Разделы: Актуальная тема |

Устойчивость бактерий к антибиотикам и ее эволюция

страницы: 5-11

А.Г. Дьяченко, д.м.н., профессор Сумской государственный университет

Djachenko_4(53).jpg

Антибиотики (АБ, от греч. anti – против, bios – жизнь) – это низкомолекулярные вещества биологического происхождения, а также их полусинтетические производные, способные убивать микроорганизмы или подавлять их рост и размножение.

Хотя явление антагонизма и антибиоза среди микроорганизмов известно давно, безусловный приоритет в открытии собственно АБ как клинически значимого класса противомикробных препаратов принадлежит Александру Флемингу, который в 1928 г. в фильтрате бульонной культуры зеленого плесневого гриба Penicillium notatum обнаружил вещество, способное тормозить рост штаммов Staphylococcus aureus и даже лизировать появившиеся колонии. Это вещество было названо пенициллином по названию гриба-продуцента. Лишь в 1940 г. был найден метод выделения и очистки пенициллина, в ходе клинических испытаний доказана его высокая эффективность, а в 1943 г. развернуто широкомасштабное промышленное производство в США и Великобритании. В развитии медицины наступила новая эра (рис. 1).

Необычайная клиническая эффективность в лечении множества инфекционных болезней закрепила за АБ статус «чудо-лекарства», стимулировав активный поиск новых АБ, который продолжается и поныне. Вскоре после Второй мировой войны была расшифрована структура пенициллина, что открыло путь к созданию его модифицированных производных. В 1944 г. Waksman открыл стрептомицин, оказавшийся весьма эффективным при лечении туберкулеза. Полученные в 1947 г. хлорамфеникол (Ehrlіch) и 1948 г. – хлортетрациклин (Duggar) показали высокую активность в борьбе с большинством грамположительных и грамотрицательных микроорганизмов. Наступил «золотой век» медицины. Ежегодно исследователи выделяли и изучали около 20 новых АБ, не считая модификаций и клонов, и сейчас список известных АБ превышает 6 000 наименований. Однако в клинической практике используются лишь 2–3%, поскольку часть АБ оказались весьма токсичными, другие, напротив, слабоэффективными.

Djachenko_4(53)_1.gif

Все АБ подразделяются на бактерицидные, которые убивают бактерии с эффективностью ≥99,9%, и бактериостатические, которые лишь подавляют рост микроорганизмов (Pankey and Sabath, 2004). Классификация АБ по механизму действия основана на взаимодействии препарата с мишенью внутри бактериальной клетки, результатом которого является ингибирование клеточной функции вплоть до гибели бактерии. Основными мишенями действия бактерицидных АБ в бактериальной клетке являются внешняя мембрана (синтез пептидогликана и других компонентов), репликация и репарация ДНК (интеркаляция и ферменты синтеза), синтез белка (транскрипция и трансляция). Бактериостатические препараты действуют, как правило, на уровне трансляции, подавляя функцию как 30S (семейство тетрациклинов и аминоциклитолов), так и 50S (макролиды и хлорамфеникол) субъединиц рибосом (см. таблицу). Группа аминоциклитолов, включающая бактерицидное семейство аминогликозидов и бактериостатический препарат спектиномицин, является единственным классом АБ, вызывающим ошибки транскрипции.

Способ действия и механизм резистентности основных АБ
Класс АБ
Представители
Мишень
Модели резистентности
β-Лактамы
Пенициллины (ампициллин), цефалоспорины (цефамицин), пенемы (меропенем), монобактамы (азтреонам)
Биосинтез пептидогликана
Гидролиз, эффлюкс, изменение мишени
Аминогликозиды
Гентамицин, стрептомицин, спектиномицин
Трансляция
Фосфорилирование, ацетилирование, эффлюкс, изменение мишени
Гликопептиды
Ванкомицин, тейкопланин
Биосинтез пептидогликана
Репрограммирование биосинтеза пептидогликана
Тетрациклины
Тетрациклин, биомицин
Трансляция
Монооксигенация, эффлюкс, изменение мишени
Макролиды
Эритромицин, азитромицин
Трансляция
Гидролиз, гликозилирование, фосфорилирование, эффлюкс, изменение мишени
Линкозамиды
Клиндамицин
Трансляция
Эффлюкс, изменение мишени
Стрептограмины
Синерцид
Трансляция
С–О-лиаза (стрептограмины типа В), ацетилирование (стрептограмины А типа), эффлюкс, изменение мишени
Оксазолидоны
Линезолид
Трансляция
Эффлюкс, изменение мишени
Фениколы
Хлорамфеникол
Трансляция
Эффлюкс, изменение мишени
Хинолоны
Ципрофлоксацин
Репликация ДНК
Ацетилирование, эффлюкс, изменение мишени

Недавно было установлено, что механизм действия трех основных классов бактерицидных АБ независимо от мишени действия у грамотрицательных и грамположительных бактерий реализует общий сценарий, связанный с образованием активных форм кислорода и прежде всего высокотоксичных гидроксильных радикалов. Последние вызывают двухнитчатые разрывы ДНК, что и приводит к гибели микроорганизмов. Гидроксильные радикалы являются конечным продуктом метаболической цепи, включающей цикл трикарбоновых кислот, временную деплецию NADH, дестабилизацию кластеров Fe-S и индукцию реакции Фентона (образование гидроксильных радикалов посредством восстановления перекиси водорода ионом железа; Kohanski et al., 2007). Возможно, это не единственный механизм, лежащий в основе действия АБ.

Действительно, под действием АБ в клетке развивается окислительный стресс, который приводит к появлению активных форм кислорода, одним из главных результатов чего является окисление гуанина из пула предшественников нуклеиновых кислот до 8-оксигуанина (8-oxo-G; Foti et al., 2012). Далее модифицированное основание встраивается в ДНК. В ходе контроля синтезированной цепи ДНК репараза DinB (ДНК-полимераза IV) вырезает нелегитимные нуклеотиды, восстанавливая правильную последовательность. Однако при большом количестве мутантных гуаниновых оснований DinB не успевает восстанавливать структуру ДНК, оставляя после себя летальные двухнитчатые разрывы. Цитотоксичность некоторых других АБ (аминогликозидов) может быть к тому же следствием неверной транскрипции (включение 8-oxo-G) во вновь синтезируемую РНК.

Успехи антибактериальной терапии в сочетании с вакцинопрофилактикой инфекций и широкомасштабными противоэпидемическими мероприятиями привели к формированию в научной среде и обществе иллюзорного представления о скорой и окончательной победе над инфекционными болезнями. Эта уверенность была так велика, что главный хирург США (Surgeon General) Вильям Стюарт, выступая в 1969 г. в Конгрессе США, заявил даже, что пришла пора «закрыть книгу инфекционных болезней» (цит. по Сидоренко, Тишков, 2004). Однако реальность оказалась несколько иной. Ожидания, связанные с появлением АБ, осуществились лишь частично, «золотая пуля» так и не была получена, зато среди клинически значимых патогенов появилась и широко распространилась устойчивость к АБ, что, по сути, вернуло клиническую медицину в доантибиотиковую эру. На смену эйфории 40–50-х годов прошлого века пришел скепсис, а затем и разочарование.

Первый тревожный сигнал прозвучал в 1940 г., то есть еще до начала масштабного получения и широкого клинического применения пенициллина, когда появились сведения о бактериальной пенициллиназе (Abraham, Chain, 1940). Уже в 1945 г. у больного туберкулезом, которого лечили стрептомицином, был обнаружен штамм Mycobacterium tuberculosis, устойчивый к действию данного АБ. В дальнейшем с появлением каждого нового АБ возникали устойчивые к ним штаммы. В середине 50-х годов было обнаружено, что детерминанты резистентности могут передаваться горизонтально (латерально). Вначале это сообщение было воспринято скептически, однако очень скоро горизонтальный перенос генов резистентности (R-гены) стал неоспоримым фактом. Вскоре пенициллин и другие АБ, а также устойчивые к ним бактериальные штаммы распространились по всему миру, одновременно вызвав волну исследований причин появления АБ-резистентности. Любопытная история связана с появлением резистентности к фторхинолонам (ФХ). При внедрении нового мощного класса АБ в 1989 г. ряд экспертов высказали мнение о малой вероятности развития резистентности к ингибиторам гиразы, поскольку для этого необходимо, по меньшей мере, две мутации. Отрицалась и возможность горизонтального переноса устойчивости к ФХ. Однако вскоре были обнаружены мутантные гены бактериальной гиразы и эффлюкс-насосы, удаляющие АБ из клетки. Более того, механизм развития резистентности к ФХ стал передаваться латерально.

Одна из последних баз данных, основанных лишь на опубликованных последовательностях бактериальных геномов, содержит список более чем 20 000 генов резистентности почти 400 различных типов. Были обнаружены различные наборы детерминант резистентности и получены исчерпывающие доказательства переноса механизмов, обеспечивающих резистентность, между различными патогенными микроорганизмами (Walsh, 2000). Селекция резистентных к АБ штаммов была ускорена неблагоразумными врачебными назначениями и массовым распространением самолечения даже незначительных недугов.

Особо значимую роль в распространении АБ-резистентности сыграло использование субтерапевтических доз АБ в качестве факторов роста в птицеводстве и животноводстве (D’Costa et al., 2007).
Широкое распространение в мире устойчивости бактерий к АБ и особенно множественной лекарственной резистентности (МЛР) является главной причиной ренессанса инфекционных заболеваний. Приобретенная резистентность к противомикробным препаратам приводит к повышению заболеваемости и смертности, резко увеличивает стоимость лечения и, что, пожалуй, самое важное, индуцирует появление новых патогенов с непредсказуемыми свойствами.

Микроорганизмы обладают большим арсеналом механизмов, позволяющим им преодолевать действие противомикробных веществ. Основными механизмами АБ-резистентности являются:

  • нейтрализация АБ посредством его модификации (гидролиз, фосфорилирование, ацетилирование, гликозилирование);
  • активное удаление его из клетки (эффлюкс);
  • изменение мишени;
  • изменение проницаемости наружной мембраны (см. таблицу).

Устойчивость к действию того или иного АБ бактерии могут обеспечивать несколькими способами одновременно. Селективное давление, создаваемое назначением АБ, может привести к появлению резистентности у ранее чувствительных резидентных штаммов или обеспечить доминирование в микробной популяции изначально устойчивых штаммов. В общем, устойчивость является результатом мутационных изменений или приобретения генетического материала, кодирующего резистентность. Детерминанты резистентности могут располагаться на бактериальной хромосоме или внехромосомно на мобильных генетических элементах (МГЭ). Подвижные R-гены легко переносят различные детерминанты резистентности и патогенности не только между бактериями одной и той же популяции, но и между родами бактерий. Несомненно, главную роль в формировании в природе резервуара АБ-резистентности играет человек. Тысячи тонн АБ попадают в биосферу, предоставляя селективные преимущества штаммам, несущим гены резистентности. Так, одна из фармацевтических компаний в Центральной Индии ежедневно сбрасывает в реку свыше 50 кг ципрофлоксацина.

Распространенность АБ-резистентности сейчас такова, что R-гены недавно были обнаружены в кишечной микрофлоре людей, живущих в изолированных ареалах вдали от цивилизации и никогда не использовавших АБ.
Недавние исследования показали, что большое число R-генов являются компонентом генома природной микробиоты. Это вызвало важный вопрос об экологической роли АБ и АБ-резистентности. Не менее важной является проблема естественного или умышленного превращения тех или иных патогенов в мощное биологическое оружие в результате приобретения ими детерминант резистентности. Показано, например, что последовательность недавно изолированной конъюгативной плазмиды, которая детерминирует МЛР Vibrio cholerae, на 99,99% идентична последовательности конъюгативной плазмиды, ранее изолированной из МЛР-штамма возбудителя бубонной чумы Yersinia pestis (Pan et al., 2008). Этот мобильный элемент обеспечивает устойчивость к 6 различным АБ, включая тетрациклин и хлорамфеникол, которые являются препаратами первой линии защиты против возбудителя чумы.

Происхождение АБ-резистентности

Появление и диссеминация устойчивых к АБ патогенов обусловлены, как правило, селекцией устойчивых вариантов, которая осуществляется в ходе различных генетических процессов: вырезание генов, рекомбинация, гетерологическая экспрессия, горизонтальный перенос генов (ГПГ) и мутагенез. Последний сохраняет высокую значимость в развитии устойчивости к АБ у множества видов, тем более что некоторые заблуждения прошлого развеяны. Например, ранее считалось, что МЛР-штаммы в отсутствие селективного давления отличаются нестабильностью и коротким периодом существования. Однако эта точка зрения оказалась ошибочной. В одном из исследований в ходе 3-месячного лечения ванкомицином больного с госпитальной инфекцией Staphylococcus aureus было последовательно изолировано и идентифицировано 35 различных ванкомицин-резистентных мутантов (Mwangi et al., 2007). Резистентность к АБ плейотропна по своему характеру. Однако фенотип устойчивости не обязательно возникает в ответ на селекцию АБ.

Известно, что штаммы устойчивых к АБ бактерий можно выделить, выращивая полученные из природных экосистем бактерии на среде, содержащей АБ. И это не удивительно, поскольку многие из этих бактерий (актиномицеты, стрептомицеты и др.) сами являются источниками получения АБ. Недавно Wright (2007) провел скрининг коллекции спорообразующих актиномицетов на устойчивость к 21 различным АБ и обнаружил значительное число штаммов с естественной МЛР (в среднем к 7–8 АБ). Эти гены могут быть захвачены различными возбудителями и экспрессироваться в них как детерминанты резистентности для любых интенсивно используемых ингибиторов.

Dantas et al. (2008) проанализировали способность почвенных бактерий разрушать или инактивировать АБ. Среди сотен штаммов был обнаружен целый ряд изолятов, способных расти на одном или более из 18 различных АБ. Многие штаммы успешно росли на аминогликозидах, ФХ и других классах АБ. Для некоторых из них АБ являлись единственным источником углерода и азота, то есть питательными веществами. Большинство из этих штаммов идентифицированы как протеобактерии, 40% представляли Burkholderia spp., присутствовали также псевдомонады. Напрашивается вывод, что почвенные бактерии являются источником генов АБ-резистентности. Отсюда следует, что отличающийся большим разнообразием функциональный репертуар R-генов в микробиоме человека обусловлен обитающими в кишечнике сапрофитными почвенными бактериями (Sommer et al., 2010). Важно подчеркнуть, что эти гены вполне доступны для патогенных бактерий.

Об общем источнике происхождения генов АБ-резистентности в сапрофитной микрофлоре кишечника свидетельствует факт обнаружения в микробиомах двух не состоящих в родстве здоровых людей R-генов, которые чрезвычайно близки по составу и практически идентичны по нуклеотидным последовательностям (>90%) генам, имеющимся в базах данных (Sommer et al., 2010). Очевидно, окружающая микробиота даже при полном отсутвии АБ антропогенного происхождения содержит огромный резервуар разнообразных R-генов, которые попадают в кишечник человека при его заселении сапрофитной микрофлорой вскоре после рождения. Обнаружение в последние годы R-генов в бактериях, законсервированных миллионы лет назад в вечной мерзлоте, закрытых подземных полостях, нефти, океанских термальных источниках, свидетельствует об их древнем происхождении. Носители детерминант резистентности к АБ в составе человеческого микробиома могут, в свою очередь, превратиться в патогенные штаммы, приобретя вирулентные гены от патогенов, попавших в кишечник человека, что и происходит в некоторых случаях.

Этот факт трудно объяснить с антропоцентрической позиции, фиксирующей внимание на клинических аспектах применения АБ, таких как эффективность лечения инфекций и появление устойчивых к АБ патогенов. С дарвинистских позиций АБ, похоже, представляют собой часть сигнальной системы, эволюционировавшей в разных экосистемах для обмена информацией внутри отдельных популяций/микробиомов и между ними. Такие сигналы в субпороговых, доклинических концентрациях стимулируют фенотипические и генотипические ответы микробиоты и других членов сообщества (Aminov, 2009). В любом случае штамм – продуцент антибиотиков одновременно производит средство самозащиты от него. Похоже, что до начала эры АБ гены резистентности были атрибутом только сапрофитной, но не патогенной микрофлоры, для которой человек и другие позвоночные являются главной или даже единственной средой обитания.

Конъюгативные плазмиды и супергеном

За время своего существования прокариоты развили уникальные и эффективные механизмы модификации геномов, которые позволяют им адаптироваться практически к любым изменениям условий существования и колонизировать плейотропные экологические ниши. В отличие от эукариотов, генетические изменения и пролиферация у прокариотов – процессы независимые. Это означает, что часть прямых мутагенных изменений в бактериальных геномах не передается вертикально, то есть не наследуется. Модификация их геномов осуществляется посредством потери или приобретения генов через механизм ГПГ. Приобретенные таким образом новые гены встраиваются в геном с помощью МГЭ, таких как плазмиды, фаги, транспозоны, или посредством прямого проникновения в бактериальную клетку и встраивания фрагментов ДНК. Механизм ГПГ является адекватной заменой половой рекомбинации, присущей эукариотам. Более того, этот механизм позволяет преодолевать границы даже между Bacteria и Archaea. Анализ 20 000 генов из геномов 8 свободно живущих прокариотов показал, что ГПГ в 10 000 раз ускоряет получение бактериями новых генов (Jain et al., 2003). Исследования показали, что факторы патогенности или устойчивости к противомикробным средствам часто приобретаются посредством переноса геномных островов, содержащих эти детерминанты (Dobrindt et al., 2004).

Можно утверждать, что ГПГ является универсальным свойством бактерий и важнейшим инструментом микробной эволюции. И не только микробной. В человеческом геноме, содержащем примерно 35 000 генов, обнаружено порядка 400–500 геномов ретровирусов и свыше 65 000 последовательностей бактериального происхождения. Недавно были получены первые свидетельства возможности обратного процесса: в геноме гонококка был обнаружен небольшой фрагмент ДНК человека, функционально связанный с интеграцией интервентных последовательностей.

Однако еще более важной является роль латерального транспорта в эволюции и функционировании прокариотических сообществ. ГПГ формирует широкую сеть интенсивных потоков генов между членами этих сообществ. Недавние исследования показали, что значительная часть занимающего одну эконишу микробиома содержит МГЭ-последовательности в виде фагов, профагов и плазмид, которые составляют общий, независимый от отдельных бактерий пул генов, так называемый супергеном (Venter et al., 2004; Tringe et al., 2005). Предложенная концепция супергенома предполагает, что эволюция специфических прокариотов тесно связана со средой, в которой они обитают, и с доступным резервуаром МГЭ в этой среде. Иными словами, каждый микробиом содержит пул генов (супергеном), легко доступный всем членам этого микробного сообщества (Norman et al., 2009). Cупергеном состоит из частного пула фиксированных на бактериальных хромосомах генов и коммунального пула генов, кодируемых МГЭ (рис. 2).

Djachenko_4(53)_2.gif

При этом кассеты генов разного состава встраиваются через сайт-специфическую интеграцию в интегрон, который, в свою очередь, вставляется в вариабельные транспозоны. Последние интегрируют в транспортные системы типа конъюгативных плазмид (рис. 3), которые осуществляют перенос генетической информации в пределах коммунального пула генов. Конъюгативные плазмиды, как правило, имеют модульное строение, так как часто состоят из дискретных областей генов, которые собраны в функциональные группы и ответственны за различные аспекты существования и распространения плазмид.

Djachenko_4(53)_3.gif

Практически любые дополнительные генетические элементы способны приобретать и переносить R-гены. Тип транспортного элемента зависит от рода патогена. Несмотря на различия в транспортных системах грамположительных и грамотрицательных бактерий, они используют общий механизм ГПГ (Norman et al., 2009). В то же время транспортная система на основе бактериофагов используется редко, хотя их элементы идентифицируются в различных векторах достаточно часто. ГПГ является наиболее общим транспортным процессом. Показано, например, что перенос генов в кишечнике человека осуществляется ad libitum (Shoemaker et al., 2001).

По мнению ряда исследователей, плазмиды, переносящие гены резистентности к АБ, и полирезистентные штаммы бактерий эволюционировали относительно недавно. Однако анализ коллекции бактериальных патогенов, изолированных до начала эры АБ, показал, что плазмиды были широко распространены и ранее, а гены резистентности были редкостью (Datta, Hughes, 1983). Патогены в них просто не нуждались! Однако ситуация резко изменилась в результате массированного проникновения АБ в экосистемы и появления мощного селективного пресса, что привело к вымыванию из бактериальных популяций чувствительных к АБ штаммов и замене их резистентными. Фенотип, а в ряде случаев и генотип большинства патогенов, вызывающих наиболее распространенные инфекции человека, резко изменился. Произошел скачок в эволюции микромира. Бактерии иногда называют конечным, то есть совершенным патогеном, но совершенны они не потому, что достигли вершины развития, а потому, что достигли совершенства их способность изменяться и их пластичность. Так что при возникновении дилеммы «измениться или погибнуть» бактерии всегда выбирают первое.

Важнейшим генетическим элементом, обеспечивающим встраивание или исключение импортированных генов, являются интегроны (рис. 4). Гены АБ-резистентности Gammaproteobacteria переносятся в виде компактных наборов генов (кассет) и встраиваются в интегрон под высоко эффективный промотор (Gillings et al., 2008). Недавно было показано, что захват генов и их экспрессия активируются SOS-системой (Guerin et al., 2009, 2010). На сегодняшний день идентифицировано три класса интегронов, различающихся по генам, кодирующим фермент интегразу, и свыше 100 кассет генов, перекрывающих все основные классы АБ (Recchia, Hall, 1995).

Удивительным оказалось обнаружение в природе огромного числа кассет интегронов, которые не кодируют какие-либо известные детерминанты резистентности (Gillings et al., 2008). Другими словами, бактерии разработали систему защиты от оружия, которого еще нет в природе.

Djachenko_4(53)_4.gif

Это созвучно клоновой модели иммуногенеза у позвоночных. В широком смысле очевидно, что интегроны и кассеты генов играют важную роль в эволюции бактериальных геномов и пластичности царства бактерий (Boucher et al., 2007).

Недавняя вспышка энтероколита в Европе, вызванная STEС (редкий энтероаггрегативный С227-11 штамм Escherichia coli O104:H4, продуцирующий шига-токсин 2 типа), показала колоссальное значение горизонтального переноса детерминант патогенности при помощи конъюгативных плазмид. Даже незначительного количества попавших в пищеварительный тракт STEС оказывалось достаточно для запуска лавинообразного процесса обмена плазмидами между STEС и непатогенными E. coli кишечника, что приводило к продукции большого количества токсина и развитию тяжелого гемолитико-уремического синдрома. Гены, контролирующие синтез и высвобождение шига-токсина (stxAB2), находятся в области профага под контролем двух промоторов. Один из них, как оказалось, активируется ципрофлоксацином: добавление 25 нг/мл (рекомендованная терапевтическая концентрация в кишечнике) препарата в 80 раз повышает экспрессию данных генов (Rasko, 2011). Понятно, что лечение пациентов ципрофлоксацином резко отягощало течение болезни.

Супербактерии и суперрезистентность

Многие бактериальные патогены, ассоциированные с эпидемическими болезнями, эволюционировали в МЛР-формы. Среди них M. tuberculosis, возбудители нозокомиальных инфекций Acinetobacter baumannii, Burkholderia cepacia, Campylobacter jejuni, Citrobacter freundii, Clostridium difficile, Enterobacter spp., Enterococcus faecium, Enterococcus faecalis, Escherichia coli, Haemophilus influenzae, Klebsiella pneumoniae, Proteus mirabilis, Pseudomonas aeruginosa, Salmonella spp., Serratia spp., S. aureus, S. epidermidis, Stenotrophomonas maltophilia, Streptococcus pneumoniae.

Термин «супербактерия» относится к микробам, вызывающим инфекции с повышенным уровнем заболеваемости и смертности, обусловленным высокой устойчивостью к рекомендованным для их лечения АБ. Терапевтические возможности для заболеваний, вызванных этими бактериями, ограничены, а длительность и стоимость лечения увеличены.

В ряде случаев суперрезистентные штаммы приобретают повышенную вирулентность и трансмисибельность. Другими словами, АБ-резистентность может расцениваться как фактор вирулентности. Возбудитель туберкулеза является типичным примером супербактерии, сейчас он инфицирует не менее трети всей мировой популяции. Если в 50-х годах коктейли из антимикобактериальных препаратов оказывались весьма эффективными в лечении туберкулеза, то сейчас лечение 3–4 препаратами первой линии зачастую оказывается безрезультатным из-за появления крайне (XDR) и даже тотально (TDR) резистентных штаммов M. tuberculosis. Не доказано участие ГПГ в формировании МЛР у M. tuberculosis. Похоже, единственным механизмом ее возникновения являются спонтанные мутации.

У наиболее значимых грамотрицательных патогенов, таких как E. coli, Salmonella enterica, K. pneumoniae, которые вызывают различные заболевания у человека и животных, отмечается строгая корреляция между использованием АБ для лечения данных инфекций и АБ-резистентностью. Это прежде всего относится к классу β-лактамных АБ и инактивирующих их ферментам, β-лактамазам. К настоящему времени идентифицировано несколько групп и классов этих ферментов, насчитывающих свыше 1 000 наименований (рис. 5). Этот список включает также несколько новых классов генов и их мутантных производных. Гены, кодирующие β-лактамазу (ТЕМ), переносятся древней плазмидой и чрезвычайно широко распространены в природе и микробном царстве. Источником новой β-лактамазы расширенного спектра действия (СТХ-М) является природный штамм Kluyvera. Этот появившийся в 90-х годах фермент оказался способным расщеплять цефалоспорины широкого спектра действия на клинически значимом уровне. СТХ-М-гены и последующие варианты (уже обнаружено свыше 100 различных аминокислотных замещений) эффективно переносятся горизонтально. Вообще ГПГ играет определяющую роль в эволюции и передаче устойчивости к β-лактамным АБ среди энтеробактерий и кокков как в природе, так и при госпитальных инфекциях.

Djachenko_4(53)_5.gif

Одной из наиболее значимых супербактерий является грамположительная бактерия S. aureus. Она тесно ассоциирована с человеком: ее носителями (назальными комменсалами) является не менее 30% популяции. S. aureus вызывает множество заболеваний и в последние годы считается главной причиной нозокомиальных инфекций. Применявшийся для лечения инфекций, вызванных S. aureus, пенициллин стал также первым модифицированным АБ, призванным игнорировать появление у стафилококков пенициллиназ (1959 г., метициллин). Однако уже через 3 года появились устойчивые к метициллину штаммы (methicillin-resistant S. aureus; MRSA).

Недавно было установлено, что MRSA вышли за пределы больниц, превратившись в главный патоген окружающей среды с повышенной вирулентностью и трансмиссивными характеристиками (СА-MRSA). Последний сохранил гены MRSA и приобрел ряд новых, например, ген, кодирующий цитотоксический лейкоцидин. В результате акроним MRSA теперь расшифровывается как multiantibiotic-resistant S. aureus.

Еще одним серьезным госпитальным патогеном является C. difficile, которая вследствие продукции токсина стала гипервирулентной. Эта грамположительная спорообразующая бактерия легко передается пациентами, персоналом, а также в виде аэрозоля. Ее экспансия связана с массивным применением в больницах АБ расширенного спектра действия (цефалоспорины, ФХ), вызывающих серьезное угнетение грамотрицательной кишечной микрофлоры, что способствует колонизации C. difficile. Таким образом, эта инфекция является прямым результатом применения АБ.

Супербактерии ныне повсеместно присутствуют в биосфере. Их появление усугубляет природные и антропогенные катаклизмы.

Стратегия противодействия и лечения

Несмотря на появление в клинике все более мощных АБ, заболеваемость и смертность от инфекционных болезней после десятилетий спада в последние годы повышается (Jones, Phaller, 1998). Уже указывалось, что причиной этого является неадекватное применение АБ, приводящее к селекции устойчивых штаммов и элиминации резидентной микрофлоры, способной конкурировать с патогенными микроорганизмами, а также широкое использование АБ в сельском хозяйстве. В результате разработка и применение профилактических программ стала насущной потребностью. Сердцевиной таких программ является существенное сокращение клинического использования некоторых АБ. Необходимо помнить, что функции, которые не поддерживаются естественным отбором, постепенно исчезают.

Например, распространение цефалоспоринов III поколения привело к генерализованному развитию устойчивости к β-лактамам у ранее чувствительной бактериальной популяции. Сокращение использования этих препаратов (а также имипенема и ванкомицина) с одновременным увеличением использования пенициллина широкого спектра и комбинированной терапии с участием аминогликозидов привело к частичному восстановлению бактериальной чувствительности (Fridkin et al., 2002; Rice et al., 1996).

В Финляндии уменьшение использования макролидов на 40% за 4 года привело к снижению резистентности стрептококка группы А с 16,5 до 8,6% (Seppala et al., 1997); в Германии после прекращения использования авопарцина в качестве пищевой добавки на птицефермах содержание резистентных к ванкомицину энтеробактерий в кишечной микрофлоре здоровых людей за 4 года снизилось с 12 до 3% (Klare et al., 1999). С другой стороны, чувствительность Enterobacteriaceae к стрептомицину не восстановилась даже через 20 лет после прекращения его клинического использования (Chiew, 1998).

Правильная клиническая тактика применения АБ также является важным императивом предотвращения резистентности. Фактором риска является повторное назначение АБ в субоптимальных дозах. Сублетальные концентрации препарата приводят к селекции устойчивых штаммов патогенов, не убивая их.

Основываясь на фармакокинетике, противомикробные препараты можно разделить на две большие группы: концентрационно зависимые и концентрационно независимые. Действие препаратов первой группы, включающей ФХ и аминогликозиды, критически зависит от их концентрации: эффективность их действия прямо пропорциональна концентрации. Для препаратов второй группы, которую составляют β-лактамные АБ, критически важна не высокая концентрация, а время сохранения минимальной ингибирующей концентрации (МИК). Поэтому препараты первой группы, прежде всего аминогликозиды, следует назначать в максимально переносимых дозах. Эта тактика не применима для ФХ из-за возможного токсического эффекта на ЦНС. Возможным методом оптимизации лечения ФХ является назначение повышенных по сравнению с обычными доз препаратов или использование комбинаций АБ (Nicolau et al., 1995). Целью лечения концентрационно независимыми АБ является поддержание МИК в организме больного в течение длительного времени. Это особенно важно при лечении иммуноскомпрометированных пациентов и инфекций, патогены которых имеют высокие МИК. Удобным методом является непрерывная инфузия препаратов (Nicolau et al., 1995). Безопасность метода подтверждена длительными инфузиями цефтазидима здоровым добровольцам и тяжело больным пациентам (Nicolau et al., 1996). Однако наиболее трудной задачей является эрадикация патогена, обладающего МЛР. В этом случае тактика лечения должна включать обязательную лабораторную характеристику детерминант резистентности и применение комбинаций АБ, для которых установлены минимальные значения МИК. Лечение должно быть длительным с регулярной сменой лекарственных коктейлей.

Анализируя факты удивительной генетической пластичности бактерий, можно прийти к неутешительному выводу: мощный пресс цивилизации в последние десятилетия привел к дестабилизации бактериальных геномов, что резко активизировало процесс образования новых видов и эволюции микромира в целом.

Это утверждение можно иллюстрировать результатами нашего исследования. При анализе терморезистентности шигелл выяснилось, что 96% архивных штаммов бактерий, изолированных в 50–60-х годах прошлого века, были чувствительны к температуре 70 оС при экспозиции 1 мин (режим пастеризации молока). В то же время больше 80% актуальных изолятов сохраняли жизнеспособность даже после 45 мин прогревания при этой температуре. Почти 84% актуальных штаммов шигелл Флекснера и 55% актуальных штаммов шигелл Зонне сохраняли способность к размножению даже после прогревания при 90 оС в течение 20 с. Это свидетельствует об активации генов теплового шока (HSG) и, возможно, всего комплекса тревожных (SOS) генов (Дьяченко и др., 2004). Об этом же говорят все более частые случаи вспышек ранее неизвестных инфекций (птичий грипп, калифорнийский грипп, атипичная пневмония, SARS, энтерогемолитический эшерихиоз и др.). Нет сомнений в том, что этот список будет продолжен. К сожалению, мы не можем предсказать, где появится новая угроза и каким будет ее характер. Очевидно, эпидемию генов резистентности с эффективным ГПГ и быстрым развитием мутантных вариантов контролировать невозможно.

Список литературы находится в редакции

Поделиться с друзьями:

Книги

сборник - Гиперчувствительность к лекарственным препаратам. Руководство для врачей
сборник - Спадкові захворювання шкіри
сборник - Герпесвірусні нейроінфекції  людини
сборник - Атлас: герпесвірусні нейроінфекцїї
сборник - Дитяча дерматовенерологія
сборник - Иммунодефицитные болезни человека
сборник - Хвороби шкіри жінок у віковому аспекті
сборник - Клиника, диагностика и лечение герпетических инфекций человека: руководство для врачей
сборник - Клиническая иммунология и аллергология