Bakteri, bukan kanker, teroris, dan bencana merenggut nyawa banyak orang. Yersinia pestis saja (wabah tongkat) mengakibatkan kematian 150 juta orang. Mengambil antibiotik adalah metode utama untuk memerangi infeksi bakteri. Tetapi bagaimana jika obat-obatan berhenti bekerja?

Ini bukan pertanyaan retoris dan bukan pertanyaan pendahuluan untuk memodelkan hipotesis, tetapi situasi nyata di masa mendatang dengan latar belakang peningkatan resistensi bakteri. Organisasi Kesehatan Dunia (WHO) dan layanan nasional memiliki rencana aksi bersama, tetapi tidak ada negara bagian yang memiliki algoritma terperinci untuk mencegah pandemi bakteri.

Kami akan berbicara tentang penyebab bencana yang akan datang, serta tentang upaya untuk menemukan jalan keluar dari kebuntuan medis dengan bantuan disiplin ilmu terkait - genomik, matematika dan virologi.

Melawan kehidupan

( c )

Bahkan di zaman kuno, dokter mengobati luka bernanah dengan bantuan roti berjamur. Dari ratusan ramuan yang ada di Mesir kuno, roti basi adalah salah satu dari beberapa obat yang efektif - antibiotik dari jamur memang meredakan peradangan.

Karena tidak tahu tentang pertumbuhan dan perkembangan mikroorganisme, orang Mesir bertindak secara membabi buta. Pada Abad Pertengahan, dokter benar-benar lupa tentang praktik yang sukses dan memperlakukan seseorang dengan cara yang luar biasa, terutama yang menyukai pertumpahan darah.

Hanya pada akhir abad XIX. beberapa peneliti secara mandiri mulai mempelajari cetakan dari genus Penicillium, membuka jalan bagi munculnya penisilin. Segera menjadi jelas bahwa zat yang diperoleh dari jamur aktif melawan banyak mikroorganisme patogen.

Bakteriolog Inggris Alexander Fleming mengumumkan penemuan penisilin pada 30 September 1928. Pada 1938, para ilmuwan mengisolasi penisilin murni di Oxford, dan sudah pada 1941 obat itu digunakan untuk mengobati infeksi bakteri. Pada 1945, Fleming menerima Hadiah Nobel untuk jasanya di bidang kedokteran.

Tindakan antibiotik pertama (secara harfiah dari bahasa Yunani "anti" - terhadap, "bios" - hidup) didasarkan pada penindasan sintesis molekul yang terlibat dalam pembangunan membran sel luar bakteri.


Video ini menunjukkan bagaimana bakteri (di sisi kiri layar) benar-benar meledak ketika penisilin ditambahkan - dinding sel yang menipis antibiotik tidak dapat mengandung tekanan intraseluler. Untungnya, struktur membran sel manusia dan hewan berbeda dari yang bakteri.

Perangkap efisiensi

Dosis harian antibiotik per seribu orang, didistribusikan di berbagai negara dengan tingkat pendapatan yang berbeda.

Bahaya potensial dari mengembangkan resistensi antibiotik, yaitu resistensi bakteri terhadap antibiotik, ditunjukkan oleh Alexander Fleming sendiri, tetapi selama beberapa dekade terapi ini tidak terkendali. "Kemanjuran memabukkan" menjadi kesalahan - obat baru yang mengobati bronkitis, otitis media, konjungtivitis, infeksi kulit, faringitis, diare, dan wabah.

Saat ini, obat-obatan antibakteri mengalahkan gastritis, penyakit menular seksual dan bahkan beberapa tumor . Menurut para ahli WHO, di negara maju, antibiotik telah menambahkan sekitar 20 tahun untuk rata-rata harapan hidup seseorang. Tidak mengherankan bahwa di Amerika sendiri saat ini sekitar 17 ribu ton antibiotik diproduksi setiap tahun.

Tampaknya umat manusia telah menetapkan tujuan untuk mengalahkan semua mikroba di Bumi, tetapi pertempuran dalam perang dunia ini tidak menguntungkan kita. Antibiotik telah ada selama kurang dari satu abad, dan bakteri telah hidup di planet ini selama 3 miliar tahun, dan menciptakan generasi baru setiap 20 menit.

Pada 2014, proyek "Tinjauan Resistensi Antimikroba", yang dibuat di bawah perlindungan Perdana Menteri Inggris David Cameron, menerbitkan perkiraan kerugian global akibat resistensi antibiotik setelah 30 tahun: 10 juta kematian setiap tahun lebih dari kanker.

Sebuah laporan oleh Center for Disease Dynamics di Amerika Serikat menunjukkan hasil yang mengkhawatirkan dalam pengembangan resistensi terhadap obat lini terakhir yang diresepkan dengan tidak adanya reaksi terhadap obat lain. Karena orang semakin sering menggunakan antibiotik secara tidak terkendali, perawatan di fasilitas medis kehilangan efektivitasnya.

Laporan dari rumah sakit di semua wilayah di dunia, terutama di negara-negara berkembang, yang menunjukkan terjadinya infeksi yang tidak dapat disembuhkan atau hampir tidak dapat disembuhkan, sangat mengkhawatirkan. Penyakit sederhana yang mudah diobati dengan obat yang terjangkau di masa lalu menjadi fatal.

Menurut WHO, resistensi antibakteri pada abad XXI. adalah salah satu ancaman paling serius terhadap kesehatan manusia, keamanan pangan, dan perkembangan peradaban global.

Fokus infeksi

Distribusi Staphylococcus aureus yang resisten methicillin (Staphylococcusaureus, MRSA) yang resisten methicillin, agen penyebab penyakit kompleks, seperti sepsis dan pneumonia, resisten terhadap sebagian besar antibiotik (dalam persen).

Keberlanjutan adalah respon alami dari evolusi, upaya untuk menemukan jalan keluar dari kebuntuan, yang melekat dalam kondisi alam tidak hanya untuk mikroorganisme. Gulma "belajar" untuk bertahan hidup di bawah serangan pestisida, serangga mencari cara untuk memakan tanaman dengan gen racun protein bawaan, dan seseorang melawan patogen dengan pikirannya - proses yang kuat ini dikaitkan dengan adaptasi semua makhluk hidup satu sama lain.

Masalahnya adalah panjangnya generasi bakteri adalah beberapa hari atau jam, dan seseorang hidup selama beberapa dekade. Kami beradaptasi terlalu lambat. Bahkan mengambil kendali atas evolusi dengan bantuan sains, kami tidak memperhitungkan faktor manusia dalam distribusi antibiotik, oleh karena itu:

• dosis maksimum yang mungkin diminum dalam jangka waktu lama;
  
• obat ini tidak digunakan untuk tujuan yang dimaksudkan (untuk pengobatan infeksi virus);
  
• penggunaan besar-besaran dari obat yang sama dilakukan tanpa membuat cadangan.
  

Lebih dari 50% antibiotik di banyak negara digunakan secara tidak benar. Di antara "biang keladinya" adalah orang-orang biasa yang melanggar semua instruksi yang mungkin, dan staf rumah sakit, bertentangan dengan aturan sanitasi, berkontribusi pada penyebaran infeksi antara pasien dengan luka terbuka dan sistem kekebalan yang melemah.

Kembali pada abad XIX. di rumah sakit, mereka memotong bawang dengan halus, membunuh beberapa bakteri di udara yang tercemar. Hari ini, sarung tangan, gaun dan topeng, meskipun perlindungan wajib, harus diberikan tingkat keamanan "nol" bersyarat yang sesuai dengan kelas institusi medis di Afrika Tengah.

Rumah sakit modern dapat dilengkapi dengan filter HEPA (High Efficiency Particulate Arrestance) untuk pemurnian udara, sistem distribusi udara searah, lampu desinfeksi ultraviolet, filter fotokatalitik dengan agen pengoksidasi alami.

Persyaratan higienis untuk desain, peralatan, dan operasi rumah sakit, rumah sakit bersalin, dan rumah sakit medis lainnya di Rusia agak sederhana , tetapi kadang-kadang masih dilanggar: staf tidak punya waktu atau lupa membersihkan tempat, meskipun cukup menggunakan lampu ultraviolet dan pemutih.

Jutaan orang terkena infeksi baru di rumah sakit atau menggunakan antibiotik untuk mengobati flu dan flu biasa. Selain itu, penggunaan obat antibakteri pada ternak dan pertanian semakin meningkat.


Konsumsi global antibiotik pada ternak (dalam miligram per 10 km²).

Pada tahun 2018, Roskontrol menemukan antibiotik dan agen antimikroba di semua sampel ayam yang diuji.

Di Amerika Serikat, sekitar 80% antibiotik digunakan oleh petani. Tidak mengherankan bahwa antibiotik dikaitkan dengan frekuensi tinggi bakteri resisten dalam flora usus ayam, babi dan hewan makanan lainnya.

Antibiotik memasuki aliran darah melalui pipet rumah sakit, dalam bentuk tablet, bersama dengan sepotong steak, bahkan dari sepotong roti gandum, karena antibiotik digunakan untuk memerangi beberapa penyakit tanaman, dan obat-obatan yang dikonsumsi oleh hewan masuk ke tanah dan tanaman dengan kotoran dan urin.

Ancaman memengaruhi semua orang - globalisasi telah membuat dunia rentan terhadap pandemi. Orang mati karena infeksi super yang kebal terhadap semua antibiotik yang tersedia.

Menurut sebuah laporan oleh Pusat Pengendalian dan Pencegahan Penyakit AS, jutaan orang di Amerika melakukan kontak dengan bakteri yang kebal antibiotik setiap tahun dan setidaknya 23.000 meninggal akibat infeksi.

Dalam skala global, angkanya luar biasa - 700 ribu korban setiap tahun .

Model matematika epidemi

Untuk 1990-2016. 146 model diciptakan untuk analisis infeksi yang disebabkan oleh jenis patogen yang paling umum: HIV, influenza, malaria, MRSA, tuberkulosis (ukuran diagram pai sebanding dengan jumlah penelitian).

Matematikawan dan pakar Ilmu Data menggunakan model prediksi khusus untuk mengembangkan algoritma baru untuk menangani penyakit menular yang sangat mematikan.

Beberapa tahun yang lalu, tim mahasiswa ahli fisika di Leicester University (Inggris) mengusulkan salah satu model ini untuk menghitung skala epidemi zombie.

Tampaknya, itu akan bermasalah untuk bertahan hidup dalam kiamat: 100 hari setelah wabah, zombie yang berubah menjadi mayat hidup setiap hari dengan probabilitas 90% dari setidaknya satu orang tidak akan dapat menangkap hanya 300 orang di seluruh dunia.

Dasar dari penelitian ini adalah model epidemiologi SIR yang sebenarnya, sejak 1927 digunakan untuk menggambarkan penyebaran penyakit di antara populasi. S → I → R, di mana S (t) rentan, jumlah yang rentan sehat (belum sakit) pada waktu t, I (t) terinfeksi, jumlah pasien pada waktu t, R (t) pulih, jumlah kekebalan tubuh untuk penyakit (misalnya, sakit) pada waktu t.

Juga, parameter N kadang-kadang digunakan - jumlah orang, jumlah total orang yang dicakup oleh model: S (t) + I (t) + R (t).


Wabah yang tajam dengan cepat menghabiskan kolam yang rentan. Hari-hari ditunjukkan pada sumbu X, dan persentase populasi pada sumbu Y, di mana 1,0 = 100%.

Model membagi populasi menjadi terinfeksi, terinfeksi, dan mati / pulih. SIR juga memperhitungkan frekuensi penyebaran dan kepunahan ketika individu-individu dalam suatu populasi bersentuhan satu sama lain.


Model SEIR dengan masa inkubasi 8 hari.

Peneliti memodifikasi SIR berkali-kali. Sebagai contoh, model SEIR menerima parameter inkubasi pasien yang terinfeksi tetapi belum menular (populasi terpapar). SEIR membantu memodelkan wabah tuberkulosis, yang disebabkan oleh bakteri Mycobacteriumtuberculosis.


Dalam model ini , 17% populasi terus terinfeksi.

SIS menunjukkan bahwa para penyintas tidak mendapatkan kekebalan, tetapi kembali ke kelompok yang rentan. Karena orang tetap rentan setelah infeksi, penyakit ini mencapai kondisi stabil dalam populasi.

Untungnya, jadwal distribusi untuk sebagian besar bakteri resisten tidak dapat secara langsung dibandingkan dengan model epidemi zombie. Dalam model simulasi, paling sering tidak memperhitungkan perilaku manusia, interaksinya dengan lingkungan dan biologi bakteri.

Untuk membuat jadwal realistis penyebaran bakteri yang kebal terhadap antibiotik, perlu untuk memperhitungkan jutaan skenario yang berbeda - proses ini mirip dengan meteorologi modern dan dalam hal kompleksitas akan memberikan peluang bagi banyak masalah matematika yang terkenal.


Simulasi penyebaran bakteri resisten di Orange County, California: kotak - tidak ada langkah-langkah kontrol khusus; garis hitam - tindakan kontrol yang tidak konsisten ketika nilai ambang batas tercapai; garis abu-abu - kontrol terkoordinasi pada nilai ambang batas.

Ilustrasi di atas adalah contoh model yang baik yang menghitung kemungkinan penularan infeksi ke 28 rumah sakit dan 74 panti jompo di daerah perkotaan yang khas. Dalam model, semua orang yang terinfeksi bergerak melalui ekosistem perawatan kesehatan: mereka berinteraksi dengan dokter, perawat, tempat tidur, kursi dan pintu ratusan juta kali.

Model ini menunjukkan bahwa tanpa langkah-langkah kontrol yang ditingkatkan, termasuk pengujian rutin pasien untuk kekebalan infeksi, dan karantina untuk semua karier, infeksi akan beredar di ekosistem secara berkelanjutan - di hampir setiap rumah sakit selama satu dekade.

Saat mengumpulkan data untuk model dalam epidemiologi resistensi, tidak akan berlebihan untuk mempertimbangkan antivirus. Gerakan vaksinasi muncul tak lama setelah penciptaan vaksin cacar pertama oleh dokter Inggris Edward Jenner . Pada tahun 1885, 62 tahun setelah kematian peneliti, sekitar 100 ribu demonstran berbaris membawa spanduk anti-vaksinasi, peti mati bayi dan boneka binatang Jenner.

Hampir satu setengah abad telah berlalu, dan segala sesuatunya masih ada - wabah campak baru-baru ini dari New York ke Moskwa dikaitkan dengan eksaserbasi kampanye anti vaksinasi. Campak adalah penyakit virus yang sangat menular, tetapi banyak vaksin dibuat untuk melawan infeksi bakteri.


Peta infeksi dalam simulator biologis.

Bahkan para pengembang game telah bergabung dalam perang melawan kebodohan manusia. Dalam simulator Plague Inc. pemain harus menginfeksi virus dan menghancurkan populasi bumi dalam pandemi. Pada 2019, anti-vaksin ditambahkan ke dalam game. Hasilnya adalah model visual: gerakan anti-vaksinasi mempercepat penyebaran epidemi di seluruh dunia.

Matematika tidak menjawab pertanyaan tentang bagaimana melawan infeksi yang keluar dari karantina. Di bawah kondisi ancaman epidemiologis, pengembangan metode baru untuk menangkal bakteri menjadi langkah "harapan terakhir" - di bagian selanjutnya kita akan berbicara tentang upaya untuk menemukan jalan keluar dari kebuntuan bakteriologis.