Bactérias, não câncer, terroristas e desastres tiraram a vida de um grande número de pessoas. Somente a Yersinia pestis (varinha da peste) resultou na morte de 150 milhões de pessoas. Tomar antibióticos é o principal método de combate a infecções bacterianas. Mas e se os medicamentos pararem de funcionar?

Esta não é uma pergunta retórica e introdutória para modelar uma hipótese, mas uma situação real no futuro próximo, no contexto de um aumento na resistência bacteriana. A Organização Mundial da Saúde (OMS) e os serviços nacionais têm um plano de ação comum, mas nenhum estado possui um algoritmo detalhado para prevenir uma pandemia bacteriana.

Falaremos sobre as causas da catástrofe iminente, bem como sobre tentativas de encontrar uma saída do impasse médico com a ajuda de disciplinas relacionadas - genômica, matemática e virologia.

Contra a vida

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Mesmo nos tempos antigos, os médicos tratavam feridas purulentas com a ajuda de pão mofado. Das centenas de poções existentes no Egito antigo, o pão velho era um dos poucos remédios eficazes - um antibiótico do mofo aliviou a inflamação.

Não tendo idéia do crescimento e desenvolvimento de microrganismos, os egípcios agiram cegamente. Na Idade Média, os médicos se esqueceram completamente das práticas bem-sucedidas e trataram alguém de uma maneira significativa, especialmente a favor de derramamento de sangue.

Somente no final do século XIX. vários pesquisadores independentemente começaram a estudar fungos do gênero Penicillium, abrindo caminho para o aparecimento da penicilina. Logo ficou claro que as substâncias obtidas do fungo são ativas contra muitos microorganismos patogênicos.

O bacteriologista britânico Alexander Fleming anunciou a descoberta da penicilina em 30 de setembro de 1928. Em 1938, os cientistas isolaram a penicilina pura em Oxford, e já em 1941 a droga era usada para tratar infecções bacterianas. Em 1945, Fleming recebeu o Prêmio Nobel por seus serviços no campo da medicina.

A ação dos primeiros antibióticos (literalmente do grego “anti” - contra, “bios” - life) baseia-se na supressão da síntese de moléculas envolvidas na construção da membrana celular externa da bactéria.


O vídeo mostra como as bactérias (no lado esquerdo da tela) explodem literalmente quando a penicilina é adicionada - as paredes celulares diluídas com antibióticos não podem conter pressão intracelular. Felizmente, a estrutura da membrana das células humanas e animais é diferente da estrutura bacteriana.

Armadilha de eficiência

A dose diária de antibióticos por mil pessoas, distribuída por países com diferentes níveis de renda.

O potencial perigo de desenvolver resistência a antibióticos, ou seja, resistência bacteriana a antibióticos, foi apontado pelo próprio Alexander Fleming, mas há décadas a terapia não é controlada. A "eficácia inebriante" tornou-se a falha - novos medicamentos tratavam bronquite, otite média, conjuntivite, infecções de pele, faringite, diarréia e peste.

Hoje, as drogas antibacterianas derrotam a gastrite, doenças sexualmente transmissíveis e até alguns tumores . Segundo especialistas da OMS, em países desenvolvidos, os antibióticos adicionaram aproximadamente 20 anos à expectativa média de vida humana. Não é de surpreender que hoje apenas nos Estados Unidos sejam produzidas cerca de 17 mil toneladas de antibióticos anualmente.

Parece que a humanidade estabeleceu o objetivo de derrotar todos os micróbios da Terra, mas a batalha nesta guerra mundial não está a nosso favor. Os antibióticos existem há menos de um século, e as bactérias vivem no planeta há 3 bilhões de anos e criam novas gerações a cada 20 minutos.

Em 2014, o projeto “Revisão da resistência antimicrobiana”, criado sob o patrocínio do primeiro-ministro britânico David Cameron, publicou estimativas de perdas globais por resistência a antibióticos após 30 anos: 10 milhões de mortes anualmente são mais do que câncer.

Um relatório do Center for Disease Dynamics, nos Estados Unidos, mostrou resultados alarmantes no desenvolvimento de resistência a medicamentos de última linha prescritos na ausência de reação a outros medicamentos. À medida que as pessoas tomam cada vez mais antibióticos de forma incontrolável, o tratamento em instalações médicas está perdendo sua eficácia.

Os relatos de hospitais em todas as regiões do mundo, especialmente nos países em desenvolvimento, que indicam a ocorrência de infecções incuráveis ​​ou quase incuráveis, são muito preocupantes. As doenças simples que eram facilmente tratadas com medicamentos acessíveis no passado se tornam fatais.

Segundo a OMS, resistência antibacteriana no século XXI. é uma das ameaças mais graves à saúde humana, segurança alimentar e ao desenvolvimento global da civilização.

Focos infecciosos

Distribuição do Staphylococcus aureus resistente à meticilina (Staphylococcusaureus resistente à meticilina, MRSA) - o agente causador de doenças complexas, como sepse e pneumonia, resistente à maioria dos antibióticos (em porcentagem).

A sustentabilidade é uma resposta natural da evolução, uma tentativa de encontrar uma saída do impasse, inerente às condições naturais, não apenas para os microorganismos. As ervas daninhas "aprendem" a sobreviver sob o ataque de pesticidas, os insetos estão procurando uma maneira de comer plantas com um gene incorporado de toxinas proteicas e uma pessoa luta contra patógenos com sua mente - esse processo poderoso está associado à adaptação de todos os seres vivos.

O problema é que a duração da geração de bactérias é de vários dias ou horas, e uma pessoa vive há décadas. Nós nos adaptamos muito lentamente. Mesmo assumindo o controle do curso da evolução com a ajuda da ciência, não levamos em conta o fator humano na distribuição de antibióticos, portanto:

• a dose máxima possível é tomada em um longo curso;
  
• o medicamento não é utilizado para o fim a que se destina (para o tratamento de infecções virais);
  
• o uso maciço dos mesmos medicamentos é realizado sem fazer uma reserva.
  

Mais de 50% dos antibióticos em muitos países são usados incorretamente. Entre os "culpados" estão as pessoas comuns que violam todas as instruções possíveis, e os funcionários do hospital, contrariamente às regras sanitárias, contribuem para a disseminação de infecções entre pacientes com feridas abertas e um sistema imunológico enfraquecido.

De volta ao século XIX. nos hospitais, picavam finamente as cebolas, matando algumas bactérias no ar poluído. Hoje, luvas, aventais e máscaras, embora com proteção obrigatória, devem receber um nível condicional de segurança "zero" correspondente à classe de uma instituição médica na África Central.

Um hospital moderno pode ser equipado com filtros HEPA (detenção de partículas de alta eficiência) para purificação do ar, sistemas de distribuição de ar unidirecional, lâmpadas de desinfecção por ultravioleta, filtros fotocatalíticos com agentes oxidantes naturais.

Os requisitos de higiene para o projeto, equipamento e operação de hospitais, maternidades e outros hospitais médicos na Rússia são bastante modestos , mas ainda são violados às vezes: a equipe não tem tempo ou se esquece de higienizar as instalações, embora seja suficiente usar uma lâmpada ultravioleta e água sanitária.

Milhões de pessoas estão pegando novas infecções em hospitais ou tomando antibióticos para tratar a gripe e o resfriado comum. Além disso, o uso de drogas antibacterianas na pecuária e na agricultura está crescendo.


O consumo global de antibióticos na pecuária (em miligramas por 10 km²).

Em 2018, a Roskontrol descobriu antibióticos e agentes antimicrobianos em todas as amostras de frango testadas.

Nos Estados Unidos, aproximadamente 80% dos antibióticos são usados pelos agricultores. Não é de surpreender que os antibióticos estejam associados a uma alta frequência de bactérias resistentes na flora intestinal de galinhas, porcos e outros animais de alimentação.

Os antibióticos entram na corrente sanguínea através de um conta-gotas hospitalar, em forma de comprimido, juntamente com um pedaço de bife, mesmo a partir de um pão fresco de pão de centeio, uma vez que os antibióticos são usados ​​para combater algumas doenças de plantas, e os medicamentos consumidos pelos animais entram no solo e nas plantas com fezes e urina.

A ameaça afeta a todos - a globalização tornou o mundo vulnerável a pandemias. As pessoas morrem de super infecções que são resistentes a todos os antibióticos disponíveis.

De acordo com um relatório dos Centros de Controle e Prevenção de Doenças dos EUA, milhões de pessoas na América entram em contato com bactérias resistentes a antibióticos todos os anos e pelo menos 23.000 morrem de infecções.

Em uma escala global, o número é surpreendente - 700 mil vítimas anualmente .

Modelos matemáticos de epidemias

Para 1990-2016. Foram criados 146 modelos para analisar infecções causadas pelos tipos mais comuns de patógenos: HIV, gripe, malária, MRSA, tuberculose (o tamanho do gráfico de pizza é proporcional ao número de estudos).

Matemáticos e especialistas em ciência de dados usam modelos preditivos especiais para desenvolver novos algoritmos para lidar com doenças infecciosas que se espalham rapidamente e altamente letais.

Alguns anos atrás, uma equipe de estudantes da Universidade de Leicester (Inglaterra) propôs um desses modelos para calcular a escala da epidemia de zumbis.

Aparentemente, será problemático sobreviver no apocalipse: 100 dias após o surto da epidemia, os zumbis que se transformam em mortos-vivos diariamente com uma probabilidade de 90% de pelo menos uma pessoa não serão capazes de capturar apenas 300 pessoas em todo o mundo.

A base deste estudo foi o modelo epidemiológico real do SIR, desde 1927 utilizado para descrever a disseminação de doenças entre a população. S → I → R, onde S (t) é suscetível, o número de suscetíveis saudáveis ​​(ainda não doentes) no momento t, I (t) está infectado, o número de pacientes no momento t, R (t) é recuperado, o número de para a doença (por exemplo, doente) no tempo t.

Além disso, o parâmetro N é usado algumas vezes - número de pessoas, o número total de pessoas cobertas pelo modelo: S (t) + I (t) + R (t).


Um surto acentuado esgota rapidamente a piscina suscetível. Os dias são mostrados no eixo X e a porcentagem da população no eixo Y, em que 1,0 = 100%.

O modelo divide a população em infectado, infectado e morto / recuperado. O SIR também leva em consideração a frequência de disseminação e extinção quando indivíduos em uma população entram em contato um com o outro.


Modelo SEIR com um período de incubação de 8 dias.

Os pesquisadores modificaram o SIR muitas vezes. Por exemplo, o modelo SEIR recebeu o parâmetro de incubação de pacientes infectados, mas ainda não infecciosos (população exposta). O SEIR ajuda a modelar surtos de tuberculose, causados ​​pela bactéria Mycobacteriumtuberculosis.


Nesse modelo, 17% da população está constantemente infectada.

O SIS mostra que os sobreviventes não adquirem imunidade, mas retornam ao grupo suscetível. Como as pessoas permanecem suscetíveis após a infecção, a doença atinge um estado estável na população.

Felizmente, o cronograma de distribuição das bactérias mais resistentes não pode ser diretamente comparado ao modelo da epidemia de zumbis. Nos modelos de simulação, na maioria das vezes não leva em consideração o comportamento humano, sua interação com o meio ambiente e a biologia bacteriana.

Para criar cronogramas realistas da disseminação de bactérias resistentes a antibióticos, é necessário levar em conta milhões de cenários diferentes - remotamente o processo é semelhante à meteorologia moderna e, em termos de complexidade , dará chances a muitos problemas matemáticos conhecidos.


Simulação da disseminação de bactérias resistentes em Orange County, Califórnia: quadrados - sem medidas específicas de controle; linhas pretas - controle inconsistente mede quando os valores limite são atingidos; linhas cinza - controle coordenado nos valores limite.

A ilustração acima é um exemplo de um bom modelo que calcula a probabilidade de infecção se espalhar para 28 hospitais e 74 casas de repouso em um distrito urbano típico. No modelo, todas as pessoas infectadas circulam pelo ecossistema de saúde: elas interagem com médicos, enfermeiras, camas, cadeiras e portas centenas de milhões de vezes.

O modelo mostra que, sem medidas de controle aprimoradas, incluindo testes regulares de pacientes para imunidade à infecção e quarentena para todos os portadores, a infecção circulará no ecossistema continuamente - em quase todos os hospitais por uma década.

Ao coletar dados para modelos na epidemiologia da resistência, não será supérfluo considerar antivirais. O movimento de vacinação surgiu logo após a criação da primeira vacina contra varíola pelo médico britânico Edward Jenner . Em 1885, 62 anos após a morte do pesquisador, cerca de 100 mil manifestantes marcharam carregando cartazes de vacinação, caixões de bebê e bichos de pelúcia de Jenner.

Quase um século e meio se passou, e as coisas ainda estão lá - surtos recentes de sarampo de Nova York a Moscou estão associados a uma exacerbação da campanha anti-vacinação. O sarampo é uma doença viral altamente contagiosa, mas muitas vacinas são criadas contra infecções bacterianas.


Mapa de infecção em um simulador biológico.

Até desenvolvedores de jogos se juntaram à luta contra a estupidez humana. No simulador Plague Inc. o jogador deve infectar o vírus e destruir a população da Terra em uma pandemia. Em 2019, anti-vacinadores foram adicionados ao jogo. O resultado foi um modelo visual: o movimento anti-vacinação acelera a disseminação de epidemias em todo o mundo.

A matemática não responde à questão de como resistir a uma infecção que escapa da quarentena. Sob as condições de uma ameaça epidemiológica, o desenvolvimento de novos métodos de combate às bactérias se torna um passo de "última esperança" - na próxima parte, falaremos sobre tentativas de encontrar uma saída para o impasse bacteriológico.