Streptomyces
Streptomyces är ett släkte av grampositiva bakterier som växer i olika miljöer, med en filamentös form som liknar svampar. Den morfologiska differentieringen av Streptomyces innebär att det bildas ett lager av hyfer som kan differentieras till en kedja av sporer. Denna process är unik bland Gram-positiva och kräver en specialiserad och samordnad metabolism. Den mest intressanta egenskapen hos Streptomyces är förmågan att producera bioaktiva sekundära metaboliter, t.ex. antifungala, antivirala, antitumorala, antihypertensiva och främst antibiotika och immunosuppressiva medel.1-3 Ett annat kännetecken för släktet är den komplexa flercelliga utvecklingen, där deras groende sporer bildar hyfer, med flerkärnigt antennmycel, som bildar septa med jämna mellanrum, vilket skapar en kedja av okärniga sporer.4
När en spor hittar gynnsamma förhållanden av temperatur, näringsämnen och fukt bildas groddröret och hyferna utvecklas. Den luftiga hyfen följer efter, och en stadieuppsättning inleder organiseringen av olika processer som tillväxt och cellcykel. Den sporogena cellen kan innehålla 50 eller fler kopior av kromosomen; ordningen, positionen och segregeringen av kromosomerna under sporulationen är linjär, vilket involverar minst två system (ParAB och FtsK), som leder till differentiering och septation av apikala celler till kedjor av sporer. Flera andra gener som är nödvändiga för sporulering av lufthyphaer har rapporterats i S. coelicolor, till exempel generna whiG, whiH, whiI, whiA, whiB och whiD. Förklaringen till förekomsten av sporer i Streptomyces är troligen att dessa fragment framträdde mycelialt under selektivt tryck, vilket kan innebära behovet av att överleva utanför växter och ryggradslösa djur eller i extrema miljöer.
Förmågan hos sporerna att överleva i dessa fientliga miljöer måste ha ökats på grund av det pigment och den arom som finns i sporerna hos vissa arter,5 vilket stimulerar cellutvecklingen och produktionen av sekundära metaboliter.6 En annan viktig punkt är hypas spets, som anses vara den viktigaste regionen där membranproteiner och lipider kan utsöndras, särskilt i det apikala tillväxtområdet.7 Hos vissa Streptomyces kan sekundärmetabolism och differentiering relateras till varandra.8,9 Fylogenetiskt sett är Streptomyces en del av Actinobacteria, en grupp grampositiva bakterier vars genetiska material (DNA) är GC-rikt (70 %) i jämförelse med andra bakterier som Escherichia coli (50 %). Den stora betydelse som Streptomyces har fått beror delvis på att de är bland de mest talrika och mångsidiga markmikroorganismerna, med tanke på deras stora produktion av metaboliter och deras biotransformationsprocesser, deras förmåga att bryta ned lignocellulosa och kitin och deras grundläggande roll i de biologiska kretsloppen av organiskt material.10 Två arter av Streptomyces har studerats särskilt väl: S. griseus, den första Streptomyces som användes för industriell produktion av ett antibiotikum – streptomycin, och S. coelicolor, den mest använda i genetiska studier. Olika stammar har sekvenserats och deras genom har kartlagts (tabell 1).
Streptomyces med deras tillgängliga genomsekvens.
| Organism | GenBank | Size | % CG | Protein | Betydelse | ||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| S. celicolor | AL645882.2 | 9.05Mb | 72.0 | 7.825 | Genetiska studier | Bentley et al.10 | |
| S. avermitilis | BA000030.3 | 9.11Mb | 70.7 | 7.583 | Antibiotikum (Avermictin) | Omura et al.1 | |
| S. griseus | AP009493.1 | 8.54Mb | 72.2 | 7.138 | Antibiotikum (Streptomicin) | Ohnishi et al.4 | |
| S. bingchenggensis | CP002047 | 11,93Mb | 70,8 | 10,023 | Antihelmintika (Milbemicin) | Wang et al.13 | |
| S. scabiei | FN554889.1 | 10Mb | 8,746 | Fytsjukdomsframkallande | Bignell et al.14 | ||
| S. cattleya | NC_016111 | 8.1Mb | Antibiotika och fluorometaboliter | Barbe et al.15 |
Genometet hos S. coelicolor kodar till exempel för ett stort antal utsöndrade proteiner (819), bland annat 60 proteaser, 13 chitinaser/chitosanaser, åtta cellulaser/endoglukanaser, tre amylaser och två pakatolyaser. Streptomyces är också viktiga vid den inledande nedbrytningen av organiskt material, främst saprofytiska arter.11
Produktionen av de flesta antibiotika är artspecifik, och dessa sekundära metaboliter är viktiga för att Streptomyces spp. ska kunna konkurrera med andra mikroorganismer som kan komma i kontakt, eller till och med inom samma släkte. En annan viktig process som involverar produktion av antibiotika är symbiosen mellan Streptomyces och växter, eftersom antibiotikan skyddar växten mot patogener och växtexudat möjliggör utveckling av Streptomyces.12 Uppgifter i litteraturen tyder på att vissa antibiotika har sitt ursprung som signalmolekyler, som kan inducera förändringar i uttrycket av vissa gener som inte är relaterade till en stressreaktion11 .
Antibiotika
Trots den framgångsrika upptäckten av antibiotika och framstegen i processen för att framställa dem är infektionssjukdomar fortfarande den näst vanligaste dödsorsaken i världen, och bakterieinfektioner orsakar cirka 17 miljoner dödsfall årligen, som främst drabbar barn och äldre. Historien om antibiotika som härstammar från Streptomyces började med upptäckten av streptothricin 1942, och med upptäckten av streptomycin två år senare intensifierade forskarna sökandet efter antibiotika inom släktet. I dag kommer 80 % av antibiotikan från släktet Streptomyces, varav aktinomyceterna är de viktigaste.16 Detta kan ses i figur 1.
Nyckelresultat och datum för antibiotika. Highlights of the Streptomyces.
Mekanism för antibiotikas verkan
Den molekylära grunden för denna verkan är väl känd och de viktigaste målen är väl kända. De klassificeras enligt interaktionen mellan antibiotika som riktar sig mot viktiga cellfunktioner, den grundläggande principen för att hämma bakterietillväxt.17 Detta är en komplex process som börjar med den fysiska interaktionen mellan molekylen och dess specifika mål och inbegriper biokemiska, molekylära och strukturella förändringar, som verkar på flera cellulära mål som t.ex: 1) DNA-replikation, 2) RNA-syntes, 3) cellväggssyntes och 4) proteinsyntes (fig. 2).
Schematisk representation av målet och verkningsmekanismen för vissa antibiotika.
DNA-replikation
DNA-gyrase (topoisomeras) kontrollerar DNA:s topologi genom att katalysera klyvningsmönstret och DNA-bindningen. Denna reaktion är viktig för DNA-syntesen och mRNA-transkriptionen, och komplexet-quinolontopoisomeras-DNA-klyvning förhindrar replikation, vilket leder till bakteriernas död. 18-20
Syntes av RNA
Det DNA-beroende RNA-polymeraset medierar transkriptionsprocessen och är den viktigaste regulatorn av genuttryck hos prokaryoter. Den enzymatiska processen är nödvändig för celltillväxt, vilket gör den till ett attraktivt mål för antibiotika. Ett exempel är rifamycin, som hämmar RNA-syntesen genom att använda en stabil förbindelse med hög affinitet till β-subenheten i RNA/DNA-kanalen, separera den aktiva platsen genom att hämma initieringen av transkriptionen och blockera vägen för ribonukleotidkedjans tillväxt.18-20
Cellväggssyntes
Bakteriernas cellvägg består av peptidoglykan, som hjälper till att upprätthålla det osmotiska trycket, vilket ger förmåga att överleva i olika miljöer. Biosyntesen av peptidoglykan omfattar tre steg: Det första steget sker i cytoplasman, där prekursorer med låg molekylvikt syntetiseras. I det andra steget katalyseras cellväggssyntesen av membranbundna enzymer, och i det tredje steget verkar antibiotikan genom att förhindra β-laktamer och polymerisering av cellväggsenzymernas glykansyntes och verkar på transpetidader.18-20
Proteinsyntes
Översättningsprocessen av mRNA sker i tre faser: initiering, förlängning och terminering, som involverar cytoplasmatiska ribosomer och andra komponenter. Ribosomen består av två underenheter (50S och 30S), som är måltavlor för den viktigaste antibiotikan som hämmar proteinsyntesen. Makrolider verkar genom att blockera 50S-underenheten, vilket förhindrar bildandet av peptidkedjan: tetracyklin i 30S-underenheten verkar genom att blockera åtkomsten av aminoacyl-tRNA-ribosomen, spektinomycin stör stabiliteten hos peptidyl-tRNA-bindningen till ribosomen och streptomycin, kanamycin och gentamicin verkar i 16S rRNA som är en del av 30S-ribosomsunderenheten18 .-20
Cytoplasmiskt membran
Cytoplasmiskt membran fungerar som en diffusionsbarriär för vatten, joner och näringsämnen. Transportsystemen består främst av lipider, proteiner och lipoproteiner. Daptomycin infogas i bakteriers cytoplasmiska membran på ett kalciumberoende sätt, bildar jonkanaler och utlöser frisättning av intracellulärt kalium. Flera antibiotika kan orsaka störningar i membranet. Dessa medel kan delas in i katjoniska, anjoniska och neutrala medel. De mest kända föreningarna är polymyxin B och kolistemetat (polymyxin E). Polymyxinerna används inte i stor utsträckning eftersom de är giftiga för njurarna och nervsystemet.18-20 Det senaste antibiotikumet som lanserades 2006 av Merck (platensimycin) har en annan verkningsmekanism än de tidigare, eftersom det verkar genom att hämma betaketoacylsynteserna I/II (FabF/B), som är nyckelenzymer i produktionen av fettsyror, som är nödvändiga för bakteriens cellmembran.13
Resistens
Enligt Nikaido20 produceras 100 000 ton antibiotika årligen, som används inom jordbruk, livsmedel och hälsa. Deras användning har påverkat bakteriepopulationer och framkallat antibiotikaresistens. Denna resistens kan bero på genetiska förändringar som mutationer eller förvärv av resistensgener genom horisontell överföring, vilket oftast sker i organismer av olika taxonomi.21,22 Mutationer kan leda till förändringar på den plats där läkemedlet verkar, vilket hindrar antibiotikans verkan.23 De flesta resistensgener finns i samma kluster som genen för antibiotikabiosyntesen.24 I naturen är antibiotikans huvudfunktion att hämma konkurrenter, som induceras att inaktivera dessa föreningar genom kemisk modifiering (hydrolys) och förändringar i verkningsstället och membranpermeabiliteten.25 En studie som utfördes med Streptomyces från stadsjord visade att de flesta stammar är resistenta mot flera antibiotika, vilket tyder på att dessa gener är frekventa i denna miljö.20 Många resistensgener finns på plasmider (plasmid A), som kan överföras genom konjugering till en mottaglig stam; dessa plasmider är stabila och kan uttrycka resistensgenen.26 Mottagligheten för ett visst antibiotikum kan påverkas av bakteriernas fysiologiska tillstånd och antibiotikakoncentrationen; detta kan observeras i biofilmer genom en mekanism som kallas persisterbildning – små subpopulationer av bakterier överlever den dödliga koncentrationen av antibiotikum utan några specifika resistensmekanismer, även om denna mekanism inte ger upphov till resistens på hög nivå.27
Mikroorganismer som växer i en biofilm förknippas med kroniska och återkommande infektioner hos människor och är resistenta mot antimikrobiella medel.28 Spridningen av resistenta stammar är inte bara kopplad till antibiotikaanvändning, utan även till migration av människor, som sprider resistenta stammar bland människor i avlägsna samhällen där användningen av antibiotika är mycket begränsad.24 På grund av svårigheten att få fram nya antibiotika har läkemedelsindustrin gjort ändringar i befintliga antibiotika; dessa halvsyntetiska ämnen är effektivare och mindre mottagliga för inaktivering av enzymer som orsakar resistens. Denna praxis har blivit strategin för de nuvarande antibiotika som används idag och kallas andra, tredje och fjärde generationens antibiotika.29,30
Genom och nya antibiotika
Med tillgång till genomer från ett stort antal patogener har hundratals gener utvärderats som mål för nya antibiotika. En gen erkänns som viktig när bakterien inte kan överleva när genen är inaktiv, och kan bli ett mål när en liten molekyl kan ändra dess aktivitet.31 Genetisk analys har visat att en gen kan koda för en funktion som är viktig i en bakterie men inte i en annan.32 167 gener har fastställts som viktiga för bakterietillväxt och är potentiella mål för nya antibiotika.33,34 GlaxoSmithKline har genomfört studier med antibiotikumet GKS299423 som verkar på topoisomeras II för att förhindra att bakterierna utvecklar resistens.35
Användning
Världens efterfrågan på antibakteriella medel (antibiotika) ökar stadigt. Sedan de upptäcktes på 1900-talet har antibiotika avsevärt minskat hotet från infektionssjukdomar. Användningen av dessa ”mirakelmediciner”, i kombination med förbättringar av sanitära förhållanden, bostäder, livsmedel och tillkomsten av massimmuniseringsprogram, har lett till en dramatisk minskning av antalet dödsfall i sjukdomar som en gång i tiden var utbredda och ofta dödliga. Under årens lopp har antibiotika räddat liv och lindrat miljontals människors lidande. Genom att hålla många allvarliga infektionssjukdomar under kontroll har dessa läkemedel också bidragit till ökningen av den förväntade livslängden under senare delen av 1900-talet.
Den ökande resistensen hos patogena organismer, som leder till svåra former av infektioner som är svåra att behandla, har komplicerat situationen ytterligare, som i fallet med karbapenemresistenta Klebsiella pneumoniae,36,37 och andra mikroorganismer.38 Infektioner orsakade av resistenta bakterier reagerar inte på behandling, vilket resulterar i långvarig sjukdom och större risk för död. Behandlingsmisslyckanden leder också till långa perioder av smittsamhet med hög resistens, vilket ökar antalet infekterade personer som cirkulerar i samhället och därmed utsätter befolkningen för risken att få en multiresistent stam.39
När bakterier blir resistenta mot första generationens antibiotika måste behandlingen ändras till andra eller tredje generationens läkemedel, som ofta är mycket dyrare och ibland giftiga. Till exempel kan det läkemedel som behövs för att behandla multiresistenta Streptococcus pneumoniae, Staphylococcus aureus, Klebsiella pneumoniae och Mycobacterium tuberculosis kosta 100 gånger mer än första generationens läkemedel som används för att behandla icke-resistenta former. Det mest oroande är att resistensen mot praktiskt taget alla antibiotika har ökat.
Trots att läkemedelsindustrin har intensifierat sina ansträngningar att utveckla nya läkemedel för att ersätta dem som används, tyder de nuvarande trenderna på att det för vissa infektioner inte kommer att finnas några effektiva terapier inom de närmaste tio åren. Användningen av antibiotika är den kritiska faktorn i valet av resistens.40,41 Paradoxalt nog kan underanvändning genom bristande tillgång och otillräcklig behandling spela en lika viktig roll som överanvändning. Av dessa skäl är korrekt användning en prioritet för att förhindra uppkomsten och spridningen av bakteriell resistens. Patientrelaterade faktorer är de främsta orsakerna till olämplig användning av antibiotika. Många patienter tror till exempel att nya och dyra läkemedel är effektivare än äldre läkemedel.
Förutom att orsaka onödiga utgifter uppmuntrar denna uppfattning urvalet av resistens mot dessa nya läkemedel, liksom mot de äldre läkemedlen i deras klass.42 Självmedicinering med antibiotika är en annan viktig faktor som bidrar till resistens, eftersom patienterna kanske inte tar tillräckliga mängder av läkemedlet. I många utvecklingsländer köps antibiotika i enstaka doser och tas bara tills patienten känner sig bättre, vilket kan inträffa innan bakterierna har eliminerats.43
Läkare kan pressas att förskriva antibiotika för att uppfylla patienternas förväntningar, även i avsaknad av lämpliga indikationer, eller genom tillverkarens påverkan. Vissa läkare tenderar att förskriva antibiotika för att bota virusinfektioner, vilket gör dem ineffektiva mot andra infektioner. I vissa kulturella sammanhang anses antibiotika som ges genom injektion vara effektivare än orala formuleringar. Sjukhusen är en kritisk komponent i problemet med antimikrobiell resistens i hela världen.14,44 Kombinationen av mycket mottagliga patienter, patienter med allvarliga infektioner och intensiv och långvarig användning av antibiotika har resulterat i mycket resistenta nosokomiala infektioner som är svåra att kontrollera, vilket gör det dyrt att utrota patogenen.
I september 2001 lanserade Världshälsoorganisationen (WHO) den första globala strategin för att bekämpa de allvarliga problem som orsakas av uppkomsten och spridningen av antimikrobiell resistens. Strategin kallas WHO:s globala strategi för att begränsa antimikrobiell resistens45 och erkänner att antimikrobiell resistens är ett globalt problem som måste hanteras i alla länder. Ingen nation, hur effektiv den än är, kan stänga sina gränser för resistenta bakterier, och därför krävs en ordentlig kontroll på alla platser. En stor del av ansvaret ligger på de nationella regeringarna, med en strategi och särskild uppmärksamhet på interventioner som innebär införande av lagstiftning och politik som styr utveckling, licensiering, distribution och försäljning av antibiotika.46
Att hitta nya antibiotika som är effektiva mot bakteriell resistens är inte omöjligt, men det är ett komplext och utmanande forskningsområde. Det är också ett område som inte har varit läkemedelsindustrins primära fokus under de senaste åren, eftersom antibiotika generellt sett innebär en relativt låg avkastning på investeringarna, och de höga standarderna för läkemedelsutveckling är också faktorer som påverkar detta bristande intresse.
Trots de förväntade tillväxttrenderna för den globala antibiotikamarknaden påverkas deras framgång på lång sikt i första hand av två huvudfaktorer – resistens och generisk konkurrens. Antibiotikaresistens tvingar fram en minskad användning. Den ökade antibiotikaresistensen gör det svårt att bota infektioner. En stor nackdel är industrins svårigheter att hitta nya antibiotika – de som används är i allmänhet pågående modifieringar för att producera nya former. Trots de fördelar som de stora företagen har när det gäller utvecklingen av nya antibiotika: a) väldefinierade måltavlor, b) forskningsmetod som är effektivt etablerad, c) biomarkörer för övervakning, d) sofistikerade verktyg för att studera dosering och e) snabbare godkännande av tillsynsmyndigheter, har de prioriterat andra sjukdomar, eftersom avkastningen på investeringar i antibiotika är låg, trots att de representerar en marknad på 45 miljarder US-dollar, näst efter läkemedel för kardiovaskulära problem och för det centrala nervsystemet47 . Ett annat problem är konkurrensen från generika till betydligt lägre priser.48 I vissa fall har de stora företagen överfört ansvaret till små företag för att utveckla nya antibiotika, som t.ex. daptomycin, utvecklat av Cubist och licensierat till Lilly.49
Perspektiv
Trots detta scenario har vissa företag etablerat en social position och ett ansvar för att upprätthålla utvecklingen av nya antibiotika. Ett exempel är potentialen för sådana partnerskap i kampen mot tuberkulos (TB). Idag drabbar multiresistent tuberkulos en halv miljon människor årligen, tar två år att behandla, botas endast i hälften av fallen och förekommer främst i områden där indexet för mänsklig utveckling är lågt.
För att påskynda utvecklingen av nya behandlingar utforskar ett viktigt samarbete, TB Alliance, kreativa finansieringsmekanismer och stöd för slutfasen av kliniska prövningar. En annan viktig åtgärd är insamling av mikroorganismer i olika miljöer, t.ex. havsmiljöer, för isolering av nya ämnen; dessa studier har gett viktiga resultat när det gäller att utvärdera dessa miljöaktinomyceter.30,50 Ett annat initiativ är Amazon Biotechnology Center-CBA, som har studerat mikroorganismer i Amazonasregionen, eftersom denna region med sin stora mångfald av mikroorganismer har kapacitet att producera nya antibiotika; utmärkta resultat har uppnåtts främst när det gäller Mycobacterium tuberculosis.
Det finns fortfarande ett behov av reglering av användningen av antibiotika för att uppmuntra läkemedelsföretag att investera i att utveckla nya antibiotika. Den största utmaningen kvarstår på regleringsnivå för att hitta en lösning som säkerställer kommersiell lönsamhet i utvecklingen av antibiotika. Sammanslagningen av dessa företag har en omedelbar effekt genom att minska antalet konkurrerande forsknings- och utvecklingsgrupper. Sådana förändringar leder ofta till en strategisk översyn av de terapeutiska områdena för forskning och utveckling, där utvecklingen av nya antibiotika måste konkurrera med andra områden som kan vara mer kommersiellt attraktiva.
I motsats till det första antibiotikumet, vars molekylära verkningsmekanism var okänd tills det introducerades på marknaden, har tekniken utvecklats (funktionell genomik), vilket gör det möjligt att utvärdera samspelet mellan antibiotikamålets verkningsmekanism och utvecklingen av specifik resistens hos bakterierna51,52. Trots sekvenseringsprojekten av patogena organismer och studiet av nya måltavlor har man nått små framgångar.53,54 Ur ett tekniskt perspektiv kommer företag som fortsätter att engagera sig i forskning om nya antibiotika med hjälp av den nya tekniken att vara framgångsrika; utmaningarna är stora, men inte oöverstigliga.
Intressekonflikter
Alla författare förklarar att de inte har några intressekonflikter.