XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Можно ли заменить антибиотики?
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
ВВЕДЕНИЕ
Уже на протяжении достаточно долгого времени в борьбе с болезнетворными бактериями люди используют антибиотики. Но не все знают , что антибиотики приносят не только пользу в виде подавления болезненных микроорганизмов , но и большой вред нашему организму , ведь они в первую очередь устраняют полезную микрофлору кишечника , которая необходима для поддержания иммунной системы.
Данная тема является актуальной, так как антибиотики - это эффективный препарат, который чаще всего применяется в борьбе с различными заболеваниями. Люди используют антибиотики, не задумываясь о том, есть ли другие способы борьбы с болезнетворными бактериями.
Цель проекта: выяснить, могут ли другие препараты заменить антибиотики
Задачи:
1.Изучить литературу с целью получения информации о действии антибиотиков
2.Изучить литературу с целью получения информации о препаратах , которыми можно заменить антибиотики
3.Изучить действие всех препаратов на предмет эффективности подавления микроорганизмов
4.Сравнить действие антибиотиков и других препаратов на предмет эффективности подавления микроорганизмов
5.Обработать результаты , полученные в ходе исследования
6.Сделать вывод по полученным результатам
Методы:
1.Изучение литературы с целью получения теоретических знаний
2.Проведение биологических исследований
3.Анализ полученных результатов
1.1.Что такое антибиотики?
Антибиотики- биологические вещества , подавляющие микроорганизмы и вызывающие их гибель. В медицине они применяются для борьбы с болезнями, вызванными микроорганизмами.
Буквально 100 лет назад люди погибали от многих инфекционных болезней , например , от менингита или от воспаления легких. Но их спасением стали антибиотики , благодаря которым смертность из-за различных инфекционных заболеваний была снижена.
В настоящее время существует около 200 антимикробных препаратов , но их всех можно поделить на две большие группы: бактерицидные и бактериостатики. Бактерицидные антибиотики направлены на полное уничтожение бактерий , а бактериостатики на подавление их роста.
Большинство антибиотиков продуцируются микроорганизмами, прежде всего из рода актиномицетов и определенными грибами. Однако существуют и синтетические антимикробные вещества , с помощью которых получают антибиотики.
1.2.История возникновения антибиотиков
Антибиотики – это лекарства, открытие которых, обеспечило прорыв в лечении инфекционных болезней, помогло спасти бесчисленное количество жизней и увеличило ее продолжительность. На протяжении многих лет врачи пытались исцелять людей различными веществами, подавляющими активность бактерий. В то время один известный ученый предложил прикладывать к гноящимся ранам повязки с зеленой плесенью. Научное изучение свойств плесневых грибов особенно активно проходило в 19 веке.
Лишь в 1928 г. микробиолог А. Флеминг смог обосновать способность плесневых грибов Penicillium подавлять рост бактерий Staphylococcus. Вернувшись из отпуска, он обнаружил, что в одну из чашек для культивирования бактерий попали плесневые грибы и вокруг них колонии стафилококка не росли. Ученый сделал вывод, что плесневые грибы вырабатывают вещество, которое убивает бактерии, но получить его в чистом виде сразу не смог. Только в 1938 г. Г. Флори и Э. Чейну, используя данные Флеминга, смогли выделить чистую форму пенициллина.
Промышленное производство лекарства началось в 1943 году, и его активное использование спасало жизни во время войны. Тысячи лет люди погибали в результате нагноения ран, перитонита, пневмонии, менингита, эндокардита, пиелонефрита, вызванных бактериями. Все эти болезни стали излечимы благодаря антибактериальным препаратам.
В 1942 г. З. Ваксман ввел термин "антибиотик" - вещество, продуцируемое грибами, растениями и другими живыми организмами, которое убивает бактерии или подавляет их рост. К середине 60-х гг. насчитывалось уже более 30 антибиотиков, к концу 70-х — более 60, в 2019 г. – 180.Широкое применение антибиотиков, кроме достоинств, выявило множество проблем: лекарства оказывают токсическое действие на печень, почки, органы зрения и слуха, клетки крови, сердце, нервную систему, вызывают аллергические реакции; приводят к развитию дисбактериоза, подавляя активность нормальной микрофлоры. Также они вызывают развитие антибиотикорезистентности, то есть устойчивость бактерий к эти препаратам. Нечувствительность к препарату связана с изменением точек-мишеней, которые антибиотик не может распознать, и продукцией веществ, расщепляющих препарат. Такие изменения закрепляются на генетическом уровне и передаются следующим поколениям микроорганизмов. Чтобы оценить возможные риски при приеме антибиотиков, нужно обратиться к лабораторной диагностике.
1.3.Механизм действия антибиотиков
По механизму действия на микроорганизмы антибактериальные препараты делятся на:
1.Ингибирующие синтез клеточной стенки
Клеточная стенка бактерий отличается уникальной природой , что делает ее мишенью для антибиотиков. В отличие от других микроорганизмов микоплазмы, хламидии и риккетсии лишены клеточной стенки, поэтому они обладают естественной резистентностью к антибиотикам, ингибирующим синтез клеточной стенки. Данное свойство присуще антибиотикам двух групп — бета-лактамам и гликопептидам. Основной побочный эффект бета-лактам — аллергические реакции, проявляющиеся обычно в виде зудящей эритематозной макулопапулезной сыпи. В редких случаях В-лактамы вызывают анафилаксию. Пептидогликан , который является основным компонентом клеточной стенки бактерий, уникален и жизненно необходим для прокариот. Он есть у большинства бактерий, за исключением тех, которые не имеют клеточной стенки. Синтез предшественников пептидогликана берет начало в цитоплазме. Затем они транспортируются через цитоплазматическую мембрану, где происходит их объединение в гликопептидные цепи. Образование полноценного пептидогликана происходит на внешней поверхности цитоплазматической мембраны. Этот этап совершается при участии белков-ферментов, которые называют пенициллинсвязывающими белками, так как именно они служат мишенью для пенициллина и других бета-лактамных антибиотиков. Ингибирование пенициллинсвязывающих белков приводит к накоплению предшественников пептидогликана в бактериальной клетке. В конечном итоге огромное количество этих предшественников запускает в бактериальной клетке систему их уничтожения — аутентические ферменты, которые в норме расщепляют пептидогликан при делении бактериальных клеток. В результате действия аутолитических ферментов и происходит лизис бактериальной клетки. Поскольку пептидогликана нет в стенках животных клеток, то эти антибиотики обладают очень низкой токсичностью для макроорганизма, и их можно применять в высоких дозах (мегатерапия).
2.Вызывающие повреждение цитоплазматической мембраны(блокирование фосфолипидных или белковых компонентов, нарушение проницаемости клеточных мембран, изменение мембранного потенциала и т. д.).
Цитоплазматическая мембрана есть у всех живых клеток, но у прокариот и эукариот ее структура различна. Число антибиотиков, специфически действующих на мембраны бактерий, невелико. Наиболее известны полимиксины (полипептиды), к которым чувствительны только грамотрицательные бактерии. Они лизируют клетки, повреждая фосфолипиды клеточных мембран. Из-за токсичности они применялись лишь для лечения местных процессов и не вводились парентерально. В настоящее время на практике не используются.
3.Подавляющие белковый синтез
Как и в клетках человека, у бактерий белок синтезируется на рибосомах. Это органоиды , состоящие из двух субъедениц. К ним присоединяется молекула информационной РНК, а также в них заходят молекулы транспортной РНК, несущие аминокислоты. Внутри рибосомы аминокислоты собираются в белковую цепочку, которая потом выходит в цитоплазму. Антибиотики могут мешать этим процессам на разных этапах: блокировать объединение двух половин рибосом, запрещать транспортным РНК заходить внутрь и отдавать свою аминокислоту, отсоединять белковую цепочку раньше времени, когда синтез белка еще не окончен. После остановки белкового синтеза бактерия не сможет поделиться, а иногда её и вовсе настигает смерть
4.Нарушающие синтез фолиевой кислоты
В отличие от человека, бактерии не получают фолиевую кислоту с едой, а синтезируют её сами. Она необходима им для репликации ДНК и деления клеток. В ее отсутствие бактерии не погибают, но перестают делиться, а значит, не могут больше захватывать территории в организме.
1.4.Разновидность антибиотиков
В среднем в организме человека находится 39 триллионов бактерий. Большинство из них безвредны, а некоторые даже полезны. Однако определенные типы этих микроорганизмов способны вызывать различные инфекционные заболевания систем и органов человека.
Основные группы антибиотиков:
пенициллины;
тетрациклины и макролиды;
цефалоспорины;
карбапенемы и монобактамы;
фторхинолоны;
аминогликозиды и гликопептиды.
Все антибактериальные препараты разделяют на две большие группы:бактерицидные, то есть убивающие бактерии, и бактериостатические, то есть подавляющие их рост. К бактерицидным антибиотикам относится, например, пенициллин, а к бактериостатическим — тетрациклин.
Кроме того, антибиотики бывают узкого и широкого спектра действия. Например, ванкомицин — препарат узкого спектра действия, который работает в основном против грамположительных бактерий вроде стафилококка, но практически не работает против грамотрицательных бактерий. А тетрациклины — широкого спектра действия, потому что действуют и на грамположительных, и на большую часть грамотрицательных микроорганизмов.
1.5. Альтернативна антибиотикам
В наше время существуют различные препараты , которые могут заменить антибиотики.
Некоторые из них:
1.Антимикробные пептиды
Антимикробные пептиды являются защитными молекулами, которые обеспечивают врожденный иммунитет практически всех живых существ. С точки зрения химии пептиды представляют собой последовательность аминокислот определенной длины в цепочке. Это разнообразная группа молекул природного или синтетического происхождения, которые обладают антимикробными свойствами. Они способны взаимодействовать с бактериальными клетками и действовать либо бактерицидно, то есть убивать их, либо бактериостатически, то есть замедлять их рост.
В отличие антибиотиков , которые действуют на определённую молекулярную мишень , пептиды встраиваются в клеточную оболочку бактерии и формируют в ней особые структуры. В результате оболочка клетки разрушается , пептиды проникают внутрь , а бактериальная клетка погибает.
Антимикробные пептиды уже не один десяток лет рассматривают как альтернативу конвенциональным антибиотикам, которые применяются в терапии инфекционных заболеваний. Антибиотики сейчас перестают работать, в некоторых случаях помогают только антибиотики «последней надежды»: когда выбор между тем, умрет пациент от сепсиса или у него откажут почки от антибиотиков, назначают антибиотики последней надежды.
Также антимикробные пептиды менее токсичны, чем антибиотики, и разлагаются в организме человека очень быстро. Но с этим связан и тот факт, почему пептиды до сих пор не используют широко: они слишком быстро выводятся из организма. Вводить их внутривенно неэффективно: пептиды далеко не уйдут по кровотоку. И через желудочно-кишечный тракт назначать их бессмысленно, поскольку в желудке они расщепятся. На данный момент одобренных и прошедших клиническую апробацию препаратов на основе антимикробных пептидов не так много, и стоят они очень дорого. Еще одно положительное свойство антимикробных пептидов и причина, почему их не исключают как альтернативу антибиотикам, в том, что пептиды действуют на бактерии, убивают их, при этом устойчивость к ним практически не вырабатывается.
2.Природные антибиотики
Многие современные антибиотики получают на основе природных источников. Некоторые экстракты растений, эфирные масла и даже пищевые продукты обладают антибиотическими свойствами. Проведен ряд исследований, показывающих, что некоторые природные антибиотики могут быть столь же эффективны при уничтожении патогенных бактерий, как и синтетические препараты. Природные или натуральные антибиотики – это натуральные лекарства, которые обладают широким спектром противомикробной активности и используются при лечении начальных стадий многих воспалительных заболеваний инфекционной природы, не оказывая вредного воздействия на организм человека.
Все они содержат различные вещества, обуславливающие их антибактериальные, противовирусные и противовоспалительные свойства. Так, например, антибактериальный эффект меда обусловлен содержанием в нем пероксида водорода. Мед используется в традиционной медицине при лечении туберкулеза, глазных болезней, инфекций горла, бронхиальной астмы, заражения гельминтами, экземы, запоров, заживление язв и так далее. С древних времен мед наносили на раны для заживления и предотвращения развития инфекции. Современная медицина доказала эффективность использования меда против золотистого стафилококка, а также против многих бактериальных патогенов.
Один из самых известных природных антибиотиков – имбирь. В его составе главные компоненты – эфирное масло и фенольные соединения , а также присутствуют органические кислоты (щавелевая, янтарная, яблочная), углеводы (ксилоза, глюкоза, лактоза, мальтоза), полисахариды и дубильные вещества.
Известно, что против различных видов бактерий, включая кишечную палочку и золотистый стафилококк эффективен водный экстракт гвоздики. Активный компонент гвоздики – эвгенол, обладающий отличными антибактериальными свойствами.
Самая известная специя, обладающая антимикробными свойствами – куркума. Корневища куркумы содержат сложный комплекс биологически активных соединений, среди которых основные – куркуминоиды, тумероны и куркумены. Антибактериальная активность этих веществ была установлена еще в 1949 г., а в последующие 30-40 лет доказано противовоспалительное, гипогликемическое, антиоксидантное, ранозаживляющее, желчегонное, противогрибковое, антимутагенное, противоопухолевое и детоксицирующее действие.
Бактерицидные свойства брусники обусловлены наличием в ней бензойной кислоты. Это натуральный консервант, который угнетающе действует на развитие болезнетворных бактерий.
Облепиха, и особенно облепиховое масло содержат витамины, дубильные вещества, а также олеиновую, стеариновую, линолевую и пальметиновую жирные кислоты, благодаря которым это отличное бактерицидное, ранозаживляющее, противовоспалительное средство.
Прополис – еще один природный антибиотик с широким спектром действия. Американские исследователи выяснили, что к прополису чувствительны 25-39 разновидностей бактерий. За счет высокого содержания флавоноидов прополис оказывает выраженное бактерицидное (убивает бактерии) и бактериостатическое (подавляет их активность) действия. Он убивает не только Грам-положительную флору, такую как стафилококки (возбудителей пневмоний), клостридии (воспалительные урологические заболевания), стрептококки (возбудители расстройств пищеварения), но и Грам-отрицательную (псевдомонаду - возбудителя ангин, гайморитов и раневых инфекций; клебсиеллу - возбудителя пневмоний и бронхитов; протей, кишечную палочку и многие другие виды бактерий).
По признанию всех современных ученых клюква является самым мощным природным антибиотиком. Она обладает противовирусными свойствами и является прекрасным антиоксидантом. Клюква не дает бактериям удержаться на стенках мочевого пузыря, тем самым предотвращая его от инфекций. Клюква помогает бороться с бактериями и в полости рта, помогая от кариеса и пародонтоза. Эта ягода содержит кислоты, действие которых идентично действию антибиотиков против микробов класса E. Coli (большая группа бактерий, которые вызывают воспаления почек, мочевого пузыря, инфекционный гастроэнтерит). Экстракт клюквы эффективно действует даже против тех штаммов бактерий, которые стали устойчивы к традиционным антибиотикам.
2.1.Микробиологические исследования
На первом шаге микробиологического исследования мы вырастили бактерий в чашках Петри. Для этого мы взяли порошок агар-агар(Приложение 1) , залили его жидкостью и вскипятили до полного растворения. Полученный раствор налили в чашки Петри(Приложение 2). В них подсадили бактерий и убрали в теплое темное место на 7 суток. По истечении этого времени в чашках Петри мы обнаружили культуры бактерий.(Приложение 3)
В экспериментах мы исследовали 4 препарата – антибиотики, антимикробные пептиды и травяные настойки.(Приложение 4) Срок годности препаратов не превышал срок , указанный на упаковках. Все препараты были использованы в одинаковых концентрациях.
В чашки Петри с микроорганизмами мы добавили: (Приложение 5)
1.Атибиотик амоксициллин
2.Антимикробные пептиды
3.Настойку пиона
4.Настойку прополиса
Вывод: в ходе микробиологических исследований выяснили , что из всех использованных препаратов наиболее эффективными на предмет подавления микроорганизмов являются антимикробные пептиды.
Заключение
Исследования показали , что из всех использованных препаратов со своей задачей лучше всего справились антимикробные пептиды. В отличие от антибиотиков и травяных настоек они быстрее и эффективнее уничтожили микроорганизмы.
Также по результатам исследования выяснилось , что травяные настойки хуже всего справились со своей задачей. Они самые безопасные , но малоэффективные.
Таким образом , стало понятно , что заменить антибиотики можно. Например, антимикробными пептидами , которые не только эффективней и быстрей подавляют микроорганизмы , но и не представляют никакой опасности для человека.
Список использованной литературы:
1.А. Н. Сизенцов, И. А. Мисетов, И.Ф. Каримов «Антибиотики и химиотерапевтические препараты»
2.Егоров Н.С. Основы учения об антибиотиках (5-ое издание, переработанное и дополненное). Москва: Издательство Московского университета, 1994
3.Покровский В. Н. Антибиотики и бактерии. Москва: Знание, 1990.
4.Самые эффективные природные антибиотики: Г. Малахова
5. https://postnauka.ru/
6. https://www.mediasphera.ru/
Приложение
Приложение 1(Подготовка к исследованиям)
Приложение 2(подготовка питательных сред)
Приложение 3(культуры бактерий в чашках Петри)
Приложение 4(препараты для подавления микроорганизмов)
Приложение 5(влияние препаратов на микроорганизмы)