между 2000 г. и 2010 г. Установено е, че потреблението на антибиотици се е увеличило с около 36%, като държавите от групата БРИКС (Бразилия, Русия, Индия, Китай и Южна Африка) представляват приблизително 76% от увеличението (Van Boeckel et al., 2014).
Поради това данните отразяват тревожна тенденция по отношение на лечението на инфекциозни заболявания, тъй като не само тези лекарства се използват все по-често (Van Boeckel et al., 2014), но и тяхното използване е право пропорционално на увеличаването на показателите за резистентност (Bell et al., 2014). При липсата на каквото и да било значително разработване и откриване на нови антимикробни средства за контрола на резистентни микроорганизми (Hogberg et al., 2010), съществува спешна необходимост от сериозно преразглеждане на взаимовръзката между популациите хора и животни, видовете инфекциозни заболявания и употребата на АМС.
Проблемът, свързан с бактериалната резистентност, е проблем, който трябва спешно да бъде преразгледан, тъй като функционалните метагеномни анализи на почвените микроорганизми, показват наличието на широк набор от генетични фактори, които придават резистентност към АМС (Forsberg et al., 2014). Следователно съществува належаща нужда от разработване и прилагане на ново поколение АМС, които да могат да „забавят“ разпространението на АМР и да запазят полезната микрофлора.
Сред възможностите за разрешаване на проблемите, свързани с бактериалната резистентност, са използването и внедряването на нанотехнологии, редактирането на гени, като напр. CRISPR-Cas9 и терапията с фагови частици, които могат да бъдат изтъкнати и като потенциални бъдещи стратегии за борба с АМР. Тези стратегии могат да бъдат използвани поотделно както и в съчетание.
Научната общност посочва, че няма перспективи за въвеждане на нови антимикробни средства в клиничната практика в краткосрочен план. Основният препоръчителен подход за момента е рационалното използване на класическите антибиотици, създадени през последните 50 години, заедно с техники, които подсилват действието им. Това може да се постигне чрез използване на вещества, които увеличават антибиотичната активност чрез намаляване или блокиране на съпротивителния механизъм на бактериите, като например бета-лактамаза, ефлуксна помпа, и инхибитори на чувствителността, както и бактериофаги и нови системи за транспорт на лекарствата, наред с други техники (Moo et al., 2019;Mulani et al., 2019;Pham et al., 2019;Vikesland et al., 2019).
Какво представлява редактирането на гени?
Редактирането на гени е набор от нови техники в генното инженерство с цел промяна на генетичния материал на растения, животни и микроорганизми, например патогенни бактерии, при които за разрязването на ДНК се използват „молекулярни ножици“, насочени към определено място/локус в ДНК на организма. След това изрязаната ДНК се поправя чрез собствения механизъм за възстановяване на клетката или чрез синтетична система. Всяка изкуствена манипулация, която навлиза в живи клетки с цел да промени генома по пряк начин, включително чрез редактиране на гени, представлява генно инженерство.
Една от най-популярните и най-нови технологии за редактиране на гени е CRISPR. Тя отрязва ДНК на определено място, използвайки молекулярни ножици, известни като насочена нуклеаза (SDN). След това определен ген се вмъква, изтрива или се променя по друг начин. Въпреки че CRISPR се „рекламира“ с потенциала да бъде точен инструмент за генно инженерство, последните проучвания предупреждават, че използването на CRISPR може да има нежелани ефекти върху регулирането на ДНК и на гените и може да причини сериозни проблеми.
За изменяне на генома на цели популации се предлага т.нар. „генетично насочване“ (gene drives), което чрез CRISPR, изкуствено налага предаването на определена черта/белег/свойство през поколенията на даден вид, заобикаляйки хода на естествения подбор. Веднъж освободени, организмите подложени на генетично насочване не могат да бъдат изтеглени обратно и всички предизвикани от тях промени в генетичния състав на популацията по всяка вероятност са необратими (фигура 1). Следователно генетичните промени в популацията вероятно ще се запазят в продължение на много дълго време или дори вероятно за постоянно. Това може да доведе до дълбоки и непредсказуеми последици за обществото и околната среда. Предложените приложения на генетичното насочване са все още в етап на „доказване на концепцията“.
