طرح های فناورانه برای مبارزه با مقاومت آنتی بیوتیکی
به گزارش وبلاگ کشتی گیران، فناوری نو می تواند در کمتر از یک هفته درمانی را علیه باکتری های مقاوم به دارو ایجاد کند و با مقاومت آنتی بیوتیکی سازگار گردد. مقاومت آنتی بیوتیکی نه تنها کشتن باکتری ها را سخت تر می نماید بلکه می تواند آنها را قوی تر کند.
ما در حال توسعه یک واکسن با طیفی خیلی وسیع به همراه یک محصول دیگر، آنتی بادی انسانی، هستیم که می تواند در برابر بیشتر باکتری های مقاوم به دارو، از جمله سل و سویه های ترسناک MRSA و حتی ارگانیسم هایی که باعث بیماری هایی مانند مالاریا می شوند، ایمنی ایجاد کند.
ایده بزرگ
یک تکنیک نو که من و همکارانم توسعه دادیم و می تواند باکتری های کشنده و مقاوم به چند دارو را به صورت بلادرنگ از بین ببرد، می تواند برای ایجاد درمان های هدفمند جایگزین آنتی بیوتیک های سنتی و به طور فزاینده بی اثر گردد.باکتری ها همان فرایند ژنتیکی اساسی را که همه موجودات زنده انجام می دهند دنبال می نمایند: DNA ، که حاوی دستور العمل هایی در خصوص ظاهر و عملکرد یک موجود زنده است، به یک شکل میانی به نام RNA کپی می گردد که می تواند به پروتئین ها و سایر مولکول ها ترجمه گردد که موجود زنده از آنها استفاده می نماید.
تصویر: نمودار PNA که فرایند بیولوژیکی اساسی DNA را به پروتئین تبدیل می نماید. PNAها را می توان برای قطع فرآیند تبدیل DNA به پروتئین یا سایر مولکول های بیولوژیکی مفید لازم برای زندگی معرفی کرد. کریستن الر ، CC BY-ND
اگر ما به سادگی استفاده از آنتی بیوتیک را کاهش داده یا کنترل کنیم، سویه های مقاوم از بین نمی فرایند.تکنیکی که ما در آزمایشگاه Chatterjee در دانشگاه کلرادو بولدر توسعه دادیم از یک نسخه مصنوعی RNA به نام PNA یا اسید نوکلئیک پپتید برای مختل کردن این فرایند اساسی در باکتری ها استفاده می نماید. مولکول PNA ما به RNA باکتریایی چسبیده و مانع از انجام وظیفه آن می گردد. از آن جا که این مولکول مطابقت کاملی با RNA باکتریایی دارد، بسیار محکم به RNA متصل می گردد و در برابر تخریب مقاومت می نماید. این بدان معناست که نه تنها می تواند از فرایندهای تشخیص خطای باکتری فرار کند بلکه از تبدیل RNA به پروتئین ها و سایر مولکول های بیولوژیکی مفید جلوگیری می نماید. این مانع می تواند برای باکتری ها کشنده باشد.
مطالعه ما، که اخیراً در نشریه ارتباطات زیست شناسی منتشر نموده ایم، پتانسیلِ درمانیِ تکنیکی را نشان می دهد که می تواند درمان های PNA را در کمتر از یک هفته طراحی، سنتز و آزمایش کند.
بیشتر آنتی بیوتیک ها آن قدر خاص نیستند که فقط باکتری های عفونی را مورد هدف قرار دهند بدون این که باکتری های خوب بدن را نیز از بین ببرند. با این حال، فناوری ما از نسخه های غیر عفونی باکتری های مقاوم به چند دارو برای ایجاد مولکول های بسیار خاص استفاده می نماید. با هدف قرار دادن عامل بیماری مورد علاقه، این درمانگران PNA ممکن است از آسیب آنتی بیوتیک های فعلی به باکتری های خوب بدن جلوگیری نمایند.
تصویر: نمودار، روش نوی برای طراحی، سنتز، آزمایش و ارائه درمان در برابر باکتری های مقاوم به چند دارو را نشان می دهد. پلت فرم Facile Accelerated Specific Therapy (FAST) می تواند در کمتر از یک هفته، درمان هایی را علیه باکتری های مقاوم به چند دارو فراوری کند. کریستن الر ، CC BY-ND
به نظر می رسد که برای بعضی از باکتری ها، مقاومت دارویی در واقع آنها را سازگارتر می نماید.
چرا مهم است
سازگاری باکتری ها برای بقا در مقابل آنتی بیوتیک های فعلی، که به مقاومت آنتی بیوتیکی موسوم است، در حال افزایش است.زرادخانه درمانی فعلی پزشکی بیشتر شامل آنتی بیوتیک های طبیعی است که بیش از 30 سال پیش جدا شده بودند. کشف آنتی بیوتیک های نو در طبیعت در حالی دچار رکود شده است که باکتری ها همچنان در حال تکامل هستند و از درمان های فعلی فرار می نمایند. و حتی اگر دانشمندان یک آنتی بیوتیک طبیعی نو بیابند، تحقیقات نشان می دهد که باکتری ها در عرض 10 سال آغاز به مقاومت می نمایند و ما را در همان شرایط سخت قبلی قرار می دهند.
انواع نوی از درمان ها باید در دوران پس از آنتی بیوتیک مورد توجه قرار گیرند، زمانی که زرادخانه آنتی بیوتیک های ما دیگر مؤثر نیست. با استفاده از سیستمی که می تواند باکتری های خاصی را هدف قرار دهد و به طور مداوم بر اساس الگوهای مقاومت در حال ظهور اصلاح گردد، پزشکان دیگر مجبور نخواهند بود به کشفیات اتفاقی تکیه نمایند. درمان می تواند با باکتری سازگار گردد.
می توان از فناوری های نو توالی یابی DNA برای آنالیز دقیق تر چگونگی نقش مقاومت آنتی بیوتیکی در ضعیف تر یا قوی تر شدن بعضی از باکتری ها استفاده کرد.
چیزی که هنوز معلوم نیست
اگر چه ما ویژگی های متعددی را آنالیز می کنیم که مشخص می نماید کدام توالی های RNA برترین اهداف هستند، اما تحقیقات بیشتری برای شناسایی مؤثرترین داروهای PNA در برابر باکتری های مقاوم به چند دارو لازم است. از آن جا که مطالعه ما فقط استراتژی نو ما را در زمینه کشت سلولی در آزمایشگاه تست کرد، ما بعلاوه باید ببینیم که چگونه در حیوانات زنده کار می نماید تا اثر بخشی این نوع درمان به حدبیشتر برسد.بعد از آن چه
تیم ما در حال حاضر این فناوری را در مدل های مختلف حیوانات در برابر انواع مختلف عفونت ها آزمایش می نماید. ما بعلاوه در حال آنالیز سایر گزینه های تحویل PNA هستیم، از جمله گزینه سازگاری سیستم تحویل باکتریایی خود با سویه های پروبیوتیک به گونه ای که بتواند با جمعیت باکتری های سالم موجود در بدن ادغام گردد.با توسعه بیشتر، هدف ما این است که بستر را برای هدف قرار دادن بیماری هایی که از فرایندهای ژنتیکی اولیه مشابه باکتری ها مانند عفونت های ویروسی یا سرطان استفاده می نمایند، تطبیق دهیم.
باکتری های حساس به دارو از بین می فرایند، اما باکتری هایی که آنتی بیوتیک را تحمل می نمایند زنده می مانند و تکثیر می شوند. این فرآیند منجر به ظهور سویه های مقاوم به آنتی بیوتیک می گردد.
مقاومت آنتی بیوتیکی
تصویر: باکتری سودوموناس آئروژینوزا CDC/ جنیس هانی کار
آنتی بیوتیک ها داروهای فوق العاده ای برای درمان عفونت های باکتریایی هستند. متأسفانه، باکتری های عامل بیماری می توانند در برابر آنتی بیوتیک هایی که برای از بین بردن آنها ساخته شده اند مقاوم شوند. این، فشار انتخابی نامیده می گردد - باکتری های حساس به دارو از بین می فرایند، اما باکتری هایی که آنتی بیوتیک را تحمل می نمایند زنده می مانند و تکثیر می شوند. این فرآیند منجر به ظهور سویه های مقاوم به آنتی بیوتیک می گردد.
هنگامی که یک سویه باکتریایی در برابر چندین آنتی بیوتیک مختلف مقاوم شد، تبدیل به یک میکروب مقاوم در برابر چند دارو (MDR) (multi-drug-resistant) شده است. هنگامی که تقریباً هیچ آنتی بیوتیکی برای درمان بیمار مبتلا به یک میکروب وجود ندارد، به میکروب مقاوم به همه (pan-resistant) گفته می گردد. این گونه ها در حجمی وسیع، بیشتر و بیشتر در بیمارستان ها و در کل جامعه شایع می شوند. شاید بعضی از آنها را شنیده باشید: برای مثال، استافیلوکوکوس اورئوس مقاوم به متی سیلین (MRSA) ، انتروکوک های مقاوم به ونکومایسین (VRE) و انتروباکتریاسه مقاوم به کارباپنم (CRE).
باکتری ها می توانند از دو جهت مقاوم به دارو شوند - مقاومت می تواند طبیعی باشد، به این معنی که ژن های مقاومت نماینده از قبل در کروموزوم باکتری وجود دارد، یا می توانند آنها را به وسیله جهش یا برداشت ژن های مقاوم به آنتی بیوتیک از سایر میکروب ها به دست آورند.
کشف آنتی بیوتیک های نو در طبیعت در حالی دچار رکود شده است که باکتری ها همچنان در حال تکامل هستند و از درمان های فعلی فرار می نمایند.در حال حاضر می توان از فناوری های نو توالی یابی DNA برای آنالیز دقیق تر چگونگی نقش مقاومت آنتی بیوتیکی در ضعیف تر یا قوی تر شدن بعضی از باکتری ها استفاده کرد. و در یک مطالعه نو، ما دریافتیم که - بر خلاف عرف رایج در خصوص آنتی بیوتیک ها - مقاومت در واقع می تواند بعضی از باکتری ها را سازگارتر و حتی بدتر کند.
تصویر: سویه باکتری MRSA که مقاوم به متی سیلین است (Methicillin-resistant Staphylococcus aureus) در یک ظرف پتری حاوی ژله آگار برای کشت باکتریایی در آزمایشگاه میکروبیولوژیکی در برلین مشاهده می گردد. فابریزیو بنچ/رویترز
آیا سازگاری همواره هزینه ای برای مقاومت آنتی بیوتیکی است؟
برای دهه ها، یک جزم ثابت شده در زمینه بیماری های عفونی عبارت بوده است از به اصطلاح هزینه سازگاری مقاومت در برابر آنتی بیوتیک ها. ما معتقد بوده ایم که بین مقاومت آنتی بیوتیکی و اندازه عملکرد خوب آنها در انجام وظایف معمول زندگی، باکتری ها مصالحه می نمایند.ایده این است که گر چه سویه های مقاوم در برابر آنتی بیوتیک ها باعث عفونت هایی می شوند که درمان آنها دشوارتر است، اما مقاومت آنها نیز کمتر است. یا آنها کمتر قادر به زنده ماندن در یک میزبان آلوده هستند و / یا کمتر بدخیم هستند و کمتر باعث عفونت شدیدتر می شوند و این با کاهش توانایی آنها در انتقال به انسان دیگر همراه است.
و ما می دانیم که این تصویر برای بعضی از باکتری ها صادق است. هر دو Mycobacterium tuberculosis (که باعث سل می گردد) و Mycobacterium leprae (که باعث جذام می گردد) می توانند در برابر دارویrifampicin ، که یکی از اصلی ترین آنتی بیوتیک ها برای درمان این بیماری ها است، مقاوم شوند.
سازگاری باکتری ها برای بقا در مقابل آنتی بیوتیک های فعلی، که به مقاومت آنتی بیوتیکی موسوم است، در حال افزایش است.برای M. tuberculosis وM. leprae ، مقاومت در برابر ریفامپیسین به لطف جهش در یک ژن ایجاد می گردد. این جهش به باکتری ها توانایی دفع آنتی بیوتیک ها را می بخشد، اما این با فیزیولوژی طبیعی سلول آنها و عواملی که آنها را بدخیم می نماید تداخل ایجاد می نماید. همان طور که انتظار داشتیم، مقاومت در این مورد با هزینه سازگاری مشخصی همراه است.
اما اگر مقاومت در واقع بعضی از باکتری ها را قوی تر و کشنده تر کند چه؟ تیم ما از تکنیک های توالی DNA برای آشکار کردن رابطه بین مقاومت آنتی بیوتیکی و هزینه سازگاری در عفونت در حیوانات آزمایشگاهی استفاده کرد. به نظر می رسد که برای بعضی از باکتری ها، مقاومت دارویی در واقع آنها را سازگارتر می نماید.
استفاده از ژن های در حال جهش برای مقایسه مقاومت و سازگاری
ما یک باکتری به نام Pseudomonas aeruginosa را تجزیه و تحلیل کردیم. این عامل اصلی عفونت در افراد مبتلا به فیبروز کیستیک، و بعلاوه بیماران بسیار ناخوش در بخش مراقبت های ویژه (ICU) و افرادی با سیستم ایمنی ضعیف است.P. aeruginosa به طور طبیعی در برابر چندین آنتی بیوتیک مقاوم است و می تواند در برابر بسیاری از آنتی بیوتیک ها مقاوم گردد تا به چند دارو مقاوم گردد یا حتی مقاوم به همه گردد.
برای پی بردن به این که آیا هزینه سازگاری ای ناشی از مقاومت وجود داشته است یا نه، ما سویه های جهش یافته P. aeruginosa را با استفاده از ژن های در حال جهش برای وارد کردن جهش به باکتری ایجاد کردیم. از آن جا که می خواستیم ببینیم هزینه مقاومت چقدر است، دو نوع سویه جهش یافته ایجاد کردیم. بعضی از سویه های جهش یافته، ژن های مقاومت طبیعی خود را از دست دادند، در حالی که سایر سویه های جهش یافته به علت غیر فعال شدن ژن هایی که آنها را نسبت به آنتی بیوتیک ها حساس می نماید، مقاومت پیدا کردند.
این بدان معناست که ما توانستیم از توالی یابی DNA برای مشخص این که چگونه از دست دادن هر ژن جهش یافته بر توانایی کلی P. aeruginosa برای ایجاد عفونت در موش ها و سازگاری کلی باکتری ها اثر می گذارد استفاده کنیم.
بیشتر آنتی بیوتیک ها آن قدر خاص نیستند که فقط باکتری های عفونی را مورد هدف قرار دهند بدون این که باکتری های خوب بدن را نیز از بین ببرند.
مقاومت آنتی بیوتیکی همواره هزینه ای در بر ندارد
با ارگانیسم هایی مانندP. aeruginosa ، پزشکان اغلب برای درمان عفونت ها به گروهی از آنتی بیوتیک ها به نام کارباپنم مراجعه می نمایند. کارباپنم ها P. aeruginosa را به وسیله یک کانال یا حفره در دیواره بیرونی باکتری که به وسیله پروتئین OprD ساخته شده است، می کشند. آن منافذ باعث ورود کارباپنم ها می گردد که این، سلول را می کشد. در بیش از 70 درصد عفونت های انسانی با سویه های مقاوم به کارباپنمP. aeruginosa ، این باکتری منافذ OprD را بسته است - به این معنی که آنتی بیوتیک کشنده اکنون نمی تواند وارد سلول گردد. ما سویه های جهش یافته ای از P. aeruginosa ایجاد کردیم که نمی توانست پروتئین OprD را فراوری کند و به این ترتیب مقاومت بهتری نسبت به کارباپنم ها داشت.در آزمایشات ما، معلوم می گردد که سازگاری، مصالحه ای برای مقاومت در برابر P. aeruginosa نیست. ما دریافتیم که مناسب ترین جهش یافته ها آنهایی بودند که به علت عدم فراوری پروتئین OprD دیگر مقاوم به کارباپنم شده بودند.
تصویر:40 درصد سویه های به دست آمده از دستگاه گوارش موش ها، جهش یافته های OprD بودند. ماوس به وسیله www.shutterstock.com
در موش های مبتلا به عفونت P. aeruginosa در دستگاه گوارش، جهش یافته های OprD در ابتدا کمتر از 0.1 درصد از سویه های مورد استفاده برای ایجاد عفونت را نشان می داد. اما پس از پنج روز، جهش یافته های OprD بیش از 40 درصد از سویه هایی را که از دستگاه گوارش موش ها به دست آوردیم، تشکیل می دادند. باکتری های جهش یافته نه تنها به علت این که کشتن آنها سخت بود (ما هیچ آنتی بیوتیکی به موش ها ندادیم) بلکه به علت سازگاری ای بیشتر از سایر سویه های باکتریایی که موش ها را آلوده می نمایند، توسعه یافت.
وقتی از سویه های جهش یافته برای ایجاد پنومونی (یا ذات الریه) باکتریایی در موش ها استفاده کردیم، چیزی مشابه را مشاهده کردیم. جهش یافته های OprD بار دیگر به عنوان گونه های غالب ظاهر شدند، اما بسیاری از آنها به آنتی بیوتیک رایج دیگر به نام فسفومایسین نیز مقاوم بودند. مانند مقاومت به کارباپنم، مقاومت فسفومایسین نیز به علت یک ژن واحد است.
به طور کلی، هنگامی که باکتری ها در برابر آنتی بیوتیک های فسفومایسین و کارباپنم مقاومت به دست آوردند، سازگارتر و قدرتمندتر شدند. این در تقابل با تصور رایج تر پذیرفته شده ای است که به علت مقاومت آنتی بیوتیکی یک هزینه سازگاری وجود دارد.
در واقع، ما دریافتیم که سویه های جهش یافته ای که مقاومت طبیعی آنتی بیوتیکی خود را از دست داده اند، از سازگاری کمتری برخوردار هستند. بنابراین به دست آوردن مقاومت باعث تقویت سلول های باکتریایی می گردد در حالی که از دست دادن مقاومت آنها را ضعیف تر می نماید.
انواع دیگر باکتری ها چطور؟
برای اینکه ببینیم آیا این اثر محدود به P. aerginoa است یا خیر، ما تصمیم گرفتیم به آنالیز دو گونه باکتریایی دیگر بپردازیم تا ببینیم آیا مقاومت آنتی بیوتیکی باعث سازگاری آنها نیز می گردد.ما به ارگانیسم مقاوم در برابر آنتی بیوتیک چند دارویی و حتی همه دارویی به نام Acinetobacter baumannii ، که باعث بسیاری از انواع عفونت های شدید در ریه ها، خون و پوست می گردد، و یک باکتری مقاوم به دارو، Vibrio cholerae ، که باعث وبا می گردد، نگاه کردیم. V. cholera بعلاوه دارای بعضی از ژن های طبیعی مقاومت در برابر آنتی بیوتیک ها است.
همراه با دکتر جان مکالانوس و استفان لوری در دانشکده پزشکی هاروارد، دریافتیم که برای A. baumannii و V. cholerae ، از دست دادن مقاومت آنتی بیوتیکی با از دست دادن سازگاری و ضعف توانایی ایجاد عفونت همراه است.
اما، هنگامی که باکتری ها به وسیله جهش ژنتیکی مقاومت آنتی بیوتیکی را به دست آوردند، قدرتمندتر شده و توانایی قوی تری برای ایجاد عفونت در مدل های آزمایشگاهی پیش بالینی عفونت ها داشتند.
تصویر: اطمینان از استفاده صحیح از آنتی بیوتیک ها کافی نیست. شستن دست ها برای کنترل انتشار باکتری ها مهم است. شستشوی دست به وسیله www.shutterstock.com
این برای استراتژی های مبارزه با باکتری های مقاوم به آنتی بیوتیک به چه معناست؟
ما انتظار نداریم که این یافته ها برای هر نوع باکتری ای صادق باشد. اما حتی اگر آنها فقط در خصوص بعضی از موجودات زنده اعمال شوند، به این معنی است که اگر ما به سادگی استفاده از آنتی بیوتیک را کاهش داده یا کنترل کنیم، سویه های مقاوم از بین نمی فرایند.این اعتقاد کلی وجود دارد که اگر آنتی بیوتیک ها فقط در مواقع مورد احتیاج استفاده شوند، سویه های حساس به آنتی بیوتیک ها از سویه های کمتر سازگار - اما مقاوم - پیشی می گیرند. اما این استراتژی ممکن است برای مبارزه با باکتری هایی که وقتی مقاوم به دارو می شوند به جای ضعیف تر شدن قوی تر می شوند، کافی نباشد.
یک تکنیک نو که من و همکارانم توسعه دادیم و می تواند باکتری های کشنده و مقاوم به چند دارو را به صورت بلادرنگ از بین ببرد، می تواند برای ایجاد درمان های هدفمند جایگزین آنتی بیوتیک های سنتی و به طور فزاینده بی اثر گردد.شستشوی دست و اقدامات مرتبط می تواند توسعه باکتری های مقاوم را کنترل کند. اما ما بعلاوه به واکسن ها و آنتی بادی های ساخته شده احتیاج داریم که می تواند به افرادی که در معرض خطر یا در واقع آلوده به میکروب های مقاوم به دارو هستند، تزریق گردد.
این چیزی است که تیم تحقیقاتی ما از دانشکده پزشکی هاروارد و بیمارستان بریگهام و بیمارستان زنان دنبال آن است. ما در حال توسعه یک واکسن با طیفی خیلی وسیع به همراه یک محصول دیگر، آنتی بادی انسانی، هستیم که می تواند در برابر بیشتر باکتری های مقاوم به دارو، از جمله سل و سویه های ترسناک MRSA و حتی ارگانیسم هایی که باعث بیماری هایی مانند مالاریا می شوند، ایمنی ایجاد کند.
منبع: کریستن الر، University of Colorado Boulder، جرالد پیِر، دیوید اسکورنیک، Harvard Medical School
منبع: راسخون