"Ek bel gereeld hospitale en versoek hul jaarlikse antibiotika-vatbaarheidtoetsdata," het die Washington Universiteit in St. Louis se Timothy Wencewicz gesê. "Die log kan byvoorbeeld sê dat hulle honderde pasiënte behandel het vir Acinetobacter baumanni, 'n bakterie wat in Amerikaanse hospitale gebring is deur soldate wat in die oorlog in Irak gewond is, met 30 verskillende antibiotika. Die kolom lys die persentasie pasiënte wat daarop gereageer het. elke antibiotika kan sê 1 persent of 2 persent. Wat het gebeur met die ander 99 persent van die pasiënte? Dit is skrikwekkend. Jy moet ten minste een middel sien wat 'n 100 persent reaksietempo het. Maar jy doen nie."
Om na Wencewicz te luister kan ontstellend wees. Wencewicz, PhD, assistent professor in chemie in Kuns en Wetenskappe, het antibiotika en antibiotika weerstand noukeurig bestudeer, en baie min van wat hy geleer het is gerusstellend.
Aan die ander kant, aangesien hy die meeste van die skuiwe en teenskuiwe ken wat in hierdie dodelike speletjie gemaak is, het hy ten minste 'n strydkans om antibiotika te ontdek wat die stygende vlaag van antibiotikaweerstandigheid sal stuit.
Oor die afgelope dekade het die meeste van die groot farmaseutiese maatskappye hul antibiotika-ontdekkingsprogramme laat vaar. Geen nuwe antibiotika is deur tradisionele metodes gevind nie en nuwe metodes - insluitend genoomvolgordebepaling, kombinatoriese chemie en hoë-deurvloei-sifting - het byna niks opgelewer nie.
En dus het die las van die aanvulling van die antibiotika-pyplyn op die skouers van klein biotegnologiemaatskappye en universiteitslaboratoriums geval, het Wencewicz gesê. Hy is onder geen illusie dat 'n klein laboratorium kan meeding met groot maatskappye wat honderde bioloë en chemici aan 'n probleem kan toewys nie.
"Wat ons kan doen," het hy gesê, "is om nuwe antibiotika te ontdek wat deur plante, swamme of bakterieë gemaak word en genoeg te leer oor die besonderhede van hoe hierdie molekules werk dat 'n groot maatskappy aan sal byt en hulle sal ontwikkel."
Die sleutel, het hy gesê, is om dwelmkandidate te vind met heeltemal nuwe steierwerk (kernstrukture). Elke groot klas antibiotika wat vandag gebruik word, is tussen die 1940's en die 1960's ontdek, wat die "goue era" van die ontdekking van antibiotika genoem word. Chemici kon opeenvolgende golwe van weerstand hanteer deur die chemiese groepe op die periferie van antibiotika molekules - die "versiering" - aan te pas terwyl die kern ongeskonde gelaat word, maar hierdie strategie misluk.
Nuwe molekulêre steierwerk wat op verskillende biologiese teikens inwerk, is desperaat nodig om antibiotika-weerstandigheid oor die lang termyn te bestuur, het hy gesê. Een belowende kandidaat, 'n antibiotika wat deur 'n bakterie gemaak word as wat plante besmet, het sy aandag getrek omdat dit 'n "betowerde ring" bevat, die beta-laktamring wat in penisillien en die kefalosporiene voorkom, maar die ring in die plantmolekule werk teen 'n ander teiken as die tradisionele beta-laktam antibiotika.
Die teiken daarvan, glutamien-sintetase, is 'n ensiem wat die mikrobes wat tuberkulose (TB) veroorsaak, gebruik om hul selomhulsel te bou. Ongeveer 'n derde van die wêreld se bevolking het latente TB (mense dra die bakterie, maar is nog nie siek nie). Bakteriële stamme wat bestand is teen ten minste een van die eerstelynmiddels wat teen TB gebruik word, is gevind in elke land wat die Wêreldgesondheidsorganisasie ondersoek het.
Die vreemde geskiedenis van antibiotika Wencewicz kom na WUSTL vanaf die laboratorium van Christopher T. Walsh, PhD, by Harvard Mediese Skool. Walsh weet soveel van die ontdekking van antibiotika dat hy na bewering as 'n soort wandelende institusionele geheue gedien het vir die maatskappye met wie hy gekonsulteer het.
As een van Walsh se laaste nadoktorale studente, het Wencewicz 'n unieke afskeidsgeskenk ontvang: 'n "minus-80-vrieskas", of diepkoue-vrieskas wat DNA-konstrukte, sellyne, bakterieë bevat - byna alles wat die laboratorium gegenereer het. Walsh het in werklikheid aan Wencewicz sy laboratorium se langtermyngeheue gegee.
Verlede jaar was Walsh en Wencewicz mede-outeur van 'n oorsigartikel in 'n Christopher T. Walsh ere-uitgawe van The Journal of Antibiotics wat die afgelope 50 jaar van ontdekking van antibiotika opgesom het. Die goue era vir die ontdekking van natuurlike antibiotika van kliniese betekenis het net 20 jaar geduur, van 1940-1960, het Wencewicz gesê.
Die nuwe wondermiddels is op allerhande vreemde plekke gevind, soos die riole van Sardinië, maar baie van hulle het uit die grond gekom. "(Farmaseutiese maatskappye) Eli Lilly en Merck het spanne regoor die wêreld gestuur om grondmonsters te ondersoek vir nuwe bakterieë en swamme," het Wencewicz gesê. “Hulle sou die grondmikrobes fermenteer en die fermentasiebouillons vir biologies aktiewe komponente sif. Dit is hoe byna al die antibiotika gevind is."
"Sommige mikrobes in die grond produseer al miljoene of miljarde jare bakteriedodende verbindings," het Gautam Dantas, PhD, assistent-professor in patologie en immunologie aan die Washington University School of Medicine in St. Louis gesê.
"Wetenskaplikes het lank gedebatteer of hierdie verbindings in die grond geproduseer word teen konsentrasies wat hul terapeutiese dosisse in menslike medisyne nader of teen baie laer konsentrasies, wat kan beteken dat hulle ander rolle as wapens speel," het Dantas gesê. Op die ou end weet ons baie min van grondbakterieë, waarvan slegs ongeveer 1 uit 100 selfs in kultuur gekweek kan word.
Maar, het Wencewicz gesê, 'n mikrobe kan nie hierdie chemiese wapens ontplooi teen die sellulêre prosesse wat dit met ander mikrobes deel nie, tensy dit self immuun is teen die chemiese effekte. So soos mikrobes gene ontwikkel het om antibiotika te sintetiseer, ontwikkel hulle ook gene om die antibiotika uit te skakel.
"Bakterieë is al miljoene of miljarde jare onder geweldige selektiewe druk om weerstand te ontwikkel," het Dantas gesê. En dus is die grond 'n geweldige reservoir van weerstand. Dit is hoekom antibiotikaweerstandigheid so verbasend vinnig na vore kom nadat nuwe antibiotiese middels bekendgestel is, soms binne 'n jaar. Patogene moet net weerstandsgene van die antieke reservoir van weerstand in die grondmikrobes inruil," het Dantas gesê.
Teen 1960, het Wencewicz gesê, is die laaghangende vrugte gepluk, en dit het moeiliker geword om nuwe molekules te vind om dié te vervang wat deur weerstand gehinder word. Die "goue era van ontdekking" het toegegee aan wat Wencewicz 'n "goue era van medisinale chemie" noem.
Apteke by die groot farmaseutiese maatskappye het chemiese groepe op antibiotika bygevoeg of verander terwyl hulle hul kern ongeskonde gelaat het. Op hierdie manier het kefalosporien sefalotien, sefuroksim, seflasidim, seflepim en setarolien geword, wat almal dieselfde kernstruktuur het.
Maar, het hy gesê, inkrementele wysiging van hierdie agente verander nie fundamenteel hul interaksie met hul teikens nie en dit was onvermydelik dat hierdie strategie uiteindelik sou misluk. "Jy skop eintlik net die blik in die pad af, want jy gebruik dieselfde chemiese steier en dieselfde biologiese teiken," het hy gesê. "Dit is nie 'n langtermynbestuursplan vir antibiotikaweerstandigheid nie."
Wat het van groot apteek geword? Vir 'n rukkie, in die 1990's, het groot vooruitgang in basiese wetenskap en in laboratoriumtegnologie belowe om die hindernisse van die verlede te oorskry en tot 'n nuwe goue era te lei. Die twee deurslaggewende ontwikkelings was die vermoë om die DNA van organismes (genomika) te volgorde en sintetiese chemie, wat kombinatoriese chemie genoem word.
Wencewicz haal in sy resensie 'n referaat deur GlaxoSmithKline-wetenskaplikes aan wat 'n algehele poging beskryf om genomika en kombinatoriese chemie in 'n antibiotiese ontdekkingsprogram te gebruik. Die maatskappy het 7 jaar spandeer om teikens in die H.griepgenoom wat, as dit getref word, die bakterie sou doodmaak, en dan het 70 hoë-deurset-skerms teen 'n koste van $1 miljoen per skerm laat loop, op soek na chemiese verbindings wat effektief teen daardie teikens sou wees.
Tot almal se skok het hulle niks gekry nie.
Hierdie demoraliserende resultaat het uiteindelik gelei tot die staking van die groot antibiotiese ontdekkingspogings by GlaxoSmithKline. Die meeste ander groot farmaseutiese maatskappye - Pfizer, Eli Lilly, Merck - het ook uitgekom.
'n Trojaanse perd Gegewe die vlammende wrakke wat die landskap van antibiotika-ontdekking bemors, het dit 'n sekere mate van moed geverg om weer te probeer. En tog het mense dit gedoen. Wencewicz is veral geïnspireer deur die voorbeeld van die farmaseutiese wetenskaplike Steven J. Brickner.
Brickner, PhD, en twee kollegas het op sy eie tyd gewerk en 'n sintetiese verbinding ontwikkel in linezolid, 'n middel wat effektief is teen die superluis metisillien-weerstandige S. aureus (MRSA) en ander weerstandbiedende Gram-positiewe bakterieë.
Linezolid was die eerste lid van 'n heeltemal nuwe klas antibiotika wat die mark in 40 jaar bereik het.
"Die ontwikkeling van 'n molekule met 'n nuwe struktuur en nuwe meganisme van aksie was 'n spelwisselaar," het Wencewicz gesê. "Brickner het herdefinieer hoe samewerkende geneesmiddelontdekking werk en 'n nuwe standaard gestel om 'n dwelm na die mark te bring.
Om Brickner se sukses te dupliseer, moet Wencewicz 'n verbinding met 'n nuwe struktuur vind. "Daar is elke dag nuwe molekules gepubliseer en gepatenteer in die literatuur," het hy gesê. Die meeste van hierdie potensiële geneesmiddelkandidate word nie nagevolg nie, en daarom is ou patentlektuur 'n goeie plek om na nuwe antibiotika-kandidate te soek, het Wencewicz gesê.
Hy werk tans aan 'n molekule genaamd tabtoksien, wat geproduseer word deur 'n patogeen wat veldbrandsiekte in plante veroorsaak. "Ek was geïnteresseerd in hierdie molekule as gevolg van sy ongewone struktuur," het hy gesê. “Dit bevat abeta-laktam, die betowerde ring wat die penisilliene hul antibiotiese eienskappe gee, maar dit tref’n ander biologiese teiken as penisillien."
Die penisilliene teiken ensieme genaamd transpeptidases wat molekules in 'n bakterie se selwand kruisbind en dit krag gee. As daardie ensieme geïnhibeer word, verloor die selle integriteit en skeur.
Tabtoksien werk egter teen 'n ensiem genaamd glutamiensintetase wat glutamiensuur omskakel na glutamien, 'n noodsaaklike aminosuur wat baie biochemiese rolle speel. Wanneer die ensiem deur die middel geblokkeer word, gebeur twee dinge: toksiese vlakke van ammoniak bou in die sel op, en die sel word uitgehonger van 'n noodsaaklike aminosuur.
"In my laboratorium wil ons op 'n fundamentele molekulêre vlak verstaan hoekom hierdie beta-laktam glutamien sintetase inhibeer en nie transpeptidases nie," het Wencewicz gesê. "Dit kan dalk 'n nuwe hoofstuk in die farmakologie van die betowerde ring oopmaak."
En daar is nog iets. Die meeste antibiotika misluk omdat hulle nie die bakteriese membraan kan oorsteek nie, het hy gesê. Om 'n molekule binne 'n bakterie te kry, is moeiliker as om dit in 'n menslike sel te kry, want bakterieë word omring deur meerlagige, selektief deurlaatbare selomhulsels. Een rede waarom antibiotika wat natuurlik voorkom soos tabtoksien aantreklik is vir geneesmiddelontwikkelaars, is dat hulle 'n ingeboude afleweringstelsel sowel as 'n doodmaakmeganisme het.
Die hoë-deurset siftingsveldtog wat deur GlaxoSmithKline van stapel gestuur is, het uiteindelik misluk, het Wencewicz gesê, omdat die biblioteke van chemiese verbindings wat hulle vir antibakteriese aktiwiteit getoets het, ontwerp is om teikens in selle soos ons s'n te tref. Die bakteriese omhulsel is baie moeiliker om oor te steek en die meeste van die chemikalieë kon nie in die selle kom nie.
Tabtoksien het twee dele, verbind deur 'n binding. Een is 'n nie-toksiese aminosuur, treonien, en die ander is 'n giftige verbinding, tabtoksinien beta-laktam. Die bakterieë neem die molekule in en dink dit kry 'n gratis aminosuur middagete, klief die binding om toegang tot die aminosuur te kry en stel die kragtige gifstof per ongeluk vry.
"Jy sal nie daardie tipe fyn-gestemde afleweringstelsel vind in 'n biblioteek van sintetiese verbindings wat in 'n farmaseutiese maatskappy sit nie," het Wencewicz gesê. "Net die natuur ingenieur meganismes soos daardie."
Wencewicz het gesê dat tabtoksien nuttig kan wees teen multi-middel-weerstandige tuberkulose, omdat mikobakterieë glutamien-sintetase aan die buitekant van die sel uitdruk en swaar op die ensiem staatmaak om hul selomhulsels te bou. "'n Groep by UCLA het getoon dat die inhibering van die ensiem TB in dieremodelle afskakel," het hy gesê, "en dit het ons aangemoedig."
"Ek is optimisties," het Wencewicz gesê. "Daar is tans baie min in die pyplyn, maar namate kliniese weerstand toeneem en nuwe antibiotika-goedkeurings afneem, sal die probleem meer aandag geniet. Ek voel daar sal 'n opswaai in die ontdekking van antibiotika wees, en deur 'n gekoördineerde poging deur die regering, maatskappye, dokters en universiteite, 'n uitstorting van nuwe medisyne."
