Антимикробный препарат — это агент, который убивает микроорганизмы ( микробицид ) или останавливает их рост ( бактериостатический агент ). [1] Антимикробные препараты можно сгруппировать в соответствии с микроорганизмами, против которых они действуют в первую очередь. Например, антибиотики используются против бактерий , а противогрибковые препараты — против грибков . Их также можно классифицировать в соответствии с их функцией. Использование антимикробных препаратов для лечения инфекций известно как антимикробная химиотерапия , в то время как использование антимикробных препаратов для предотвращения инфекций известно как антимикробная профилактика . [2]
Основными классами противомикробных агентов являются дезинфицирующие средства (неселективные агенты, такие как отбеливатель ), которые убивают широкий спектр микробов на неживых поверхностях, чтобы предотвратить распространение болезни, антисептики (которые наносятся на живую ткань и помогают уменьшить инфекцию во время операции) и антибиотики (которые уничтожают микроорганизмы в организме). Термин «антибиотик» изначально описывал только те составы, которые получены из живых микроорганизмов, но теперь также применяется к синтетическим агентам, таким как сульфаниламиды или фторхинолоны . Хотя этот термин раньше ограничивался антибактериальными средствами (и часто использовался как их синоним медицинскими работниками и в медицинской литературе), его контекст расширился и теперь включает все противомикробные препараты. Антибактериальные агенты можно далее подразделить на бактерицидные агенты, которые убивают бактерии, и бактериостатические агенты , которые замедляют или останавливают рост бактерий. В ответ на это дальнейшие достижения в области противомикробных технологий привели к решениям, которые могут выходить за рамки простого подавления роста микробов. Вместо этого были разработаны определенные типы пористых сред, которые убивают микробы при контакте. [3] Неправильное и чрезмерное использование противомикробных препаратов у людей, животных и растений являются основными факторами развития патогенов, устойчивых к лекарственным препаратам. [4] По оценкам, бактериальная устойчивость к противомикробным препаратам (AMR) стала прямой причиной 1,27 миллиона смертей в мире в 2019 году и способствовала 4,95 миллионам смертей. [4]
Использование противомикробных препаратов было обычной практикой по крайней мере 2000 лет. Древние египтяне и древние греки использовали определенные формы и растительные экстракты для лечения инфекции. [5]
В 19 веке микробиологи, такие как Луи Пастер и Жюль Франсуа Жубер, наблюдали антагонизм между некоторыми бактериями и обсуждали преимущества контроля этих взаимодействий в медицине. [6] Работа Луи Пастера в области ферментации и спонтанного зарождения привела к различию между анаэробными и аэробными бактериями. Информация, полученная Пастером, побудила Джозефа Листера включить антисептические методы, такие как стерилизация хирургических инструментов и обработка ран, в хирургические процедуры. Внедрение этих антисептических методов резко сократило количество инфекций и последующих смертей, связанных с хирургическими процедурами. Работа Луи Пастера в области микробиологии также привела к разработке многих вакцин от опасных для жизни заболеваний, таких как сибирская язва и бешенство . [7] 3 сентября 1928 года Александр Флеминг вернулся из отпуска и обнаружил, что чашка Петри, заполненная стафилококками, разделилась на колонии из-за антимикробного грибка Penicillium rubens . Флеминг и его коллеги изо всех сил пытались выделить антимикробное вещество, но в 1929 году в British Journal of Experimental Pathology упомянули его терапевтический потенциал . [8] В 1942 году Говард Флори , Эрнст Чейн и Эдвард Абрахам использовали работу Флеминга для очистки и извлечения пенициллина для медицинских целей, что принесло им Нобелевскую премию по медицине 1945 года . [9]
Антибактериальные препараты используются для лечения бактериальных инфекций . Антибиотики обычно классифицируются как бета-лактамы , макролиды , хинолоны, тетрациклины или аминогликозиды . Их классификация в пределах этих категорий зависит от их антимикробного спектра, фармакодинамики и химического состава. [10] Длительное использование некоторых антибактериальных препаратов может уменьшить количество кишечных бактерий , что может оказать негативное влияние на здоровье . Потребление пробиотиков и разумное питание могут помочь заменить разрушенную кишечную флору . Трансплантация кала может быть рассмотрена для пациентов, которые испытывают трудности с восстановлением после длительного лечения антибиотиками, как и при рецидивирующих инфекциях Clostridioides difficile . [11] [12]
Открытие, разработка и использование антибактериальных препаратов в течение 20-го века снизили смертность от бактериальных инфекций. Эра антибиотиков началась с терапевтического применения сульфаниламидных препаратов в 1936 году, за которым последовал «золотой» период открытий примерно с 1945 по 1970 год, когда был открыт и разработан ряд структурно разнообразных и высокоэффективных агентов. С 1980 года внедрение новых антимикробных агентов для клинического использования снизилось, отчасти из-за огромных расходов на разработку и тестирование новых препаратов. [13] Параллельно с этим наблюдался тревожный рост устойчивости бактерий, грибков, паразитов и некоторых вирусов к нескольким существующим агентам. [14]
Антибактериальные препараты являются одними из наиболее часто используемых лекарств и лекарств, которые врачи обычно неправильно используют, например, при вирусных инфекциях дыхательных путей . В результате широко распространенного и неразумного использования антибактериальных препаратов наблюдается ускоренное появление устойчивых к антибиотикам патогенов, что приводит к серьезной угрозе для глобального общественного здравоохранения. Проблема устойчивости требует возобновления усилий по поиску антибактериальных средств, эффективных против патогенных бактерий, устойчивых к современным антибактериальным препаратам. Возможные стратегии для достижения этой цели включают увеличение выборки из различных сред и применение метагеномики для идентификации биоактивных соединений, производимых неизвестными и некультивируемыми в настоящее время микроорганизмами, а также разработку библиотек малых молекул, адаптированных для бактериальных мишеней. [15]
Противогрибковые препараты используются для уничтожения или предотвращения дальнейшего роста грибков . В медицине они используются для лечения таких инфекций, как грибок стопы , стригущий лишай и молочница , и работают, используя различия между клетками млекопитающих и грибков. В отличие от бактерий, и грибки, и люди являются эукариотами . Таким образом, грибковые и человеческие клетки схожи на молекулярном уровне, что затрудняет поиск цели для атаки противогрибкового препарата, которая также не существует в организме хозяина. Следовательно, некоторые из этих препаратов часто имеют побочные эффекты . Некоторые из этих побочных эффектов могут быть опасными для жизни, если препарат используется неправильно. [16]
Помимо использования в медицине, противогрибковые препараты часто используются для борьбы с плесенью в помещениях , где есть влажные или сырые материалы. Бикарбонат натрия (пищевая сода), распыляемый на поверхности, действует как противогрибковое средство. Другой противогрибковый раствор, применяемый после или без струйной обработки содой, представляет собой смесь перекиси водорода и тонкого поверхностного покрытия, которое нейтрализует плесень и инкапсулирует поверхность, предотвращая высвобождение спор. Некоторые краски также производятся с добавлением противогрибкового агента для использования в помещениях с высокой влажностью, таких как ванные комнаты или кухни. Другие противогрибковые средства для обработки поверхности обычно содержат варианты металлов, которые, как известно, подавляют рост плесени, например, пигменты или растворы, содержащие медь , серебро или цинк . Эти растворы обычно недоступны для широкой публики из-за их токсичности. [17]
Противовирусные препараты — это класс лекарств, используемых специально для лечения вирусных инфекций. Как и антибиотики, специфические противовирусные препараты используются для специфических вирусов. Их следует отличать от вирицидов , которые активно дезактивируют вирусные частицы вне организма. [18]
Многие противовирусные препараты предназначены для лечения инфекций, вызванных ретровирусами , включая ВИЧ . Важные антиретровирусные препараты включают класс ингибиторов протеазы . Вирусы герпеса , наиболее известные тем, что вызывают герпес и генитальный герпес , обычно лечатся нуклеозидным аналогом ацикловиром . Вирусный гепатит вызывается пятью неродственными гепатотропными вирусами (АЭ) и может лечиться противовирусными препаратами в зависимости от типа инфекции. Некоторые вирусы гриппа А и В стали устойчивыми к ингибиторам нейраминидазы, таким как осельтамивир , и поиск новых веществ продолжается. [19]
Антипаразитарные препараты — это класс лекарств, показанных для лечения инфекционных заболеваний, таких как лейшманиоз , малярия и болезнь Шагаса , которые вызываются паразитами , такими как нематоды , цестоды , трематоды и инфекционные простейшие . Антипаразитарные препараты включают метронидазол , йодохинол и альбендазол . [10] Как и все терапевтические противомикробные препараты, они должны убивать заражающий организм без серьезного повреждения хозяина. [20]
Терапевтические средства широкого спектра действия активны против нескольких классов патогенов. Такие терапевтические средства были предложены в качестве потенциальных экстренных методов лечения пандемий . [21] [ требуется лучший источник ]
Широкий спектр химических и природных соединений используется в качестве антимикробных препаратов. Органические кислоты и их соли широко используются в пищевых продуктах, например, молочная кислота , лимонная кислота , уксусная кислота , как в качестве ингредиентов, так и в качестве дезинфицирующих средств. Например, говяжьи туши часто опрыскивают кислотами, а затем ополаскивают или пропаривают, чтобы снизить распространенность Escherichia coli . [22]
Катионы тяжелых металлов, такие как Hg 2+ и Pb 2+, обладают антимикробной активностью, но могут быть токсичными. В последние годы была исследована антимикробная активность координационных соединений. [23] [24] [25] [26]
Традиционные травники использовали растения для лечения инфекционных заболеваний. Многие из этих растений были исследованы с научной точки зрения на антимикробную активность, и было показано, что некоторые растительные продукты подавляют рост патогенных микроорганизмов. [27] Некоторые из этих агентов, по-видимому, имеют структуры и способы действия, которые отличаются от таковых у антибиотиков, используемых в настоящее время, что предполагает, что перекрестная резистентность с агентами, которые уже используются, может быть минимальной. [28]
Поверхности из медных сплавов обладают естественными внутренними антимикробными свойствами и могут убивать такие микроорганизмы, как кишечная палочка и стафилококк . [29] [30] Агентство по охране окружающей среды США одобрило регистрацию антимикробных поверхностей из медных сплавов для использования в дополнение к регулярной очистке и дезинфекции для контроля инфекций. [30] [31] Антимикробные медные сплавы устанавливаются в некоторых медицинских учреждениях и системах метрополитена в качестве общественной гигиенической меры. [30] Наночастицы меди привлекают внимание из-за их внутреннего антимикробного поведения. [32]
Многие эфирные масла, включенные в травяные фармакопеи , как утверждается, обладают антимикробной активностью, причем масла лавра , корицы , гвоздики и тимьяна, как сообщается, являются наиболее эффективными в исследованиях с пищевыми бактериальными патогенами . [33] [34] Кокосовое масло также известно своими антимикробными свойствами. [35] Активные компоненты включают терпеноиды и вторичные метаболиты . [36] [37] Несмотря на их широкое применение в альтернативной медицине , эфирные масла нашли ограниченное применение в традиционной медицине. Хотя от 25 до 50% фармацевтических соединений имеют растительное происхождение, ни одно из них не используется в качестве антимикробных средств, хотя в этом направлении проводится больше исследований. [38] Препятствия к более широкому использованию в традиционной медицине включают плохой нормативный надзор и контроль качества, неправильно маркированные или неправильно идентифицированные продукты и ограниченные способы доставки. [39] [27]
Согласно Агентству по охране окружающей среды США (EPA) и определению Федерального закона об инсектицидах, фунгицидах и родентицидах , антимикробные пестициды используются для контроля роста микробов путем дезинфекции, санитарии или снижения развития и для защиты неодушевленных предметов, промышленных процессов или систем, поверхностей, воды или других химических веществ от загрязнения, загрязнения или ухудшения, вызванных бактериями, вирусами, грибками, простейшими, водорослями или слизью. [40] EPA контролирует продукты, такие как дезинфицирующие средства/санирующие средства для использования в больницах или домах, чтобы убедиться в их эффективности. [41] Продукты, предназначенные для общественного здравоохранения, поэтому попадают под эту систему мониторинга, включая продукты, используемые для питьевой воды, бассейнов, санитарии пищевых продуктов и других поверхностей окружающей среды. Эти пестицидные продукты регистрируются при условии, что при правильном использовании они не демонстрируют необоснованных побочных эффектов для людей или окружающей среды. Даже после того, как определенные продукты появляются на рынке, Агентство по охране окружающей среды продолжает контролировать и оценивать их, чтобы убедиться, что они сохраняют эффективность в защите общественного здоровья. [42]
Продукция общественного здравоохранения, регулируемая Агентством по охране окружающей среды, делится на три категории: [40]
Антимикробные пестициды могут стать основным фактором лекарственной устойчивости. [43] Такие организации, как Всемирная организация здравоохранения, призывают к значительному сокращению их использования во всем мире для борьбы с этим. [44] Согласно отчету Центров по контролю и профилактике заболеваний за 2010 год , работники здравоохранения могут предпринять шаги для улучшения мер безопасности против воздействия антимикробных пестицидов. Работникам рекомендуется минимизировать воздействие этих агентов, надев средства индивидуальной защиты, такие как перчатки и защитные очки. Кроме того, важно правильно следовать инструкциям по обращению, поскольку именно так EPA посчитало их безопасными для использования. Сотрудники должны быть информированы об опасностях для здоровья и должны обращаться за медицинской помощью в случае воздействия. [45]
Озон может убивать микроорганизмы в воздухе, воде и технологическом оборудовании и используется в таких местах, как вытяжная вентиляция кухонь, мусорные помещения, жироуловители, биогазовые установки , очистные сооружения, текстильное производство, пивоваренные заводы , молочные заводы , производство продуктов питания и средств гигиены, фармацевтическая промышленность , заводы по розливу, зоопарки, муниципальные системы питьевого водоснабжения, бассейны и спа, а также при стирке одежды и обработке внутренних плесени и запахов. [46] [47]
Антимикробные скрабы могут уменьшить накопление запахов и пятен на скрабах, что, в свою очередь, увеличивает их долговечность. Эти скрабы также выпускаются в различных цветах и стилях. Поскольку антимикробные технологии развиваются быстрыми темпами, эти скрабы легкодоступны, и каждый год на рынке появляются более продвинутые версии. [48] Затем эти бактерии могут распространяться на офисные столы, комнаты отдыха, компьютеры и другие общие технологии. Это может привести к вспышкам и инфекциям, таким как MRSA, лечение которых обходится отрасли здравоохранения в 20 миллиардов долларов в год.
Такие элементы, как хлор, йод, фтор и бром, являются неметаллическими по своей природе и составляют семейство галогенов. Каждый из этих галогенов имеет различный антимикробный эффект, на который влияют различные факторы, такие как pH, температура, время контакта и тип микроорганизма. Хлор и йод являются двумя наиболее часто используемыми антимикробными средствами. Хлор широко используется в качестве дезинфицирующего средства на станциях очистки воды, в фармацевтической и пищевой промышленности. На станциях очистки сточных вод хлор широко используется в качестве дезинфицирующего средства. Он окисляет растворимые загрязняющие вещества и убивает бактерии и вирусы. Он также очень эффективен против бактериальных спор. Способ действия заключается в разрыве связей, присутствующих в этих микроорганизмах. Когда бактериальный фермент вступает в контакт с соединением, содержащим хлор, атом водорода в этой молекуле вытесняется и заменяется хлором. Таким образом, это изменяет функцию фермента, что, в свою очередь, приводит к гибели бактерии. Йод чаще всего используется для стерилизации и очистки ран. Три основных антимикробных соединения, содержащих йод, — это спиртовой раствор йода, водный раствор йода и йодофоры. Йодофоры более бактерицидны и используются в качестве антисептиков, поскольку они менее раздражают при нанесении на кожу. Бактериальные споры, с другой стороны, не могут быть убиты йодом, но они могут быть подавлены йодофорами. Рост микроорганизмов подавляется, когда йод проникает в клетки и окисляет белки, генетический материал и жирные кислоты. Бром также является эффективным антимикробным средством, которое используется на водоочистных сооружениях. В смеси с хлором он очень эффективен против бактериальных спор, таких как S. faecalis. [49]
Спирты обычно используются в качестве дезинфицирующих средств и антисептиков. Спирты убивают вегетативные бактерии, большинство вирусов и грибков. Этиловый спирт, н-пропанол и изопропиловый спирт являются наиболее часто используемыми антимикробными средствами. [50] Метанол также является дезинфицирующим средством, но обычно не используется, поскольку он очень ядовит. Escherichia coli , Salmonella и Staphylococcus aureus — это несколько бактерий, рост которых может быть подавлен спиртами. Спирты обладают высокой эффективностью против оболочечных вирусов (60–70% этилового спирта). 70% изопропиловый спирт или этанол являются высокоэффективными антимикробными средствами. В присутствии воды 70% спирт вызывает коагуляцию белков, тем самым подавляя рост микробов. Спирты не совсем эффективны, когда дело касается спор. Механизм действия заключается в денатурации белков. Спирты мешают водородным связям, присутствующим в структуре белка. Спирты также растворяют липидные мембраны, которые присутствуют в микроорганизмах. [51] [52] Разрушение клеточной мембраны — еще одно свойство спиртов, способствующее гибели клеток. Спирты — дешевые и эффективные противомикробные средства. Они широко используются в фармацевтической промышленности. Спирты обычно используются в дезинфицирующих средствах для рук, антисептиках и дезинфицирующих средствах.
Фенол, также известный как карболовая кислота, был одним из первых химикатов, который использовался в качестве противомикробного средства. Он обладает высокими антисептическими свойствами. Он бактериостатичен при концентрации 0,1–1% и бактерициден/фунгициден при 1–2%. 5% раствор убивает споры сибирской язвы в течение 48 часов. [53] Фенолы чаще всего используются в ополаскивателях для полости рта и бытовых чистящих средствах. Они активны против широкого спектра бактерий, грибков и вирусов. Сегодня используются производные фенола, такие как тимол и крезол, поскольку они менее токсичны по сравнению с фенолом. Эти фенольные соединения имеют бензольное кольцо вместе с группой –ОН, включенной в их структуру. Они обладают более высокой противомикробной активностью. Эти соединения подавляют рост микробов, осаждая белки, что приводит к их денатурации, и проникая в клеточную мембрану микроорганизмов и разрушая ее. Фенольные соединения также могут дезактивировать ферменты и повреждать аминокислоты в микробных клетках. Фенольные соединения, такие как фентихлор, антибактериальное и противогрибковое средство, используются в качестве перорального лечения грибковых инфекций. Тришлосан очень эффективен против как грамположительных, так и грамотрицательных бактерий. Гексахлорофен (бисфенол) используется в качестве поверхностно-активного вещества. Он широко используется в мыле, средствах для мытья рук и средствах для кожи из-за его антисептических свойств. Он также используется в качестве стерилизующего средства. Крезол является эффективным противомикробным средством и широко используется в ополаскивателях для полости рта и каплях от кашля. Фенольные соединения обладают высокой противомикробной активностью против таких бактерий, как Staphylococcus epidermidis и Pseudomonas aeruginosa. [54] Растворы 2-фенилфенола в воде используются при обработке погружением фруктов для упаковки. (Однако он не используется в упаковочных материалах .) Айлофф и Калицки 1961 обнаружили небольшое, но измеримое количество остатков в кожуре фруктов, обработанных таким образом. [55] : 193
Они высокоэффективны против бактерий, грибков и вирусов. Альдегиды подавляют рост бактерий, разрушая внешнюю мембрану. Они используются для дезинфекции и стерилизации хирургических инструментов. Будучи высокотоксичными, они не используются в антисептиках. В настоящее время только три альдегидных соединения широко используются на практике в качестве дезинфицирующих биоцидов, а именно глутаральдегид, формальдегид и ортофталевый альдегид (OPA), несмотря на демонстрацию того, что многие другие альдегиды обладают хорошей антимикробной активностью. [56] Однако из-за длительного времени контакта обычно предпочитают другие дезинфицирующие средства.
Микроорганизмы имеют минимальную температуру, оптимум и максимальную температуру для роста. [57] Высокие температуры, а также низкие температуры используются в качестве физических агентов контроля. Различные организмы демонстрируют разную степень устойчивости или восприимчивости к теплу или температуре, некоторые организмы, такие как бактериальные эндоспоры, более устойчивы, в то время как вегетативные клетки менее устойчивы и легко убиваются при более низких температурах. [58] Другой метод, который включает использование тепла для уничтожения микроорганизмов, — это фракционная стерилизация. Этот процесс включает воздействие температуры 100 градусов по Цельсию в течение часа, на каждую в течение нескольких дней. [59] Фракционная стерилизация также называется тиндализацией. Бактериальные эндоспоры могут быть убиты с помощью этого метода. Как сухое, так и влажное тепло эффективно для уничтожения микробной жизни. Например, банки, используемые для хранения консервов, таких как джем, можно стерилизовать, нагревая их в обычной духовке . Тепло также используется при пастеризации , методе замедления порчи таких продуктов, как молоко, сыр, соки, вина и уксус. Такие продукты нагреваются до определенной температуры в течение установленного периода времени, что значительно снижает количество вредных микроорганизмов. Низкая температура также используется для подавления микробной активности путем замедления микробного метаболизма. [60]
Пищевые продукты часто облучают , чтобы убить вредные патогены . [61] Существует два типа излучений, которые используются для подавления роста микроорганизмов — ионизирующее и неионизирующее излучение. [62] Обычные источники излучения, используемые при стерилизации пищевых продуктов, включают кобальт-60 ( гамма-излучатель ), электронные пучки и рентгеновские лучи . [63] Ультрафиолетовый свет также используется для дезинфекции питьевой воды, как в небольших системах личного пользования, так и в более крупных системах очистки воды в общественных местах. [64]
Высушивание также известно как дегидратация. Это состояние крайней сухости или процесс крайней сухости. Некоторым микроорганизмам, таким как бактерии, дрожжи и плесень, для своего роста требуется вода. Высушивание высушивает содержание воды, тем самым подавляя рост микробов. При наличии воды бактерии возобновляют свой рост, поэтому высушивание не полностью подавляет рост бактерий. Инструмент, используемый для осуществления этого процесса, называется эксикатор. Этот процесс широко используется в пищевой промышленности и является эффективным методом сохранения продуктов питания. Высушивание также широко используется в фармацевтической промышленности для хранения вакцин и других продуктов. [65]
Антимикробные поверхности предназначены либо для подавления способности микроорганизмов расти, либо для их повреждения химическими ( токсичность меди ) или физическими процессами (микро/нано-столбики для разрыва клеточных стенок). Эти поверхности особенно важны для сферы здравоохранения. [66] Разработка эффективных антимикробных поверхностей требует глубокого понимания начальных механизмов адгезии микробов к поверхности. Для исследования этих механизмов обычно используются моделирование молекулярной динамики и покадровая съемка. [67]
Осмотическое давление — это давление, необходимое для предотвращения перехода растворителя из области высокой концентрации в область низкой концентрации через полупроницаемую мембрану. Когда концентрация растворенных материалов или растворенного вещества внутри клетки выше, чем снаружи, говорят, что клетка находится в гипотонической среде, и вода будет поступать в клетку. [57] Когда бактерии помещаются в гипертонический раствор, это вызывает плазмолиз или сморщивание клеток, аналогично в гипотоническом растворе бактерии подвергаются плазмотизу или тургидному состоянию. Этот плазмолиз и плазмотиз убивают бактерии, потому что он вызывает изменение осмотического давления. [68]
Устойчивость к противомикробным препаратам Неправильное и чрезмерное использование противомикробных препаратов у людей, животных и растений является основной причиной развития патогенов, устойчивых к лекарственным препаратам. [4] По оценкам, устойчивость бактерий к противомикробным препаратам (УПП) стала прямой причиной 1,27 миллиона случаев смерти в мире в 2019 году и способствовала 4,95 миллиона случаев смерти. [4]