Läkemedlen som har skyddat oss från de allestädes närvarande bakterierna i mer än sjuttio år förlorar långsamt greppet, och vi behöver ett nytt vapen för att bekämpa infektioner. Sjukdom-orsakande bakterier blir immun mot antibiotika som en gång dödade dem, även mot läkemedel som en gång ansågs vara den sista försvarslinjen.
Antibiotikaresistenta (antibiotikaresistenta) bakterier dödar ungefär en procent av de människor de infekterar, även i utvecklade länder. Och om detta ignoreras kommer de att döda fem gånger fler människor varje år.
"Många saker som vi tar för givet för tillfället, som en kejsarsnitt, eller höftersättning eller organtransplantationer, utan antibiotika, kommer att bli mycket svåra," säger François Franceschi, chef för terapeutiska utvecklingsprogram inom bakteriologi och mykologiavdelningen vid National Institute of Allergy infektionssjukdomar.
Personer med försvagat immunsystem är särskilt utsatta, men i den postantibiotiska världen kommer alla utan undantag att vara i riskzonen.
"Människor säger att antibiotika inte längre kommer att kunna hjälpa oss med den minsta repen," säger Cesar de la Fuente, en bioingenjör vid Massachusetts Institute of Technology.
För att bekämpa resistenta bakterier vänder vi oss till nya allierade, till exempel virus, som bara attackerar bakterier; nanopartiklar och små proteiner producerade av immunsystemen i olika organismer. Varje verktyg har sina egna fördelar och nackdelar, varför forskare studerar olika tillvägagångssätt.
"Många människor i fältet söker för närvarande alternativa strategier för att lägga till vårt arsenal," säger Timothy Lu, också på MIT. "Det är inte så att var och en av dem försöker uppfinna sin egen silverkula som räddar oss från bakterier resten av våra liv, utan snarare studerar problemet från olika vinklar."
Kampanjvideo:
Här är några sätt vi kan hjälpa oss att hantera oönskade bakterier.
Avväpna inkräktarna
Bakterier behöver inte alltid dödas för att neutralisera. Vissa behandlingar riktar sig till bakterier indirekt genom att beröva dem sina vapen. Bakterierna kommer att finnas på plats, men konsekvenserna av infektion kommer inte att vara allvarliga, och immunsystemet kommer att ha en chans att bekämpa infektionen på egen hand.
Om ditt läkemedel faktiskt inte dödar bakterier kommer de att ha mindre incitament att bygga motstånd mot det. Det tar längre tid innan resistens utvecklas eftersom bakterierna inte aktivt kommer att bekämpa läkemedlet, säger Franceschi.
Många bakterier släpper toxiner som skadar värdceller. En av de vanligaste typerna av toxiner kallas porbildande, som punkterar hål i cellerna. Den isoleras av meticillinresistenta Staphylococcus aureus, Escherichia coli, Listeria-bakterier, miltbrassbakterier och gift från ormar, skorpioner och havsanemoner.
Liangfang Zhang räknade ut hur man skulle eliminera dessa gifter. "Du tar bort vapnen och de blir mycket svagare," säger Zhang, nanoingenjör vid University of California, San Diego. Den täcker nanopartiklarna med ett sött mål - membran som består av röda blodkroppar. De röda blodkropparna fungerar som en lokk, och suger in toxin som annars skulle attackera friska celler. "Det är som en svamp som suger ut gifter," förklarar Zhang.
I sin första studie visade han att nanosvampar absorberade toxiner utan att skada möss. Zhangs arbete med nanopartiklar som lockor i år var ett av 24 projekt för att få finansiering från National Institute of Health. Han hoppas kunna börja kliniska prövningar på människor redan nästa år.
Nanopartiklar, som ofta är tillverkade av plast eller metaller som silver, kan också försvaga bakterier genom att förstöra deras skyddande cellmembran eller orsaka DNA-skador. Nanopartiklar är lätta att arbeta med eftersom de bygger sig själva. "Du styr temperaturen, lösningsmedlet och allt annat, och dessa molekyler samlas i en nanopartikel," säger Zhang.
Nanopartiklar kan vara dyrare än traditionella antibiotika. Och att få dem till rätt plats i kroppen kan också vara en utmaning. En annan utmaning är att se till att nanopartiklarna är gjorda av material som inte kommer att få ett omedelbart immunsvar och kommer att brytas ner över tid så att de inte byggs upp i kroppen.
Frågor kvarstår om den långsiktiga säkerheten för vissa av dessa saker, säger Lou.
Special leverans
Alternativa behandlingar kan användas för att göra befintliga antibiotika mer effektiva. Till exempel studerar forskare nu hur nanopartiklar kan användas för att leverera anti-cancerläkemedel och antibiotika.
Antibiotika fördelas över hela kroppen och är giftiga i höga doser. Med hjälp av nanopartiklar kan koncentrerade doser av läkemedel släppas. Tusentals läkemedelsmolekyler kan skjutas in i en enda nanopartikel.
"De kan enkelt bara fästa sig vid membranet och gradvis släppa läkemedlen direkt på bakterierna," säger Zhang. Följaktligen kan en mer effektiv belastning riktas mer exakt utan att öka den totala dosen av läkemedlet. På detta sätt skulle mekanismen för bakteriell resistens kunna undertryckas - de skulle helt enkelt inte utveckla resistens mot punktverkande antibiotika.
Problemet med nanopartiklar, som många andra verktyg, är att immunsystemet ser dem som ett hot.”De är väldigt lika stora som virus. Vår kropp kommer att lära sig att försvara sig mot dessa nanopartiklar, eller virus, om du inte skyddar dem."
Zhang och hans kollegor har kamouflerade nanopartiklar i jackor tillverkade av blodplättmembran, cellerna som hjälper blodpropp. Från sidan liknar nanopartiklarna dessa miniatyrblodceller. Vissa bakterier lockas av blodplättar - med deras hjälp maskeras de från immunsystemet. Trombocytbelagda nanopartiklar kunde spela två gånger och rekrytera inkräktare för att detonera dem med ett läkemedel.
Zhang säger att alla nanopartiklar släpper ut läkemedel i närvaro av bakterier. Med hjälp av blodplättbelagda partiklar har han redan botat möss infekterade med den multi-antibiotikaresistenta stammen av MRSA.
Direkt attack
Ibland hjälper dock inte halva åtgärder. Det finns alternativ till traditionella antibiotika som kan döda bakterier. En strategi är att skapa konstgjorda versioner av antimikrobiella peptider (AMP), som är en del av det medfödda immunsvaret i mikrober, växter och djur (som de Tasmaniska djävlarna). Dessa komponenter attackerar patogens membran och orsakar förödelse i cellen.
Som en del av ett projekt som nyligen genomförts arbetade de la Fuente med Lou och andra för att välja en giftfri AMP som finns i enkla marina djur som kallas tunicates. Forskarna tillsatte flera aminosyror till den grundläggande miljön, vilket förbättrade dess förmåga att behandla möss infekterade med antibiotikaresistenta stammar av E. coli eller MRSA. Förstärkt AMP stärker också gnagarnas immunsystem, minskar inflammation och kräver hjälp i form av vita blodkroppar.
Antimikrobiella peptider kan besegra ett brett spektrum av patogener, och bakterier har svårt att utveckla resistens mot dem. "Jämfört med konventionella antibiotika är dessa peptider mer effektiva i många fall," säger de la Fuente.
AMP består av relativt korta kedjor av aminosyror, byggstenarna för protein. Därför är de ganska enkla (även om dyra) att bygga. "Vi har ännu inte lagt ner kostnaderna", säger de la Fuente. Forskare undersöker sätt att göra AMP: er billigare genom att programmera mikrober så att de inte litar på en maskin och låter mikroberna göra det själva.
Ändå finns det farhågor om att AMP kan attackera värdens celler. Och som med många antibiotiska alternativ kan det vara en utmaning att skicka peptider till rätt plats i en tillräckligt hög koncentration för att förbli effektiv. På kort sikt är lokal applikation mer trolig, sade de la Fuente. Dessa peptider kan till exempel införlivas i en kräm som kan appliceras på ett öppet sår eller på platsen för en infektion på huden. De kan också användas för att täcka bord, datorer, kirurgiska instrument eller katetrar för att hindra bakterier från att kolonisera dem.
Re-sensibilisering
Ett annat sätt att försvaga bakterier är att bli av med dem från antibiotikaresistensen som de har utvecklat. För sådana uppdrag kan virus som är specialiserade på att äta bakterier, bakteriofager, användas.
Bakteriofager är extremt effektiva mördare av bakterier, men genom genteknik kan forskare ge dem nya förmågor, inklusive att återställa bakteriens känslighet för traditionella läkemedel.
Omprogrammerade bakteriofager kan gå i cykler hos bakterier som bär gener som ger antibiotikaresistens, tar bort denna förmåga eller dödar bakterier. När de resistenta mikroberna förstörs eller görs ofarliga, kommer den återstående populationen att vara sårbar för antibiotika.
En annan metod som gör att bakterier kan motstå antibiotika är genom att utsöndra föreningar som skapar en biofilm genom vilken läkemedlet inte kan tränga igenom. Det är möjligt att skapa bakteriofager som kommer att äta upp biofilm.
I naturen kan bakteriofager direkt döda bakterier. Vissa av dem ansluter sitt DNA till bakterier, och för att frigöra sig äter de helt enkelt genom cellväggen och blåser upp cellen, säger Lu. Andra fungerar som parasiter.
Bakteriofager upptäcktes för cirka hundra år sedan. Antibiotika har ersatt dem i USA, men de fortsätter att användas i Ryssland och i vissa östeuropeiska länder. När antibiotikaresistenta bakterier växer vänder forskare igen till bakteriofager - de är lika effektiva i att behandla människor, bara kliniska studier har ännu inte bekräftat detta.
En av fördelarna med dessa virus är att de kan replikera sig själva. Du kan bara lägga en liten mängd och döda många bakterier. Och eftersom de behöver levande celler för att reproducera kommer de att sluta reproducera så snart alla värdens celler förstörs.
Men som andra alternativ kan bakteriofager utlösa ett immunsystemrespons. "Om du injicerar virus eller främmande peptid i människokroppen finns det alltid en chans att en reaktion kommer att följa," säger Lu. En annan oro är att vissa fager kan plocka upp gener förknippade med antibiotikaresistens och överföra dem till andra bakterier.
Men det är osannolikt att de skadar människans vävnad. Bakteriofager multipliceras inte i mänskliga celler. Vi har ett gäng bakteriofager i oss - det är svårt att säga att de är främlingar för oss.
Personlig kontakt
Flera alternativa behandlingar kan anpassas till specifika bakterier. Här återigen är bakteriofager ideala kandidater. "De är i huvudsak bakteriens naturliga fiende," säger Lu. Vanligtvis "om du hittar bakterier, hittar du också bakteriofager."
Traditionella antibiotika dödar ofta bakterier oskärpa - inklusive i vår kropps naturliga mikrobiom, som spelar en viktig roll i vår hälsa. Det är mattbombning som dödar allt.
Virus erbjuder ett mer personligt tillvägagångssätt. "Du kan försöka hålla de goda bakterierna medan du dödar de dåliga bakterierna," säger Lu.
Men denna specificitet är också ett dubbelkantigt svärd. För att täcka ett tillräckligt antal olika bakterier som kan infektera en patient, måste många virus blandas i cocktail. Även om bakteriofager inte är särskilt dyra att odla, är cocktails av olika virus helt en annan fråga.
Lou arbetar med cocktails av bakteriofager byggda på säkra skogar. Genom att bestämma det område som bakteriofagerna ska infektera kan du attackera olika bakterier, rikta bakteriofagerna i olika riktningar. Det återstår bara att ta reda på hur man gör det.
Det är som det är, det är svårt att skapa ett effektivt läkemedel utan att veta vad som orsakar infektionen. Om du går till din läkare kommer han inte att kunna ge dig smalspektrum behandling om han inte vet vilka bakterier som stör dig.
Läkare behöver snabbare diagnostiska metoder så att de kan ta reda på typen av målbakterier och hur resistenta de är mot traditionella antibiotika. Lu och hans kollegor arbetar för att skapa snabb, billig diagnostik. När de infekterar sina målbakterier tänds de upp med samma protein som eldfluor använder. Ge bara bakteriofagprovet till patienten och "du kan se om provet glödar eller inte, det finns bakterier i det eller inte," säger Lu.
Brett arsenal
Det här är inte alla vapen vi lägger till i vårt arsenal. Forskare undersöker andra alternativ, som att skicka andra bakterier för att bekämpa patogener, hitta nya antibiotika och använda antikroppar och mer.
"Du kan knappast lita på en metod eller en teknik för att utrota hela problemet," säger Zhang. Att studera superbugs från olika vinklar, kombinera ny taktik och traditionella behandlingsmetoder kommer att utöka vårt arsenal.
Det kommer att ta flera år innan nya instrument godkänns för utbredd användning. Och ett tag kommer alternativa antimikrobiella metoder endast att användas när antibiotika inte längre fungerar. Antibiotikens billighet och effektivitet är det främsta skälet till att de är svåra att vägra. Men på lång sikt kommer detta att vara det enda alternativet.
ILYA KHEL
