Bakterien, nicht Krebs, Terroristen und Katastrophen forderten das Leben einer großen Anzahl von Menschen. Allein Yersinia pestis (Peststab) führte zum Tod von 150 Millionen Menschen. Die Einnahme von Antibiotika ist die Hauptmethode zur Bekämpfung von bakteriellen Infektionen. Aber was ist, wenn die Medikamente nicht mehr wirken?

Dies ist keine rhetorische und keine einleitende Frage zur Modellierung einer Hypothese, sondern eine reale Situation in absehbarer Zukunft vor dem Hintergrund einer Zunahme der Bakterienresistenz. Die Weltgesundheitsorganisation (WHO) und die nationalen Dienste haben einen gemeinsamen Aktionsplan, aber kein Staat verfügt über einen detaillierten Algorithmus zur Verhinderung einer bakteriellen Pandemie.

Wir werden über die Ursachen der bevorstehenden Katastrophe sowie über Versuche sprechen, mit Hilfe verwandter Disziplinen - Genomik, Mathematik und Virologie - einen Ausweg aus der medizinischen Sackgasse zu finden.

Gegen das Leben

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Schon in der Antike behandelten Ärzte eitrige Wunden mit Hilfe von Schimmelbrot. Von den Hunderten von Tränken, die es im alten Ägypten gab, war abgestandenes Brot eines der wenigen wirksamen Mittel - ein Antibiotikum aus Schimmel linderte Entzündungen.

Die Ägypter hatten keine Ahnung vom Wachstum und der Entwicklung von Mikroorganismen und handelten blind. Im Mittelalter vergaßen die Ärzte die erfolgreiche Praxis völlig und behandelten jemanden sehr, besonders gern Blutvergießen.

Erst am Ende des 19. Jahrhunderts. Mehrere Forscher begannen unabhängig voneinander, Schimmelpilze der Gattung Penicillium zu untersuchen, um den Weg für die Entstehung von Penicillin zu ebnen. Es wurde schnell klar, dass die aus dem Pilz gewonnenen Substanzen gegen viele pathogene Mikroorganismen wirksam sind.

Der britische Bakteriologe Alexander Fleming kündigte am 30. September 1928 die Entdeckung von Penicillin an. 1938 isolierten Wissenschaftler in Oxford reines Penicillin, und bereits 1941 wurde das Medikament zur Behandlung von bakteriellen Infektionen eingesetzt. 1945 erhielt Fleming den Nobelpreis für seine Verdienste um die Medizin.

Die Wirkung der ersten Antibiotika (wörtlich aus dem griechischen "Anti" - gegen "Bios" - Leben) basiert auf der Unterdrückung der Synthese von Molekülen, die am Aufbau der äußeren Zellmembran des Bakteriums beteiligt sind.


Das Video zeigt, wie Bakterien (auf der linken Seite des Bildschirms) buchstäblich explodieren, wenn Penicillin hinzugefügt wird - mit Antibiotika verdünnte Zellwände können keinen intrazellulären Druck enthalten. Glücklicherweise unterscheidet sich die Struktur der Membran menschlicher und tierischer Zellen von der bakteriellen.

Effizienzfalle

Die tägliche Antibiotikadosis pro 1000 Menschen, verteilt auf Länder mit unterschiedlichen Einkommensniveaus.

Alexander Fleming selbst wies auf die potenzielle Gefahr der Entwicklung einer Antibiotikaresistenz, dh einer bakteriellen Antibiotikaresistenz, hin, doch seit Jahrzehnten ist die Therapie unkontrolliert. Die „berauschende Wirksamkeit“ wurde zum Fehler - neue Medikamente behandelten Bronchitis, Mittelohrentzündung, Bindehautentzündung, Hautinfektionen, Pharyngitis, Durchfall und Pest.

Heute besiegen antibakterielle Medikamente Gastritis, sexuell übertragbare Krankheiten und sogar einige Tumoren . Laut Experten der WHO haben Antibiotika in Industrieländern die durchschnittliche Lebenserwartung einer Person um etwa 20 Jahre erhöht. Es ist nicht verwunderlich, dass allein in Amerika heute jährlich etwa 17.000 Tonnen Antibiotika hergestellt werden.

Es scheint, dass sich die Menschheit das Ziel gesetzt hat, alle Mikroben auf der Erde zu besiegen, aber der Kampf in diesem Weltkrieg ist nicht zu unseren Gunsten. Antibiotika gibt es seit weniger als einem Jahrhundert, und Bakterien leben seit 3 ​​Milliarden Jahren auf dem Planeten und bilden alle 20 Minuten neue Generationen.

Im Jahr 2014 veröffentlichte das Projekt „Review of Antimicrobial Resistance“, das unter der Schirmherrschaft des britischen Premierministers David Cameron ins Leben gerufen wurde, Schätzungen der weltweiten Verluste durch Antibiotikaresistenz nach 30 Jahren: 10 Millionen Todesfälle pro Jahr sind mehr als Krebs.

Ein Bericht des Center for Disease Dynamics in den USA zeigte alarmierende Ergebnisse bei der Entwicklung einer Resistenz gegen Medikamente der letzten Wahl, die ohne Reaktion auf andere Medikamente verschrieben wurden. Da Menschen zunehmend unkontrolliert Antibiotika einnehmen, verliert die Behandlung in medizinischen Einrichtungen ihre Wirksamkeit.

Die Berichte von Krankenhäusern in allen Regionen der Welt, insbesondere in Entwicklungsländern, die auf das Auftreten unheilbarer oder fast unheilbarer Infektionen hinweisen, sind sehr besorgniserregend. Einfache Krankheiten, die in der Vergangenheit leicht mit erschwinglichen Medikamenten behandelt werden konnten, werden tödlich.

Nach Angaben der WHO antibakterielle Resistenz im 21. Jahrhundert. ist eine der schwerwiegendsten Bedrohungen für die menschliche Gesundheit, die Ernährungssicherheit und die globale Entwicklung der Zivilisation.

Infektionsherde

Verteilung von Methicillin-resistentem Staphylococcus aureus (Methicillin-resistenter Staphylococcusaureus, MRSA) - dem Erreger komplexer Krankheiten wie Sepsis und Lungenentzündung, die gegen die meisten Antibiotika resistent sind (in Prozent).

Nachhaltigkeit ist eine natürliche Reaktion der Evolution, ein Versuch, einen Ausweg aus der Sackgasse zu finden, die natürlichen Bedingungen nicht nur für Mikroorganismen innewohnt. Unkräuter "lernen", unter dem Angriff von Pestiziden zu überleben, Insekten suchen nach einer Möglichkeit, Pflanzen mit einem eingebauten Gen von Proteintoxinen zu fressen, und eine Person bekämpft Krankheitserreger mit ihrem Verstand - dieser kraftvolle Prozess ist mit der Anpassung aller Lebewesen aneinander verbunden.

Das Problem ist, dass die Länge der Bakterienbildung mehrere Tage oder Stunden beträgt und eine Person jahrzehntelang lebt. Wir passen uns zu langsam an. Selbst wenn wir mit Hilfe der Wissenschaft die Kontrolle über den Verlauf der Evolution übernommen haben, haben wir den menschlichen Faktor bei der Verteilung von Antibiotika nicht berücksichtigt.

• Die maximal mögliche Dosis wird über einen langen Zeitraum eingenommen.
  
• Das Medikament wird nicht für den vorgesehenen Zweck (zur Behandlung von Virusinfektionen) verwendet.
  
• Der massive Konsum derselben Medikamente erfolgt ohne Vorbehalt.
  

Mehr als 50% der Antibiotika in vielen Ländern werden unsachgemäß eingesetzt. Zu den "Schuldigen" zählen normale Menschen, die gegen alle denkbaren Anweisungen verstoßen, und das Krankenhauspersonal trägt entgegen den Hygienevorschriften zur Ausbreitung von Infektionen zwischen Patienten mit offenen Wunden und einem geschwächten Immunsystem bei.

Zurück im 19. Jahrhundert. In Krankenhäusern hackten sie Zwiebeln fein und töteten einige Bakterien in verschmutzter Luft. Heutzutage sollten Handschuhe, Roben und Masken, obwohl obligatorisch geschützt, ein bedingtes Sicherheitsniveau von „Null“ erhalten, das der Klasse einer medizinischen Einrichtung in Zentralafrika entspricht.

Ein modernes Krankenhaus kann mit HEPA-Filtern (High Efficiency Particulate Arrestance) zur Luftreinigung, unidirektionalen Luftverteilungssystemen, UV-Desinfektionslampen und photokatalytischen Filtern mit natürlichen Oxidationsmitteln ausgestattet werden.

Die hygienischen Anforderungen für die Planung, Ausstattung und den Betrieb von Krankenhäusern, Entbindungskliniken und anderen medizinischen Krankenhäusern in Russland sind eher bescheiden , werden aber manchmal immer noch verletzt: Das Personal hat keine Zeit oder vergisst, die Räumlichkeiten zu sanieren, obwohl es ausreicht, eine UV-Lampe und Bleichmittel zu verwenden.

Millionen von Menschen erkranken in Krankenhäusern an neuen Infektionen oder nehmen Antibiotika zur Behandlung der Grippe und der Erkältung. Darüber hinaus nimmt der Einsatz antibakterieller Arzneimittel in der Tierhaltung und in der Landwirtschaft zu.


Der weltweite Verbrauch von Antibiotika bei Nutztieren (in Milligramm pro 10 km²).

Im Jahr 2018 entdeckte Roskontrol in allen getesteten Hühnerproben Antibiotika und antimikrobielle Mittel.

In den Vereinigten Staaten werden ungefähr 80% der Antibiotika von Landwirten verwendet. Es ist nicht überraschend, dass Antibiotika mit einer hohen Häufigkeit resistenter Bakterien in der Darmflora von Hühnern, Schweinen und anderen Futtertieren assoziiert sind.

Antibiotika gelangen in Tablettenform zusammen mit einem Stück Steak in Tablettenform in den Blutkreislauf, selbst aus einem frischen Roggenbrot, da Antibiotika zur Bekämpfung einiger Pflanzenkrankheiten eingesetzt werden und die von Tieren konsumierten Medikamente mit Kot und Pflanzen in den Boden und in die Pflanzen gelangen Urin.

Die Bedrohung betrifft alle - die Globalisierung hat die Welt für Pandemien anfällig gemacht. Menschen sterben an Superinfektionen, die gegen alle verfügbaren Antibiotika resistent sind.

Laut einem Bericht der US-amerikanischen Zentren für die Kontrolle und Prävention von Krankheiten kommen jedes Jahr Millionen von Menschen in Amerika mit antibiotikaresistenten Bakterien in Kontakt, und mindestens 23.000 sterben an Infektionen.

Auf globaler Ebene ist die Zahl erstaunlich - 700.000 Opfer pro Jahr .

Mathematische Modelle von Epidemien

Für 1990-2016. 146 Modelle wurden für die Analyse von Infektionen erstellt, die durch die häufigsten Arten von Krankheitserregern verursacht werden: HIV, Influenza, Malaria, MRSA, Tuberkulose (die Größe des Kreisdiagramms ist proportional zur Anzahl der Studien).

Mathematiker und Data Science-Experten verwenden spezielle Vorhersagemodelle, um neue Algorithmen für hochtödliche, sich schnell ausbreitende Infektionskrankheiten zu entwickeln.

Vor einigen Jahren schlug ein Studententeam von Physikern an der Leicester University (England) eines dieser Modelle vor, um das Ausmaß der Zombie-Epidemie zu berechnen.

Anscheinend wird es problematisch sein, in der Apokalypse zu überleben: 100 Tage nach Ausbruch der Epidemie können Zombies, die sich täglich mit einer Wahrscheinlichkeit von 90% von mindestens einer Person in Untote verwandeln, nicht nur 300 Menschen auf der ganzen Welt fangen.

Grundlage dieser Studie war das reale epidemiologische Modell von SIR, das seit 1927 zur Beschreibung der Ausbreitung von Krankheiten in der Bevölkerung verwendet wurde. S → I → R, wobei S (t) anfällig ist, die Anzahl der anfälligen gesunden (noch nicht kranken) zum Zeitpunkt t, I (t) infiziert ist, die Anzahl der Patienten zum Zeitpunkt t, R (t) wiederhergestellt ist, die Anzahl der Immunzellen auf die Krankheit (zum Beispiel krank) zum Zeitpunkt t.

Manchmal wird auch der Parameter N verwendet - Anzahl der Personen, die Gesamtzahl der vom Modell abgedeckten Personen: S (t) + I (t) + R (t).


Ein scharfer Ausbruch erschöpft schnell den anfälligen Pool. Die Tage werden auf der X-Achse und der Prozentsatz der Bevölkerung auf der Y-Achse angezeigt, wobei 1,0 = 100%.

Das Modell unterteilt die Bevölkerung in infizierte, infizierte und tote / geborgene. SIR berücksichtigt auch die Häufigkeit der Ausbreitung und des Aussterbens, wenn Personen in einer Population miteinander in Kontakt kommen.


SEIR- Modell mit einer Inkubationszeit von 8 Tagen.

Die Forscher haben SIR viele Male modifiziert. Beispielsweise erhielt das SEIR-Modell den Inkubationsparameter infizierter, aber noch nicht infektiöser Patienten (exponierte Population). SEIR hilft bei der Modellierung von Tuberkulose-Ausbrüchen, die durch das Bakterium Mycobacteriumtuberculosis verursacht werden.


In diesem Modell sind 17% der Bevölkerung ständig infiziert.

SIS zeigt, dass die Überlebenden keine Immunität erwerben, sondern zur anfälligen Gruppe zurückkehren. Da Menschen nach einer Infektion anfällig bleiben, erreicht die Krankheit in der Bevölkerung einen stabilen Zustand.

Glücklicherweise kann der Verteilungsplan für die meisten resistenten Bakterien nicht direkt mit dem Zombie-Epidemiemodell verglichen werden. Berücksichtigen Sie in Simulationsmodellen meist nicht das menschliche Verhalten, seine Wechselwirkung mit der Umwelt und die Bakterienbiologie.

Um realistische Zeitpläne für die Ausbreitung von Bakterien zu erstellen, die gegen Antibiotika resistent sind, müssen Millionen verschiedener Szenarien berücksichtigt werden. Aus der Ferne ähnelt der Prozess der modernen Meteorologie und bietet hinsichtlich der Komplexität Chancen für viele bekannte mathematische Probleme.


Simulation der Ausbreitung resistenter Bakterien in Orange County, Kalifornien: Quadrate - keine spezifischen Kontrollmaßnahmen; schwarze Linien - inkonsistente Kontrollmaßnahmen bei Erreichen von Schwellenwerten; graue Linien - koordinierte Steuerung bei Schwellenwerten.

Die obige Abbildung ist ein Beispiel für ein gutes Modell , das die Wahrscheinlichkeit einer Ausbreitung der Infektion auf 28 Krankenhäuser und 74 Pflegeheime in einem typischen Stadtteil berechnet. In dem Modell bewegen sich alle infizierten Menschen durch das Ökosystem des Gesundheitswesens: Sie interagieren hunderte Millionen Mal mit Ärzten, Krankenschwestern, Betten, Stühlen und Türen.

Das Modell zeigt, dass ohne verstärkte Kontrollmaßnahmen, einschließlich regelmäßiger Tests von Patienten auf Infektionsimmunität und Quarantäne für alle Träger, die Infektion kontinuierlich im Ökosystem zirkulieren wird - in fast jedem Krankenhaus für ein Jahrzehnt.

Bei der Erfassung von Daten für Modelle in der Epidemiologie der Resistenz ist es nicht überflüssig, antivirale Medikamente zu berücksichtigen. Die Impfbewegung entstand kurz nach der Schaffung des ersten Pockenimpfstoffs durch den britischen Arzt Edward Jenner . Im Jahr 1885, 62 Jahre nach dem Tod des Forschers, marschierten etwa 100.000 Demonstranten mit Impfschutzbannern, Baby-Särgen und Jenners Stofftieren.

Fast anderthalb Jahrhunderte sind vergangen, und die Dinge sind immer noch da - die jüngsten Masernausbrüche von New York nach Moskau sind mit einer Verschärfung der Impfkampagne verbunden. Masern sind eine hoch ansteckende Viruserkrankung, aber viele Impfstoffe werden gegen bakterielle Infektionen entwickelt.


Karte der Infektion in einem biologischen Simulator .

Sogar Spieleentwickler haben sich dem Kampf gegen die menschliche Dummheit angeschlossen. Im Simulator Plague Inc. Der Spieler muss das Virus infizieren und die Bevölkerung der Erde bei einer Pandemie zerstören. Im Jahr 2019 wurden dem Spiel Anti-Impfstoffe hinzugefügt. Das Ergebnis war ein visuelles Modell: Die Anti-Impf-Bewegung beschleunigt die Ausbreitung von Epidemien auf der ganzen Welt.

Die Mathematik beantwortet nicht die Frage, wie man einer aus der Quarantäne entkommenden Infektion widerstehen kann. Unter den Bedingungen einer epidemiologischen Bedrohung wird die Entwicklung neuer Methoden zur Bekämpfung von Bakterien zu einem Schritt der „letzten Hoffnung“ - im nächsten Teil werden wir über Versuche sprechen, einen Ausweg aus der bakteriologischen Sackgasse zu finden.