CC BY
171
УДК 579.61
http://dx.doi.org/10.26787/nydha-2686-6838-2019-21-10-125-130
СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О МЕХАНИЗМАХ ФОРМИРОВАНИЯ РЕЗИСТЕНТНОСТИ МИКРООРГАНИЗМОВ К АНТИМИКРОБНЫМ ПРЕПАРАТАМ
Пушилина А.Д., Коменкова Т.С., Зайцева Е.А.
ФГБОУ ВО «Тихоокеанский государственный медицинский университет» МЗ РФ, г. Владивосток, Российская Федерация
MICROORGANISMS ANTIBIOTIC RESISTANCE MECHANISMS - PRESENT VIEW
Pushilina A.D., Komenkova T.S., Zaitseva E.A.
Pacific State Medical University, Vladivostok, Russian Federation
Аннотация: Возникновение резистентности среди важнейших бактериальных патогенов признано одной из основных угроз здоровью населения во всем мире. Бактериальная реакция на воздействие антимикробных препаратов -пример бактериальной адаптации и эволюции самосохранения. «Выживание наиболее приспособленных» является следствием огромной генетической пластичности бактериальных патогенов, что приводит к мутационной адаптации, приобретению нового генетического материала и/или изменению экспрессии генов, вызывая устойчивость практически ко всем антимикробным препаратам, в настоящее время доступным в клинической практике. Следовательно, понимание биохимической и генетической основы резистентности имеет первостепенное значение для разработки стратегий, направленных на ограничение возникновения и распространения резистентности, а также для разработки инновационных терапевтических подходов против организмов с множественной лекарственной устойчивостью. В статье описаны основные механизмы устойчивости микроорганизмов к антимикробным препаратам.
Annotation. The emergence of resistance among the most important bacterial pathogens is globally recognized as one of the main threats to public health. A bacterial response to antimicrobial agents is an example of bacterial adaptation and the evolution of self-preservation. "Survival of the fittest" is a consequence of the enormous genetic plasticity of bacterial pathogens, which leads to adaptation by mutations, the acquisition of new genetic material and / or a change in gene expression, causing resistance to the majority of antimicrobial agents currently available in clinical practice. Consequently, an understanding of the biochemical and genetic basis of resistance has paramount importance for the development of strategies limiting the spread of resistance, as well as for the elaboration of innovative therapeutic approaches against multidrug-resistant organisms. The article describes the main mechanisms of resistance of microorganisms to antimicrobial agents.
Ключевые слова: антимикробные препараты,
механизмы резистентности, микробиологическая устойчивость, приобретенная резистентность
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
[1] Карнаух Э.В., Летик Я.В. Резистентность микроорганизмов к современным противо-микробным лекарственным средствам // European student scientific journal - 2014. №. 2. С. 12.
[2] Martinez J., Coque T., Baquero F. What is a resistance gene? Ranking risk in resistomes // Nature Reviews Microbiology. 2015. Vol. 13. No. 2. P. 116.
[3] Гненная Н.В., Сазыкин И.С., Сазыкина М.А. Механизмы приобретения микроорганизмами резистентности к антибиотикам // Вестник биотехнологии и физико-химической биологии имени Ю.А. Овчинникова. 2018. Т. 14. №. 1. С. 77.
[4] Сидоренко С.В., Тишков В.И. Молекулярные основы резистентности к антибиотикам // Успехи биологической химии. 2004. Т. 44. №. 2. С. 263-306.
[5] Molecular mechanisms of antibiotic resistance / J.M. Blair, M.A. Webber, A.J. Baylay, D O. Ogbolu, L.J. Piddock // Nature reviews microbiology. 2015. Vol. 13. No. 1. P. 42.
[6] Березняков И.Г. Проблемы резистентности бактерий к антибиотикам и пути их решения в урологической практике // Здоровье мужчины. 2016. №. 4 (59). С. 71-76.
[7] Будник Т.В. Антибиотикорезистентность в контексте инфекции мочевыводящих путей // Семейная медицина. 2015. №. 4. С. 77-84.
[8] A review on antibiotic resistance: alarm bells are ringing / S.B. Zaman, M. A. Hussain, R. Nye, V. Mehta, K. T. Mamun, N. Hossain // Cureus. 2017. Vol. 9. No. 6. P. 9.
[9] Understanding the mechanisms and drivers of antimicrobial resistance / A.H. Holmes, L.S. Moore, A. Sundsfjord, M. Steinbakk, S. Regmi, A. Karkey, P.J. Guerin, L.J. Piddock //
Keywords: antimicrobial agents, resistance mechanisms, microbiological resistance, acquired resistance
REFERENCES
[1] Kamauh E.V., Letik YA.V. Rezistentnost' mikroorganizmov k sovremennym protivom-ikrobnym lekarstvennym sredstvam // European student scientific journal - 2014. №. 2. P. 12.
[2] Martínez J., Coque T., Baquero F. What is a resistance gene? Ranking risk in resistomes // Nature Reviews Microbiology. 2015. Vol. 13. No. 2. P. 116.
[3] Gnennaya N.V., Sazykin I.S., Sazykina M.A. Mekhanizmy priobreteniya mikroorganizmami rezistentnosti k antibiotikam // Vestnik bio-tekhnologii i fiziko-himicheskoj biologii imeni YU.A. Ovchinnikova. 2018. T. 14. №. 1. P. 77.
[4] Sidorenko S.V., Tishkov V.I. Molekulyarnye os-novy rezistentnosti k antibiotikam // Uspekhi bi-ologicheskoj himii. 2004. T. 44. №. 2. P. 263306.
[5] Molecular mechanisms of antibiotic resistance / J.M. Blair, M.A. Webber, A.J. Baylay, D O. Ogbolu, L.J. Piddock // Nature reviews microbiology. 2015. Vol. 13. No. 1. P. 42.
[6] Bereznyakov I.G. Problemy rezistentnosti bak-terij k antibiotikam i puti ih resheniya v uro-logicheskoj praktike // Zdorov'e muzhchiny.
2016. №. 4 (59). P. 71-76.
[7] Budnik T.V. Antibiotic resistance in the context of a urinary tract infection // Semejnaya medicina. 2015. №. 4. P. 77-84.
[8] A review on antibiotic resistance: alarm bells are ringing / S.B. Zaman, M. A. Hussain, R. Nye, V. Mehta, K. T. Mamun, N. Hossain // Cureus.
2017. Vol. 9. No. 6. P. 9.
[9] Understanding the mechanisms and drivers of antimicrobial resistance / A.H. Holmes, L.S. Moore, A. Sundsfjord, M. Steinbakk, S. Regmi, A. Karkey, P.J. Guerin, L.J. Piddock // The Lancet. 2016. Vol. 387. No. 10014. P. 176-187.
[10] 64 Mechanisms of antibiotic resistance / J. Lin, K. Nishino, M.C. Roberts, M. Tolmasky, R.I.
The Lancet. 2016. Vol. 387. No. 10014. P. 176187.
[10] 64 Mechanisms of antibiotic resistance / J. Lin, K. Nishino, M.C. Roberts, M. Tolmasky, R.I. Aminov, L. Zhang // Frontiers in microbiology.
2015. Vol. 6. P. 34.
[11] Santajit S., Indrawattana N. Mechanisms of antimicrobial resistance in ESKAPE pathogens // BioMed research international. 2016. Vol.
2016. P. 8.
[12] Супотницкий М.В. Механизмы развития резистентности к антибиотикам у бактерий // Биопрепараты. 2011. №. 2. С. 4-11
[13] ВОЗ URL: http://www.euro.who.int/ru/health-topics/disease-prevention/antimicrobial-resistance/antibiotic-
resistance/factsheets/information-for-everyone (дата обращения: 19.05.2019).
[14] Rizzotti L., Rossi F., Torriani S. Biocide and antibiotic resistance of Enterococcus faecalis and Enterococcus faecium isolated from the swine meat chain // Food microbiology. 2016. Vol. 60. P. 160-164.
[15] Намазова-Баранова Л.С., Баранов А.А. Ан-тибиотикорезистентность в современном мире // Педиатрическая фармакология.
2017. Т. 14. №. 5. С. 341-354.
[16] Граничная Н.В., Зайцева Е.А., Переломова О.В. Резистентность коагулазонегативных стафилококков, выделенных из различного биоматериала у пациентов кардиохирурги-ческого профиля // Тихоокеанский медицинский журнал. 2019. № 2 (76). С. 38-42.
[17] Страчунский Л.С. Р-лактомазы расширенного спектра - быстро растущая и плохо осознаваемая угроза // Клин. микробиол. антимикроб. химиотер. 2005. №1. С. 2-6.
[18] Bradford P.A. Extended-Spectrum-Lac-tamases in the 21st Century: Characterization, Epidemiology, and Detection of This Important Resistance Threat. // Clin Microbiol Rev. 2001. No. 14: P. 933-951.
Aminov, L. Zhang // Frontiers in microbiology. 2015. Vol. 6. P. 34.
[11] Santajit S., Indrawattana N. Mechanisms of antimicrobial resistance in ESKAPE pathogens // BioMed research international. 2016. Vol. 2016. P. 8.
[ 12] Supotnitskiy M.V Mechanisms of Antibiotic Resistance in Bacteria // Biopreparaty. 2011. №. 2. P. 4-11.
[13] WHO URL: http://www.euro.who.int/ru/health-topics/disease-prevention/antimicrobial-re-sistance/antibiotic-resistance/factsheets/infor-mation-for-everyone (data obrashcheniya: 19.05.2019).
[14] Rizzotti L., Rossi F., Torriani S. Biocide and antibiotic resistance of Enterococcus faecalis and Enterococcus faecium isolated from the swine meat chain // Food microbiology. 2016. Vol. 60. P.160-164.
[15] Namazova-Baranova L. S., Baranov A. A. Antibiotic Resistance in Modern World // Pediatrich-eskaya farmakologiya. 2017. T. 14. №. 5. P. 341354.
[16] Granichnaya N.V., Zaytseva E.A., Perelomova O.V. Resistance of coagulase negative staphylo-cocci recovered from different biomaterials in cardiac patients // Tihookeanskij medicinskij zhurnal. 2019. № 2 (76). P. 38-42.
[17] Strachunskij L.S. P-laktomazy rasshirennogo spektra - bystro rastushchaya i ploho osozna-vaemaya ugroza. // Klin. mikrobiol. antimikrob. himioter., 2005. №1. P. 2
[18] Bradford P.A. Extended-Spectrum-Lactamases in the 21st Century: Characterization, Epidemiology, and Detection of This Important Resistance Threat. Clin Microbiol Rev. 2001. No. 14: P. 933-951.
В настоящее время к антимикробным препаратам относятся «...вещества природного, полусинтетического или синтетического происхождения, проявляющие избирательную
активность в отношении бактерий, и потенциально применимые для лечения инфекционных болезней*».
* Определение чувствительности микроорганизмов к антимикробным препаратам // Клинические рекомендации. 2018. Версия 3.
В широком смысле резистентность (от лат. resistentia - сопротивление, противодействие) понимают как сопротивляемость (устойчивость, невосприимчивость) организма к воздействию различных факторов - инфекций, ядов, загрязнений, паразитов и т.п. [1].
В современных клинических рекомендациях EUCAST «Определение чувствительности к антимикробным препаратам», выделяют понятия «микробиологической» и «клинической» устойчивости микроорганизмов к антибиотикам.*
Микробиологическое определение антибиотикорезистентности базируется на «эпидемиологических точках отсечения», которые определяются статистически, как значения минимальной подавляющей концентрации (МПК), являющиеся постоянными для популяции микроорганизмов конкретного вида * [2].
Клиническое определение антибиотикорезистентности основано на пограничных значениях МПК, зафиксированных с учетом экспозиции (дозы, пути введения, интервала дозирования, продолжительности инфузии, распределения и пути выведения) препарата в инфекционном очаге и риска неэффективности антимикробной терапии у пациентов * [2].
В настоящее время в соответствии со значениями EUCAST выделяют «дикий» (wild type - WT) и «недикий» (non-wild type - NWT) типы микроорганизмов * [2]. «Дикий» тип характеризуется наличием механизмов приобретенной резистентности к антимикробным препаратам, а «недикий» - их отсутствием.
С 1 января 2019 года EUCAST ввел новую формулировку для оценки категорий чувствительности, в соответствии с которой выделяют микроорганизмы: 1) чувствительные к антибактериальным препаратам при стандартном режиме дозирования (S), 2) чувствительные при увеличенной экспозиции (I), 3) резистентные (R)*.
Известны две формы устойчивости микроорганизмов к АМП: естественная устойчивость, которая обычно встречается у бактерий в различных природных средах, и приобретенная, обусловленная антропогенными причинами [3, 4, 5].
Естественная (природная) резистентность характеризуется сохранением бактериями жизнеспособности в присутствии концентраций антибактериальных препаратов, которые достижимы в организме человека. Эта форма устойчивости является постоянным видовым признаком, закодирована в хромосомных генах и легко прогнозируется [3, 4].
Природная устойчивость связана с отсутствием у возбудителя мишени действия антибиотика или её недоступности вследствие первично низкой проницаемости или ферментативной инактивации [3, 4, 5, 6, 7]. АМП, к которым у бактерий имеется естественная устойчивость, клинически неэффективны [4].
Приобретенная устойчивость - свойство отдельных штаммов бактерий сохранять жизнеспособность при концентрациях антибактериальных препаратов, подавляющих основную часть микробной популяции [6]. Иногда большая часть микроорганизмов проявляет приобретенную резистентность. Однако появление у бактерий приобретенной резистентности не обязательно характеризуется снижением клинической эффективности антибиотика [4, 8].
Известны следующие механизмы резистентности к АМП: 1) модификация мишени действия АМП, 2) его инактивация, 3) активное выведение из клетки, 4) нарушение проницаемости клеточной стенки, 5) формирование метаболического шунта [1, 4, 5, 6, 7, 8, 10, 11].
Механизм резистентности по типу «модификации мишени действия АМП» ассоциирован со структурными изменениями в молекулах мишени для АМП, которые происходят в результате спонтанных мутаций в генах или иных событий, приводящих к снижению или утрате способности мишени связываться с АМП. [1, 4, 5, 8, 11, 12].
«Инактивация АМП (Модификация АМП, детоксикация)» - один из древних механизмов, характеризующийся ферментативным разрушением или модификацией антибиотика до его попадания в цитоплазму бактериальной клетки [1, 5, 11, 12]. Химиотерапевтические препараты микробной клеткой, как правило, не разрушаются [13].
Активное выведение АМП из микробной клетки - «эффлюкс», реализуется за счет усиления активности транспортных систем, обеспечивающих активное выведение АМП до того, как они поразят свои мишени. [1, 4, 5, 12]. Известны эффлюксные системы разных семейств -major facilitator superfamily (MFS), ATP-binding cassette (АВС), resistance-nodulation-division (RND), small multidrug resistance (SMR), multidrug and toxic compound extrusion (MATE) [14].
Нарушение проницаемости клеточной стенки микроорганизма связано с утратой или нарушениями структуры пориновых каналов - воронкообразных белковых структур, которые обеспечивают транспорт гидрофильных групп антибактериальных препаратов в клетку возбудителя. Считается наименее специфичным механизмом по отношению к разным классам антибиотиков и характерен преимущественно для грамотрицательных бактерий [1, 4, 5, 11].
При формировании резистентности по типу «метаболического шунта» микроорганизмом продуцируется новый фермент и формируется обходной путь - «шунт», взамен блокированного антибиотиком [1].
«Защита мишени» реализуется посредством продукции альтернативных мишеней (чаще всего ферментов), устойчивых к воздействию АМП. Конкурентно связываясь с антибактериальным препаратом, они защищают настоящие мишени от поражения [4, 5, 12].
Данные механизмы антибиотикорезистентности (АБР) можно условно разделить на три основные группы: 1 - минимизирующие внутриклеточную концентрацию антибиотика (нарушение проницаемости и эффлюкс), 2 - модифицирующие мишень антибиотика (модификация мишени), 3 - инактивирующие антибиотик путем гидролиза или модификации (инактивация, формирование метаболического шунта, защита мишени) [5].
Формирование резистентности к антимикробным препаратам - генетически обусловленный процесс, ассоциированный с приобретением новой генетической информации при помощи одного из трех процессов горизонтального переноса генов (horizontal gene transfer -HGT) или посредством модификации собственного генома (мутациями или изменением уровня экспрессии генов) [3, 4, 8, 9, 12].
Подвижные генетические элементы (mobile genetic elements - MGE) способны самостоятельно перемещаться как между бактериями (конъюгативные плазмиды и конъюгативные транспозоны), так и в пределах бактериальной клетки (транспозоны, генные кассеты, инте-гроны и др.) [3, 4, 12]. Посредством этого механизма происходит распространение генов,
кодирующих ферменты, вовлеченные в инактивацию АМП и синтез модифицированных мишеней действия [4, 12].
Существенный вклад в формирование устойчивости к антибактериальным препаратам вносят мутации собственных генов бактерий, которые кодируют: 1) мишень антимикробного препарата, 2) системы эффлюкса и пориновые каналы, 3) регуляторы, подавляющие экспрессию транспортеров [3, 4].
Бактерии, характеризующиеся наличием мутаций в данных генах, приобретают значительное преимущество при селективном воздействии противомикробных средств [3, 4]. Формирование резистентности посредством мутации в бактериальной хромосоме в большей степени характерно для химиопрепатов (сульфаниламидов, фторхинолонов и др.) [3, 4]. При этом мутации, ведущие к формированию устойчивости, нельзя классифицировать как гены АБР во избежание ошибок при оценке риска распространения антибиотикорезистентности микроорганизмов [3].
Одним из основных факторов, способствующих формированию устойчивости к антимикробным препаратам в медицинской практике, считается их широкое использование не по назначению (при самолечении больных), немаловажную роль играет неадекватное назначение (недостаточная дозировка, неправильно подобранная кратность и курс лечения) [2, 3, 8, 15]. В ходе интенсивного воздействия антимикробных препаратов возрастает вероятность формирования у микроорганизмов устойчивости одновременно к нескольким антибиотикам [16, 8]. Например, полирезистентность у некоторых грамотрицательных бактерий (Escherichia coli, Klebsiella sp., Proteus sp. и др.) обусловлена образованием этими бактериями ß-лактамаз расширенного спектра действия (БЛРС): ферментов, обуславливающие резистентность практически ко всем ß-лактамным антибиотикам (пенициллинам, цефалоспоринам, монобактамам) [17, 18]. БЛРС-продуцирующие бактерии ответственны за серьезные инфекционные процессы, часто связанные со вспышками внутрибольничных инфекций.
В настоящее время выделяют термины «перекрестной» - к препаратам одного химического класса), «ассоциированной» - к АМП более одного класса, «множественной» - к трем и более классам АМП, «обширной» - к большинству классов антимикробных препаратов, и «панрезистентности» микроорганизмов - ко всем классам АМП [6, 8].
Знание и детальное изучение механизмов формирования антибиотикорезистентности будет способствовать успешной борьбе с распространением устойчивости к АМП у микроорганизмов.
