Die Medikamente, die uns seit mehr als siebzig Jahren vor den allgegenwärtigen Bakterien schützen, verlieren langsam ihren Halt, und wir brauchen eine neue Waffe zur Bekämpfung von Infektionen. Krankheitsverursachende Bakterien werden immun gegen die Antibiotika, die sie einst getötet haben, sogar gegen Medikamente, die einst als letzte Verteidigungslinie galten.
Antibiotika-resistente (Antibiotika-resistente) Bakterien töten etwa ein Prozent der Menschen, die sie infizieren, selbst in Industrieländern. Und wenn dies ignoriert wird, werden sie jedes Jahr fünfmal mehr Menschen töten.
„Viele Dinge, die wir derzeit für selbstverständlich halten, wie ein Kaiserschnitt, ein Hüftersatz oder Organtransplantationen ohne Antibiotika, werden sehr schwierig“, sagt François Franceschi, Programmmanager für therapeutische Entwicklung in der Abteilung für Bakteriologie und Mykologie des National Institute of Allergy and Infektionskrankheiten.
Menschen mit geschwächtem Immunsystem sind besonders gefährdet, aber in der Welt nach Antibiotika sind ausnahmslos alle gefährdet.
"Die Leute sagen, dass Antibiotika in der Zeit nach Antibiotika nicht einmal mehr bei kleinsten Kratzern helfen können", sagt Cesar de la Fuente, Bioingenieur am Massachusetts Institute of Technology.
Um resistente Bakterien zu bekämpfen, wenden wir uns neuen Verbündeten wie Viren zu, die nur Bakterien angreifen. Nanopartikel und winzige Proteine, die vom Immunsystem verschiedener Organismen produziert werden. Jedes Werkzeug hat seine eigenen Vor- und Nachteile, weshalb Wissenschaftler verschiedene Ansätze untersuchen.
„Viele Fachleute suchen derzeit nach alternativen Strategien, um unser Arsenal zu erweitern“, sagt Timothy Lu, ebenfalls am MIT. "Es ist nicht so, dass jeder von ihnen versucht, seine eigene Silberkugel zu erfinden, die uns für den Rest unseres Lebens vor Bakterien bewahrt, sondern das Problem aus verschiedenen Blickwinkeln untersucht."
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Hier sind einige Möglichkeiten, wie wir mit unerwünschten Bakterien umgehen können.
Entwaffnen Sie die Eindringlinge
Bakterien müssen nicht immer abgetötet werden, um zu neutralisieren. Einige Behandlungen zielen indirekt auf Keime ab, indem sie ihnen ihre Waffen entziehen. Die Bakterien werden vorhanden sein, aber die Folgen einer Infektion werden nicht schwerwiegend sein, und das Immunsystem wird die Chance haben, die Infektion selbst zu bekämpfen.
Wenn Ihr Medikament keine Bakterien abtötet, haben sie weniger Anreiz, Resistenzen dagegen aufzubauen. Die Entwicklung von Resistenzen wird länger dauern, da die Bakterien das Medikament nicht aktiv bekämpfen, sagt Franceschi.
Viele Bakterien setzen Toxine frei, die die Wirtszellen schädigen. Eine der häufigsten Arten von Toxinen ist die Porenbildung, die Löcher in Zellen durchsticht. Es wird durch Methicillin-resistente Staphylococcus aureus, Escherichia coli, Listeria-Bakterien, Anthrax-Bakterien und Gift aus Schlangen, Skorpionen und Seeanemonen isoliert.
Liangfang Zhang fand heraus, wie diese Toxine beseitigt werden können. "Sie nehmen die Waffen weg und sie werden viel schwächer", sagt Zhang, ein Nanoingenieur an der University of California in San Diego. Es beschichtet die Nanopartikel mit einem süßen Ziel - Membranen aus roten Blutkörperchen. Die roten Blutkörperchen wirken als Köder und saugen Toxine an, die sonst gesunde Zellen angreifen würden. "Es ist wie ein Schwamm, der Giftstoffe absaugt", erklärt Zhang.
In seiner ersten Studie zeigte er, dass Nanoschwämme Toxine absorbierten, ohne Mäuse zu schädigen. Zhangs Arbeit mit Nanopartikeln als Lockvogel in diesem Jahr war eines von 24 Projekten, die von den National Institutes of Health finanziert wurden. Er hofft, bereits im nächsten Jahr mit klinischen Studien am Menschen beginnen zu können.
Nanopartikel, die häufig aus Kunststoffen oder Metallen wie Silber hergestellt werden, können Bakterien auch schwächen, indem sie ihre schützenden Zellmembranen zerstören oder DNA-Schäden verursachen. Nanopartikel sind einfach zu verarbeiten, da sie sich selbst aufbauen. "Sie steuern die Temperatur, das Lösungsmittel und alles andere, und diese Moleküle bilden ein Nanopartikel", sagt Zhang.
Nanopartikel können teurer sein als herkömmliche Antibiotika. Und sie an die richtige Stelle im Körper zu bringen, kann ebenfalls eine Herausforderung sein. Eine weitere Herausforderung besteht darin, sicherzustellen, dass die Nanopartikel aus Materialien bestehen, die keine unmittelbare Immunantwort auslösen und im Laufe der Zeit zusammenbrechen, damit sie sich nicht im Körper ansammeln.
Es bleiben Fragen bezüglich der langfristigen Sicherheit einiger dieser Dinge, sagt Lou.
Sonderlieferung
Alternative Behandlungen können angewendet werden, um vorhandene Antibiotika wirksamer zu machen. Zum Beispiel untersuchen Wissenschaftler derzeit, wie Nanopartikel zur Abgabe von Krebsmedikamenten und Antibiotika verwendet werden können.
Antibiotika sind im ganzen Körper verteilt und in hohen Dosen toxisch. Mit Hilfe von Nanopartikeln konnten konzentrierte Wirkstoffdosen freigesetzt werden. Tausende von Wirkstoffmolekülen könnten in ein einzelnes Nanopartikel geschoben werden.
"Sie können sich einfach an die Membran anlagern und die Medikamente allmählich direkt auf die Bakterien abgeben", sagt Zhang. Folglich könnte eine effektivere Belastung genauer angestrebt werden, ohne die Gesamtdosis des Arzneimittels zu erhöhen. Auf diese Weise könnte der Mechanismus der Bakterienresistenz unterdrückt werden - sie würden einfach keine Resistenz gegen punktwirksame Antibiotika entwickeln.
Das Problem bei Nanopartikeln ist, wie bei vielen anderen Werkzeugen, dass das Immunsystem sie als Bedrohung ansieht. „Sie sind Viren sehr ähnlich groß. Unser Körper wird lernen, sich gegen diese Nanopartikel oder Viren zu verteidigen, wenn Sie sie nicht schützen."
Zhang und seine Kollegen haben Nanopartikel in Jacken aus Thrombozytenmembranen getarnt, den Zellen, die zur Blutgerinnung beitragen. Von der Seite sind die Nanopartikel diesen Miniaturblutzellen ähnlich. Einige Bakterien werden von Blutplättchen angezogen - mit ihrer Hilfe werden sie vor dem Immunsystem maskiert. Mit Blutplättchen beschichtete Nanopartikel könnten zweimal spielen und Eindringlinge rekrutieren, um sie mit einem Medikament zur Detonation zu bringen.
Alle Nanopartikel setzen in Gegenwart von Bakterien Medikamente frei, sagt Zhang. Mit Hilfe von plättchenbeschichteten Partikeln hat er bereits Mäuse geheilt, die mit dem gegen Antibiotika resistenten Stamm MRSA infiziert sind.
Direkter Angriff
Manchmal helfen jedoch halbe Sachen nicht. Es gibt Alternativen zu herkömmlichen Antibiotika, die Bakterien abtöten können. Eine Strategie besteht darin, künstliche Versionen von antimikrobiellen Peptiden (AMPs) herzustellen, die Teil der angeborenen Immunantwort in Mikroben, Pflanzen und Tieren (wie den tasmanischen Teufeln) sind. Diese Komponenten greifen die Membran des Erregers an und verursachen Chaos in der Zelle.
Im Rahmen eines kürzlich durchgeführten Projekts arbeitete de la Fuente mit Lou und anderen zusammen, um ein ungiftiges AMP auszuwählen, das in einfachen Meerestieren namens Manteltiere vorkommt. Die Wissenschaftler fügten der Grundeinstellung mehrere Aminosäuren hinzu und verbesserten so ihre Fähigkeit, Mäuse zu behandeln, die mit antibiotikaresistenten E. coli-Stämmen oder MRSA infiziert waren. Verstärktes AMP stärkt auch das Immunsystem des Nagetiers, reduziert Entzündungen und ruft Hilfe in Form von weißen Blutkörperchen.
Antimikrobielle Peptide können eine Vielzahl von Krankheitserregern besiegen, und Bakterien haben Schwierigkeiten, Resistenzen gegen sie zu entwickeln. „Im Vergleich zu herkömmlichen Antibiotika sind diese Peptide in vielen Fällen wirksamer“, sagt de la Fuente.
AMPs bestehen aus relativ kurzen Ketten von Aminosäuren, den Bausteinen des Proteins. Daher sind sie recht einfach (obwohl teuer) zu bauen. "Wir müssen die Kosten noch senken", sagt de la Fuente. Wissenschaftler suchen nach Möglichkeiten, AMPs durch Programmierung von Mikroben billiger zu machen, damit sie sich nicht auf eine Maschine verlassen und die Mikroben dies selbst tun lassen.
Dennoch gibt es Bedenken, dass AMP die Zellen des Wirts angreifen könnte. Und wie bei vielen Antibiotika-Alternativen kann es eine Herausforderung sein, Peptide in einer Konzentration an den richtigen Ort zu senden, die hoch genug ist, um wirksam zu bleiben. Kurzfristig ist eine lokale Anwendung wahrscheinlicher, sagte de la Fuente. Diese Peptide könnten beispielsweise in eine Creme eingearbeitet werden, die auf eine offene Wunde oder auf die Stelle einer Infektion auf der Haut aufgetragen werden könnte. Sie könnten auch verwendet werden, um Tische, Computer, chirurgische Instrumente oder Katheter abzudecken, um zu verhindern, dass Keime sie besiedeln.
Re-Sensibilisierung
Eine andere Möglichkeit, Bakterien zu schwächen, besteht darin, sie von der Resistenz zu befreien, die sie gegen Antibiotika entwickelt haben. Für solche Missionen könnten Viren verwendet werden, die sich auf den Verzehr von Bakterien, Bakteriophagen, spezialisiert haben.
Bakteriophagen sind äußerst wirksame Abtötungsmittel für Bakterien, aber durch Gentechnik könnten Wissenschaftler ihnen neue Fähigkeiten verleihen, einschließlich der Wiederherstellung der Empfindlichkeit von Bakterien gegenüber traditionellen Arzneimitteln.
Reprogrammierte Bakteriophagen können von Bakterien besessen sein, die Gene tragen, die Antibiotikaresistenz verleihen, diese Fähigkeit entfernen oder Bakterien abtöten. Wenn die resistenten Mikroben zerstört oder unschädlich gemacht werden, ist die verbleibende Bevölkerung anfällig für Antibiotika.
Eine andere Methode, die es Bakterien ermöglicht, Antibiotika zu widerstehen, ist die Sekretion von Verbindungen, die einen Biofilm erzeugen, durch den das Medikament nicht eindringen kann. Es ist möglich, Bakteriophagen zu erzeugen, die den Biofilm auffressen.
In der Natur können Bakteriophagen Bakterien direkt abtöten. Einige von ihnen stecken ihre DNA in Bakterien und um sich zu befreien, fressen sie einfach durch die Zellwand und sprengen die Zelle, sagt Lu. Andere wirken als Parasiten.
Bakteriophagen wurden vor etwa hundert Jahren entdeckt. Antibiotika haben sie in den Vereinigten Staaten ersetzt, aber sie werden weiterhin in Russland und in einigen osteuropäischen Ländern verwendet. Während antibiotikaresistente Bakterien wachsen, wenden sich Wissenschaftler wieder Bakteriophagen zu - sie sind genauso wirksam bei der Behandlung von Menschen, nur klinische Studien haben dies noch nicht bestätigt.
Einer der Vorteile dieser Viren besteht darin, dass sie sich selbst replizieren können. Sie können nur eine kleine Menge geben und viele Bakterien abtöten. Und da sie lebende Zellen benötigen, um sich zu vermehren, hören sie auf, sich zu vermehren, sobald alle Zellen des Wirts zerstört sind.
Wie andere Alternativen können Bakteriophagen jedoch eine Reaktion des Immunsystems auslösen. "Wenn Sie ein Virus oder ein fremdes Peptid in den menschlichen Körper injizieren, besteht immer die Möglichkeit, dass eine Reaktion folgt", sagt Lu. Ein weiteres Problem besteht darin, dass einige Phagen Gene, die mit Antibiotikaresistenz assoziiert sind, aufnehmen und an andere Bakterien weitergeben können.
Es ist jedoch unwahrscheinlich, dass sie menschliches Gewebe schädigen. Bakteriophagen vermehren sich in menschlichen Zellen nicht. Wir haben eine Menge Bakteriophagen in uns - es ist schwer zu sagen, dass sie uns fremd sind.
Persönlicher Kontakt
Verschiedene alternative Behandlungen könnten auf bestimmte Keime zugeschnitten werden. Auch hier sind Bakteriophagen ideale Kandidaten. "Sie sind im Wesentlichen der natürliche Feind von Bakterien", sagt Lu. Normalerweise "wenn Sie Bakterien finden, finden Sie auch Bakteriophagen."
Traditionelle Antibiotika töten Bakterien oft wahllos ab - auch im natürlichen Mikrobiom unseres Körpers, das eine wichtige Rolle für unsere Gesundheit spielt. Es sind Teppichbomben, die alles töten.
Viren bieten einen persönlicheren Ansatz. "Sie können versuchen, die guten Bakterien zu behalten, während Sie die schlechten Bakterien abtöten", sagt Lu.
Diese Besonderheit ist jedoch auch ein zweischneidiges Schwert. Um eine ausreichende Anzahl verschiedener Bakterien abzudecken, die einen Patienten infizieren können, müssen viele Viren in den Cocktail gemischt werden. Obwohl das Wachstum von Bakteriophagen nicht sehr teuer ist, sind Cocktails einer Vielzahl von Viren eine ganz andere Sache.
Lou arbeitet an Cocktails von Bakteriophagen, die auf sicheren Wäldern gebaut wurden. Indem Sie den Bereich bestimmen, den die Bakteriophagen infizieren sollen, können Sie verschiedene Bakterien angreifen und die Bakteriophagen in verschiedene Richtungen lenken. Es bleibt nur herauszufinden, wie es geht.
Wie dem auch sei, es ist schwierig, ein wirksames Medikament zu entwickeln, ohne zu wissen, was die Infektion verursacht. Wenn Sie zu Ihrem Arzt gehen, kann er Sie nicht eng behandeln, wenn er nicht weiß, welche Bakterien Sie stören.
Ärzte benötigen schnellere Diagnosemethoden, um herauszufinden, welche Art von Zielbakterien gegen herkömmliche Antibiotika resistent sind. Lu und seine Kollegen arbeiten daran, eine schnelle und kostengünstige Diagnose zu erstellen. Wenn sie ihre Zielbakterien infizieren, zünden sie sie mit demselben Protein an, das Glühwürmchen verwenden. Geben Sie dem Patienten einfach die Bakteriophagenprobe und „Sie können feststellen, ob die Probe leuchtet oder nicht, ob Bakterien darin vorhanden sind oder nicht“, sagt Lu.
Breites Arsenal
Dies sind nicht alle Waffen, die wir unserem Arsenal hinzufügen. Wissenschaftler untersuchen andere Möglichkeiten, wie das Senden anderer Bakterien zur Bekämpfung von Krankheitserregern, das Auffinden neuer Antibiotika und die Verwendung von Antikörpern und vieles mehr.
"Man kann sich kaum auf eine Methode oder eine Technologie verlassen, um das ganze Problem zu lösen", sagt Zhang. Das Studium von Superbugs aus verschiedenen Blickwinkeln, die Kombination neuer Taktiken und traditioneller Behandlungsmethoden, wird unser Arsenal erweitern.
Es wird einige Jahre dauern, bis neue Instrumente für den weit verbreiteten Einsatz zugelassen werden. Und für eine Weile werden alternative antimikrobielle Methoden nur angewendet, wenn Antibiotika nicht mehr wirken. Die Billigkeit und Wirksamkeit von Antibiotika ist der Hauptgrund, warum sie schwer abzulehnen sind. Auf lange Sicht wird dies jedoch die einzige Option sein.
ILYA KHEL