Инкубатор для бактерий: как ученые возрождают индустрию антибиотиков

Биолог Слава Эпштейн (Фото: Alena Kuzub для РБК)

Эксперты Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) тем временем бьют тревогу: болезнетворные микроорганизмы вырабатывают все большую устойчивость к препаратам. Как говорится в докладе, подготовленном экспертами центра RAND Europe и компании KPMG по заказу правительства Великобритании, в 2014 году в мире от инфекций, вызванных устойчивыми к антибиотикам бактериями, умерли 700 тыс. человек, а к 2050-му число таких смертей может достигнуть 10 млн — это больше, чем сейчас умирает от рака (8,2 млн в 2012 году, по данным ВОЗ). В США от устойчивых к препаратам инфекций в год погибают 23 тыс. человек, в Евросоюзе — до 25 тыс., оценивал Центр по контролю и профилактике заболеваний США в 2013 году.

Но шанс на возрождение индустрии антибиотиков есть, объявила в журнале Nature в начале 2015 года группа ученых-биологов во главе с профессорами Северо-Восточного университета в Бостоне Славой Эпштейном и Кимом Льюисом. Амбиции Эпштейна и его коллег — результат успешных испытаний нового метода изучения бактерий, которые и служат основным источником новых антибиотиков.

Ученым удалось решить одну из главных проблем микробиологии: самый популярный метод культивирования микроорганизмов — в чашке Петри — не работает для львиной доли бактерий. В результате большинство из них так и не были выделены и изучены в лабораторных условиях. Исследования заняли около десяти лет, но закончились успешно. По словам Эпштейна, это открывает ученым доступ к 99% микроорганизмов, населяющих планету, — к настоящему времени был изучен только 1%.

Устройство, которое на практике реализует метод профессоров Бостонского университета, получило название iChip. Сегодня оно существует в разных модификациях и позволяет изучать бактерии в почве, морской воде и даже ротовой полости человека. В 2003 году для практической реализации научного открытия Эпштейн и Льюис основали компанию Novobiotic Pharmaceuticals. Веществ, которые могли бы потенциально стать лекарствами, на счету компании уже около 30. Эти антибиотики не дошли до стадии испытаний на людях, но такое количество кандидатов — уже повод для оптимизма. В Nature ученые описали свою главную надежду — антибиотик теиксобактин, который проходит стадию доклинических испытаний на мышах и убивает бактерии туберкулеза, стафилококка и ряд других.

Как ученые разрабатывают антибиотики, есть ли у их деятельности коммерческие перспективы, кто спонсирует исследования в условиях отсутствия внимания «большой фармы» и интересны ли открытия бывших соотечественников российским инвесторам, в интервью журналу РБК рассказал Слава Эпштейн, работающий в США с конца 1980-х годов.

— Почему именно бактерии?

— В середине 1990-х я продолжал заниматься тем же, чем когда-то занимался на Родине в аспирантуре. Это тоже были микроорганизмы, но не конкретно бактерии. Я вообще не микробиолог по образованию — в дипломе у меня было написано «морская биология». Однако по мере изучения микроорганизмов именно бактерии заинтересовали меня больше всего, это база всего живого. Все остальные организмы, будь то коралловые рифы, красивые рыбы или что-то еще, — по сути лишь надстройки над ними. Для себя я решил, что если в мире и есть что-то по-настоящему важное, — это изучение бактерий.

Примерно тогда же, в середине 1990-х, я узнал о проблеме, которая здесь называется Great Plate Count Anomaly (Большая аномалия чашечного подсчета. — РБК). Речь идет о несовершенстве чашки Петри как основного метода изучения бактерий: число колоний, которые они образуют в лабораторных условиях, во много раз меньше числа колоний, которые они образуют в природе. В итоге за 150 лет микробиология изучила, по сути, всего 1% из 100% существующих бактерий. Стандартное пояснение аномалии звучало тривиально: «Да, наши условия в лаборатории не соответствуют потребностям подавляющего большинства организмов». Так в микробиологии возникла своего рода уловка-22, естественное логическое противоречие. Для того чтобы выяснить, почему организм не растет на чашке Петри, нам нужно его сначала каким-то образом синтезировать. А сделать это вне чашки Петри невозможно.

Я начал размышлять над решением проблемы. Каким образом можно вырастить бактерию, не зная ее свойств и потребностей? Чтобы избежать описанной ловушки, я провел мысленный эксперимент. Если вы берете клетку в природе, с почвы, переносите ее в лабораторию, сажаете на чашку Петри, то она начинает расти, и возникает колония — мы это называем культивированием. Теперь представим, что вы взяли ту же самую клетку и везли ее в лабораторию, но на полпути передумали и решили вернуть туда, откуда взяли, в ту же почву. Что произойдет с клеткой при условии, что мы никак ее не повредили? Она начнет так же расти — произойдет тот же самый процесс культивирования. Разница лишь в том, что во втором случае колония будет смешана с другими колониями, следовательно, культивирование не имеет смысла с точки зрения науки.

— То есть вашей задачей стал ответ на вопрос, как разделить колонии в природных условиях?

— Да. Вывод из этого примитивного эксперимента — тот факт, что направление мысли, моей и других ученых, было неправильным. Мы пытались разрешить проблему культивирования. Но разрешать ее было не нужно — она разрешена самой природой, которая предоставляет все, что необходимо. Наша задача была совершенно другой: отделить колонии друг от друга. А эта задача по сути своей инженерная, она не микробиологическая и не научная. Когда вы так ставите вопрос, решение становится очевидным. Перед тем как вернуть клетку в ее естественную среду, вы сажаете ее в мешочек с маленькими дырочками. Дырочки такие маленькие, что не позволяют клетке вылезти из мешочка, а другим клеткам — пролезть в него. Но дырочки позволяют химической диффузии принести внутрь мешочка все питательные элементы, необходимые для развития клетки. Клетка никогда не «узнает», что мы ее культивируем. Она будет «думать», что она в своей природной среде, потому что она и есть в своей природной среде. Все остальные гаджеты и приборы, которые мы создали, — лишь способ претворить нашу идею в реальность, в зависимости от того, где вы хотите выращивать микроорганизмы — в почве, человеческом рту или еще где-то. Идея одна — выращивать клетки в их естественной среде отдельно от других клеток.

Биолог Слава Эпштейн с командой изобрел новый метод выращивания бактерий, благодаря которому начались доклинические испытания 30 новых антибиотиков (Фото: Alena Kuzub для РБК)

— Расскажите подробнее про устройство iChip.

— iChip — это пластиковые пластины, которые содержат большое количество дырочек. В каждую дырочку мы сажаем одну клетку. С двух сторон пластину прикрывают мембраны. Чтобы они плотно прилегали к пластине и удерживали клетки в ячейках, мы пристроили пластиковые стенки. В одном iChip можно вырастить 384 клетки.

Идея iChip, несмотря на видимую простоту, отняла долгие годы. Чтобы очистить концепцию до того уровня, что я описал выше, понадобилось много усилий. В этом мне помогал коллега Ким Льюис, который теперь тоже работает в Северо-Восточном университете. До нашего проекта он никогда не занимался микроорганизмами из природной среды. Его специальность — устойчивость микроорганизмов к антибиотикам. Он-то и направил наши исследования в практическую плоскость. У нас вышло хорошее сочетание знаний и интересов: они мало перекрывали и хорошо дополняли друг друга. Ким донес до меня, насколько остро стоит проблема роста устойчивости бактерий к антибиотикам. Чтобы применить нашу идею для разработки новых препаратов, в 2003 году мы зарегистрировали Novobiotic Pharmaceuticals.

— Почему исследования нельзя было вести в стенах университета?
— После того как идея «как вырастить новые бактерии» была решена в лаборатории, использованием этой идеи на практике стало рутинное ее приложение к разным пробам почвы. Это не то, чем занимается лаборатория. Университет патентует идею. А лицензию на ее применение покупает компания. Именно так было в случае с Novobiotic. Компания в огромных количествах выращивает новые микроорганизмы, пользуясь нашим методом, и смотрит, не годятся ли они для производства антибиотиков.

— Как устроены поиски потенциальных антибиотиков?
— Ничего нового в поисках в нашем случае нет, сам процесс был отлажен много десятков лет назад. У нас есть новая колония новых микроорганизмов. Мы сажаем ее на чашку Петри вместе с другим микроорганизмом. Оба растут. Если первый производит антибиотик, второй погибает. Как только мы видим подобную реакцию, мы понимаем, что новый микроорганизм производит антимикробное вещество, но еще не имеем представления, применимо ли оно на практике. «Претендент» попадает к химикам, которые изучают весь набор веществ микроорганизма, делят его на более простые фракции. Каждая фракция затем сажается на колонию растущего микроорганизма, например кишечной палочки. Если фракция убивает микроорганизм, она делится на еще более простые фракции, и процесс повторяется, очищение происходит до молекулярного уровня. Когда искомое вещество становится известным, мы узнаем его химическую формулу и понимаем, есть ли у нас шанс на разработку нового антибиотика, или мы наткнулись, например, на пенициллин. Надо понимать, что очень маленький процент молекул в итоге доходит до стадии каких бы то ни было испытаний: для этого им необходимо точечно убивать микробы при маленькой концентрации вещества и быть нетоксичными. Молекулы редко проходят это сито, но если они соответствуют всем параметрам, то поступают на стадию испытаний на животных. Например, мыши заражаются туберкулезом, а затем им вводится новая молекула. Здесь есть много подводных камней. Мы изначально даже не знаем, сколько вещества должно поступить в кровь, чтобы не наступило негативных последствий. То есть если мышь умрет от туберкулеза, это еще не означает, что молекула не является антибиотиком: возможно, исследователи просто не смогли правильно ее применить. Оптимизация этого процесса занимает много времени. Если молекула хорошо себя зарекомендовала, она становится кандидатом на испытания на людях. В случае Novobiotic около 30 молекул добрались до стадии доклинических испытаний. Через несколько лет, возможно, некоторые из них ее преодолеют.

Одна из модификаций прибора iChip, созданного Эпштейном и Льюисом. Перфорированные пластины из пластика прикрывают специальные мембраны. В каждом отверстии размещается клетка. Таким образом клетки отделяются друг от друга, но получают все необходимые для развития питательные вещества. (Фото: Alena Kuzub для РБК)

— Фармацевтические компании заинтересовались вашим методом обнаружения новых молекул?
— Наш метод запатентован, и никто, кроме Novobiotic, использовать его на практике в коммерческих целях не может. Хотя эта проблема преодолима — всегда можно выпустить сублицензию. Но дело в том, что 20–25 лет назад все фармацевтические гиганты — Merck, Pfizer и другие — уже занимались открытием антибиотиков из природных микроорганизмов, убедились, что это бесперспективно, и закрыли соответствующие подразделения. Сейчас у них в штате нет микробиологов, которые бы могли взяться за эту работу. Им не нужна лицензия. Они не заинтересованы процессом, а просто сидят и смотрят, что произойдет. Их бизнес не в том, чтобы использовать новый метод для поиска антибиотиков, а в том, чтобы дать это сделать маленьким компаниям. Если маленькая компания ничего не произведет, она уйдет в небытие. Если она найдет что-то интересное и пройдет стадию исследований на людях, гигантам проще купить ее. Такова их бизнес- модель. Открытия в этой области — удел стартапов или лабораторий.

От последних я получаю сотни писем: все они хотят использовать наш метод для собственных нужд. Я со всеми общаюсь, рассказываю, как мы модифицируем метод для разных сред обитания бактерий. Сколько из моих «научных» адресатов в итоге используют iChip, я не знаю. Также он интересен сельскохозяйственным компаниям, которым нужны новые микроорганизмы, способные улучшить продуктивность растений на полях. Эти проекты тоже находятся в некоммерческой плоскости.

— Когда вы привлекаете гранты, обсуждаются ли перспективы коммерциализации работы Novobiotic?
— Разговоры такие ведутся, и их много. Бюджет Novobiotic — $3 млн в год. 80% этих денег — гранты федерального правительства и частных фондов. Например, Фонд Билла и Мелинды Гейтс выделил нам несколько миллионов долларов — они заинтересованы в исследованиях теиксобактина и других молекул, которые эффективно убивают туберкулез. Деньги идут, причем правительство финансирует нас настолько хорошо, что частные доноры нам в принципе сегодня не нужны.

Если молекула доходит до стадии испытаний на людях, то их первая фаза не безумно дорога, Novobiotic может ее себе позволить. Начиная со второй стадии (и особенно с третьей), испытания стоят сотни миллионов долларов. Если мы туда доберемся, то, скорее всего, найдем партнера — большую компанию, которая заплатит за исследования и получит процент в будущей прибыли. Нам, соответственно, тоже достанется своя доля. Это обычный путь. Есть и другие варианты — например, большая компания просто покупает маленькую, приобретая интеллектуальную собственность.

— Вам еще предложений о продаже не делали?
— На нас, конечно, смотрят, но лишь как на один из перспективных проектов.

— Есть ли у вас конкуренты, учитывая эксклюзивность вашего метода? Или в таких категориях вы пока не мыслите?
— Есть ли компании, которые используют наш метод, мне достоверно не известно. Вряд ли они бы нам рассказали. Несколько компаний официально запросили у нас технологию, чтобы провести эксперименты в незначительных масштабах, просто чтобы понять, интересно ли им это. Разработки лекарств они пока не ведут. Зато этим занимаются университеты, с которыми у нас много партнерских программ.

Большой проект начинается в Англии, не менее большой уже идет в Китае, где мы надеемся выйти на темпы изучения микроорганизмов в десятки раз быстрее, чем в США. Пока это сугубо академическая работа, и лицензирования их деятельности не требуется. Но их цель — тоже получение молекул. И если антибиотики будут обнаружены и начнут использоваться компаниями, в дело вступят юристы, чтобы обсуждать коммерческий потенциал открытий. Промышленного применения нашего метода пока нет. Во всяком случае, я об этом не слышал.

— Из России на вас никто не выходил, учитывая ваши корни?
— Нет, никогда и никто. Я слышал про «Сколково» и другие проекты, но никаких контактов не было.