Медицина изменилась в 20 веке благодаря открытию и разработке антибиотиков, подавляющее большинство которых было получено из одного источника: почвенных бактерий.
Но мы, похоже, исчерпали этот запас. Резистентность болезнетворных патогенов к существующим антибиотикам растет, подвергая опасности миллионы жизней и обходясь в миллиарды долларов. Новые исследования почвенных бактерий, как правило, выявляют старые химические вещества. И лишь немногие фармацевтические компании разрабатывают новые антибиотики.
Но тот же класс бактерий, который дал нам многие из наших антибиотиков, известный как Streptomyces, обитает не только в почве, но и повсюду, включая насекомых. Кэмерон Карри, профессор бактериологии из Университета Висконсин-Мэдисон, показал, что некоторые из этих связанных с насекомыми микробов обеспечивают своим хозяевам защиту от инфекций, предполагая, что насекомые и их микробиомы могут быть богатым новым источником антибиотиков для использования в медицине..
Итак, с командой сотрудников Карри решил проверить эту идею тысячи раз. В ходе исчерпывающего поиска микробов у более чем 1400 насекомых, собранных в различных средах Северной и Южной Америки, команда Карри обнаружила, что переносимые насекомыми микробы часто превосходят почвенные бактерии в борьбе с некоторыми из наиболее распространенных и опасных устойчивых к антибиотикам патогенов.
В своей работе ученые обнаружили новый антибиотик у бразильского муравья, выращивающего грибы, и назвали его цифомицином. Цифомицин был эффективен в лабораторных тестах против грибков, устойчивых к большинству других антибиотиков, и боролся с грибковыми инфекциями, не вызывая токсических побочных эффектов в мышиной модели. Исследователи представили патент на основе цифомицина из-за его эффективности в этих ранних тестах, настроив команду на выполнение значительной дополнительной работы, необходимой, прежде чем цифомицин можно будет превратить в новое лекарство, используемое в клинике.
На сегодняшний день это самое крупное и тщательное исследование по оценке антибиотической активности микробов, связанных с насекомыми.
Работа была опубликована 31 января в журнале Nature Communications. Исследование проводилось под руководством аспиранта лаборатории Карри Марка Шевретта с сотрудниками из Медисонской школы фармакологии Университета Вашингтона, Школы медицины и общественного здравоохранения Университета Вашингтона и нескольких других учреждений в Северной и Южной Америке.
Streptomyces эволюционировали около 380 миллионов лет назад и с тех пор разошлись во многие линии, некоторые из которых чаще встречаются в почве или связаны с насекомыми. Эта эволюционная дистанция означает, что микробы, связанные с насекомыми, адаптировались к своим собственным уникальным условиям окружающей среды.
«Из этого следует, что если вы посмотрите в другом эволюционном контексте, вы обнаружите новую химию», - говорит Шевретт.
Чтобы изучить большую часть разнообразия насекомых, команда Карри собрала более 2500 видов всех основных групп насекомых, включая мух, муравьев и пчел, мотыльков и бабочек, жуков и многих других. Около трети было собрано в тропических ландшафтах, еще треть - в умеренном климате, а остальные - в арктических или других регионах.
«Мы могли бы собрать 400 насекомых за несколько дней», - говорит Карри, чье собственное задание по сбору урожая привело его зимой на Гавайи.
Более половины этих насекомых содержали нужные виды бактерий. Всего насекомые предоставили для тестирования более 10 000 микробов. Команда выделила еще 7 000 штаммов из почвы или растений.
Потом начались эксперименты - их было много.
«Настоящая сила нашего исследования в том, что мы провели его 50 000 раз», - говорит Шевретт.
Эти 50 000 испытаний проверяли способность каждого микроба ингибировать рост 24 различных бактерий и грибков, многие из которых, такие как устойчивый к метициллину Staphylococcus aureus, более известный как MRSA, представляют серьезную угрозу для здоровья человека.
Большая доля микробов, связанных с насекомыми, была способна ингибировать рост этих бактериальных или грибковых мишеней, чем микробы, выделенные из почвы или растений.
Вместе с профессором медицинской микробиологии Дэвидом Андесом из Школы медицины и общественного здравоохранения Университета Вашингтона исследователи проверили несколько десятков многообещающих штаммов микробов на их способность бороться с инфекциями у мышей. Экстракты этих микробов эффективно уничтожали как бактериальные, так и грибковые патогены, и лишь немногие из них продемонстрировали токсические побочные эффекты.
В качестве еще одного доказательства концепции команда работала с профессором Фармацевтической школы Тимом Бугни, чтобы очистить цифомицин и определить его химическую структуру. Цифомицин был способен лечить инфекцию у мышей, вызванную Candida albicans, оппортунистическим грибковым патогеном, который часто поражает людей с ослабленным иммунитетом. Цифомицин также показал низкую токсичность у мышей.
Демонстрируя эффективное противомикробное действие и низкую токсичность на мышах, исследователи преодолели первый барьер на пути к разработке новых антибиотиков для клинического применения у людей. Но многие многообещающие лекарства терпят неудачу в дальнейшей разработке, поэтому важно определить несколько антибиотиков-кандидатов на ранних стадиях.
Команда Карри не удивлена, что микробы, связанные с насекомыми, являются многообещающим источником новых антибиотиков. Во-первых, говорят они, насекомые могут помочь в выборе антибиотиков, которые не токсичны для животных. И поскольку многие насекомые полагаются на микробные антибиотики для борьбы с постоянно развивающимися патогенами в их собственной среде, они, вероятно, выбрали антибиотики, которые могут преодолеть распространенные механизмы устойчивости.
"Насекомые делают для нас разведку", - говорит Карри.