الحرب على مقاومة المضادات الحيوية

قد يمنع المركب الذي يعمل على بروتين له دور رئيسي تطور مقاومة المضادات الحيوية 

بقلم غاري ستيكس

ظهرت في العدد 24 من مجلة ساينتفيك أمريكان إسرائيل، أغسطس سبتمبر 2006

حصل فلويد أ. روميسبيرج على درجة الدكتوراه من جامعة كورنيل في عام 1994. وكان موضوع بحثه هو أملاح الليثيوم لأميدات ثنائي ألكيل. عادةً ما يستخدم الكيميائيون المشاركون في عملية التصنيع هذه المركبات لإزاحة البروتونات من المواد المختلفة. كان رومسبرغ، وهو ابن أحد الكيميائيين، يقضي أيامه في مراقبة كيفية تفاعل هذه المواد ومعدل تفاعلها. يقول رومسبيرج: "ليس الأمر أن المشروع كان مثيرًا للاهتمام إلى هذا الحد، بل كان في الواقع مملًا للغاية".
مباشرة بعد حصوله على شهادته، غير اتجاهه وذهب مباشرة إلى مرحلة ما بعد الدكتوراه في مجال مختلف في جامعة كاليفورنيا، بيركلي. هناك استخرج من فم مشرفه المستقبلي - عالم الكيمياء الحيوية الشهير بيتر ج. شولتز - وعدًا بأنه يمكنه أن يقول وداعًا للكيمياء الفيزيائية ويكرس نفسه لعلم المناعة. لا يندم رامسبيرج على قراره في البداية بالتحقيق في شيء أساسي وممل للغاية، ويقول إنه لو تحول إلى علم الأحياء على الفور، فمن المحتمل أن تكون هذه خطوة خاطئة. إن تعقيد علم الأحياء يعني أن الكثير من مشاريع الطلاب البحثية تنتهي بنتائج سطحية فقط. "لقد كنت محظوظًا وفي جامعة كورنيل تمكنت من العمل على نظام صغير يمكن وصفه بشكل كامل. لقد كان شيئًا قابلاً للحل سمح لي بالتعامل مع الأسئلة الأساسية". "إنني أميل دائمًا إلى اختصار الأمور إلى الأسئلة الأساسية على المستوى الجزيئي الكيميائي، وأعتقد أن هذا الاتجاه قد خدمني بإخلاص."
أثناء عمله على الأجسام المضادة في مختبر شولتز، أيقظ فضول رامسبرج حول العمليات الجزيئية الكامنة وراء التطور. وفي مختبره الخاص بمعهد سكريبس للأبحاث في لا هويا، كاليفورنيا، يوجد اليوم 19 باحثًا (12 طالبًا بحثيًا و7 باحثين ما بعد الدكتوراه). يتم تنظيمهم في فرق منفصلة يعالج كل منها سؤالًا مختلفًا يتعلق بالتطور. تستخدم إحدى المجموعات أشعة ليزر قوية لدراسة تطور الأجسام المضادة. وتأمل مجموعة أخرى في تحديد كيفية عمل الحمض النووي في وجود نيوكليوتيدات غير طبيعية، أو حرف اصطناعي في أبجدية الحمض النووي، يضيفه الباحثون إلى الشفرة الوراثية. إن البحث ذو الأهمية العملية الأكثر إلحاحا يحاول التحقق من كيفية تطور التطور في بعض الأحيان إلى أعلى مستوياته. هذه عملية أساسية تسمح للبكتيريا بالتحور بسرعة. المعلومات التي تجعل من الممكن منع العملية قد توفر نهجا مبتكرا للتغلب على مقاومة البكتيريا للمضادات الحيوية.
إشارة استغاثة
عادة ما تنشأ الطفرات الجينية من الأخطاء التي تحدث أثناء تكاثر الخلايا. عادة ما تكون الطفرات ضارة، لذلك تطورت الخلايا أثناء التطور بحيث يحدث أقل عدد ممكن من الطفرات. تم تجهيز الخلايا بآلات تدقيق مدمجة ومعدات إصلاح تضمن تقليل الأخطاء عند نسخ الحمض النووي. ومع ذلك، يحدث في بعض الأحيان أن الخلية نفسها تبدأ عملية طفرة جينية - وهي عملية تطور متسارع بشكل أساسي.
منذ عام 1970، عرف العلماء العملية التي تحدث في البكتيريا، والتي أطلقوا عليها اسم "تفاعل SOS". تستخدم هذه العملية في الواقع الطفرة كوسيلة للدفاع عن النفس. عندما تكون البكتيريا في حالة من التوتر الشديد، فإنها تحاول أولاً اتخاذ تدابير مختلفة لإصلاح الضرر. ثم يقومون بعد ذلك بتنشيط الجينات التي تنتج منتجاتها البروتينية طوفانًا من الطفرات، وهي طفرات تحدث بمعدل أكبر بـ 10,000 مرة من تلك التي تحدث أثناء تكاثر الخلايا الطبيعي. في الواقع، تخضع الخلية لتغيير سريع في هويتها. على سبيل المثال، تتفاعل بكتيريا الإشريكية القولونية (Escherichia coli) مع الضرر الذي يلحق بها بواسطة المضاد الحيوي سيبروفلوكساسين (المعروف باختصار سيبرو) وأنواع أخرى من المضادات الحيوية عن طريق إرسال إشارة استغاثة، SOS. تمنع بعض الطفرات السيبروفلوكساسين من الارتباط بهدفه، وهو بروتين يسمى جيراز، وهو ضروري لتكرار الحمض النووي. إذا لم تحمي البكتيريا الجيراز بهذه الطريقة، فإن المضاد الحيوي سيرتبط به، مما يمنع التكاثر الطبيعي للخلية البكتيرية ويسبب تكسر الحمض النووي الذي قد يؤدي إلى موتها.
عندما قرأ عن استجابة SOS، افترض رومسبيرج أن إيقاف تشغيل النظام، أي إيقاف التطور الفائق، يمكن أن يمنع سلسلة من الطفرات التي تمكن من تطوير مقاومة المضادات الحيوية في بكتيريا الإشريكية القولونية. في التجارب التي نشرت في يونيو 2005 في المجلة الإلكترونية PLoS Biology، وجد رامسبرغ وزملاؤه رايان تي سيرز وجودي ك. تشين وزملاؤهم في جامعة ويسكونسن ماديسون أن السيبروفلوكساسين يسبب استجابة SOS وطفرات زائدة. في الإشريكية القولونية من خلال الإشارات التي تسببت في قطع بروتين يسمى LexA. يقوم هذا البروتين بقمع استجابة SOS، وعندما يتم قطعه، فإنه يسمح لثلاثة إنزيمات، وهي بوليمرات الحمض النووي، بالبدء في إنتاج الطفرات، وبالتالي تتطور المقاومة بسرعة.
أنشأ الباحثون سلالة من الإشريكية القولونية لا يمكن قطع LexA فيها، ووجدوا أن استجابة SOS لم تتحقق. الفئران المصابة بهذه السلالة من الإشريكية القولونية والتي عولجت بالسيبروفلوكساسين لم تتطور لديها مقاومة للمضادات الحيوية. وحصلت مجموعة الباحثين على نتائج مماثلة مع نوع آخر من المضادات الحيوية، وهو الريفامبيسين. إنهم يختبرون الآن ما إذا كان منع اقتطاع LexA في الإشريكية القولونية قد يمنع مقاومة أنواع أخرى من المضادات الحيوية. كما أنهم يختبرون ما إذا كان LexA قد يقوض فعالية العلاج الدوائي في البكتيريا الأخرى. لكن السيبروفلوكساسين دواء مهم في حد ذاته. طورت بعض سلالات البكتيريا المسببة للدوسنتاريا الوبائية، الشيجلا الزحارية، مقاومة لجميع أنواع المضادات الحيوية، باستثناء السيبروفلوكساسين. يمكن أن يتسبب الزحار في وفاة عشرات الآلاف من الأشخاص في البلدان النامية.
عندما بدأ تلقي هذه النتائج لأول مرة في مختبره في عام 2002، رأى رومسبيرج على الفور إمكانية تطوير دواء، وهو جزيء صغير يُعطى عن طريق الفم مع المضاد الحيوي. يمكن أن يعمل الدواء كمفتاح يوقف قطع LexA. ولم يواجه رومسبرغ وشريكاه صعوبات كثيرة في جمع 15 مليون دولار لتأسيس شركة تدعى "أشاوجين"، ("أتشاو" تعني "ضد الفوضى"، وقد تمت إضافة "الجين" من قبل أحد الشركاء، "نيد ديفيد"، لأن الشركات التي تشمل هذه اللاحقة في الزيت تميل إلى الازدهار).
أصبح مستثمرو رأس المال الاستثماري حذرين بشأن الاستثمار في الشركات الناشئة في مراحلها الأولى. لكنهم كانوا منفتحين بشأن النهج المبتكر لمقاومة المضادات الحيوية. حتى الآن، كانت معظم الحلول لهذه المشكلة مرتبطة بأنواع جديدة من المضادات الحيوية، وتقوم الشركة بالفعل باختبار العديد من مسارات العمل اليوم. ولكن، كما هو الحال دائمًا، يمكن لسعة الحيلة التي تتمتع بها البكتيريا أن تحول الكثير من العمل الشاق إلى تمرين في وقت ضائع. وعلق ستيوارت ب. ليفي، خبير مقاومة المضادات الحيوية في جامعة تافت، بأن عمل رومسبيرج قدم رؤية جديدة. لكنه أضاف أن تأثيرها قد يكون محدودا. ويقول: "نحن نبحث دائمًا عن أساليب جديدة، خاصة تلك التي تعمل ضد المقاومة". "تقترح هذه النتائج مثل هذا النهج، لكنها تركز على طفرات الكروموسوم كآلية لخلق المقاومة، وهي آلية محدودة النطاق." ويضيف ليفي أن أنواعًا أخرى من المقاومة قد تظهر وتهاجم المضادات الحيوية بشكل مباشر. يمكن للبكتيريا أن تكتسب المقاومة عن طريق نقل الجينات من سلالة بكتيرية إلى أخرى أو حتى عن طريق نقل الجينات داخل نفس السلالة.
على أية حال، قرر رومسبيرج وباحثوه التركيز على المواد من نوع الفلوروكينولون، حيث أن مقاومة هذه المواد لا تتطور إلا من خلال طفرات الكروموسومات (تفاعل SOS) ولأنه من المفترض، حسب التوقعات، أن تكون هذه المواد هي المادة الفعالة. أكثر أنواع المضادات الحيوية مبيعاً بحلول عام 2011
تم تلقي رد فعل جانبي غير متوقع وغير مرغوب فيه أيضًا على المقالة المنشورة في PLoS Biology عندما تبنى مجتمع التصميم الذكي نتائج التجارب كتأكيد لنظرتهم العالمية غير المقبولة. زعم أعضاء المجتمع أن طوفان الطفرات في تجارب رومسبيرج لم يكن عشوائيًا، بل هو نتيجة تصميم محسوب من قبل البكتيريا نفسها: "الحياة تتحكم في مصيرها. "الكائنات الحية ليست مشاركين سلبيين في التفاعل بين الأحداث العشوائية والضغوط البيئية"، كتب المؤلف بالاسم المستعار مايك غان على موقع idthink.net. ويقول: "إن حقيقة خضوع التطور لنوع من ضبط النفس ليس أكثر من قطعة من الفسيفساء الغائية (تخطيط الطبيعة). ولكن هذا جزء مهم، من وجهة نظر أن القدرة على التكيف، على الأقل مع هذين النوعين من المضادات الحيوية، هي تحت السيطرة." يمتنع رومسبرغ عن المشاركة في هذه المناقشة، لكنه يرفض أي أساس لهذه الادعاءات. ويقول إن رد SOS "لا يقول شيئًا عن الدين. إنه يتحدث عن درجة النجاح والإبداع في التطور، لكن ليس هناك سحر فيه، إنها عملية ميكانيكية بالكامل."
عندما اختار موضوعًا يبدو روتينيًا لمشروع بحث الدكتوراه الخاص به، يقول روزمبرج إنه قرر التحقيق في مقاومة المضادات الحيوية لأن الخطوات على الطريق إلى تطوير الدواء كانت واضحة وبسيطة نسبيًا: "إذا فزنا، يمكننا التعامل مع المستوى التالي من التعقيد بطريقة أفضل." والمستوى التالي هو السرطان، وهو المرض الذي تشكل فيه مقاومة الأدوية مشكلة مثيرة للقلق أيضًا. يخطط كل من فريقه البحثي والشركة التي أسسها لإنشاء علاج تكميلي للعلاج الكيميائي يمكنه منع الطفرات التي تؤدي إلى مقاومة أدوية السرطان.
إن مسار رومسبيرج التدريجي، الذي بدأ بإزاحة البروتونات باستخدام الأملاح الأساسية وتطور إلى السرطان الصعب، قد يستغرق وقتًا أطول من البحث المباشر عن الأدوية. ومع ذلك، فإن التقدم العلمي المقاس قد يؤدي إلى النجاح بدرجة أكبر من اليقين.
 الاحتفاظ بقوة المضاد الحيوي
قد تؤدي الطفرات الخاطفة في بكتيريا الإشريكية القولونية إلى إحباط فعالية المضاد الحيوي سيبروفلوكساسين (سيبرو)، والذي أصبح مقبولاً بشكل متزايد من قبل الأطباء.

كيف يعمل السيبرو
المضادات الحيوية السيبرو ضارة بالبكتيريا، عادة عن طريق الارتباط بإنزيم يسمى جيراز ومنعه من العمل بشكل صحيح.

كيف تنشأ المقاومة؟
تبدأ المقاومة عندما تتفاعل بكتيريا A. coli عن طريق إنتاج الحمض النووي المفرد الذي تقطعت به السبل. جزيئات بروتين آخر، RecA، ترتب نفسها في سلسلة وتلتصق بالحمض النووي المفرد. يشجع RecA على قطع بروتين التحكم LexA. يؤدي هذا التغيير إلى إطلاق مجموعة كاملة من الجينات التي تم حظرها سابقًا، وتحفز هذه الجينات طفرات في مواقع أخرى. تمنع بعض الطفرات ارتباط السيبرو بالجيراز، وبالتالي تمنع الدواء من العمل.

حل ممكن
الأدوية التي ترتبط بـ LexA وتمنع اقتطاعه، مثل المركب الافتراضي X المميز هنا، ستكون قادرة على إيقاف تسلسل الأحداث الموصوفة أعلاه مؤقتًا، وبالتالي التغلب على المقاومة واستعادة فعالية المضاد الحيوي.

والمزيد حول الموضوع:

انتقام الميكروبات: كيف تقوض المقاومة البكتيرية معجزة المضادات الحيوية. أبيجيل أ. ساليرز وديكسي دي ويت. مطبعة الجمعية الأمريكية لعلم الأحياء الدقيقة، 2005
تثبيط الطفرة ومكافحة تطور مقاومة المضادات الحيوية. ريان تي سيرز وآخرون. في علم الأحياء PLoS، المجلد. 3، لا. 6، الصفحات 1024-1033؛ يونيو 2005
تحريض وتثبيط الطفرات المقاومة للسيبروفلوكساسين في بكتيريا Hypermutator. رايان تي. سيرز وفلويد إي. روميسبيرج في العوامل المضادة للميكروبات والعلاج الكيميائي، المجلد. 50، لا. 1، الصفحات 220-225؛ يناير 2006