Les bactéries, pas le cancer, les terroristes et les catastrophes ont coûté la vie à un grand nombre de personnes. Yersinia pestis seule (baguette de peste) a causé la mort de 150 millions de personnes. La prise d'antibiotiques est la principale méthode de lutte contre les infections bactériennes. Mais que faire si les médicaments cessent de fonctionner?

Il ne s'agit pas d'une question rhétorique et non introductive pour modéliser une hypothèse, mais d'une situation réelle dans un avenir prévisible dans le contexte d'une augmentation de la résistance bactérienne. L'Organisation mondiale de la santé (OMS) et les services nationaux ont un plan d'action commun, mais aucun État ne dispose d'un algorithme détaillé pour prévenir une pandémie bactérienne.

Nous parlerons des causes de la catastrophe imminente, ainsi que des tentatives pour trouver un moyen de sortir de l'impasse médicale avec l'aide de disciplines connexes - génomique, mathématiques et virologie.

Contre la vie

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Même dans les temps anciens, les médecins traitaient les plaies purulentes à l'aide de pain moisi. Des centaines de potions qui existaient dans l'Égypte ancienne, le pain rassis était l'un des rares remèdes efficaces - un antibiotique de moisissure soulageait l'inflammation.

N'ayant aucune idée de la croissance et du développement des micro-organismes, les Égyptiens ont agi aveuglément. Au Moyen Âge, les médecins oubliaient complètement la pratique réussie et traitaient quelqu'un dans ce que beaucoup, particulièrement friands de saignée.

Seulement à la fin du XIXe siècle. plusieurs chercheurs ont commencé indépendamment à étudier les moisissures du genre Penicillium, ouvrant la voie à l'émergence de la pénicilline. Il est rapidement devenu évident que les substances obtenues à partir du champignon sont actives contre de nombreux micro-organismes pathogènes.

Le bactériologiste britannique Alexander Fleming a annoncé la découverte de la pénicilline le 30 septembre 1928. En 1938, les scientifiques ont isolé la pénicilline pure à Oxford, et déjà en 1941, le médicament était utilisé pour traiter les infections bactériennes. En 1945, Fleming a reçu le prix Nobel pour ses services dans le domaine de la médecine.

L'action des premiers antibiotiques (littéralement du grec «anti» - contre, «bios» - vie) est basée sur la suppression de la synthèse des molécules impliquées dans la construction de la membrane cellulaire externe de la bactérie.


La vidéo montre comment les bactéries (sur le côté gauche de l'écran) explosent littéralement lorsque de la pénicilline est ajoutée - les parois cellulaires amincies par des antibiotiques ne peuvent pas contenir de pression intracellulaire. Heureusement, la structure de la membrane des cellules humaines et animales est différente de celle bactérienne.

Piège d'efficacité

La dose quotidienne d' antibiotiques pour 1 000 personnes, répartie entre les pays avec différents niveaux de revenu.

Le danger potentiel de développer une résistance aux antibiotiques, c'est-à-dire une résistance bactérienne aux antibiotiques, a été souligné par Alexander Fleming lui-même, mais pendant des décennies, la thérapie n'a pas été contrôlée. «L'efficacité capiteuse» est devenue la faute - de nouveaux médicaments ont traité la bronchite, l'otite moyenne, la conjonctivite, les infections cutanées, la pharyngite, la diarrhée et la peste.

Aujourd'hui, les médicaments antibactériens éliminent la gastrite, les maladies sexuellement transmissibles et même certaines tumeurs . Selon les experts de l'OMS, dans les pays développés, les antibiotiques ont ajouté environ 20 ans à l'espérance de vie moyenne d'une personne. Il n'est pas surprenant qu'en Amérique seulement aujourd'hui, environ 17 000 tonnes d'antibiotiques soient produites chaque année.

Il semble que l'humanité se soit fixé pour objectif de vaincre tous les microbes de la Terre, mais la bataille de cette guerre mondiale n'est pas en notre faveur. Les antibiotiques existent depuis moins d'un siècle et les bactéries vivent sur la planète depuis 3 milliards d'années et créent de nouvelles générations toutes les 20 minutes.

En 2014, le projet «Review of Antimicrobial Resistance», créé sous le patronage du Premier ministre britannique David Cameron, a publié des estimations des pertes mondiales dues à la résistance aux antibiotiques après 30 ans: 10 millions de décès par an, c'est plus que le cancer.

Un rapport du Center for Disease Dynamics aux États-Unis a montré des résultats alarmants dans le développement d'une résistance aux médicaments de dernière ligne prescrits en l'absence de réaction à d'autres médicaments. Comme les gens prennent de plus en plus d'antibiotiques de façon incontrôlable, le traitement dans les établissements médicaux perd de leur efficacité.

Les rapports des hôpitaux de toutes les régions du monde, en particulier dans les pays en développement, qui indiquent la survenue d'infections incurables ou presque incurables, sont très préoccupants. Les maladies simples qui étaient facilement traitées avec des médicaments abordables dans le passé deviennent mortelles.

Selon l'OMS, la résistance antibactérienne au XXIe siècle. est l'une des menaces les plus graves pour la santé humaine, la sécurité alimentaire et le développement mondial de la civilisation.

Foyers infectieux

Distribution de Staphylococcus aureus résistant à la méthicilline (Staphylococcusaureus résistant à la méthicilline, SARM) - l'agent causal de maladies complexes, telles que la septicémie et la pneumonie, résistant à la plupart des antibiotiques (en pourcentage).

La durabilité est une réponse naturelle de l'évolution, une tentative de trouver un moyen de sortir de l'impasse, inhérente aux conditions naturelles non seulement pour les micro-organismes. Les mauvaises herbes "apprennent" à survivre sous l'attaque des pesticides, les insectes recherchent un moyen de manger des plantes avec un gène intégré de toxines protéiques, et une personne combat les agents pathogènes avec son esprit - ce processus puissant est associé à l'adaptation de tous les êtres vivants les uns aux autres.

Le problème est que la durée de la génération de bactéries est de plusieurs jours ou heures, et qu'une personne vit pendant des décennies. Nous nous adaptons trop lentement. Même en prenant le contrôle de l'évolution avec l'aide de la science, nous n'avons pas pris en compte le facteur humain dans la distribution des antibiotiques, donc:

• la dose maximale possible est prise sur une longue période;
  
• le médicament n'est pas utilisé aux fins prévues (pour le traitement des infections virales);
  
• l'utilisation massive des mêmes médicaments s'effectue sans réserve.
  

Plus de 50% des antibiotiques dans de nombreux pays sont mal utilisés . Parmi les "coupables", il y a des gens ordinaires qui violent toutes les instructions imaginables et le personnel hospitalier, contrairement aux règles sanitaires, contribue à la propagation des infections entre les patients avec des plaies ouvertes et un système immunitaire affaibli.

Retour au XIXe siècle. dans les hôpitaux, ils ont haché finement les oignons, tuant certaines bactéries dans l'air pollué. Aujourd'hui, les gants, blouses et masques, bien que de protection obligatoire, devraient bénéficier d'un niveau de sécurité "zéro" conditionnel correspondant à la classe d'un établissement médical en Afrique centrale.

Un hôpital moderne peut être équipé de filtres HEPA (High Efficiency Particulate Arrestance) pour la purification de l'air, de systèmes de distribution d'air unidirectionnels, de lampes de désinfection aux ultraviolets, de filtres photocatalytiques avec des agents oxydants naturels.

Les exigences hygiéniques pour la conception, l'équipement et le fonctionnement des hôpitaux, maternités et autres hôpitaux médicaux en Russie sont plutôt modestes , mais sont parfois violées: le personnel n'a pas le temps ou oublie de désinfecter les locaux, bien qu'il suffise d'utiliser une lampe ultraviolette et de l'eau de javel.

Des millions de personnes attrapent de nouvelles infections dans les hôpitaux ou prennent des antibiotiques pour traiter la grippe et le rhume. De plus, l'utilisation de médicaments antibactériens dans l'élevage et l'agriculture se développe.


La consommation mondiale d'antibiotiques chez le bétail (en milligrammes par 10 km²).

En 2018, Roskontrol a découvert des antibiotiques et des agents antimicrobiens dans tous les échantillons de poulet testés.

Aux États-Unis, environ 80% des antibiotiques sont utilisés par les agriculteurs. Il n'est pas surprenant que les antibiotiques soient associés à une fréquence élevée de bactéries résistantes dans la flore intestinale des poulets, des porcs et d'autres animaux destinés à l'alimentation.

Les antibiotiques pénètrent dans la circulation sanguine par un compte-gouttes d'hôpital, sous forme de comprimés, avec un morceau de steak, même à partir d'une miche de pain de seigle fraîche, car les antibiotiques sont utilisés pour lutter contre certaines maladies des plantes, et les médicaments consommés par les animaux pénètrent dans le sol et les plantes avec des excréments et l'urine.

La menace affecte tout le monde - la mondialisation a rendu le monde vulnérable aux pandémies. Les gens meurent de super infections résistantes à tous les antibiotiques disponibles.

Selon un rapport des Centers for Disease Control and Prevention des États-Unis, des millions de personnes en Amérique entrent en contact avec des bactéries résistantes aux antibiotiques chaque année et au moins 23 000 meurent d'infections.

À l'échelle mondiale, le chiffre est étonnant - 700 000 victimes par an .

Modèles mathématiques des épidémies

Pour 1990—2016. 146 modèles ont été créés pour l'analyse des infections causées par les types d'agents pathogènes les plus courants: VIH, grippe, paludisme, SARM, tuberculose (la taille du graphique circulaire est proportionnelle au nombre d'études).

Les mathématiciens et les experts en science des données utilisent des modèles prédictifs spéciaux pour développer de nouveaux algorithmes pour faire face aux maladies infectieuses très létales à propagation rapide.

Il y a quelques années, une équipe étudiante de physiciens de l'Université de Leicester (Angleterre) a proposé l' un de ces modèles pour calculer l'ampleur de l'épidémie de zombies.

Apparemment, il sera difficile de survivre dans l'apocalypse: 100 jours après le déclenchement de l'épidémie, les zombies qui se transforment quotidiennement en morts-vivants avec une probabilité de 90% d'au moins une personne ne pourront pas attraper seulement 300 personnes dans le monde.

La base de cette étude était le véritable modèle épidémiologique du SIR, utilisé depuis 1927 pour décrire la propagation des maladies au sein de la population. S → I → R, où S (t) est sensible, le nombre de sujets sains sensibles (pas encore malades) au temps t, I (t) est infecté, le nombre de patients au temps t, R (t) est récupéré, le nombre de personnes immunisées à la maladie (par exemple, malade) au temps t.

De plus, le paramètre N est parfois utilisé - nombre de personnes, nombre total de personnes couvertes par le modèle: S (t) + I (t) + R (t).


Une épidémie aiguë épuise rapidement le bassin sensible. Les jours sont affichés sur l'axe X et le pourcentage de la population sur l'axe Y, où 1,0 = 100%.

Le modèle divise la population en personnes infectées, infectées et mortes / récupérées. Le SIR prend également en compte la fréquence de propagation et d'extinction lorsque les individus d'une population entrent en contact les uns avec les autres.


Modèle SEIR avec une période d'incubation de 8 jours.

Les chercheurs ont modifié le SIR à plusieurs reprises. Par exemple, le modèle SEIR a reçu le paramètre d'incubation de patients infectés mais pas encore infectieux (population exposée). SEIR aide à modéliser les épidémies de tuberculose, qui sont causées par la bactérie Mycobacteriumtuberculosis.


Dans ce modèle, 17% de la population est constamment infectée.

Le SIS montre que les survivants n'acquièrent pas d'immunité, mais retournent dans le groupe sensible. Parce que les gens restent sensibles après l'infection, la maladie atteint un état stable dans la population.

Heureusement, le calendrier de distribution de la plupart des bactéries résistantes ne peut pas être directement comparé au modèle épidémique des zombies. Dans les modèles de simulation, le plus souvent ne prennent pas en compte le comportement humain, son interaction avec l'environnement et la biologie bactérienne.

Pour créer des calendriers réalistes de la propagation des bactéries résistantes aux antibiotiques, il est nécessaire de prendre en compte des millions de scénarios différents - à distance, le processus est similaire à la météorologie moderne et, en termes de complexité , donnera des chances à de nombreux problèmes mathématiques bien connus.


Simulation de la propagation de bactéries résistantes dans le comté d'Orange, en Californie: carrés - pas de mesures de contrôle spécifiques; lignes noires - mesures de contrôle incohérentes lorsque les valeurs seuils sont atteintes; lignes grises - contrôle coordonné aux valeurs de seuil.

L'illustration ci-dessus est un exemple d'un bon modèle qui calcule la probabilité de propagation de l'infection dans 28 hôpitaux et 74 maisons de soins infirmiers dans un quartier urbain typique. Dans le modèle, toutes les personnes infectées traversent l'écosystème de la santé: elles interagissent avec des médecins, des infirmières, des lits, des chaises et des portes des centaines de millions de fois.

Le modèle montre que sans mesures de contrôle améliorées, y compris des tests réguliers d'immunité contre les infections des patients et une mise en quarantaine pour tous les porteurs, l'infection circulera dans l'écosystème de manière continue - dans presque tous les hôpitaux pendant une décennie.

Lors de la collecte de données pour des modèles d'épidémiologie de la résistance, il ne sera pas superflu de considérer les antiviraux. Le mouvement de vaccination est né peu de temps après la création du premier vaccin contre la variole par le médecin britannique Edward Jenner . En 1885, 62 ans après la mort du chercheur, environ 100 000 manifestants ont défilé avec des bannières anti-vaccination, des cercueils et des peluches de Jenner.

Près d'un siècle et demi s'est écoulé et les choses sont toujours là - les récentes flambées de rougeole de New York à Moscou sont associées à une exacerbation de la campagne anti-vaccination. La rougeole est une maladie virale hautement contagieuse, mais de nombreux vaccins sont créés contre les infections bactériennes.


Carte de l'infection dans un simulateur biologique.

Même les développeurs de jeux se sont joints à la lutte contre la bêtise humaine. Dans le simulateur Plague Inc. le joueur doit infecter le virus et détruire la population de la terre lors d'une pandémie. En 2019, des anti-vaccinateurs ont été ajoutés au jeu. Le résultat est un modèle visuel: le mouvement anti-vaccination accélère la propagation des épidémies dans le monde.

Les mathématiques ne répondent pas à la question de savoir comment résister à une infection qui échappe à la quarantaine. Dans les conditions d'une menace épidémiologique, le développement de nouvelles méthodes de lutte contre les bactéries devient une étape de «dernier espoir» - dans la prochaine partie, nous parlerons des tentatives pour trouver un moyen de sortir de l'impasse bactériologique.