Антибиотики в микробиологии: классификация, способы получения и механизм действия

Болезни преследуют человека все время его существования. Многие хотели бы стать неуязвимыми для различных хворей, но, увы, это пока только наши желания. Но делаются шаги, чтобы приблизить тот момент, когда мы освободимся от гнета болезней. Один из них принадлежит микробиологии – это создание антибиотиков. Что они собой представляют? Какие существуют? Каков их механизм действия?

Общая информация

Начать следует с терминологии. Антибиотики – это химиотерапевтические вещества, создаваемые микроорганизмами, растениями, животными клетками плюс производные и синтетические продукты, обладающие избирательной способностью задерживать рост и угнетать различные вредные миниатюрные формы жизни и подавлять развитие злокачественных образований.

С момента их открытия Эрлихом удалось получить свыше десяти тысяч образцов. Так что если кого-то интересует общепринятая классификация антибиотиков в микробиологии, то мы вынуждены вас огорчить – ее не существует. Поэтому в данном случае часто опираются на различные моменты, такие как химическое строение, спектр действия, побочные эффекты и так далее. Но ведь с помощью чего-то ориентироваться нужно, верно? И, как вариант – главное рекомендационное деление, которое строится на химическом строении этих веществ.

Итак, в данном случае наиболее популярными являются (фтор) хинолоны, нитрофураны, сульфаниламиды и имидазолы. Если известно, что вызвало заболевание, то первостепенное внимание уделяется спектру действия антибиотиков. Микробиология различает пять групп препаратов, зависимо от того, на какие микроорганизмы они влияют сильнее всего, в отдельную группу выделяются противоопухолевые медикаменты. Дополнительно, каждая из них делится на две подгруппы. Это так называемые антибиотики узкого и широкого спектра действий. К тому же выделяются отдельные подгруппы целевого назначения. Почему так сложно? Все дело в отсутствии единой системы классификации медицинских препаратов.

Проблемы при использовании

Увы, но эти вещества, несмотря на свои привлекательные стороны, часто обладают рядом недостатков разной степени опасности. Говоря о глобальных вещах, необходимо отметить в первую очередь резистентность бактерий к антибиотикам. Микробиология старается решить эту проблему, но, увы, небрежное отношение людей к лечению, пренебрежительное отношение к терапии до полного выздоровления, игнорирование медицинских требований к приему и ряд других факторов делают свое черное дело.

Стойкость к антибиотикам постоянно растет. Как результат – возникают различные негативные последствия вроде супербактерий, которые не могут быть излечены существующими медикаментами. И в таких случаях приходится надеяться только на организм человека. Следует отметить, что повышение стойкости вредных патогенов – это вполне закономерный и ожидаемый результат, который протекал бы в любом случае. Вопрос только в том, с какой скоростью это происходит.

В мире распространено применение антибиотиков в виде небольших курсов, для профилактики, против вирусных болезней (от которых они, как правило, вообще не помогают, но об этом подробно будет далее) и ряде иных случаев, которые в совокупности только способствуют возникновению стойких штаммов. Некоторые болезни приходится лечить с помощью нескольких препаратов одновременно, если во время этого процесса был допущен хотя бы незначительный перерыв, то необходимо подбирать уже другие препараты, чтобы не ослаблять сопротивляемость организма.

К тому же не следует забывать про чувствительность к антибиотикам. Микробиология тщательно изучает этот аспект влияния и старается минимизировать вредное влияние на человеческий организм. Условно, эти препараты делятся на несколько групп, зависимо от опасности, что они несут для людей. Первая является самой безвредной, все остальные действуют все сильней и наносят больший вред, ведь растут побочные действия антибиотиков. Микробиология сделать их совсем безопасными, увы, не может. Поэтому те, что наиболее вредны (и часто эффективны), применяются в последнюю очередь.

Разнообразие по объекту влияния

Рассмотренная далее классификация антибиотиков в микробиологии используется для того, чтобы в случаях, если известно, с чем приходится иметь дело эффективно и целевым образом действовать на возбудителей болезни. Одновременно она является одной из самых популярных:

1. Антибактериальные антибиотики. Они формируют наиболее многочисленную группу препаратов. В ней преобладают вещества широкого спектра действия, что влияют на все три отдела бактерий. К ним относят тетрациклины, аминогликозиды и другие. Антибиотики узкого спектра действия, как можно догадаться по их названию, эффективны только по отношению к небольшому кругу бактерий. Например, полимиксины угнетают развитие грациликутных, а ванкомицин грамположительных бактерий. Здесь выделяют группы противотуберкулезных, противолепрозных и противосифилитических препаратов.
2. Противогрибковые антибиотики. Здесь уже не так много препаратов. Также есть антибиотики широкого и узкого спектра действия. В качестве примера первого можно привести амфотерицин В, что эффективен при бластомикозах, аспергиллезах и кандидозах. Представителем узкого спектра является нистатин, влияющий на грибы рода Candida.
3. Антипротозойные антибиотики. Это медицинские препараты, которые используются для подавления или уничтожения простейших. Их не очень много.
4. Антивирусные антибиотики. Существует небольшое число препаратов такого назначения. Следует отметить, что есть популярное заблуждение, будто бы антибиотики не действуют на вирусы. Это не так. Правильнее говорить, что подавляющее число антибиотиков не действует на вирусы. Если применять их против, скажем, ОРВИ, то результата действительно не будет. Ведь следует использовать специальные препараты.
5. Противоопухолевые антибиотики. Они представлены препаратами, которые обладают цитотоксическими действиями. Большинство из них может быть применено против большого количества опухолей, например – митомицин С.

Классификация на основе механизма действия

Итак, мы знаем, что эти средства могут поражать. А каков механизм действия антибиотиков? Микробиология тщательно исследовала этот вопрос, и сейчас можно уверенно сказать, что они ценны благодаря способности подавлять определенные биохимические реакции, которые происходят в микробной клетке. Давайте рассмотрим это более подробно. В этом случае также выделяется пять групп:

1. Вещества, нарушающие синтез клеточной стенки. В качестве примера можно привести β-лактамы. Особенностью этой группы препаратов является то, что у них чрезвычайно высокая избирательность действия. Так, они убивают исключительно бактерии, тогда как клетки организма их не интересуют. Это связано с тем, что последние в своем составе не имеют главного компонента стенки бактерий – пептидогликана. Поэтому антибиотики этой группы являются наименее токсичными.
2. Вещества, нарушающие синтез клеточных мембран и молекулярную организацию. В качестве примера можно привести полиены и полимиксины.
3. Вещества, нарушающие синтез белка. Это представители самой многочисленной группы препаратов. Специфика их действия заключается в вызывании нарушений синтеза белка на различных уровнях. Среди представителей этой группы следует вспомнить аминогликозиды, тетрациклины, макролиды, левомицетин.
4. Вещества, являющиеся ингибиторами синтеза нуклеиновых кислот. Как пример, можно выделить хинолоны, которые мешают формированию ДНК. Или рифампицин – препятствующий синтезу РНК.
5. Вещества, что подавляют формирование пуринов и аминокислот. В качестве примера можно назвать сульфаниламиды.

А как они создаются?

Какие есть способы получения антибиотиков? Микробиология в основном делает ставку на микроорганизмы, которые пребывая в естественной среде (обычно в почве), синтезируют антибиотики. Их они используют в борьбе за существование. Все ли это продуценты антибиотиков? Микробиология установила, что растительные и животные клетки также могут вырабатывать вещества, обладающие селективным антимикробным действием. Самые известные из них – это фитонциды. Но следует отметить, что в медицине они широкого признания, как продуценты, не получили. Итак, природные и полусинтетические антибиотики получаются от таких организмов:

1. Актиномицеты – ветвящиеся бактерии. На них приходится большинство создаваемых природных антибиотиков (около 80%).
2. Плесневые грибы. Нам ценна их возможность синтезировать фузидиевую кислоту и природные бета-лактамы.
3. Типичные бактерии вроде бациллы и псевдомонады. Они создают полимиксины, бацитрацин и ряд других веществ, которые негативно влияют на микроорганизмы.

Но просто взять и съесть производителей - нельзя, ведь это чревато побочными эффектами. Необходимо получить только нужные вещества. Для этого используется три основных способа:

1. Биологический синтез. Именно таким образом получают природные антибиотики. По сути, они являются натуральными продуктами ферментации. Для получения необходимых антибиотиков в оптимальных условиях культивируются микробы-продуценты, выделяющие все необходимое в процессе жизнедеятельности.
2. Биосинтез и последующая химическая модификация. Именно таким образом и создаются полусинтетические антибиотики. Сначала получают природный продукт. Затем его первоначальная молекула изменяется посредством химических модификаций. Например, присоединяются определенные радикалы, благодаря чему улучшаются фармакологические и противомикробные характеристики препарата.
3. Химический синтез. Используется для получения синтетических аналогов природных антибиотиков. В качестве примера можно привести хлорамфеникол или левомицетин.

Как микробы получают устойчивость?

Антибиотикорезистентность – это ситуация, когда вредоносные факторы не уничтожаются медицинскими препаратами. Бактерии считаются устойчивыми, если их нельзя обезвредить (условно) безопасной концентрацией препарата в человеческом организме. Резистентность бывает приобретенная и природная. В первом случае проявляется биологическая закономерность, которая связана с адаптацией к условиям внешней среды. Пускай и в разной степени, но она справедлива для всех микроорганизмов и антибиотиков.

Следует отметить, что к медицинским препаратам со временем адаптируются все – от эукариотических форм до вирусов. Этот фактор особенно важен в связи с внутрибольничными инфекциями. У них очень часто наблюдается множественная устойчивость, в медицинской терминологии называемая полирезистентностью. Следует помнить, что это свойство развивается всегда, вопрос только в том, с какой скоростью.

Природная устойчивость заключается в том, что некоторые микробы уже не поддаются влиянию определенных семейств антибиотиков. Это может быть результатом отсутствующей мишени (микоплазмы не обладают клеточной стенкой, поэтому они нечувствительны к препаратам, что действуют на этом уровне) или бактериальной непроницаемости (грамотрицательные микробы могут фильтровать крупномолекулярные соединения). Поэтому, чтобы оценить эффективность используемых средств, применяются методы определения чувствительности бактерий к антибиотикам. Микробиология имеет здесь весьма неплохие наработки.

Как узнать, повлияет ли препарат на вредоносные факторы?

Здесь существуют две крупные группы:

1. Методы разведения. В данном случае используется агар или жидкая питательная среда. Данная группа методов базируется на применении двойных последовательных разведений концентрации антибиотика, когда от максимального идут к минимальному. Например – 100 мкг/мл, 50, 25 и так далее до тех пор, пока тестируемый препарат не перестанет быть эффективным. Его в разных концентрациях вносят в жидкую питательную среду или агар. Затем приходит черед бактериальной суспензии определенной плотности. Ее помещают на поверхность агара или в бульон с антибиотиком. После инкубации в одну ночь при температуре в 35-37 градусов по Цельсию подводят итог. Если микроорганизмы развивались (бульон помутнел или захватили дополнительно часть агара), то это свидетельствует о том, что применяемой концентрации недостаточно. По мере того, как растет концентрация антибиотика, микроорганизмы замедляют рост. Первое наименьшее значение, при котором не фиксируется увеличение их числа, считается порогом. Он называется минимальной подавляющей концентрацией. Измеряется в мг/л или в мкг/г. Это весьма простые способы, которые позволяют узнать чувствительность. М. О. к антибиотикам. В микробиологии эти способы получили широкое распространение.
2. Диффузионные методы. Используются диски с антибиотиками или Е-тесты. Итак, сначала первый вариант. В таком случае размещают агар в чашке Петри. На него наносят бактериальную суспензию определенной плотности. После этого в нее помещают диски, что содержат определенное количество антибиотика. Диффузия приводит к тому, что формируются зоны подавления роста микроорганизмов. Они размещаются около дисков. Затем необходимо обеспечить инкубацию чашек на ночь в термостате, поддерживая температуру в 35-37 градусов тепла по Цельсию. После этого результат изучается посредством измерения диаметра подавленной зоны около диска. Подобным способом проводится и Е-тест. Отличие только в том, что вместо диска используют полоску, содержащую градиент концентрации антибиотика, начиная от максимальной дозы и заканчивая минимальной. В месте, где пересекается эллипсовидная зона подавления роста, и находится значение минимальной подавляющей концентрации. Недостатком данного подхода является высокая стоимость полоски.

Как можно заметить, вторая группа позволяет существенно облегчить и ускорить процесс. Но если нужно быстрое определение чувствительности бактерий к антибиотикам, микробиология предлагает довольно неплохой выбор на любой вкус и средства.

Бактериофаги

Здесь следует сделать небольшое отступление. А именно про антибиотики и бактериофаги в микробиологии. Существенным недостатком первых является то, что они имеют побочные эффекты. Многих ученых интересует, как их минимизировать. Кто-то пробует их усовершенствовать, другие же ищут альтернативу. И одна из них – это бактериофаги. Что интересно, то именно они рассматривались как приоритетное направление в медицине начала двадцатого века. Но после того, как были открыты антибиотики, они отошли даже не на второй, а на третий план.

По сути, это активные и живые вирусы, поражающие бактерии. Как известно, они могут размножаться только с помощью живой клетки. И фаги для этого используют вредоносных микробов. Среди их преимуществ следует упомянуть низкую вероятность развития резистентности. И они не являются изобретенным средством. Эти микроорганизмы считают самой древней формой вирусов. Они весьма широко распространены во внешней среде, в которой активно уничтожают различные бактерии. К тому же они работают с определенным видом, то есть не влияют на иные микроорганизмы. Например, кисломолочные бактерии, которые нужны нам для процесса переваривания пищи. И одновременно фаги весьма эффективны.

Например, на 90% штаммов стафилококков есть свои «охотники». А если помнить, что в безопасности пребывает полезная микрофлора, в отличии от антибиотиков, то это вообще отличный вариант. Бактериофаги не взаимодействуют с другими веществами, они не влияют на процессы, происходящие в организме, поэтому могут быть назначены детям, беременным, людям с больными почками.

Какие есть нюансы?

Механизм действия антибиотиков в микробиологии часто приводит к возникновению аллергической реакции, причем очень часто к возникновению тяжелой формы недуга. На вирусы иммунная система так не реагирует. Но тем не менее бактериофаги являются только условным аналогом для антибиотиков. Прописываются они весьма редко. Это связано с рядом проблем. Например, узкой специализацией лекарства. Еще один существенный минус – это длительность курса. Так, для антибиотиков достаточно и одной недели, а есть и такие, которые принимаются всего три дня. Тогда как лечение бактериофагами требует месяца, да и сам курс разбивается на несколько этапов.

Предотвращение дисбактериоза – это полезное свойство фагов, но в некоторых случаях это существенный минус. Например, некоторые бактериальные инфекции могут развиваться стремительно (особенно у детей), и в этом случае необходима экстренная помощь. В таких случаях еще до получения анализов, врачи прописывают антибиотики широкого спектра действия. И на тот момент, когда становится известен диагноз, лечение уже идет. С бактериофагами сделать так невозможно.

Правила безопасного использования

Применение антибиотиков в медицине и микробиологии позволило добиться поразительных результатов. Но до победы над вредоносными формами жизни еще далеко. Наибольшую опасность представляет развитие антибиотикорезистентности. Предупредить этот процесс практически невозможно. Поэтому необходимо использовать доступные препараты таким образом, чтобы не способствовать развитию и дальнейшему распространению устойчивости. Ведь получение антибиотиков микробиологией скоро не будет успевать за появлением новых штаммов. Как этого добиться? Для этого необходимо применять медицинские препараты исключительно по показаниям и не использовать с профилактической целью. После 10-15 дней терапии нужно менять антибиотик, по возможности используя препарат, обладающий узким спектром действия.

Не лишним будет ограничить их применение в ветеринарии и не использовать как фактор роста. Кстати, методы определения чувствительности к антибиотикам в микробиологии не позволяют узнать, какие будут побочные действия на организм, который лечится с их помощью. Причем влияние может быть не только на человека, но и на микробов, а также на действие иных лекарственных средств. В первую очередь необходимо вспомнить про токсический эффект. Он зависит от препарата, применяемой дозы, способа введения, состояния больного. Увы, но методы определения чувствительности к антибиотикам в микробиологии не могут этого предусмотреть. Узнать это можно только проведя клинические испытания на людях.

Часто осложнения встречаются тогда, когда в качестве мишени выступают структуры или процессы, близкие к имеющимся в клетках макроорганизма. Токсический эффект наибольшее влияние оказывает на детей, беременных и людей, у которых наблюдается нарушение функций почек и печени. Каким образом оно проявляется? Результатом может быть нейротоксическое, нефротоксическое, общетоксическое действие, угнетение кроветворения и ряд других дисфункций организма. Кроме этого, следует упомянуть про дисбактериоз и эндотоксический шок. Так что шутить с ними не нужно.