מלחמה בעמידות לאנטיביוטיקה

תרכובת הפועלת על חלבון בעל תפקיד מפתח עשויה למנוע התפתחות עמידות לאנטיביוטיקה 

מאת גארי סטיקס

הופיע בגליון 24 של כתב העת סיינטיפיק-אמריקן ישראל, אוגוסט ספטמבר 2006

פלויד א' רומסברג קיבל את הדוקטורט שלו מאוניברסיטת קורנל בשנת 1994. נושא המחקר שלו היו מלחי ליתיום של די-אלקיל אמידים. כימאים העוסקים בסינתזה נוהגים להשתמש בתרכובות אלה כדי לעקור פרוטונים מחומרים שונים. רומסברג, שהיה בן של כימאי, בילה את ימיו בהתבוננות כיצד החומרים האלה מגיבים ומה קצב התגובה שלהם. “זה לא שהפרויקט היה כל כך מעניין,” אומר רומסברג, “למען האמת הוא היה די משעמם”.
מיד לאחר סיום התואר הוא שינה כיוון ופנה היישר לפוסט-דוקטורט בתחום שונה באוניברסיטת קליפורניה שבברקלי. שם הוא חילץ מפיו של המנחה שלו לעתיד – הביוכימאי הנודע פטר ג' שולץ – הבטחה כי יוכל להיפרד לשלום מן הכימיה הפיזיקלית ולהתמסר לאימונולוגיה. רומסברג אינו מתחרט על שהחליט בתחילה לחקור משהו בסיסי כל כך ומשעמם, ואומר כי לו פנה מיד אל הביולוגיה היה זה, קרוב לוודאי, צעד מוטעה. מורכבותה של הביולוגיה גורמת לכך שפרויקטים רבים מדי של תלמידי מחקר מסתיימים בתוצאות שטחיות בלבד. “התמזל מזלי ובקורנל יכולתי לעבוד על מערכת קטנה שהיה אפשר לאפיין אותה במלואה. זה היה משהו פתיר שאִפשר לי לעסוק בשאלות יסודיות,” הוא מודה. “אני נוטה תמיד לצמצמם דברים לשאלות הבסיסיות ברמה המולקולרית הכימית ואני חושב שנטייה זו שירתה אותי נאמנה.”
במהלך עבודתו על נוגדנים במעבדתו של שולץ, התעוררה סקרנותו של רומסברג לגבי התהליכים המולקולריים שבבסיס האבולוציה. במעבדתו שלו במכון המחקר סקריפס בלה הויה שבקליפורניה יש היום 19 חוקרים (12 תלמידי מחקר ו- 7 חוקרים בפוסט-דוקטורט). הם מאורגנים בצוותים נפרדים שכל אחד מהם מתמודד עם שאלה שונה הקשורה לאבולוציה. קבוצה אחת משתמשת בלייזרים רבי עוצמה כדי לחקור את האבולוציה של נוגדנים. קבוצה אחרת מקווה לקבוע כיצד יתפקד הדנ”א בנוכחות נוקליאוטיד בלתי טבעי, או אות מלאכותית באלף-בית של הדנ”א, שהחוקרים מוסיפים לקוד הגנטי. המחקר בעל החשיבות המעשית המיידית ביותר, מנסה לבדוק כיצד עוברת האבולוציה לעתים להילוך גבוה. זהו תהליך בסיסי המאפשר לחיידקים לעבור מוטציות במהירות. מידע המאפשר לחסום את התהליך עשוי לספק גישה חדשנית להתגברות על עמידות חיידקים לאנטיביוטיקה.
אות מצוקה
מוטציות גנטיות מקורן בדרך כלל בשגיאות המתרחשות בעת שכפול התא. מוטציות בדרך כלל מזיקות, ולכן במהלך האבולוציה תאים התפתחו כך שיתרחשו מוטציות מועטות ככל האפשר. התאים מצוידים במכונות הגהה מובנות ובציוד תיקון המבטיח מזעור טעויות בעת העתקת הדנ”א. ועם זאת קורה לעתים כי התא יוזם בעצמו תהליך של מוטציה גנטית – תהליך שהוא במהותו אבולוציה מואצת.
מאז 1970 מכירים המדענים תהליך המתרחש בחיידקים, שאותו הם מכנים “תגובת SOS”. תהליך זה מנצל למעשה את המוטציה כדרך של הגנה עצמית. כשחיידקים מצויים במצב של עקה קיצונית, הם מנסים תחילה לנקוט אמצעים שונים כדי לתקן את הנזק. לאחר מכן הם מפעילים גנים שתוצריהם החלבוניים יוצרים מבול של מוטציות, מוטציות המתרחשות בקצב גדול פי 10,000 מזה המתרחש בעת שכפול רגיל של התא. למעשה, התא עובר שינוי זהות מהיר. החיידק אשריכיה קולי (Escherichia coli), למשל, מגיב לנזק הנגרם לו על ידי החומר האנטיביוטי ציפרופלוקסאצין (המכונה בקיצור ציפרו) ועל ידי סוגי אנטיביוטיקה אחרים באמצעות שיגור אות מצוקה, SOS. מקצת המוטציות מונעות מן הציפרופלוקסאצין להיקשר למטרתו, חלבון הקרוי ג'יראז, הדרוש לשכפול דנ”א. אם החיידק לא היה מגן בדרך זו על הג'יראז, האנטיביוטיקה הייתה נקשרת אליו, מעכבת את השכפול הנורמלי של התא החיידקי וגורמת לשברים בדנ”א שהיו מובילים למותו.
בעת שקרא על אודות תגובת ה-SOS שיער רומסברג כי כיבוי המערכת, כלומר הפסקתה של אבולוציית-העל, יוכל למנוע את אשד המוטציות המאפשרות את התפתחות העמידות לאנטיביוטיקה בחיידק א' קולי. בניסויים שפורסמו ביוני 2005 בכתב העת המקוון PLoS Biology, מצאו רומסברג ועמיתיו, ראיין ט' סירז, ג'ודי ק' צ'ין ושותפיהם לעבודה באוניברסיטת ויסקונסין שבמדיסון, כי ציפרופלוקסאצין גרם לתגובת SOS ולעודף מוטציות בא' קולי באמצעות איתות שגרם לקיצוצו של חלבון הנקרא LexA. חלבון זה מדכא את תגובת ה-SOS, וכשהוא נחתך הוא מאפשר לשלושה אנזימים, פולימראזות של דנ”א, להתחיל לייצר מוטציות וכך העמידות מתפתחת במהירות.
החוקרים ייצרו זן של א' קולי שבו אי אפשר לחתוך את LexA ומצאו שתגובת ה-SOS לא התממשה. עכברים שהודבקו בזן זה של א' קולי וטופלו בציפרופלוקסאצין לא פיתחו עמידות לאנטיביוטיקה. קבוצת החוקרים השיגה תוצאות דומות עם סוג אנטיביוטיקה אחר, ריפאמפיצין. כעת הם בודקים אם חסימת הקיצוץ של ה- LexA בא' קולי עשויה למנוע עמידות לסוגי אנטיביוטיקה נוספים. כמו כן הם בודקים אם LexA עלול לערער את יעילות הטיפול התרופתי בחיידקים אחרים. אבל ציפרופלוקסאצין הוא תרופה חשובה כשהיא לעצמה. כמה זנים של החיידק שגורם לדיזנטריה מגפתית, Shigella dysenteriae, פיתחו עמידות בפני כל סוגי האנטיביוטיקה, חוץ מלציפרופלוקסאצין. הדיזנטריה מסוגלת לגרום לתמותה של עשרות אלפי אנשים בארצות מתפתחות.
כשהחלו התוצאות האלה להתקבל לראשונה במעבדתו ב- 2002, ראה רומסברג מיד את האפשרות לפתח תרופה, מולקולה קטנה הניתנת דרך הפה יחד עם האנטיביוטיקה. התרופה תוכל לפעול כמו מתג המפסיק את קיצוץ LexA. רומסברג ושני שותפים לא נתקלו בקשיים רבים בגיוס 15 מיליון דולר לייסודה של חברה בשם Achaogen, (“אכאו” פירושו “נגד כאוס”, את ה”גן” הוסיף אחד השותפים, נד דייויד, כיוון שחברות הכוללות את הסיומת הזו בשמן נוטות לשגשג).
משקיעי הון סיכון נעשו זהירים לגבי השקעות בחברות הזנק (סטרט-אפ) בשלביהן המוקדמים. אבל הם היו פתוחים לגבי גישה חדשנית לעמידות לאנטיביוטיקה. עד כה, רוב הפתרונות לבעיה זו היו קשורים לסוגי אנטיביוטיקה חדשים והחברה אכן בודקת היום כמה כיווני פעולה. אבל, כמו תמיד, תושייתו של חיידק עלולה להפוך עמל קשה ורב לתרגיל בבזבוז זמן. סטיוארט ב' לוי, מומחה לעמידות לאנטיביוטיקה באוניברסיטת טאפט, העיר כי עבודתו של רומסברג סיפקה תובנה חדשה. אבל הוא הוסיף כי השפעתה עלולה להיות מוגבלת. “אנחנו מחפשים תמיד גישות חדשות, בייחוד כאלה הפועלות כנגד עמידות,” הוא אומר. “ממצאים אלה מציעים גישה כזאת, אך היא מתמקדת במוטציות של הכרומוזום כמנגנון ליצירת עמידות, מנגנון שהוא מוגבל בהיקפו.” לוי מוסיף כי סוגים אחרים של עמידות עלולים לצוץ ולהתקיף באופן ישיר את האנטיביוטיקה. החיידקים יכולים להשיג עמידות על ידי העברת גנים מזן אחד של חיידקים למשנהו או אף על ידי העברת גנים בתוך אותו זן.
מכל מקום, רומסברג וחוקריו החליטו להתמקד בחומרים מן הסוג פלואורו-קינולון, שכן העמידות לחומרים אלה מתפתחת רק באמצעות מוטציות של הכרומוזומים (תגובת ה- SOS) ומכיוון שחומרים אלו אמורים, לפי התחזיות, להיות סוג האנטיביוטיקה הנמכר ביותר עד שנת 2011.
תגובת לוואי בלתי צפויה, וגם בלתי רצויה, למאמר שהתפרסם ב- PLoS Biology התקבלה כשקהילה הדוגלת בתכנון תבוני אימצה אל לבה את תוצאות הניסויים כאישור לתמונת העולם הבלתי מקובלת שלה. מבול המוטציות בניסוייו של רומסברג אינו אקראי, טענו חברי הקהילה, אלא פרי תכנון מחושב של החיידק עצמו: “החיים שולטים בגורלם. יצורים חיים אינם משתתפים פסיביים במשחק הגומלין בין אירועים אקראיים לבין לחצים סביבתיים”,כתב מחבר בעל שם העט מייק גֵן באתר האינטרנט idthink.net. ועוד הוא אומר: “עובדת היותה של האבולוציה נתונה לשליטה עצמית כלשהי אינה אלא פיסה של הפסיפס הטלאולוגי (תכנון של הטבע). אולם זוהי פיסה משמעותית, מבחינה זו שהיכולת להסתגל, לפחות לשני סוגי אנטיביוטיקה אלה, היא בשליטה.” רומסברג נמנע מלהשתתף בוויכוח הזה, אולם הוא מבטל כל בסיס לטענות אלו. תגובת ה-SOS, הוא אומר “אינה אומרת דבר לגבי דת. היא מדברת על מידת ההצלחה והיצירתיות של האבולוציה, אבל אין בכך שום קסם, זהו תהליך מכני לגמרי.”
כפי שבחר בנושא שגרתי, לכאורה, לפרויקט המחקר שלו בדוקטורט, רוסמברג אומר שהחליט לחקור את העמידות לאנטיביוטיקה משום שהשלבים בדרך לפיתוח תרופה היו ברורים ופשוטים יחסית: “אם ננצח, נוכל להתמודד בדרך טובה יותר עם רמת המורכבות הבאה.” הרמה הבאה היא מחלת הסרטן, מחלה שגם בה העמידות לתרופות היא בעיה מדאיגה. הן צוות המחקר שלו והן החברה שהקים מתכננים ליצור דרך טיפול משלימה לכימותרפיה שתוכל למנוע מוטציות המובילות לעמידות בפני התרופות לסרטן.
דרכו ההדרגתית של רומסברג, שהחלה מעקירת פרוטונים באמצעות מלחים בסיסיים והתקדמה עד מחלת הסרטן המאתגרת, עלולה להימשך זמן רב יותר משעלול להימשך חיפוש ישיר אחר תרופות. ואולם ההתקדמות מדעית המדודה עשויה להוליך להצלחה בבטחה רבה יותר.
 שימור כוחה של האנטיביוטיקה
מוטציות בזק בחיידקים מסוג אשריכיה קולי עלולות לסכל את יעילותה של התרופה האנטיביוטית ציפרופלוקסאצין (ציפרו), שנעשית ליותר ויותר מקובלת על רופאים.

אופן פעולת הציפרו
האנטיביוטיקה מסוג ציפרו מזיקה לחיידקים, בדרך כלל באמצעות קישור לאנזים בשם ג'יראז ומניעת פעולתו התקינה.

כיצד מתעוררת העמידות
העמידות מתחילה כשחיידק א' קולי מגיב באמצעות ייצור דנ”א חד-גדילי. מולקולות של חלבון אחר,RecA , מסתדרות בשרשרת ונצמדות לדנ”א החד-גדילי. RecA מעודד את קיצוצו של חלבון הבקרה LexA . שינוי זה משחרר מערך שלם של גנים שהיו חסומים קודם לכן, וגנים אלה משרים מוטציות באתרים אחרים. מקצת המוטציות גורמות לעיכוב הקישור של ציפרו לג'יראז, ובכך מונעות מן התרופה לפעול.

פתרון אפשרי
תרופות שייקשרו ל- LexA וימנעו את קיצוצו, כמו התרכובת ההיפותטית X המסומנת כאן, יוכלו להשהות את רצף האירועים המתואר למעלה ובכך להתגבר על העמידות ולהחזיר לאנטיביוטיקה את יעילותה.

ועוד בנושא:

Revenge of the Microbes: How Bacterial Resistance Is Undermining the Antibiotic Miracle. Abigail A. Salyers and Dixie D. Whitt. American Society for Microbiology Press, 2005
Inhibition of Mutation and Combating the Evolution of Antibiotic Resistance. Ryan T. Cirz et al. in PLoS Biology, Vol. 3, No. 6, pages 1024–1033; June 2005
Induction and Inhibition of Ciprofloxacin Resistance-Conferring Mutations in Hypermutator Bacteria. Ryan T. Cirz and Floyd E. Romesberg in Antimicrobial Agents and Chemotherapy, Vol. 50, No. 1, pages 220–225; January 2006