Odpadní voda může ukázat, kde se šíří odolnost vůči antibiotikům

Antibiotika zachraňují životy, jejich účinnost však není samozřejmá. Bakterie si mohou vytvořit schopnost přežít léčbu, která je dříve spolehlivě ničila. Tento jev označujeme jako antimikrobiální rezistenci a jeho význam celosvětově roste. Nový vědecký přehled ukazuje, že důležitým nástrojem pro její sledování může být něco tak běžného, jako je odpadní voda. V kanalizaci se totiž setkávají biologické stopy pocházející z domácností, nemocnic, zemědělství i dalších zdrojů. Jejich analýza může pomoci zjistit, kde se odolnost vůči antibiotikům zvyšuje, jak se šíří a kde může být zapotřebí zasáhnout.

Antibiotika patří k nejdůležitějším vynálezům moderní medicíny. Dokážou léčit bakteriální infekce, které byly ještě před několika generacemi často fatální. Jejich účinnost ale není nekonečná. Bakterie se mohou působení antibiotik přizpůsobit a získat vlastnosti, díky nimž léčbu přežijí. Pokud se takové bakterie dále množí a šíří, antibiotikum, které dříve spolehlivě zabíralo, může postupně přestat účinkovat.

Tento jev se označuje jako antimikrobiální rezistence, zkráceně AMR. Antimikrobiální znamená působící proti mikroorganismům, tedy například proti bakteriím, virům, houbám nebo parazitům. V případě antibiotik jde konkrétně o rezistenci bakterií vůči léčivům, která je mají ničit nebo zastavit jejich množení. Rezistence tedy neznamená, že člověk se stane odolným vůči antibiotiku. Odolnost získává samotný mikroorganismus.

Koncept Jednoho zdraví a geny rezistence

Podstatné je také to, že bakterie a jejich genetická informace se pohybují mezi lidmi, zvířaty a životním prostředím. Antibiotika se používají nejen v humánní medicíně, ale také ve veterinární péči a v zemědělství. Zbytky léčiv se mohou dostávat do prostředí a spolu s bakteriemi a jejich genetickým materiálem putovat dál. Proto Evropská unie používá přístup označovaný jako One Health, tedy Jedno zdraví. Jeho základní myšlenka je jednoduchá. Zdraví lidí, zvířat a životního prostředí spolu souvisejí a není možné účinně řešit jeden problém, pokud přehlédneme ostatní části systému.

Právě v tomto systému může sehrát překvapivě důležitou úlohu odpadní voda. Kanalizace shromažďuje vodu z velkého množství domácností a podle konkrétního systému také z nemocnic, zdravotnických zařízení, zemědělských provozů, průmyslu nebo dalších zdrojů. Spolu s vodou do kanalizace vstupují bakterie, jejich genetický materiál a také zbytky různých látek. Mezi nimi mohou být i geny, které bakteriím umožňují přežít působení antibiotik.

A právě tady se dostáváme k pojmu, který je pro celý výzkum zásadní. Gen je úsek genetické informace, který nese určitou biologickou instrukci. Některé geny například určují vlastnosti důležité pro růst nebo fungování organismu. Jiné mohou bakteriím umožnit odolnost vůči určitému antibiotiku. Tyto geny se označují jako geny antimikrobiální rezistence, anglicky antimicrobial resistance genes, zkráceně ARG.

Když vědci hledají ARG v odpadní vodě, nehledají přímo nemocné lidi ani se nesnaží z kanalizace určit, který konkrétní člověk je nositelem rezistentní bakterie. Sledují genetickou informaci přítomnou v celém vzorku. Z ní mohou zjistit, jaké geny rezistence se v daném prostředí vyskytují, v jakém množství a jak se jejich výskyt mění v čase.

Metoda monitorování odpadních vod a její limity

Tento způsob sledování se označuje jako monitorování odpadních vod, anglicky wastewater based surveillance. Zkratka WBS se v odborné literatuře používá právě pro tento přístup. Jeho princip je poměrně jednoduchý. Namísto toho, aby bylo nutné vyšetřit velké množství jednotlivců, odebere se vzorek odpadní vody, který v sobě nese biologické informace pocházející od celé sledované populace.

Stejný princip se výrazně rozšířil během pandemie covidu 19. Vědci tehdy analyzovali genetický materiál viru v kanalizaci a podle jeho množství sledovali, jak se infekce v populaci vyvíjí. Nebylo nutné testovat každého obyvatele města. Odpadní voda poskytla souhrnný obraz o tom, co se v dané populaci děje.

U antimikrobiální rezistence může být využití podobné, ale zároveň složitější. Vir je možné sledovat podle jeho genetického materiálu poměrně přímo. U rezistence je třeba zjistit nejen přítomnost konkrétního genu, ale také pochopit, v jakém organismu se nachází a zda skutečně umožňuje odolnost vůči určitému antibiotiku. Právstě tato otázka patří mezi významné současné technické problémy.

Jeden gen totiž sám o sobě nevypráví celý příběh. Pokud vědci naleznou v odpadní vodě gen rezistence, ještě to automaticky neznamená, že vědí, která bakterie jej nese, jak snadno se může šířit nebo jaké riziko představuje pro člověka. Proto je nutné genetická data kombinovat s dalšími informacemi. Výzkum se tak postupně dostává od prostého zjištění přítomnosti určitého genu k mnohem složitější otázce, jak se tento gen v prostředí pohybuje a do jakých bakterií může přecházet.

Právstě schopnost sledovat vývoj v čase je jednou z největších předností monitorování odpadních vod. Jednorázový vzorek může ukázat okamžitý stav, pravidelný odběr však umožňuje sledovat trend. Pokud například množství určitého genu začne v určité oblasti dlouhodobě růst, může to být signál, že se zde rezistence šíří nebo že se změnily podmínky, které její šíření podporují.

Výzkumný přehled ukazuje, že množství a rozmanitost genů rezistence souvisejí s místními podmínkami. Roli může hrát například úroveň sanitace, dostupnost čisté vody, zdravotnická infrastruktura nebo další sociální a environmentální faktory. Studie z různých částí světa zároveň ukazují rozdíly v genetickém složení odpadních vod. Ve sledovaných prostředích bylo nalezeno 49 společných genů rezistence. Jejich opakovaný výskyt v různých prostředích upozorňuje na možnost dalšího šíření nejen v rámci jednotlivých lokalit, ale také mezi regiony.

Význam pro lokální monitoring a hotspoty

Právstě proto může mít tento způsob monitoringu význam zejména v místech, kde klasické zdravotnické sledování neposkytuje dostatek údajů. Pokud lidé nemají snadný přístup ke zdravotní péči, nemusí být rezistentní infekce zachyceny včas. Odpadní voda přitom může poskytnout souhrnnou informaci o celé komunitě, aniž by bylo nutné vyšetřovat každého jednotlivce.

Významná je také možnost sledovat různé zdroje. Vzorek může pocházet z městské kanalizace, ale také z nemocnice, farmy nebo jiného konkrétního provozu. Rozsah monitoringu tedy může sahat od jediné budovy až po celé město. Díky tomu lze postupně hledat místa, kde se určité geny rezistence vyskytují ve zvýšené míře. Taková místa se označují jako hotspoty, tedy oblasti s neobvykle vysokou koncentrací sledovaného jevu.

Pokud se například v určité oblasti objeví nárůst konkrétních genů rezistence, může to být důvod k podrobnějšímu zkoumání. Následně lze prověřit používání antibiotik, zdravotnická zařízení, zemědělské provozy nebo další možné zdroje. Odpadní voda tak nemusí být pouze nástrojem pro popis současného stavu. Může sloužit také jako včasné upozornění na místo, kde se situace začíná měnit.

Výsledky však nelze správně interpretovat bez znalosti okolností, za kterých vzorek vznikl. Odpadní voda není každý den stejná. Její množství i složení se mění podle denní doby, počasí, spotřeby vody nebo charakteru připojených zdrojů. Jiný obraz může poskytnout vzorek odebraný během běžného pracovního dne a jiný vzorek po vydatném dešti. Pokud mají být údaje mezi sebou porovnávány, musí být odběry i laboratorní postupy nastaveny jednotně.

Standardizace a výzvy v globálním měřítku

Právstě standardizace, tedy používání stejných a předem stanovených postupů, bude pro budoucí využití této metody zásadní. Výzkumníci potřebují srovnatelně odebírat vzorky, stejně je zpracovávat a používat odpovídající metody genetické analýzy. Teprve potom lze spolehlivě říci, že rozdíl mezi dvěma oblastmi nebo dvěma časovými obdobími skutečně odráží změnu v rezistenci a není pouze důsledkem odlišného způsobu měření.

Ještě složitější je situace v oblastech, kde chybí souvislá kanalizační síť. Právstě tam mohou být hygienické podmínky horší a riziko kontaktu lidí s kontaminovanou vodou vyšší. Současně zde ale není možné jednoduše odebrat jeden reprezentativní vzorek z centrální kanalizace, protože žádná taková síť nemusí existovat. To vytváří významnou mezeru v globálním sledování antimikrobiální rezistence.

Dalším problémem je ochrana soukromí. Čím menší počet lidí kanalizační systém obsluhuje, tím přesněji mohou genetická data popisovat konkrétní komunitu. Proto je nutné stanovit pravidla pro to, jak se data ukládají, kdo k nim má přístup a jakým způsobem se zveřejňují. Výzkum musí být dostatečně podrobný, aby byl užitečný pro ochranu zdraví, zároveň však nesmí vytvářet zbytečné riziko pro soukromí lidí, jejichž biologické stopy se ve vzorku nacházejí.

A právě zde se znovu vrací princip One Health. Pokud chceme pochopit, proč se rezistence někde zvyšuje, nestačí sledovat pouze nemocnice a pacienty. Potřebujeme současně vědět, jak se antibiotika používají v humánní a veterinární medicíně, co se děje v zemědělství, jak jsou zpracovávány odpadní vody a jaké podmínky panují v okolním prostředí. Jednotlivé části systému se totiž mohou navzájem ovlivňovat.

Výzkumníci proto upozorňují, že budoucí monitoring bude potřebovat rozsáhlé propojení různých druhů dat. Genetické údaje z odpadních vod je třeba porovnávat s informacemi ze zdravotnictví, zemědělství, životního prostředí a farmaceutické oblasti. Teprve tak lze získat dostatečně přesný obraz o tom, kde rezistence přetrvává, kde se zvyšuje a jakými cestami se může šířit.

Odpadní voda je tedy směsí biologických informací, které mohou vypovídat o tom, co se v určité populaci a jejím okolí odehrává. Pokud se naučíme tyto informace správně číst, může kanalizace získat další, dosud málo využívanou funkci. U antimikrobiální rezistence je přitom rychlost zásadní. Čím dříve se podaří zachytit nárůst určitého genu rezistence nebo objevení nového genetického mechanismu v nové oblasti, tím více času máme na hledání příčiny a přijetí opatření.

Zdroj: Ilustrativní obrázek pro vás vytvořil ChatGPT. Pokud jste v tom nepoznali ruku umělé inteligence, vězte, že žádný robot při tvorbě neutrpěl žádnou újmu