Az antibiotikum szóról legtöbbünknek ma már nem a csodagyógyszer kifejezés jut az eszébe, ahogyan felfedezésüket követően nevezték őket. Sokkal inkább azok a sajtóban is sokat emlegetett „szuper kórokozók”, amik látszólag könnyedén ellenállnak szinte minden gyógyászatban használt antibiotikumnak. Ezek a veszélyes kórokozók pedig a mi egészségünket fenyegetik világszerte. Statisztikai adatok szerint az Egyesült Államokban a Staphylococcus aureus baktérium egyik ellenálló „szuper” törzsének magasabb mortalitás tulajdonítható mint a HIV-fertőzéseknek.
Mi az oka annak, hogy az antibiotikumok sok esetben teljesen elvesztették gyógyászati hatékonyságukat? A válasz egy egyszerű evolúciós alkalmazkodási folyamatban rejlik. Az antibiotikumnak való kitettség egy erős stressztényezőt jelent a kórokozó mikroorganizmusok (baktériumok, gombák, egyéb egysejtűek) számára, amit természetesen csökkenteni próbálnak. Ezt különböző, egyszerű mechanizmusok segítségével érik el. A legtöbb esetben rendkívül sikeresnek bizonyulnak védekező mechanizmusok kiépítésében, aminek eredményeképpen ellenállóvá vagy más szóval rezisztenssé válnak az antibiotikummal szemben. Ettől kezde az adott antibiotikum elveszti hatékonyságát a kórokozóval szemben. Már Fleming is belátta 1946-ban, hogy valószínűleg nem létezik olyan terápiás szer, amellyel szemben a baktériumok megfelelő körülmények között ne válnának előbb-utóbb ellenállóvá. Fontos megjegyezni azonban, hogy a nagyon ellenálló, „szuper kórokozók” megjelenéséhez mi, emberek is nagymértékben hozzájárultunk. Az antibiotikumok helytelen, mértéktelen és gyakran kontrollálatlan használata nemcsak a gyógyászatban, hanem például az állattenyésztésben is jelentősen elősegítette az ellenálló kórokozók széles körben való elterjedését. A mikroorganizmusok a kialakított és „jól bejáratott” védekező mechanizmusaik révén alkalmazkodtak az antibiotikumok tömeges jelenlétéhez a környezetükben.
Az antibiotikumokkal szembeni rezisztencia jelensége egy globális méretű egészségügyi problémává duzzadt és azzal fenyeget, hogy elveszítjük kontrollunkat a fertőző megbetegedések felett. Sürgetővé vált tehát olyan kiegészítő terápiás stratégiákat kidolgozni, amellyekkel csökkenteni lehetne az ellenálló baktériumtörzsek megjelenésének az esélyét, és ezáltal növelni az alkalmazott antibiotikumok hatékonyságát.
Az antibiotikumok (elnevezésük alapján „élet elleni” ágensek) olyan vegyületek, amelyek a mikrobákban (baktériumok, gombák, más egysejtűek) olyan specifikus célpontokat támadnak, amelyek a sejt életben maradása szempontjából létfontosságú folyamatokban játszanak szerepet. Lehetnek természetes, más mikroorganizmusok által termelt vegyületek, mint például a Penicillium notatum penészgomba által termelt penicillin, vagy pedig ember által létrehozott félszintetikus vagy szintetikus származékok.
Az antibiotikumok több érzékeny ponton is támadhatják a mikrobákat, jelentősen beleavatkozva azok normális életműködéseikbe. Gátolhatják a DNS másolását és ezáltal sokszorozódását, ami lehetetlenné teszi a genetikai anyaguk továbbadását az utódgenerációnak. Támadhatják a sejtet határoló és védelmi szerepet betöltő sejtfalukat, aminek hatására védtelenné válnak a környezeti behatásokkal szemben. Számos antibiotikum pedig a sejt életműködései szempontjából nélkülözhetetlen molekulák, a fehérjék szintézisének különböző lépéseit gátolja. Attól függően, hogy milyen mértékben avatkoznak bele a mikrobák életműködésébe, az antibiotikumok lehetnek ölő hatásúak vagy osztódást gátló hatásúak. A különböző hatásmódok pontos megértése jelentős előrelépést jelenthet a rezisztencia elleni küzdelemben.
A mikrobák az örökítőanyaguk módosításán keresztül képesek védekezési mechanizmusokat kiépíteni, és ezáltal ellenállóvá válni az antibiotikumok hatásaival szemben. A legtöbb esetben két típusú utat használhatnak. Az egyik az, amikor a túlélésüket bármilyen módon elősegítő, számukra jótékony hatású mutációkat halmoznak fel örökítőanyagukban. A másik lehetséges út pedig a genetikai anyaguk kicserélése egy másik, már rezisztens mikroorganizmussal. Jelen írás az első jelenségre fókuszál, amikor a kórokozók újonnan megjelenő mutációk révén válnak ellenállóvá az antibiotikumokkal szemben.
A mikrobák legismertebb védekezési stratégiái a következők: 1) az antibiotikum hatástalanítása (lebontása vagy átalakítása) különböző enzimek által, 2) az antibiotikum célmolekulájának módosítása olyan módon, hogy az antibiotikum nem képes hozzákapcsolódni, 3) az antibiotikum sejtbe jutásának megakadályozása vagy sejtből való fokozott kipumpálása. Mindhárom stratégiával az antibiotikum okozta stressz mértékét próbálják minimalizálni.
Néhány éve a James Collins által vezetett kutatócsoport eredményei jelentősen megváltoztatták az antibiotikumok hatásmechanizmusairól alkotott képünket. Kiderült ugyanis, hogy az antibiotikumok egy jelentős csoportja, az ölő hatású antibiotikumok oxigén jelenlétében hasonló módon fejtik ki hatásukat, függetlenül attól, hogy a sejt milyen specifikus életműködésébe avatkoznak bele. Ez a közös jellemvonás az, hogy a baktériumsejtben növelik a káros oxigéngyökök mennyiségét, ami oxidatív stresszt idéz elő.
Oxigén jelenlétében minden élő organizmusban (így a baktériumokban is) a légzés melléktermékeként káros oxigéngyökök keletkeznek, amelyek hatástalanítására különböző enzimeket használnak a sejtek. Ha a veszélyes oxigéngyökök mennyisége meghalad egy bizonyos szintet, a sejt képtelen hatástalanítani ezeket. Ezt az állapotot nevezzük oxidatív stressznek. Ekkor a káros gyökök diszkrimináció nélkül támadják a sejt létfontosságú molekuláit, a DNS-t, lipideket és fehérjéket, ami végső soron a sejt halálához vezet. Fény derült arra, hogy az antibiotikum kapcsolódása a célmolekulájához felgyorsítja a sejt légzését, aminek eredményeként a szokásosnál több káros oxigéngyök termelődik. Ezt a sejt már képtelen hatástalanítani és oxidatív stressznek lesz kitéve.
Az ölő hatású antibiotikumok által kiváltott oxidatív stressznek két fő, a baktérium sorsa szempontjából ellentétes következményekkel járó hatása lehet. Az egyik kézenfekvő hatás a sejtölő hatás, azaz a keletkezett, mindennel reakcióba lépő oxigéngyökök a legfontosabb sejtalkotókat károsítják, és ez a baktériumsejt halálához vezet. A másik hatás viszont a mutációk keletkezését elősegítő hatás, amit a baktériumok előnyükre tudnak fordítani. Amikor a káros oxigéngyökök közvetlenül kapcsolatba lépnek a baktérium örökítőanyagával, a DNS-el, változásokat idéznek elő benne és ezáltal mutációk keletkeznek. A véletlenszerűen keletkezett mutációk között előfordulhatnak olyanok, amelyek valamilyen módon elősegítik a baktérium túlélését, tehát előnyösek számára. Ilyen erős stresszkörülmények között igen magas szelekciós nyomás érvényesül. Ennek eredményeként a baktérium túlélését elősegítő mutációk gyorsan elterjednek a populációban és ellenálló törzsek megjelenéséhez vezetnek. Számos, klinikumból is származó eredmény bizonyítja, hogy az antibiotikum-rezisztencia gyakran újonnan keletkezett mutációk révén alakul ki az antibiotikum-kezelés során.
Feltevődik tehát a kérdés, hogy mi lehet a jó stratégia a rezisztencia elleni küzdelemben? Erősíteni vagy gyengíteni az oxidatív stresszt? Arra alapozva, hogy az ölő hatású antibiotikumok káros oxigéngyökök termelésével pusztítják el a baktériumokat, számos munka az oxidatív stressz fokozását látja egy potenciális stratégiának az antibiotikum kezelés hatékonyságának javítására. Fontos viszont szem előtt tartani az oxidatív stressz kétélű jellegét, azt is, hogy mutáció-generáló hatása révén „lehetőséget ad” a baktériumoknak védekező stratégiákat kialakítani és ellenállóképességet kifejleszteni.
Csoportunk kíváncsi volt arra, hogy ha csökkentjük az ölő hatású antibiotikumok által okozott oxidatív stressz mértékét a baktériumokban, ez mennyire fogja megváltoztatni az antibiotikumhoz való alkalmazkodási képességüket. Ehhez laboratóriumi körülmények között vizsgáltuk a rezisztencia evolúcióját Escherichia coli bélbaktériumon. A mikroorganizmusok kiválóan alkalmasak különböző evolúciós jelenségek közvetlen, laboratóriumi körülmények között történő tanulmányozására, mert gyorsan szaporodnak, nagy a populációméretük, kis helyen és könnyen fenntarthatóak. Vizsgálható például, hogy egy adott baktériumtörzs hogyan képes új környezeti feltételekhez (például különböző szénforrások hiányához, antibiotikumok jelenlétéhez) alkalmazkodni. Ez úgy valósítható meg, hogy a vizsgált populáció egy kis részét a megfelelő körülmények között napi szinten átvisszük friss tápoldatba és számos generáció után összehasonlítjuk a kiindulási (ősi) és az alkalmazkodott populációkat.
Kísérleteink során az E. coli baktérium több száz, párhuzamos populációjának evolúcióját vizsgáltuk egyidejűleg. Mindegyik populációt magas koncentrációjú antibiotikummal kezeltük. Magas koncentrációjú antibiotikum jelenlétében a populációméretük drasztikusan lecsökken és csak azok az egyedek élik túl és képesek elszaporodni, amelyekben ellenállóképességet biztosító mutáció(k) alakulnak ki. Három, a baktérium különböző életműködéseit gátló antibiotikumot teszteltünk. A káros oxigéngyökök sejten belüli mennyiségének csökkentésére egy olyan vegyületet alkalmaztunk, amely megköti és ezáltal hatástalanítja a káros oxigéngyököket. Ez a molekula (thiourea) lecsökkenti az antibiotikumok által termelt káros oxigéngyökök mennyiségét és ezáltal a baktériumok szempontjából jótékony mutációk megjelenésének esélyét is.
Három különböző antibiotikum esetében is igazoltuk, hogy az antibiotikum által kiváltott oxidatív stressz minimalizálása jelentősen lecsökkentette a rezisztens populációk megjelenésének gyakoriságát. Eredményeink rávilágítanak arra, az oxidatív stressz fokozása rövid távon ugyan erősítheti az antibiotikumok ölő hatását, hosszabb távon viszont a rezisztencia kialakulását segíti elő.
Méhi Orsolya Katinka