CC BY
65УДК 636.084
ТЕТРАЦИКЛИНОВЫЕ АНТИБИОТИКИ В ЖИВОТНОВОДСТВЕ И ВЕТЕРИНАРИИ
Мирошникова Мария Сергеевна, магистрант, направление подготовки 06.04.01 Биология, Оренбургский государственный университет, Оренбург e-mail: [email protected]
Научный руководитель: Каримов Ильшат Файзелгаянович, кандидат биологических наук, доцент кафедры биохимии и микробиологии, Оренбургский государственный университет, Оренбург e-mail: [email protected]
Аннотация. Существует острая необходимость в рациональном использовании противомикробных препаратов для повышения эффективности доступных в настоящее время методов лечения. Использование антибиотиков в медицине, а также в системах растениеводства и животноводства привело к ускорению отбора и распространения устойчивости бактерий к противомикробным препаратам. Устойчивые к антибиотикам кишечные бактерии могут передаваться от домашнего скота к человеку фекально-оральным путем или через продукты питания животного происхождения и загрязнение окружающей среды. Хотя использование антимикробных препаратов в животноводстве и других отраслях человеческой деятельности в настоящее время стало важной политической и научной проблемой, при этом в глобальном масштабе их все равно продолжают применять во многих странах мира. Среди них тетрациклины представляют собой химическую группу, имеющую большое значение в связи с широким применением данных химиопрепаратов в сельском хозяйстве. Поскольку во всем мире используется значительное количество антимикробных препаратов тетрациклинового ряда, превосходящих по объемам почти все другие применяемые семейства антибиотиков, их мониторинг играет важную роль. Поэтому необходимо добиться прогресса в анализе антибиотиков для оценки правильного использования и дозировки тетрациклинов в пищевых продуктах и кормах, а также возможных остатков в соответствующих образцах окружающей среды. В обзоре представлен анализ данных современных исследований, направленных на изучение проблемы антибиотикорезистентности, вызванной антимикробными препаратами группы тетрациклинов в мировой практике сельского хозяйства. Рассмотрены новейшие скрининговые тесты, способствующие мониторингу и оценке уровней остатков тетрациклинов в различных сферах человеческой деятельности, а также приведены данные о существующих и потенциально возможных альтернативах тетрациклиновым антибиотикам в животноводстве.
Ключевые слова: антибиотики, антибиотикорезистентность, тетрациклины.
Для цитирования: Мирошникова М. С. Тетрациклиновые антибиотики в животноводстве и ветеринарии // Шаг в науку. - 2021. - № 2. - С. 10-20.
TETRACYCLINE ANTIBIOTICS IN ANIMAL HUSBANDRY AND VETERINARY
Miroshnikova Maria Sergeevna, postgraduate student, training program 06.04.01 Biology, Orenburg State University, Orenburg
e-mail: [email protected]
Research advisor: Karimov Ilshat Fayzelgayanovich, Candidate of Biological Sciences, Associate Professor, Associate Professor of the Department of Biochemistry and Microbiology, Orenburg State University, Orenburg e-mail: [email protected]
Abstract. There is an urgent need for the rational use of antimicrobial drugs to improve the effectiveness of the currently available treatments. The use of antibiotics in medicine and in crop and livestock systems has accelerated the selection and spread of antimicrobial resistance in bacteria. Antibiotic-resistant gut bacteria can be transmitted from livestock to humans through the fecal-oral route or through animal food and environmental pollution. Although the use of antimicrobial drugs in livestock and other human activities has now become an important political and scientific issue, they continue to be used globally in many countries around the world. Among them, tetracyclines are a chemical group of great importance due to their widespread use in agriculture, surpassing those used by almost all other families of antibiotics. Since significant amounts of tetracyclines are used worldwide, monitoring of these antibiotics is ofparamount importance. Progress is needed in antibiotic analysis to assess the correct use and dosage of tetracyclines in food and feed, and possible residues in relevant environ-
mental samples. The review presents an analysis of the data of modern studies aimed at studying the problem of antibiotic resistance of the tetracycline group caused by antimicrobial drugs in world agricultural practice. The newest screening tests that facilitate the monitoring and assessment of levels of tetracycline residues in various areas of human activity are considered, and data on existing and potential alternatives to tetracycline antibiotics in animal husbandry are provided.
Key words: antibiotics, antibiotic resistance, tetracyclines.
Cite as: Miroshnikova, M. S. (2021) [Tetracycline antibiotics in animal husbandry and veterinary]. Shag v nau-ku [Step into science]. Vol. 2, pp. 10-20.
Антибиотики с момента их открытия в 1920-х годах сыграли решающую роль в обеспечении экономической эффективности животноводства в качестве кормовых добавок в субтерапевтических дозах для улучшения роста сельскохозяйственных животных и эффективности преобразования корма, а также для предотвращения инфекций [11]. Кормовые антибиотики - обычная и хорошо зарекомендовавшая себя практика в животноводстве, которая способствовала интенсификации современного сельского хозяйства.
Будучи дешевыми и эффективными, антибиотики группы тетрациклинов широко применяются в ветеринарии для лечения инфекций, ускорения роста животных и содействия социальному развитию [3, 18]. Тетрациклины - это семейство соединений широкого спектра действия. В настоящее время доступно более 20 тетрациклинов, однако тетрациклин, хлортетрациклин, окситетрациклин и доксициклин являются наиболее распространенными в ветеринарии [25]. Они блокируют синтез бактериального белка за счет ингибирования 30S рибосомной субъединицы, что приводит к гибели бактерий [18].
Тетрациклины имеют несколько терапевтических показаний, которые связаны с различными инфекциями у животных (например, инфекции, вызванные Mycoplasma, Chlamydia, Pasteurella, Clostridium, Ornithobacterium rhinotracheale и некоторыми простейшими) [28]. В кормлении сельскохозяйственных видов животных наиболее часто используются тетрациклины первого поколения (например, окситетрациклин). Терапевтические показания для животных включают респираторные инфекции, инфекции кожи и мягких тканей, перитонит, метрит и другие кишечные инфекции [4, 28].
Помимо терапевтических целей во многих странах тетрациклины часто добавляют в корм животным в субтерапевтических дозах в качестве стимуляторов роста свиней и птицы, а также в ак-вакультуре [28]. Стимулирующие рост свойства тетрациклинов были обнаружены в 1949 году, когда выявили, что низкие уровни хлортетрациклина в рационах домашнего скота благотворно влияют на скорость роста и потребление корма молодыми цыплятами [62]. Первоначальные наблюдения на цыплятах были подтверждены и вскоре распространились на свиней и крупный рогатый скот, что при-
вело к разработке хлортетрациклина и окситетра-циклина в качестве стимуляторов роста животных [29]. Однако в настоящее время имеются данные, подтверждающие тот факт, что использование кормовых антимикробных препаратов приводит к развитию резистентности к ним у бактерий, представляя потенциальную угрозу для здоровья человека [26]. Хотя по-прежнему существуют смешанные мнения о передаче генов устойчивости к антибиотикам от патогенов животных к патогенам человека, исследования показали потенциальную связь между практикой использования субтерапевтических доз антибиотиков в кормлении животных и развитием устойчивости к противомикробным препаратам в микробиоте человека.
Антибиотики тетрациклинового ряда являются одними из наиболее часто применяемых в животноводстве и птицеводстве во всем мире [13]. Мировое потребление антимикробных препаратов отраслью животноводства по консервативным оценкам в 2010 г. составило 63 200 ± 1 560 тонн [65], что составляет почти две трети мирового производства антибиотиков [8], и, согласно прогнозам, оно будет расти. Эти статистические данные показывают, что проблема чрезмерного нерационального использования тетрациклиновых имеет особое значение в таких странах, как США, Китай и Индия [65].
Рациональное применение антибиотиков в сельском хозяйстве имеет важнейшее значение для сохранения активности этих препаратов и их использования в медицине. Поддержание здоровья животных очень важно для производства безопасных продуктов питания, чтобы соответствовать потребностям растущей численности мирового населения в большем количестве доступных белков животного происхождения в рационе.
Характеристика антибиотиков тетрациклинового ряда
К антибиотикам тетрациклинового ряда относятся химические соединения, в основе строения которых лежит конденсированная четырехцикличе-ская система (кольца обозначены А, В, С и D) (рисунок 1), к которым присоединены различные функциональные группы [2]. Простейшим тетрациклином, проявляющим обнаруживаемую антибактериальную активность, является 6-дезокси-6-деме-тилтетрациклин, поэтому данную структуру можно
рассматривать как минимальный фармакофор [44] (рисунок 1). Особенности, важные для антибактериальной активности тетрациклинов - это поддержание линейного конденсированного тетрацикла, встречающиеся в природе (а) стереохимические конфигурации в положениях 4а, 12а (кольцевое соединение АВ) и 4 (диметиламиногруппа), а также
сохранение кето-енольной системы (положения 11, 12 и 12а) вблизи фенольного D-кольца. Тетрацикли-ны являются сильными хелатирующими агентами, сайты хелатирования включают р-дикетонную систему (положения 11 и 12) и енольные (положения 1 и 3) и карбоксамидные (положение 2) группы кольца А [12].
Рисунок 1. Структура 6-дезокси-6-деметилтетрациклина, минимального тетрациклинового фармакофора
Тетрациклины представляют собой кристаллические вещества, которые могут образовывать соли с органическими и неорганическими кислотами, щелочными и щелочноземельными металлами, а также нерастворимые комплексы с катионами многовалентных металлов, борной кислотой и солями а-оксикарбоновых кислот (глюконовой, яблочной, лимонной и пр.). В сухом виде тетрациклины стабильны. В растворах их устойчивость зависит от pH среды (оптимальные значения pH 6,1-6,6).
Все тетрациклины близки по химическому строению, биологическим свойствам и фармакологическим параметрам, характеризуются общим спектром и механизмом антимикробного действия, и полной перекрестной устойчивостью друг к другу. Между собой тетрациклины различаются по некоторым физико-химическим свойствам, степени антибактериального действия, имеют особенности всасывания, распределения и метаболизма в макроорганизме, а кроме того, по-разному переносятся [1].
Первые тетрациклины были получены в результате ферментации актиномицетов. Хлортетра-циклин, производимый Streptomyces aureofaciens и продаваемый как ауреомицин, впервые был описан Бенджамином Дуггаром в Lederle Laboratories
в 1948 году и одобрен для клинического использования в том же году [19]. Вскоре после этого ученые Pfizer (Нью-Йорк) выделили окситетрациклин, одобренный Управлением по контролю за продуктами и лекарствами США (FDA) в 1950 году и продаваемый как террамицин [24]. Другие тетрациклины, появившиеся в течение следующих двух десятилетий, также были натуральными производимыми стрептомицетами (тетрациклин, диметилхлорте-трациклин), относящиеся к первому поколению. В попытке улучшить их эффективность были использованы различные структурные изменения (например, модификация кольца D посредством атомов углерода 7-9) и разработаны полусинтетические производные тетрациклинов второго поколения с повышенной антибактериальной активностью, спектром, охватом устойчивости, растворимостью и/или пероральной биодоступностью (метациклин, ролитетрациклин, лимециклин, доксициклин и ми-ноциклин) [45]. Тигециклин, полусинтетический парентеральный глицилциклин, был открыт в 1993 году учеными из компании Lederle (которая позже стала Wyeth, Нью-Йорк) и введен в клиническое использование в 2005 году. Данный химиопрепа-рат принадлежит к 3 поколению тетрациклинового ряда антибиотиков [69] (рисунок 2).
Рисунок 2. Структура основных членов тетрациклинового ряда
Тетрациклины преимущественно связываются с бактериальными рибосомами и взаимодействуют с высококонсервативной мишенью 16S рибо-сомной РНК (рРНК) в 30S рибосомной субъединице, останавливая трансляцию путем стерического вмешательства в стыковку РНК, переносящей аминоацил (тРНК) во время элонгации [48]. Таким образом, тетрациклины являются бактериостати-ческими антибиотиками, подавляющими бактериальный синтез белка.
Устойчивость к тетрациклинам обычно связывают с одним или несколькими из следующих факторов: приобретением мобильных генетических элементов, несущих гены устойчивости к те-трациклинам, мутациями внутри сайта связывания рибосом и / или хромосомными мутациями, ведущими к усилению экспрессии внутренних механизмов устойчивости. Как правило, оттокные насосы, защита рибосом и ферментативная инактивация тетрациклиновых препаратов являются основными механизмами, с помощью которых бактерии приобретают резистентность к тетрациклину [13]. В целом более 35 различных генов устойчивости, полученных из генетических детерминант tet, связанных с оттоком и рибосомной защитой, считаются ответственными за снижение эффективности тетрациклина против внебольнич-ных инфекций во всем мире, особенно вызванных Staphylococcus aureus, Streptococcus pneumoniae, Streptococcus pyogenes, Haemophilus influenzae и Enterobacteriaceae spp. [14].
Тетрациклины имеют несколько терапевтических показаний для лечения инфекций у сельскохозяйственных и домашних животных. Терапевтические показания для животных включают респираторные инфекции, инфекции кожи и мягких тканей, перитонит, метрит и другие кишечные инфекции, а также лечение инфекций у гидроби-онтов и медоносных пчел. У сельскохозяйственных животных антибиотики вводят одновременно с питьевой водой или кормом для лечения или профилактики заболеваний [49]. Тетрациклины также использовались для стимуляции роста, снижения коэффициента конверсии кормов и сокращения сроков откорма, но появление резистентности бактерий привело к прекращению использования данных антибиотиков для этих целей в 2006 году в европейских странах [28, 39]. В США важные с медицинской точки зрения антибиотики, включая тетрациклины, были исключены из использования в качестве стимуляторов роста в 2017 году, однако, как показывает практика и данные о продаже антибиотиков, граница между использованием лекарств в качестве стимуляторов роста, профилактики, метафилаксии и терапии весьма противоречива [23]. В отчете O'Neill et al. (2016) установлено, что только 1/3 антибиотиков ис-
пользуется в животноводстве в терапевтических целях, а оставшаяся часть включает профилактику (предотвращение болезней) или применение в качестве стимуляторов роста [47]. Это также относится к странам БРИКС (Бразилия, Россия, Индия, Китай и Южная Африка), где животноводство интенсифицируется, продажи антибиотиков растут угрожающими темпами, а их использование, как ожидается, вырастет на 67% или даже 99% к 2030 г. [50].
Примеры коммерчески доступных тетраци-клинов включают хлортетрациклин, окситетра-циклин, тетрациклин, доксициклин, миноциклин и тигециклин. Окситетрациклин - классический противомикробный препарат широкого спектра действия, относящийся к тетрациклинам первого поколения, используется в животноводстве для лечения респираторных и желудочно-кишечных заболеваний. Несмотря на его низкую перораль-ную биодоступность (от 5% до 15%) и относительно высокие значения МИК из-за развития устойчивости к противомикробным препаратам [17], во многих странах мира разрешено вводить его с кормом или водой для лечения системных заболеваний (таблица 1). Его низкая стоимость и ограниченная доступность антибактериальных средств делают безрецептурные препараты часто используемыми во многих странах [37]. Особое беспокойство вызывают некоторые тетрацикли-ны второго и третьего поколения, такие как док-сициклин и тигециклин. Доксициклин является полусинтетическим производным тетрациклина. Этот тетрациклин обладает улучшенными липо-фильными свойствами по сравнению с более старыми тетрациклинами, такими как тетрациклин и окситетрациклин. В качестве соли гиклата доксициклин представлен в виде раствора для инъекций (внутримышечно и внутривенно), водорастворимых или лактодиспергируемых порошков, а также таблеток и капсул (для домашних животных). Данный антимикробный препарат нельзя применять кормящему крупному рогатому скоту и несушкам. В настоящее время доксициклин включен в Регламент Комиссии (ЕС) № 37/2010 от 22 декабря 2009 г. [22]. В последнее время было отмечено, что клиническая эффективность докси-циклина может быть объяснена с точки зрения зависимого от времени антибактериального препарата. То есть при концентрациях в сыворотке равных или немного превышающих минимальную ингибирующую концентрацию (МИК), доксициклин подавляет чувствительные микроорганизмы в зависимости от времени. Следовательно, сывороточные концентрации доксициклина должны быть на уровне или выше значений МИК как можно дольше между интервалами введения лекарств (Т > МИК) [15].
Таблица 1. Дозировки тетрациклинов для домашних и сельскохозяйственных животных [10]
Наименование препарата Виды животного Дозировка, способ введения, частота приема препарата
Тетрациклин Кошки, собаки 7 мг/кг, внутримышечно или внутривенно, два раза в день 20 мг/кг, перорально, три раза в день
Окситетрациклин Кошки, собаки 7 мг/кг, внутримышечно или внутривенно, два раза в день 20 мг/кг, перорально, три раза в день
Крупный рогатый скот, овцы, свиньи 5-10 мг/кг/день, внутримышечно или внутривенно
Телята, жеребята, ягнята, поросята 10-20 мг/кг, перорально, два раза в день
Лошади 5 мг/ г, внутривенно, от одного до двух раз в день
Доксициклин Собаки 5-10 мг/кг/день, перорально, 5 мг/кг/день, внутривенно
Крупный рогатый скот, свиньи, птицы, индейки 10-20 мг/кг в день, перорально
Тигециклин представляет собой полусинтетическое производное миноциклина в положении С-9, которое имеет общий механизм действия с более старыми тетрациклинами, но не подвержен влиянию основных механизмов устойчивости к тетрациклину - оттока и рибосомной защиты, обнаруженных у грамположительных видов Staphylococcus, Streptococcus и Enterococcus. Однако низкая биодоступность ограничивает использование тигецикли-на внутривенной (IV) терапией, а предупреждение Управления по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA) о повышенной смертности пациентов, получающих тигециклин, препятствует его широкому использованию [61].
В настоящее время в Европейском Союзе нет разрешенных продуктов, содержащих тигециклин, для ветеринарного использования. Однако, согласно правилу каскада (законодательное положение, позволяющее ветеринарному врачу назначать запрещенные лекарства, которые в противном случае не были бы разрешены), тигециклин можно использовать для лечения домашних животных [66], поэтому микроорганизмы с множественной лекарственной устойчивостью у собак, кошек и лошадей обнаруживаются все чаще. Однако некоторые страны, такие как Финляндия, запретили использование этого антибиотика для животных [9, 28].
Влияние тетрациклинов на микрофлору организма
Образ жизни и метаболизм хозяина формируют состав сообщества и функциональность кишечной флоры [56]. В частности, попадание в организм человека множества мелких молекул, чужеродных для организма, включая химические вещества из окру-
жающей среды и фармацевтические препараты, может напрямую изменить состав и функциональность местных генов, индуцирующих микробиом кишечника, которые являются ответственными за метаболизм лекарств, резистентность к ним и реакцию на стресс [70]. Среди них антибиотики имеют большое влияние на микробиом кишечника человека, поскольку они могут нарушить его состав и изменить протекание метаболических реакций [32].
Использование антибиотиков достигло огромных масштабов во всем мире, хотя оно не является постоянным по географическим регионам и странам [47]. Однако мало внимания уделяется потенциальному эффекту субтерапевтических доз, которые могут достигать людей [55]. Основываясь на этом вопросе, Тетак G. (2005) был первым, кто предположил, что воздействие низких доз антибиотиков на человека может способствовать увеличению веса человека [63]. С 1940-х годов фермеры добавляли низкие дозы антибиотиков в корм или воду домашнего скота, чтобы способствовать росту сельскохозяйственных животных [47]. Помимо животноводства источниками попадания противо-микробных агентов в окружающую среду являются аквакультура, растениеводство, выброшенные лекарства с истекшим сроком годности, сточные воды больниц и другие сферы деятельности человека. Таким образом, существует достаточно доказательств того, что антибиотики могут попадать в нашу пищевую цепочку из различных источников и люди хронически подвергаются воздействию этих препаратов [54].
До недавнего времени исследования были сосредоточены в основном на генах устойчивости к антибиотикам и их распространении среди резистентных к лекарствам патогенов. Теперь больше внима-
ния уделяется генам устойчивости к антибиотикам у кишечных комменсальных бактериях человека и животных: кишечной микробиоте [15].
Тетрациклин - широко используемый антибиотик в терапевтических целях для человека и в ветеринарии. По оценкам, его биодоступность составляет примерно 77-88%, а высокий уровень остатков был обнаружен в фекалиях человека [5]. Сообщалось о до 242 мкг/кг тетрациклиновых в домашней птице и молочных продуктах и до 20 нг/л и 158 мкг/л в поверхностных водах и сточных водах соответственно [34]. Таким образом, существует несколько возможных способов проникновения тетрациклина в желудочно-кишечный тракт человека.
Распространенность устойчивости к тетрациклину у людей в отдельных европейских странах была обнаружена на уровне 66,9% для Escherichia coli и видов Klebsiella, продуцирующих ß-лактамазу расширенного спектра (ESBL), и 44,9% для видов Klebsiella (spp.) соответственно [34]. Общий процент резистентности к тетрациклину составлял 8,7% и 24,3% для метициллин-устойчиво-го Staphylococcus aureus (MRSA) и Streptococcus pneumoniae соответственно [42].
Наряду с развитием молекулярной биологии и технологий секвенирования, фокус исследований генов резистентности к антибиотикам в кишечнике человека постепенно меняется с одиночной изоляции на уровень бактериального сообщества.
Более 40 различных классов генов резистентности к тетрациклину были идентифицированы [36]. Исследование с использованием микроматричного анализа, нацеленного на здоровых добровольцев из шести европейских стран, показало, что tet (M) и tet (W) являются наиболее распространенными типами генов устойчивости к тетрациклину в их оральных и фекальных метагеномах, а также образцах окружающей среды [59].
Tet (M) является наиболее распространенным классом генов, и он обычно обнаруживается на конъюгативных элементах семейства Tn916 [53], тогда как tet (W) имеет второй по величине диапазон хозяев и был обнаружен как у грамположительных, так и у грамотрицательных бактерий [57]. Tet (W) связан с конъюгативными или неконъюгативными элементами, которые могут различаться у разных бактерий [67]. Этот ген размером 1,9 т.п.н. был первоначально идентифицирован в комменсальном анаэробе рубца Butyrivibrio fibrisolvens, где он присутствовал на большом подвижном хромосомном элементе Tn B1230 [41].
Таким образом, возникновение и развитие резервуара генов устойчивости к антимикробным препаратам у бактерий на уровне человеческой популяции во многом связано с применением антибиотиков, в частности тетрациклинов в качестве
кормовых добавок в сельскохозяйственном секторе многих развивающихся и высокоразвитых стран мира. Было выявлено, что появление и развитие резистентных к антибиотикам бактерий или генов, присутствующих в кале сельскохозяйственных животных, продуктах животного происхождения и воде, в сочетании с терапией антибиотиками может привести к их приобретению кишечным микро-биомом человека [7].
Методы обнаружения тетрациклинов
Надлежащий мониторинг и оценка применения антибактериальных препаратов в различных сферах человеческой деятельности будут способствовать их использованию в рациональных дозировках. Разумное использование антибиотиков на основе рекомендаций поможет снизить их потребление и остаточные количества, а также предотвратить образование устойчивых к ним патогенных бактерий. Для этих целей необходимо применять достоверные и надежные аналитические методы для сбора точных количественных данных. Значительные успехи в этом направлении были достигнуты за последние несколько лет в отношении обнаружения и количественного определения тетрацикли-нов, продуктов разложения и метаболитов в кормах и связанных с ними матрицах [28].
Хроматографические методы. Восемь различных тетрациклинов, которые используются в медицине и ветеринарии, могут быть определены с помощью высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) в режиме обращенной фазы с различными режимами обнаружения, такими как спектрофотометрия, флуоресценция и масс-спектрометрия [60]. Поскольку УФ-обна-ружение имеет относительно низкую чувствительность, а масс-спектрометрия требует дорогостоящих инструментов, методы, использующие флуоресцентное обнаружение, являются предпочтительными из-за их высокой селективности и чувствительности [28].
Капиллярный электрофорез. По сравнению с ВЭЖХ, капиллярный электрофорез (КЭ) использует меньшее количество органических растворителей и увеличивает эффективность разделения. Однако КЭ не применяется в рутинном анализе кормов из-за небольших объемов вводимых проб и, следовательно, низкой чувствительности, присущей этому методу. Несмотря на это ограничение, Hsiao et al. (2001) сообщили о методологии качественного и количественного определения тетрациклина в сельскохозяйственных продуктах на основе КЭ [33]. Кроме того, Miranda J. M. et al. (2009) реализовал метод КЭ с УФ-детектировани-ем для обнаружения тетрациклина, окситетраци-клина и доксициклина в мышцах птицы [43]. Эти авторы использовали два разных подхода для
очистки образцов с аналогичными результатами, а именно, картридж с обращенной фазой и ионообменную смолу. Аналиты были выделены при 360 нм менее чем за 12 мин. с пределами обнаружения в пределах от 61 ц г кг -1 до 89 ^ г кг -1.
Бактериологические методы. Обычно эти типы анализов заключаются в ингибировании или росте штамма, чувствительного к определенному противомикробному веществу. Такие методы обычно рентабельны, просты в применении и быстро выполнимы. Тем не менее, положительные образцы требуют хроматографического анализа для подтверждения и количественной оценки [28], и они применимы только в том случае, если в образце присутствует один антибиотик, поскольку они не могут различать антибиотики одного класса [6, 31, 64].
Иммунологические методы. R-Biopharm, Bioo Scientific и другие производители, такие как Europroxima, Randox, Abraxis, Cusabio и многие другие разработали иммунологические тесты для скрининга тетрациклинов. Во всех этих методах используются моноклональные антитела, уникальные для тетрациклина, в формате микроти-тровального планшета, чаще всего на основе реакции ELISA на биотин-авидин. Хотя большинство антител не могут отличить структурно подобных соединений, некоторые наборы способны обнаруживать как мало, как ^ г кг -1 из аналитов в нескольких матрицах. Эти тесты достаточно чувствительны, дешевы и быстры, хотя иногда им не хватает специфичности [20]. Эта последняя особенность препятствует их применению в скрининговых кампаниях, поскольку ложноотрицательные результаты по сравнению с ложноположительными не будут подвергаться подтверждающему анализу [28].
Клеточные биосенсоры. Биосенсор можно описать как систему измерения, в которой биологический компонент (т.е. целая клетка) используется в качестве компонента распознавания. Цельнокле-точные биосенсоры предоставляют информацию о влиянии стимула на живую систему в отличие от традиционных аналитических систем измерения, в которых определяется количество данного вещества. Что касается применения, некоторые биосенсоры нашли широкое применение в исследованиях пищевых продуктов [28].
В качестве классической схемы используется комбинация промотора индуцируемого гена (например, Ptet) и репортерного гена (например, lux CDABE) на плазмиде, с помощью которой трансформируют исходную родительскую клетку. Подобные бактериальные штаммы демонстрируют ответ на незначительные концентрации тетрациклинов, продуцируя ß-галактозидазу и зеленый флуоресцентный белок (GFP) [31].
Альтернативы тетрациклиновым антибиотикам
Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) определила устойчивость к антибиотикам как одну из глобальных угроз общественному здоровью [52]. По оценкам специалистов к 2050 году 10 миллионов человек будут ежегодно умирать от микробных инфекций с множественной лекарственной резистентностью. Наибольший риск представляет устойчивость к препаратам резерва, которые являются последней линией защиты от наиболее тяжелых инфекционных болезней [68]. Одной из основных причин возникновения лекарственной устойчивости является неумелое, часто чрезмерное и ненужное использование противомикробных препаратов в животноводстве [40]. Поэтому за последние два десятилетия были предприняты многие глобальные мероприятия, направленные на оценку лекарственной резистентности, а также программы по сокращению использования антибиотиков, в первую очередь в животноводстве. Один из важнейших элементов этих мероприятий состоит в замене противомикробных препаратов альтернативными методами лечения [51].
Термин «альтернативные клинические противо-микробные препараты для животноводства» включает широкий спектр доступных вариантов, включая продукты с разными химическими структурами и механизмами действия, различные целевые группы животных, разнообразные пути введения и ожидаемые эффекты. Помимо веществ, предназначенных для замены антибиотиков, существуют также различные стратегии, связанные с поддержанием условий биобезопасности, соответствующей среды выращивания (например, уменьшение плотности посадки животных) и сбалансированного питания [51]. Кроме того, в качестве стратегии снижения устойчивости к противомикробным препаратам проводится анализ возникновения определенных инфекционных заболеваний в данной области (эндемичных) или в стране, а также осуществляются соответствующие графики вакцинации и административные мероприятия, связанные с ликвидацией инфекционных заболеваний [20].
Некоторые альтернативы, например, пробио-тики, пребиотики, эфирные масла, органические кислоты и кормовые ферменты известны и используются в течение многих лет [26]. В свою очередь, антимикробные пептиды, бактериофаги, молекулярные частицы, хищные бактерии, Cas9 и аналогичные продукты с целевым действием на определенные части генома, связанного с бактериальной вирулентностью, все еще требуют дальнейших исследований, особенно с точки зрения их использования в животноводстве [58]. Их эффективность зависит от многих факторов, таких как способ введения (пищевые болюсы, прямое нанесение на вымя
или инъекция), возраст животного и цель введения.
Каждая группа веществ имеет свои преимущества и недостатки и может быть предназначена для профилактики или лечения определенной группы заболеваний или может действовать в более широком диапазоне [38].
Поскольку альтернативы противомикробной терапии составляют огромную и разнообразную группу, очень проблематично дать исчерпывающий обзор всех доступных веществ или веществ, рассматриваемых как потенциальная альтернатива. Более того, часто следует рассматривать не применение только одного альтернативного варианта, а скорее комбинацию по крайней мере двух различных веществ или даже комбинацию различных стратегий действия и различных групп препаратов.
Выводы
Несмотря на внедрение большого количества стратегий противодействия резистентности, включая маркетинг альтернатив для замены антибиотиков, действия, последовательно предпринимаемые для ускорения глобальной тенденции к снижению лекарственной устойчивости, не кажутся успешными. Хотя наибольшая доля в использовании антибиотиков приходится на развивающиеся страны (и ожидается их дальнейший рост до 2030 года), производство продуктов питания животного происхождения в высокоразвитых странах остается на том же уровне, а производители по-прежнему вне-
дряют и развивают системы производства, зависимые от антибиотиков. Использование антибиотиков значительно снижает экономический риск производства, поскольку снижаются затраты на обслуживание и лечение животных. В большинстве стран неограниченный доступ к дешевому источнику протеина по-прежнему является главным приоритетом, а не проблема растущей лекарственной устойчивости, которая является абстрактным понятием для большинства населения. Дополнительным фактором, способствующим провалу глобальных действий по борьбе с лекарственной устойчивостью, являются неэффективные информационные кампании в СМИ, посвященные использованию антибиотиков; следовательно, общественное мнение не оказывает эффективного давления на деятельность правительств штатов.
Таким образом, согласование современной политики, экономики и охраны общественного здоровья должно стать императивом, в котором важную роль должны сыграть мероприятия, направленные на разработку, внедрение и маркетинг альтернативных препаратов антибиотикам или пропаганда рационального и обоснованного использования существующих антибиотиков. Важно сохранять преобладание над антибиотикорезистентностью микроорганизмов, успевая разрабатывать и внедрять новые альтернативы, поскольку развитие трудно поддающихся лечению инфекций происходит очень стремительно.
Литература
1. Ришко О. А. Тетрациклины: взгляд из прошлого в будущее // Животноводство России. - 2019.-№ 1. - С. 36-37.
2. Семенова Е. С., Крутова Л. Н., Скляр Х. А. Особенности антибиотиков тетрациклинового ряда // Вестник научных конференций. - 2018. - № 3-1(31). - С. 100-102.
3. Abdelaziz A. I. et al. Quality of community pharmacy practice in antibiotic self-medication encounters: a simulated patient study in upper Egypt // Antibiotics. - 2019. -Vol. 8. - P. 35-49.
4. Agga G. E. et al. Effects of chlortetracycline and copper supplementation on antimicrobial resistance of fecal Escherichia coli from weaned pigs // Prev Vet Med. - 2014. - Vol. 114 (3-4). - P. 231-246.
5. Agwuh K. N., MacGowan A. Pharmacokinetics and pharmacodynamics of the tetracyclines including glycylcyclines // J. Antimicrob. Chemother. - 2006. - P. 256-265.
6. Althaus R. et al. Evaluation of a Microbiological Multi-Residue System on the detection of antibacterial substances in ewe milk // Anal Chim Acta. - 2009. - Vol. 632(1). - P. 156-162.
7. Authority E. F. S., E. C. f. D Prevention, and control, The European Union summary report on antimicrobial resistance in zoonotic and indicator bacteria from humans, animals and food in 2014 // EFSA J. -2016. - Vol. 14(2). - P. 4380.
8. Bbosa G. S. et al. Antibiotics/antibacterial drug use, their marketing and promotion during the postantibiotic golden age and their role in emergence of bacterial resistance // Health. - 2014. - Vol. 6(5). - P. 410-425.
9. Black D. M., Rankin S. C., King L. G. Antimicrobial therapy and aerobic bacteriologic culture patterns in canine intensive care unit patients: 74 dogs (January-June 2006) // J Vet Emerg Crit Care (San Antonio). - 2009. -Vol. 19(5). - P. 489-495.
10. Boothe D. M. The merck veterinary manual: tetracyclines. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.merckvetmanual.com/mvm/pharmacology/antibacterial_agents/tetracyclines.html (дата обращения: 12.04.2021).
11. Castanon J. I. History of the use of antibiotic as growth promoters in European poultry feeds. Poult Sci. -2007. - Vol. 86(11). - P. 2466-2471.
12. Chopra I., Hawkey P. M., Hinton M. Tetracyclines, molecular and clinical aspects. J Antimicrob Chemother. - 1992. - Vol. 29(3). - P. 245-277.
13. Chopra I., Roberts M. Tetracycline antibiotics: mode of action, applications, molecular biology, and epidemiology of bacterial resistance. Microbiol Mol Biol Rev. - 2001. - Vol. 65(2). - P. 232-260.
14. Connell S. R. et al. Ribosomal protection proteins and their mechanism of tetracycline resistance // Antimicrob Agents Chemother. - 2003. -Vol. 47(12). - P. 3675-3681.
15. Cunha B. A., Domenico P., Cunha C. B. Pharmacodynamics of doxycycline // Clin. Microbiol. Infec. -2000. -Vol. 6. - P. 270-273.
16. de Vries L. E. et al. The gut as reservoir of antibiotic resistance: microbial diversity of tetracycline resistance in mother and infant // PLoS One. 2011;6:e21644.
17. del Castillo J. R. E., Elsener J., Martineau G.-P. Pharmacokinetic modeling of in-feed tetracyclines in pigs using a meta-analytic compartmental approach // J. Swine Health Prod. - 1998. - Vol. 6. - P. 189-202.
18. Du B. et al. Presence of tetracyclines, quinolones, lincomycin and streptomycin in milk // Food Control. -2019. -Vol. 100. - P. 171-175.
19. Duggar B. M. Aureomycin; a product of the continuing search for new antibiotics // Ann N Y Acad Sci. -1948. -Vol. 51. - P. 177-181.
20. European Commision. Annual Report 2007 on the Rapid Alert System for Food and Feed. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://ec.europa.eu/food/food/rapidalert/index en.html. (дата обращения: 10.04.2021).
21. European Commision. The New EU One Health Action Plan Against Antimicrobial Resistance. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://ec.europa.eu/health/antimicrobial-resistance/eu-action-on-antimicrobial-resistance_en. (дата обращения: 10.04.2021).
22. European Commission. On pharmacologically active substances and their classification regarding maximum residue limits in foodstuffs of animal origin, Official Journal of the European Union, Commission Regulation (EU) No 37/2010, 2009.
23. European Medicines Agency, European Surveillance of Veterinary Antimicrobial Consumption. Sales of Veterinary Antimicrobial Agents in 31 European Countries in 2017. European Medicines Agency; Amsterdam, The Netherlands: 2019.
24. Finlay A. C. et al. Terramycin, a new antibiotic // Science. -1950. - Vol. 111. - P. 85.
25. Fritz J. W., Zuo Y. Simultaneous determination of tetracycline, oxytetracycline, and 4-epitetracycline in milk by high-performance liquid chromatography // Food Chemistry. - 2007. - Vol. 105(3). - P. 1297-1301.
26. Gadde U. et al. Alternatives to antibiotics for maximizing growth performance and feed efficiency in poultry: a review // Anim Health Res Rev. - 2017. -Vol. 18(1). - P. 26-45.
27. Gallois M. et al. Natural alternatives to in-feed antibiotics in pig production: can immunomodulators play a role? // Animal. - 2009. -Vol. 3(12). - P. 1644-1661.
28. Granados-Chinchilla F., Rodríguez C. J. Tetracyclines in Food and Feedingstuffs: From Regulation to Analytical Methods, Bacterial Resistance, and Environmental and Health Implications // Anal Methods Chem. -2017():1315497.
29. Gustafson R. H., Kiser J. S. Nonmedical uses of the tetracyclines. In: Hlavka J. J., Boothe J. H., editors. Handbook of experimental pharmacology. Berlin, Germany: Springer-Verlag KG. - 1985. - Vol. 78. - P. 405-446.
30. Hansen L. H., S0rensen S. J. Detection and quantification of tetracyclines by whole cell biosensors // FEMS Microbiol Lett. -2000. -Vol. 190(2). - P. 273-278.
31. Hargrave B. T., Doucette L. I., Haya K., et al. A micro-dilution method for detecting oxytetracycline-resistant bacteria in marine sediments from salmon and mussel aquaculture sites and an urbanized harbour in Atlantic Canada // Mar Pollut Bull. - 2008. - Vol. 56(8). - P. 1439-1445.
32. Hernández E. et al. Ferrer Functional consequences of microbial shifts in the human gastrointestinal tract linked to antibiotic treatment and obesity // Gut Microbes. - 2013. - Vol. 4. - P. 306-315.
33. Hsiao Y. M., Ko J. L., Lo C. C. Determination of tetracycline and streptomycin in mixed fungicide products by capillary zone electrophoresis // J Agric Food Chem. - 2001. - Vol. 49(4). - P. 1669-1674.
34. Javid A. et al. Assessment of tetracycline contamination in surface and groundwater resources proximal to animal farming houses in Tehran Iran // J. Environ. Heal. Sci. Eng. - 2016. - Vol. 14. - P. 1-5.
35. Jones R. N. et al. Resistance surveillance program report for selected European nations (2011) // Diagn Microbiol Infect Dis. - 2014. -Vol. 78(4). - P. 429-436.
36. Kazimierczak K. A. et al. A new tetracycline efflux gene, tet(40), is located in tandem with tet(O/32/O) in a human gut firmicute bacterium and in metagenomic library clones // Antimicrob Agents Chemother. - 2008. Vol. 52. - P. 4001-4009.
37. Larsen I. et al. A randomised clinical trial on the efficacy of oxytetracycline dose through water medication
of nursery pigs on diarrhoea, faecal shedding of Lawsonia intracellularis and average daily weight gain // Preventive Veterinary Medicine. -2016. - Vol. 123. - P. 52-59.
38. Laurent J. W. Alternatives to Common Preventive Uses of Antibiotics for Cattle, Swine, and Chickens. NRDC Report. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.nrdc.org/resources/alternatives-common-preventive-uses-antibiotics-cattle-swine-and-chickens (дата обращения: 18.04.2021).
39. Maron D. F., Smith T. J., Nachman K. E. Restrictions on antimicrobial use in food animal production: an international regulatory and economic survey // Global Health. - 2013. - Vol. 9. - P. 48.
40. Meek R.W., Vyas H., Piddock L. J. Nonmedical Uses of Antibiotics: Time to Restrict Their Use? // PLoS Biol.2015;13:e1002266.
41. Melville C. M. et al. The Butyrivibrio fibrisolvens tet(W) gene is carried on the novel conjugative transposon TnB1230, which contains duplicated nitroreductase coding sequences // J. Bacteriol. - 2004. -Vol. 186. - P. 3656-3659.
42. Mendes R. E. et al. Update of the telavancin activity in vitro tested against a worldwide collection of Gram-positive clinical isolates (2013), when applying the revised susceptibility testing method // Diagn Microbiol Infect Dis. - 2015. -Vol. 81(4). - P. 275-279.
43. Miranda J. M., Rodríguez J. A., Galán-Vidal C. A. Simultaneous determination of tetracyclines in poultry muscle by capillary zone electrophoresis // J Chromatogr A. - 2009. - Vol. 1216(15). - P. 3366-3371.
44. Mitscher L.A. The chemistry of the tetracycline antibiotics. New York, N.Y: Marcel Dekker, Inc; 1978.
45. Nelson M. L., Levy S. B., Ann N. The history of the tetracyclines // Y Acad Sci. - 2011. - Vol. 1241. -P. 17-32.
46. Nobel Y. R. et al. Metabolic and metagenomic outcomes from early-life pulsed antibiotic treatment // Nature Communications. - 2015. - Vol. 6. - P. 7486.
47. O'Neill J. Antimicrobial Resistance: Tackling a Crisis for the Health and Wealth of Nations. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://amr-review.org/sites/default/files/AMR%20Review%20Paper%20-%20 Tackling%20a%20crisis%20for%20the%20health%20and%20wealth%20of%20nations_1.pdf. (дата обращения: 16.04.2021).
48. Pioletti M. et al. Crystal structures of complexes of the small ribosomal subunit with tetracycline, edeine and IF3 // EMBO J. -2001. - Vol. 20(8) - P. 1829-1839.
49. Prescott J. F., Baggot J. D., Walker R. D. Antimicrobial Therapy in Veterinary Medicine // Ames, IA, USA Blackwell Scientific Publications. - 2006. - P. 121-139.
50. Price R. O'Neill report on antimicrobial resistance: funding for antimicrobial specialists should be improved // Eur J Hosp Pharm. - 2016. - Vol. 23(4). - P. 245-247.
51. Raport from PEW Charitable Trust Alternatives to Antibiotics in Animal Agriculture. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.pewtrusts.org/~/media/assets/2017/07/alternatives_to_antibiotics_in_ animal_agriculture.pdf (дата обращения: 18.04.2021).
52. Raport of IACG No Time to Wait: Securing the Future from Drug-Resistant Infections. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.who.int/antimicrobial-resistance/interagency-coordination-group/ IACG_final_report_EN.pdf (дата обращения: 18.04.2021).
53. Rice L. B. Tn916 family conjugative transposons and dissemination of antimicrobial resistance determinants. Antimicrob Agents Chemother. - 1998. - Vol. 42(8). - P. 1871-1877.
54. Riley L. W., Raphael E., Faerstein E. Obesity in the United States- dysbiosis from exposure to low-dosage antibiotics? // Frontiers in Public Health. -2013. - Vol. 69. - P. 1-8.
55. Roca-Saavedra P. et al. Food additives, contaminants and other minor components: Effects on human gut microbiota-a review // Journal of Physiology and Biochemistry. - 2018. -Vol. 74. - P. 69-83.
56. Schmidt T. S. B., Raes J., Bork P. The human gut microbiome: from association to modulation Cell. -2018. -Vol. 172. - P. 1198-1215.
57. Scott K. P. The role of conjugative transposons in spreading antibiotic resistance between bacteria that inhabit the gastrointestinal tract // Cell Mol Life Sci. -2002. -Vol. 59(12). - P. 2071-2082.
58. Seal B. S. et al. Microbial-derived products as potential new antimicrobials // Vet Res. - 2018. - V. 49(1). -P. 66.
59. Seville L. A. et al. Distribution of tetracycline and erythromycin resistance genes among human oral and fecal metagenomic DNA. Microb Drug Resist. - 2009. -Vol. 15. - P. 159-166.
60. Siddiqui M. R., AlOthman Z. A., Rahman N. Analytical techniques in pharmaceutical analysis: a review // Arabian Journal of Chemistry. - 2013.
61. Stein G. E., Craig W. A. Tigecycline: a critical analysis // Clin Infect Dis. - 2006. - Vol. 43(4). - P. 518-524.
62. Stokstad E. L., Jukes T. H. The multiple nature of the animal protein factor. J Biol Chem. - 1949. -Vol. 180(2). - P. 647-654.
63. Temak G. Antibiotics may act as growth/obesity promoters in humans as an inadvertent result of antibiotic pollution? // Medical Hypotheses. - 2005. -Vol. 64. - P. 14-16.
64. Tumini M. et al. Novel bioassay using Bacillus megaterium to detect tetracycline in milk // Rev Argent Microbiol. - 2016. -Vol. 48(2). - P. 143-146.
65. van Boeckel T. P. et al. Global trends in antimicrobial use in food animals // Proc Natl Acad Sci U S A. -2015. - Vol. 112(18). - P. 5649-5654.
66. van Duijkeren E. et al. Pleuromutilins: use in food-producing animals in the European Union, development of resistance and impact on human and animal health. // Antimicrob Chemother. - 2014. - Vol. 69(8). - P. 2022-2031.
67. Villedieu A. et al. Determination of the genetic support for tet(W) in oral bacteria // Antimicrob Agents Chemother. - 2007. -Vol. 51(6). - P. 2195-2197.
68. World Health Organization. The 2019 WHO AWaRe classification of antibiotics for evaluation and monitoring of use. Geneva: World Health Organization, 2019. (WHO/ EMP/IAU/2019.11).
69. Zhanel G. G. et al. The glycylcyclines: a comparative review with the tetracyclines // Drugs. - 2004. -Vol. 64(1). - P. 63-88.
70. Zhang Y. et al. «Cocktail» of xenobiotics at human relevant levels reshapes the gut bacterial metabolome in a species-specific manner // Environ. Sci. Technol. - 2018. - V 52. - P. 11402-11410.
Статья поступила в редакцию: 21.04.2021; принята в печать: 21.05.2021.
Автор прочитал и одобрил окончательный вариант рукописи.
