Tabel 1.

Streptomyces med deres tilgængelige genomsekvens.

Organisme	GenBank	Størrelse	% CG	Protein	Betydning
S. celicolor	AL645882.2	9.05Mb	72.0	7.825	Genetiske undersøgelser	Bentley et al.10
S. avermitilis	BA000030.3	9,11Mb	70,7	7,583	Antibiotikum (Avermictin)	Omura et al.1
S. griseus	AP009493.1	8,54 Mb	72,2	7,138	Antibiotikum (Streptomicin)	Ohnishi et al.4	Ohnishi et al.4
S. bingchenggensis	CP002047	11,93Mb	70,8	10,023	Antihelmintisk middel (Milbemicin)	Wang et al.13
S. scabiei	FN554889.1	10Mb			8,746	Phytopatogen	Bignell et al.14
S. cattleya	NC_016111	8,1Mb				Antibiotika og fluorometabolitter	Barbe et al.15

Genomet af S. coelicolor koder f.eks. for et stort antal sekreterede proteiner (819), herunder 60 proteaser, 13 chitinaser/chitosanaser, otte cellulaser/endoglucanaser, tre amylaser og to pactato lyaser. Streptomyces er også vigtige i den indledende nedbrydning af organisk materiale, hovedsagelig saprofytiske arter.11

Produktionen af de fleste antibiotika er artsspecifik, og disse sekundære metabolitter er vigtige, så Streptomyces spp. kan konkurrere med andre mikroorganismer, der kan komme i kontakt med hinanden, eller endda inden for samme slægt. En anden vigtig proces, der involverer produktion af antibiotika, er symbiosen mellem Streptomyces og planter, da antibiotikaet beskytter planten mod patogener, og planteekssudater muliggør udviklingen af Streptomyces.12 Data i litteraturen tyder på, at nogle antibiotika stammer fra signalmolekyler, som er i stand til at inducere ændringer i ekspressionen af nogle gener, der ikke er relateret til en stressrespons.11

Antibiotika

Trods succesen med opdagelsen af antibiotika og fremskridt i processen for deres fremstilling er infektionssygdomme stadig den næststørste dødsårsag på verdensplan, og bakterieinfektioner forårsager ca. 17 mio. dødsfald om året, som hovedsagelig rammer børn og ældre mennesker. Historien om antibiotika, der stammer fra Streptomyces, begyndte med opdagelsen af streptothricin i 1942, og med opdagelsen af streptomycin to år senere intensiverede forskerne søgningen efter antibiotika inden for slægten. I dag stammer 80 % af antibiotikaene fra slægten Streptomyces, hvoraf actinomyceterne er de vigtigste.16 Dette kan ses i fig. 1.

Fig. 1.

Nøglefund og datoer for antibiotika. Højdepunkter i Streptomyces.

(0,39MB).

Mekanismen for virkningen af antibiotika

Det molekylære grundlag for denne virkning er velforstået, og de vigtigste mål er velkendte. De klassificeres efter interaktionen mellem antibiotika målrettet essentielle cellulære funktioner, det grundlæggende princip om at hæmme bakterievækst.17 Dette er en kompleks proces, der starter med den fysiske interaktion mellem molekylet og dets specifikke mål og involverer biokemiske, molekylære og strukturelle ændringer, der virker på flere cellulære mål som f.eks: 1) DNA-replikation, 2) RNA-syntese, 3) cellevægssyntese og 4) proteinsyntese (fig. 2).

Fig. 2.

Skematisk fremstilling af målet og virkningsmekanismen for visse antibiotika.

(0,26MB).

DNA-replikation

DNA-gyrase (topoisomerase) kontrollerer DNA’s topologi ved at katalysere spaltningsmønsteret og DNA-binding. Denne reaktion er vigtig for DNA-syntese og mRNA-transkription, og komplekset-quinolon-topoisomerase-DNA-spaltning forhindrer replikation, hvilket fører til bakteriernes død. 18-20

Syntese af RNA

Den DNA-afhængige RNA-polymerase medierer transkriptionsprocessen og er den vigtigste regulator af genekspression i prokaryoter. Den enzymatiske proces er afgørende for cellevækst, hvilket gør den til et attraktivt mål for antibiotika. Et eksempel er rifamycin, som hæmmer RNA-syntesen ved hjælp af en stabil forbindelse med høj affinitet til β-underenheden i RNA/DNA-kanalen og adskiller det aktive sted ved at hæmme initieringen af transkriptionen og blokere vejen for ribonukleotidkædens vækst.18-20

Cellevægssyntese

Bakteriernes cellevæg består af peptidoglykan, som er med til at opretholde det osmotiske tryk, hvilket giver dem evne til at overleve i forskellige miljøer. Peptidoglykanbiosyntesen omfatter tre faser: Den første fase finder sted i cytoplasmaet, hvor lavmolekylære forstadier syntetiseres. I anden fase katalyseres cellevægssyntesen af membranbundne enzymer; og i tredje fase virker antibiotikaet ved at forhindre β-lactamer og polymerisering af cellevægsenzymernes glykansyntese, idet det virker på transpetiderne.18-20

Proteinsyntese

Translationsprocessen af mRNA foregår i tre faser: initiering, forlængelse og terminering, der involverer cytoplasmatiske ribosomer og andre komponenter. Ribosomet består af to underenheder (50S og 30S), som er mål for det vigtigste antibiotikum, der hæmmer proteinsyntesen. Makrolider virker ved at blokere 50S-underenheden og forhindrer dannelsen af peptidkæden; tetracyclin i 30S-underenheden virker ved at blokere adgangen for aminoacyl-tRNA-ribosomet; spectinomycin forstyrrer stabiliteten af peptidyl-tRNA-bindingen til ribosomet; og streptomycin, kanamycin og gentamicin virker i 16S rRNA, der er en del af 30S-ribosomunderenheden18 .-20

Cytoplasmisk membran

Den cytoplasmiske membran fungerer som en diffusionsbarriere for vand, ioner og næringsstoffer. Transportsystemerne er primært sammensat af lipider, proteiner og lipoproteiner. Daptomycin indsættes i bakteriers cytoplasmiske membran på en calciumafhængig måde og danner ionkanaler, hvilket udløser frigivelse af intracellulært kalium. Flere antibiotika kan forårsage en forstyrrelse af membranen. Disse midler kan inddeles i kationiske, anioniske og neutrale midler. De bedst kendte forbindelser er polymyxin B og colistemethat (polymyxin E). Polymyxinerne anvendes ikke i vid udstrækning, fordi de er giftige for nyrerne og nervesystemet.18-20 Det seneste antibiotikum, som Merck lancerede i 2006 (platensimycin), har en anden virkningsmekanisme end de tidligere, da det virker ved at hæmme beta-ketoacylsyntase I / II (FabF / B), som er centrale enzymer i produktionen af fedtsyrer, der er nødvendige for bakteriecellemembranen.13

Resistens

Ifølge Nikaido20 produceres der årligt 100 000 tons antibiotika, som anvendes inden for landbrug, fødevarer og sundhed. Brugen af dem har påvirket bakteriepopulationer og fremkaldt antibiotikaresistens. Denne resistens kan skyldes genetiske ændringer såsom mutation eller erhvervelse af resistensgener gennem horisontal overførsel, hvilket oftest sker i organismer af forskellig taksonomi.21,22 Mutationer kan medføre ændringer på det sted, hvor stoffet virker, hvilket hindrer antibiotikaets virkning.23 De fleste resistensgener befinder sig i den samme klynge som antibiotika-biosyntesegenet.24 I naturen er antibiotikas hovedfunktion at hæmme konkurrenter, som induceres til at inaktivere disse forbindelser ved kemisk modifikation (hydrolyse) og ændringer i virkningsstedet og membranpermeabilitet.25 En undersøgelse udført med Streptomyces fra byjord viste, at de fleste stammer er resistente over for flere antibiotika, hvilket tyder på, at disse gener er hyppige i dette miljø.20 Mange resistensgener er placeret på plasmider (plasmid A), som kan overføres ved konjugation til en modtagelig stamme; disse plasmider er stabile og kan udtrykke resistensgenet.26 Modtageligheden over for et bestemt antibiotikum kan påvirkes af bakteriernes fysiologiske tilstand og antibiotikakoncentrationen; dette kan observeres i biofilm gennem en mekanisme kendt som persisterdannelse – små subpopulationer af bakterier overlever den dødelige koncentration af antibiotika uden nogen specifikke resistensmekanismer, selv om denne mekanisme ikke giver resistens på højt niveau.27

Mikroorganismer, der vokser i en biofilm, er forbundet med kroniske og tilbagevendende infektioner hos mennesker og er resistente over for antimikrobielle stoffer.28 Spredningen af resistente stammer er ikke kun knyttet til brugen af antibiotika, men også til migration af mennesker, som spreder resistente stammer blandt mennesker i fjerntliggende samfund, hvor brugen af antibiotika er meget begrænset.24 På grund af vanskelighederne med at skaffe nye antibiotika har medicinalindustrien foretaget ændringer i eksisterende antibiotika; disse halvsyntetiske stoffer er mere effektive og mindre modtagelige for inaktivering af enzymer, der forårsager resistens. Denne praksis er blevet strategien for de nuværende antibiotika, der anvendes i dag, og er kendt som anden, tredje og fjerde generation af antibiotika.29,30

Genom og nye antibiotika

Med tilgængeligheden af genomer fra et stort antal patogener er hundredvis af gener blevet evalueret som mål for nye antibiotika. Et gen anerkendes som væsentligt, når bakterien ikke kan overleve, mens genet er inaktivt, og kan blive et mål, når et lille molekyle kan ændre dets aktivitet.31 Genetisk analyse har vist, at et gen kan kode for en funktion, der er vigtig i én bakterie, men ikke i en anden.32 167 gener er blevet bestemt som essentielle for bakterievækst og er potentielle mål for nye antibiotika.33,34 GlaxoSmithKline har gennemført undersøgelser med antibiotikaet GKS299423, der virker på topoisomerase II, med henblik på at forhindre bakterierne i at udvikle resistens.35

Anvendelse

Verdens efterspørgsel efter antibakterielle midler (antibiotika) er støt stigende. Siden deres opdagelse i det 20. århundrede har antibiotika i væsentlig grad reduceret truslen fra smitsomme sygdomme. Brugen af disse “mirakelmedicin” kombineret med forbedringer inden for sanitet, boliger, fødevarer og fremkomsten af massevaccinationsprogrammer har ført til et dramatisk fald i antallet af dødsfald som følge af sygdomme, der tidligere var udbredte og ofte dødelige. I årenes løb har antibiotika reddet liv og mindsket millioner af menneskers lidelser. Ved at holde mange alvorlige infektionssygdomme under kontrol har disse lægemidler også bidraget til stigningen i den forventede levealder i den sidste del af det 20. århundrede.

Den stigende resistens hos patogene organismer, der fører til alvorlige former for infektioner, som er vanskelige at behandle, har yderligere kompliceret situationen, som i tilfældet med carbapenemresistente Klebsiella pneumoniae,36,37 og andre mikroorganismer.38 Infektioner forårsaget af resistente bakterier reagerer ikke på behandling, hvilket resulterer i langvarig sygdom og større risiko for død. Behandlingssvigt fører også til lange perioder med høj resistens, hvilket øger antallet af smittede personer, der cirkulerer i samfundet, og dermed udsætter befolkningen for risikoen for at få en multiresistent stamme.39

Når bakterier bliver resistente over for første generations antibiotika, må behandlingen ændres til anden eller tredje generations lægemidler, som ofte er meget dyrere og undertiden giftige. F.eks. kan det lægemiddel, der er nødvendigt for at behandle multiresistente Streptococcus pneumoniae, Staphylococcus aureus, Klebsiella pneumoniae og Mycobacterium tuberculosis, koste 100 gange mere end den første generation af lægemidler, der anvendes til behandling af ikke-resistente former. Det mest foruroligende er, at resistensen over for stort set alle antibiotika er steget.

Selv om medicinalindustrien har intensiveret bestræbelserne på at udvikle nye lægemidler til erstatning for dem, der er i brug, tyder de nuværende tendenser på, at der for nogle infektioner ikke vil være nogen effektive behandlinger inden for de næste ti år. Brugen af antibiotika er den afgørende faktor for udvælgelsen af resistens.40,41 Paradoksalt nok kan underudnyttelse på grund af manglende adgang og utilstrækkelig behandling spille en lige så vigtig rolle som overudnyttelse. Af disse grunde er korrekt anvendelse en prioritet for at forhindre fremkomsten og spredningen af bakteriel resistens. Patientrelaterede faktorer er de vigtigste årsager til uhensigtsmæssig brug af antibiotika. For eksempel tror mange patienter, at nye og dyre lægemidler er mere effektive end ældre lægemidler.

Ud over at forårsage unødvendige udgifter fremmer denne opfattelse udvælgelsen af resistens over for disse nye lægemidler samt over for de ældre lægemidler i deres klasse.42 Selvmedicinering med antibiotika er en anden vigtig faktor, der bidrager til resistens, fordi patienterne måske ikke tager tilstrækkelige mængder af lægemidlet. I mange udviklingslande købes antibiotika i enkeltdoser og tages kun, indtil patienten har det bedre, hvilket kan ske, før bakterierne er elimineret.43

Læger kan blive presset til at ordinere antibiotika for at opfylde patienternes forventninger, selv i mangel af relevante indikationer, eller ved producenternes indflydelse. Nogle læger har en tendens til at ordinere antibiotika for at kurere virusinfektioner, hvilket gør dem ineffektive mod andre infektioner. I visse kulturelle sammenhænge anses antibiotika, der indgives ved injektion, for at være mere effektive end orale formuleringer. Hospitaler er en kritisk komponent i problemet med antimikrobiel resistens på verdensplan.14,44 Kombinationen af meget modtagelige patienter, patienter med alvorlige infektioner og intensiv og langvarig brug af antibiotika har resulteret i meget resistente nosokomielle infektioner, som er vanskelige at kontrollere, hvilket gør udryddelse af patogenet dyrt.

I september 2001 lancerede Verdenssundhedsorganisationen (WHO) den første globale strategi til bekæmpelse af de alvorlige problemer, der skyldes fremkomsten og spredningen af antimikrobiel resistens. Strategien, der er kendt som WHO’s globale strategi for inddæmning af antimikrobiel resistens45 , anerkender, at antimikrobiel resistens er et globalt problem, som skal løses i alle lande. Ingen nation, uanset hvor effektiv den er, kan lukke sine grænser for resistente bakterier, og derfor er det nødvendigt med en ordentlig kontrol alle steder. En stor del af ansvaret ligger hos de nationale regeringer, med en strategi og særlig opmærksomhed på interventioner, der indebærer indførelse af lovgivning og politikker for udvikling, licensgivning, distribution og salg af antibiotika.46

Det er ikke umuligt at finde nye antibiotika, der er effektive mod bakteriel resistens, men det er et komplekst og udfordrende forskningsområde. Det er også et område, der ikke har været lægemiddelindustriens primære fokus i de seneste år, fordi antibiotika generelt repræsenterer et relativt lavt investeringsafkast, og de høje standarder for lægemiddeludvikling er også faktorer, der påvirker denne manglende interesse.

Trods de forventede væksttendenser for det globale marked for antibiotika, er deres langsigtede succes primært påvirket af to hovedfaktorer – resistens og generisk konkurrence. Antibiotikaresistens tvinger til en reduktion i brugen. Stigningen i antibiotikaresistens gør det vanskeligt at helbrede infektioner. En stor ulempe er, at det er vanskeligt for industrien at finde nye antibiotika – de antibiotika, der er i brug, er generelt løbende modificeret for at fremstille nye former. På trods af de fordele, som de store virksomheder har ved udviklingen af nye antibiotika: a) veldefinerede mål, b) en effektivt etableret forskningsmetode, c) biomarkører til overvågning, d) sofistikerede værktøjer til undersøgelse af dosering og e) hurtigere godkendelse af de regulerende myndigheder, har de prioriteret andre sygdomme, fordi afkastet af investeringer i antibiotika er lavt, selv om de repræsenterer et marked på 45 mia. dollars, kun overgået af lægemidler mod hjerte-kar-problemer og centralnervesystemet47 . Et andet problem er konkurrencen fra generiske lægemidler til langt lavere priser.48 I nogle tilfælde har de store virksomheder overdraget ansvaret til små virksomheder for at udvikle nye antibiotika, som f.eks. daptomycin, der er udviklet af Cubist og licenseret til Lilly.49

Perspektiver

På trods af dette scenarie har nogle virksomheder etableret en social position og et ansvar for at opretholde udviklingen af nye antibiotika. Et eksempel herpå er potentialet for sådanne partnerskaber i kampen mod tuberkulose (TB). I dag rammer multiresistent tuberkulose en halv million mennesker årligt, det tager to år at behandle, den helbredes kun i halvdelen af tilfældene og forekommer hovedsagelig i områder, hvor det menneskelige udviklingsindeks er lavt.

For at fremskynde udviklingen af nye behandlinger undersøger et vigtigt samarbejde, TB Alliance, kreative finansieringsmekanismer og støtte til den sidste fase af de kliniske forsøg. En anden vigtig aktion er indsamling af mikroorganismer i forskellige miljøer, f.eks. havmiljøer, med henblik på isolering af nye stoffer; disse undersøgelser har givet vigtige resultater med hensyn til evaluering af disse miljøaktinomyceter30,50 . Et andet initiativ er Amazon Biotechnology Center-CBA, der har undersøgt mikroorganismer i Amazonasområdet, da dette område med sin store diversitet af mikroorganismer har kapacitet til at producere nye antibiotika; der er opnået fremragende resultater, især med hensyn til Mycobacterium tuberculosis.

Der er stadig behov for regulering af brugen af antibiotika for at tilskynde medicinalvirksomhederne til at investere i udvikling af nye antibiotika. Den største udfordring ligger fortsat på lovgivningsniveau for at finde en løsning, der sikrer den kommercielle levedygtighed i udviklingen af antibiotika. Fusionen af disse virksomheder har en umiddelbar virkning, idet antallet af konkurrerende forsknings- og udviklingsgrupper reduceres; sådanne ændringer medfører ofte en strategisk gennemgang af de terapeutiske forsknings- og udviklingsområder, hvor udvikling af nye antibiotika må konkurrere med andre områder, som måske er mere kommercielt attraktive.

I modsætning til det første antibiotikum, hvor den molekylære virkningsmekanisme var ukendt, indtil det blev introduceret på markedet, har teknologierne udviklet sig (funktionel genomik), hvilket gør det muligt at evaluere samspillet mellem antibiotika-målets virkningsmekanisme og udviklingen af specifik resistens hos bakterierne51,52 . Trods sekventeringsprojekterne af patogene organismer og undersøgelsen af nye mål er der kun opnået ringe succes.53,54 Ud fra et teknisk perspektiv vil virksomheder, der fortsat er engageret i forskning i nye antibiotika ved hjælp af de nye teknologier, få succes; udfordringerne er store, men ikke uoverstigelige.

Interessekonflikter

Alle forfattere erklærer, at de ikke har nogen interessekonflikter.