Oporność bakterii na substancje przeciwbakteryjne jest jednym z najistotniejszych problemów epidemiologicznych notowanych w skali globalnej. Każdego roku jest ona przyczyną nawet 700 000 zgonów na świecie [74]. Na podstawie danych z 2015 roku oszacowano, że niepowodzenia w leczeniu zakażeń wywołanych przez wielooporne bakterie są powodem 33 000 przypadków śmiertelnych na terenie Unii Europejskiej (UE) i Europejskiego Obszaru Gospodarczego (EOG) (European Economic Area, EEA) [19]. Straty ekonomiczne zwiazane z tego typu infekcjami w UE opiewają na 1,5 miliarda Euro, natomiast związane z nimi koszty hospitalizacji w samych Stanach Zjednoczonych wynoszą w ciągu roku 20 miliardów USD [22, 33].
Istnieją niezaprzeczalne dowody potwierdzajace negatywne konsekwencje powszechnego stosowania substancji przeciwbakteryjnych w medycynie, rolnictwie i weterynarii, które przyczynia się do selekcji opornych bakterii oraz ich rozprzestrzenienia i utrzymywania w środowisku. Występowanie determinant oporności i łatwość ich transmisji między bakteriami w konsekwencji prowadzi do ograniczenia możliwości terapeutycznych wielu zakażeń bakteryjnych. Szczególnie istotna jest oporność patogenów powodujących infekcje o wysokim wskaźniku śmiertelności jak np.
Substancje przeciwbakteryjne mogą działać bakteriostatycznie lub bakteriobójczo. W zależności od klasy, do której należą powodują zaburzenia integralności ściany lub błony komórkowej, zahamowanie syntezy kwasów nukleinowych, białek lub zakłócają szlaki metaboliczne. Bakterie wykształciły liczne mechanizmy, dzięki którym stają się oporne na substancje przeciwbakteryjne. Polegają one na modyfikacjach miejsca działania leku, zmianach w przepuszczalności osłon komórkowych, aktywnym wypompowywaniu cząsteczek substancji przeciwbakteryjnej, wytwarzaniu specyficznych enzymów zdolnych do „unieszkodliwienia” antybiotyku lub zmianie szlaków metabolicznych, na które wpływa dana substancja czynna [95]. Mechanizmy te przedstawiono schematycznie w ryc. 1.
Współcześnie, jednym z największych wyzwań w koncepcji „Jedno Zdrowie” jest zachowanie skuteczności działania substancji przeciwbakteryjnych. Problem dotyczy zwłaszcza tych substancji, które są ważne w ochronie zdrowia człowieka. Celem promocji racjonalnego stosowania antybiotyków, Światowa Organizacja Zdrowia (World Health Organization, WHO) wprowadziła hierarchizację wszystkich stosowanych w lecznictwie klas substancji przeciwbakteryjnych. Opracowana na podstawie ściśle określonych kryteriów klasyfikacja dzieli substancje przeciwbakteryjne na kategorie: „krytycznie istotne” (“critically important”), „bardzo istotne” (“highly important”), lub „istotne” (“important”). Substancje przeciwbakteryjne zaliczane do grupy „krytycznie istotne” stanowią jedyną lub jedną z niewielu dostępnych opcji w leczeniu zagrażających życiu zakażeń bakteryjnych ludzi. Ponadto mogą być stosowane w zwalczaniu infekcji wywołanych przez bakterie pochodzenia odzwierzęcego czy też środowiskowego. W kategorii „krytycznie istotne” wyodrębniono również grupę substancji przeciwbakteryjnych o najwyższej wadze z punktu widzenia ochrony zdrowia publicznego tzw. „highest priority”, obejmującą cefalosporyny od trzeciej do piątej generacji, glikopeptydy, chinolony, makrolidy, ketolidy oraz polimyksyny [106].
Znajomość mechanizmów oporności oraz sposobów ich nabywania przez bakterie jest niezwykle istotna w dobie rosnącej antybiotykooporności i powszechności występowania determinant oporności. Na przykładzie substancji zaliczanych do kategorii „krytycznie istotnych” możliwe jest omówienie niemal wszystkich sposobów działania substancji przeciwbakteryjnych oraz bakteryjnych mechanizmów oporności.
Celem pracy jest przegląd i przedstawienie sposobów w jaki substancje krytycznie istotne z punktu widzenia ochrony zdrowia publicznego działają na komórki bakteryjne, złożonych mechanizmów, które odpowiadają za oporność na te substancje oraz genów warunkujących pojawienie się oporności.
β-laktamy, glikopeptydy oraz pochodne kwasu fosfonowego zaburzają integralność ściany komórkowej w różny sposób. β-laktamy stanowiące najliczniejszą grupę substancji stosowanych w leczeniu zakażeń bakteryjnych, a także glikopeptydy działają na białka wiążące penicylinę tzw. PBP (Penicillin Binding Proteins) o aktywności transglikozylaz i transpeptydaz. Białka te odpowiadają za polimeryzację łańcuchów cukrowych i tworzenie peptydowych połączeń między sąsiednimi łańcuchami mureiny w czasie syntezy bakteryjnej ściany komórkowej.
β-laktamy hamują funkcjonowanie D,D-transpeptydaz katalizujących końcowy etap syntezy bakteryjnego peptydoglikanu, polegający na formowaniu mostków peptydowych gwarantujących stabilność ściany komórkowej. Jako analogi strukturalne dwupeptydu D-alanylo-D-alaniny (D-Ala-D-Ala) będącego substratem D,D-transpeptydaz, β-laktamy łączą się z transpeptydazami prowadząc do ich inaktywacji [31].
Glikopeptydy, w przeciwieństwie do antybiotyków β-laktamowych, nie działają bezpośrednio na enzym, a wiążą się z terminalną D-alanylo-D-alaniną prekursora peptydoglikanu, blokując tym samym etapy transglikozylacji i transpeptydacji [9].
Kolejną klasą substancji przeciwbakteryjnych wywołujących zaburzenia syntezy ściany komórkowej bakterii są pochodne kwasu fosfonowego, do których należy fosfomycyna [6, 34]. Antybiotyk ten łączy się nieodwracalnie z cysteiną, w miejscu aktywnym transferazy (MurA, UDP-N-acetyloglukozoamino-enolopirogronotransferazy) katalizującej przyłączanie fosfoenolopirogronianu (PEP) do N-acetyloglukozamino-urydynodifosforanu (UDP-GlcNAc). Fosfomycyna działa jako analog strukturalny PEP zapobiegając powstawaniu kluczowego prekursora peptydoglikanu a tym samym hamuje początkowy etap syntezy bakteryjnej ściany komórkowej [35].
Oporność bakterii może być wynikiem modyfikacji docelowego miejsca działania substancji przeciwbakteryjnej. Jest to podstawowy mechanizm oporności na omawiane klasy substancji u bakterii Gram-dodatnich [36].
W przypadku β-laktamów na obniżenie wrażliwości wpływają modyfikacje białek PBP. Zmienione PBP zachowują zdolności katalityczne w obecności antybiotyku. Przykładem są L,D-transpeptydazy niewrażliwe na działanie większości antybiotyków β-laktamowych (z wyjątkiem karbapenemów). Wysoki udział tych białek występuje np. w ścianie komórkowej bakterii z rodzaju
Zmodyfikowane transpeptydazy notowane są również u gronkowców opornych na metycylinę, w tym u
Podobny mechanizm, będący wynikiem strukturalnej modyfikacji miejsca działania substancji przeciwbakteryjnej a polegający na zmianie D-alanylo-D-alaniny na D-alanylo-D-mleczan (D-Ala-D-Lac) bądź D-alanylo-D-serynę (D-Ala-D-Ser) warunkuje oporność na glikopeptydy u
Mutacje wpływające na zmiany miejsca wiązania enzymu z substancją przeciwbakteryjną mogą również obniżać wrażliwość na fosfomycynę. Wykazano, że bakterie naturalnie oporne na ten antybiotyk np.
Kolejnym mechanizmem wpływającym na obniżenie wrażliwości na omawiane klasy substancji przeciwbakteryjnych jest zmniejszenie przepuszczalności osłon komórkowych. Przykładem jest substratowo specyficzne białko porynowe u
W przypadku fosfomycyny oporność tego typu może być rezultatem defektów funkcjonowania systemów transportu α-glicerofosforanu (GlpT) lub glukozo-6-fosforanu (UhpT), poprzez które antybiotyk trafia do wnętrza komórki bakteryjnej. Zmiany będące wynikiem mutacji w genach strukturalnych
Opisano również zmniejszoną wrażliwość na wankomycynę szczepów
Systemy aktywnie wypompowujące cząsteczki z komórki (efflux pumps), mogą powodować obniżenie wrażliwości na szereg substancji przeciwbakteryjnych. Pompy umożliwiają bakteriom usuwanie z komórki rozmaitych szkodliwych związków. Spektrum ich działania obejmuje nie tylko substancje przeciwbakteryjne, ale również sole żółci, toksyny, detergenty, biocydy i in. Co ważne, jeden rodzaj pomp może być aktywny wobec wielu różnych substancji. Geny determinujące obecność pomp wypompowujących zazwyczaj kodowane są chromosomalnie.
Nadprodukcja systemów wypompowujących oraz ich synergistycznie działanie z innymi mechanizmami np. zmniejszoną przepuszczalnością osłon może wpływać na pojawienie się oporności na różne klasy substancji przeciwbakteryjnych. Podwyższenie syntezy pomp jest najczęściej efektem mutacji w genach regulujących ich działanie [60].
Obniżenie wrażliwości na β-laktamy w wyniku zwiększonej syntezy pomp typu AcrAB-TolC opisano np. u klinicznych izolatów
Powszechnym mechanizmem w jaki bakterie nabywają oporność na substancje przeciwbakteryjne jest zdolność do ich enzymatycznego rozkładu. Enzymy te w przypadku bakterii Gram-dodatnich wydzielane są pozakomórkowo, bądź występują w przestrzeni periplazmatycznej bakterii Gram-ujemnych. Mechanizm ten jest najbardziej rozpowszechnionym pośród mechanizmów oporności na β-laktamy.
β-laktamazy, które odpowiadają za inaktywację tej klasy antybiotyków stanowią bardzo zróżnicowaną grupę enzymów, zarówno ze względu na ich budowę strukturalną, jak i profil substratowy (tj. aktywność wobec penicylin, cefalosporyn czy karbapenemów) [14, 95]
Enzymem o wąskim spektrum, który odpowiada za hydrolizę penicylin u bakterii Gram-dodatnich (np. gronkowców, enterokoków) jest β-laktamaza warunkowana obecnością genu
Kolejną grupę β-laktamaz stanowią cefalosporynazy typu AmpC, warunkujące oporność przede wszystkim na cefalosporyny (z wyjątkiem czwartej generacji), w tym cefamycyny. Spektrum ich aktywności obejmuje również penicyliny, monobaktamy oraz inhibitory β-laktamaz np. kwas klawulanowy. Najczęściej są to enzymy kodowane chromosomalnie, produkowane indukcyjnie. Ich występowanie opisano m.in. u
Metalo β-laktamazy (MBL), posiadające w centrum aktywnym cynk, odpowiadają za oporność na większość antybiotyków β-laktamowych, w tym karbapenemy. Geny kodujące te enzymy występują na chromosomie w formie kaset genowych u pałeczek niefermentujących
Mechanizm enzymatycznej inaktywacji dotyczy również fosfomycyny. Dotychczas opisano występowanie metaloenzymów FosA, FosB, FosX katalizujących rozerwanie pierścienia epoksydowego fosfomycyny. Enzymy te kodowane są zarówno przez chromosomalne jak i przenoszone z udziałem plazmidów geny. Ich występowanie potwierdzono zarówno u bakterii Gram-ujemnych (
Aktywność bakteriobójcza polimyksyn i lipopeptydów jest zbliżona do działania związków powierzchniowo czynnych. Spektrum przeciwbakteryjne omawianych klas substancji determinuje ich działanie na określone błony komórek bakteryjnych. Lipopeptydy oddziałują na błonę cytoplazmatyczną bakterii Gram-dodatnich. Polimyksyny natomiast mają wpływ zarówno na błonę zewnętrzną jak i błonę cytoplazmatyczną bakterii Gram-ujemnych.
Polimyksyny reagują elektrostatycznie z cząsteczkami lipopolisacharydu (LPS) oraz fosfolipidami w błonie zewnętrznej bakterii Gram-ujemnych. Dodatnio naładowane reszty kwasu α, γ-diaminomasłowego polimyksyn wchodzą w interakcję z naładowanymi ujemnie grupami fosforanowymi lipidu A LPS. W efekcie dochodzi do wypierania dwudodatnich kationów wapnia i magnezu stabilizujących rozmieszczenie sąsiadujących cząsteczek LPS. Hydrofobowe łańcuchy tłuszczowe polimyksyn wnikają w błonę zewnętrzną, powodując jej strukturalną i funkcjonalną dezorganizację, ułatwiając tym samym wnikanie kolejnych cząsteczek antybiotyku. W rezultacie dochodzi również do utraty integralności błony cytoplazmatycznej, zaburzenia równowagi osmotycznej i śmierci komórki bakteryjnej [43].
Aktywność należącej do antybiotyków lipopeptydowych daptomycyny jest wynikiem złożonego mechanizmu, którego początkowy etap stanowi depolaryzacja błony cytoplazmatycznej w procesie zależnym od jonów wapnia. Wapń wpływa na zmiany konformacyjne daptomycyny, prowadząc do powstawania miceli, które wnikają w błonę. Jony Ca2+ ułatwiają ten proces wiążąc się z ujemnie naładowanymi grupami lipidu błonowego – fosfatydyloglicerolu (PG) [68, 89]. Po wniknięciu w membranę następuje agregacja cząsteczek daptomycyny i tworzenie porów transbłonowych, powodujących utratę potasu z komórki. Rezultatem są zmiany zawartości lipidów błonowych, zakłócenie procesów związanych z błoną cytoplazmatyczną oraz zaburzenie syntezy składników ściany komórkowej. Dochodzi również do zatrzymania syntezy kwasów nukleinowych, białek a ostatecznie zahamowania podziału i śmierci komórki [89, 93].
Najczęstszą przyczyną oporności na omawiane klasy substancji przeciwbakteryjnych są zmiany ładunku bakteryjnych osłon komórkowych, których skutkiem jest zmniejszenie powinowactwa substancji do miejsca działania. W przypadku polimyksyn do zmniejszenia wrażliwości prowadzą modyfikacje lipidu A np. poprzez przyłączenie dodatnio naładowanych cząsteczek 4-amino-4-deoksy-L-arabinozy (L-Ara4N) bądź fosfoetanoloaminy (pEtN). Większość bakterii wykazujących naturalną oporność na polimyksyny np.
Aktywacja dwuskładnikowych systemów może być również wynikiem mutacji prowadzących do konstytutywnej ekspresji kodujących je genów. Potwierdzono szereg mutacji genów kodujących białka omawianych systemów np. u
Oporność izolatów klinicznych na daptomycynę notowana jest incydentalnie, a jej przyczyną mogą być zmiany ładunku membran powodowane zmniejszeniem ilości zawartego w nich fosfatydyloglicerolu [68]. Różnice w składzie lipidowym błony bakterii tłumaczą spektrum bójczej aktywności daptomycyny. Błony komórkowe bakterii Gram-dodatnich zawierają znaczne ilości fosfatydyloglicerolu (u
Obniżoną wrażliwość powoduje również wzrost zawartości błonowej kardiolipiny związany z mutacjami genu
U
Oporność może być także konsekwencją całkowitej utraty docelowego miejsca działania substancji czynnej. Znakomitym przykładem są oporne na kolistynę izolaty
Kolejnym przykładem mechanizmu oporności na polimyksyny i lipopeptydy jest tworzenie bariery osłaniającej komórkę bakteryjną przed antybiotykiem. Wykazano zmniejszoną wrażliwość na polimyksyny u izolatów
Oporność na daptomycynę może wiązać się ze zmianami funkcjonowania systemów regulatorowych biorących udział w utrzymaniu homeostazy ściany komórkowej [93], a także ze zwiększeniem jej grubości [27]. Dowiedziono, że synteza zmodyfikowanej, pogrubionej ściany komórkowej, będąca wynikiem mutacji w regionie
Nadprodukcja systemów wypompowujących także może przyczyniać się do obniżenia wrażliwości na polimyksyny. Przykładem mogą być pompy typu efflux zidentyfikowane u
Bakteryjne DNA oraz RNA stanowią cel działania chinolonów i ansamycyn. Chinolony wpływają na syntezę i zmiany struktury bakteryjnego DNA poprzez działanie na enzymy bakteryjne: topoizomerazę typu II – gyrazę oraz topoizomerazę IV. Enzymy te odgrywają zasadniczą rolę w prawidłowym przebiegu procesów wymagających dostępu do informacji genetycznej zawartej w DNA m.in. replikacji [3, 23, 55]. Determinują one stopień skręcenia podwójnej helisy DNA. Topoizomerazy powodują powstanie tymczasowych pęknięć nici DNA, jednocześnie zabezpieczają je łącząc się odwracalnie z nowo powstałymi końcami DNA. Przecięcie umożliwia swobodny obrót wokół kolejnego wiązania heliksu DNA, prowadząc do zmniejszenia napięć torsyjnych. Topoizomerazy katalizują również ponowne połączenie nici heliksu po rozpleceniu [3].
Chinolony łącząc się z kompleksem topoizomeraza-DNA, hamują zdolność enzymów do ligacji przeciętych nici kwasu nukleinowego. Konsekwencjami są zaburzenia replikacji, zahamowanie syntezy DNA a ostatecznie śmierć komórki bakteryjnej [5]. Gyraza jest preferowanym miejscem działania chinolonów u bakterii Gram-ujemnych, natomiast topoizomeraza IV u Gram-dodatnich [55]. U gatunków, które nie posiadają topoizomerazy IV np.
Ansamycyny, a wśród nich rifampicyna wykazują szeroki zakres aktywności biologicznych. Stanowią one grupę substancji przeciwbakteryjnych hamujących transkrypcję. Rifampicyna przyłącza się do podjednostki β polimerazy RNA. W obecności antybiotyku aktywność polimerazy RNA zostaje zablokowana, tym samym nie dochodzi do transkrypcji genów niezbędnych do funkcjonowania komórki, czego następstwem jest śmierci bakterii [12].
Częstą przyczyną oporności na chinolony są mutacje prowadzące do zmniejszenia powinowactwa substancji przeciwbakteryjnej, do miejsca docelowego. Są to mutacje w tzw. regionach determinujących oporność na chinolony QRDR (quinolone resistance determining region) co najmniej jednego z genów kodujących podjednostki topoizomerazy II (
Mutacje, których skutkiem jest oporność na rifampicynę zwykle dotyczą genu
Nieco inny mechanizm, ale również dotyczący działania substancji przeciwbakteryjnej w miejscu docelowym dotyczy chinolonów. Polega on na syntezie białek kodowanych przez geny
Wzrost oporności na chinolony bywa skutkiem zmian przepuszczalności osłon komórkowych. Chinolony wnikają do wnętrza komórek bakteryjnych poprzez domeny lipidowe zarówno błony zewnętrznej jak i błony cytoplazmatycznej. W przypadku bakterii Gram-ujemnych transport przez błonę zewnętrzną odbywa się również z udziałem białek porynowych. Dyfuzja przez dwuwarstwę fosfolipidową jest bardziej wydajna w przypadku cząsteczek o większej hydrofobowości natomiast efektywność transportu drogą porynową jest większa dla cząsteczek hydrofilowych np. ciprofloksacyny, norfloksacyny [13, 25]. Zarówno zmiany organizacji błony komórkowej jak i zmniejszenie syntezy białek porynowych: OmpA, OmpF, OmpC, OmpD, LamB i Tsx (dotyczy tylko Gram-ujemnych), mogą prowadzić do wzrostu oporności na tę klasę substancji przeciwbakteryjnych [25].
Aktywne wypompowywanie chinolonów z komórki zwykle jest wynikiem mutacji w obrębie genów kodujących białka regulatorowe wpływające na funkcjonowanie pomp. Wiele tego typu pomp odpowiada za usuwanie chinolonów z komórek
Mechanizm oporności z udziałem pomp aktywnie usuwających cząsteczki leku z komórki dotyczy także rifampicyny. Przykładem mogą być systemy Rv2937, Rv1258, Rv0783c, zidentyfikowane u prątków gruźlicy wykazujących obniżoną wrażliwość na rifampicynę [66].
Odnotowano również występujący u
Makrolidy, ketolidy, aminoglikozydy, glicylcykliny i oksazolidynony hamują syntezę białek na różnych etapach. Makrolidy oraz wywodzące się od nich ketolidy np. telitromycyna działają w podobny sposób, reagując z podjednostką 50S rybosomów bakteryjnych, a dokładnie z rybosomalnym 23S rRNA. Makrolidy wiążą się z domeną V cząsteczki rRNA, ketolidy dodatkowo z domeną II 23S rRNA w pobliżu białek rybosomalnych L4 oraz L22. Substancje te blokują tzw. kanał wyjściowy, poprzez który powstające peptydy opuszczają rybosom. Tym samym dochodzi do zahamowania elongacji w wyniku przedwczesnej dysocjacji krótkich peptydylo-tRNA z rybosomu tuż po inicjacji translacji [38, 64]. Antybiotyki wymienionych klas mogą także zmieniać allosterycznie właściwości centrum katalitycznego rybosomu prowadząc do zatrzymania translacji, bądź powodować zmianę ramki odczytu, czego skutkiem jest nieprawidłowa synteza białek [38, 88].
Linezolid należący do oksazolidynonów łączy się z rybosomalnym 23S rRNA podjednostki 50S w centrum peptydylotrasferazy rybosomu (PTC). Doniesienia opisujące dokładny mechanizm działania linezolidu wymieniają zmiany konformacyjne PTC [103], blokadę właściwego przyłączania tRNA do rybosomu [63] i tworzenia wiązań peptydowych oraz hamowanie powstawania kompleksu inicjującego złożonego z podjednostki 30S rybosomu, fMet-tRNA, czynników inicjujących (IF2, IF3) i mRNA [11].
Glicylcykliny, a także aminoglikozydy wpływają na podjednostkę 30S rybosomu. Tigecyklina należąca do glicylcyklin, wiąże się odwracalnie z podjednostką 30S, hamując syntezę białka poprzez blokowanie wiązania aminoacylo-tRNA. Zapobiega tym samym włączaniu kolejnych aminokwasów do powstającego peptydu [42]. Aminoglikozydy hamują translację przyłączając się do rybosomalnego 16S rRNA podjednostki 30S. Różne antybiotyki tej klasy mogą wiązać się w nieco inny sposób z 16S RNA, niemniej skutkiem tego jest zahamowanie translokacji tRNA, zaburzenia rozpoznawania kodonów co sprzyja włączaniu niewłaściwych aminokwasów w powstający peptyd [39, 70].
Sugeruje się, że bójcze działanie aminoglikozydów w odróżnieniu od pozostałych substancji przeciwbakteryjnych hamujących syntezę białek, wynika z indukcji wytwarzania nieprawidłowych białek błonowych prowadzącej do upośledzenia transportu transbłonowego [39, 83].
Zmiany wpływające na zmniejszenie powinowactwa leku do miejsca jego działania stanowią częstą przyczynę oporności na wymienione antybiotyki. W przypadku makrolidów i linezolidu ten mechanizm oporności związany jest z mutacjami w obrębie domen 23S rRNA oraz mutacjami genów kodujących białka rybosomalne [63]. Tego typu mutacje stwierdzano np. u opornych na makrolidy szczepów
Szeroko rozpowszechnione są również enzymatyczne modyfikacje miejsca działania substancji czynnej prowadzące do oporności na omawiane klasy antybiotyków. Metylacja rybosomalnego 23S rRNA z udziałem metylotransferaz kodowanych przez geny
Ketolidy (np. telitromycyna) wiążą się silniej z podjednostką 50S rybosomu, dlatego często pozostają aktywne wobec szczepów, których oporność na makrolidy jest efektem ekspresji indukcyjnych genów
Modyfikacje rybosomalnego 23S rRNA z udziałem metylotransferazy kodowanej przez przenoszony plazmidowo gen
Przyczyną oporności na aminoglikozydy mogą być mutacje chromosomalne wpływające na zmiany konformacyjne miejsca wiązania antybiotyku jak i modyfikacja 16S rRNA z udziałem metylaz. Dotychczas opisano występowanie przenoszonych plazmidowo metylaz 16S rRNA, kodowanych przez geny
Oporność na makrolidy warunkowana jest również obecnością białek kodowanych przez geny
Do tej samej rodziny należy kodowane przez przenoszony plazmidowo gen
Najlepiej poznanymi białkami ochronnymi są proteiny będące produktami genów
Aktywne wypompowywanie substancji czynnej z komórki również prowadzi do zmniejszenia wrażliwości na omawiane substancje. Oporność na makrolidy może być wynikiem syntezy pomp kodowanych przez geny
Mechanizm aktywnego wypompowywania leku z komórki jest zwykle nieefektywny w odniesieniu do ketolidów gdyż kumulują się one w komórkach bakteryjnych znacznie szybciej niż makrolidy. Ponadto silniejsze wiązanie ze strukturami rybosomu oraz ich słabe działanie jako czynników indukujących oporność sprawia, że w większości przypadków ketolidy zachowują aktywność wobec szczepów niewrażliwych na makrolidy, linkozamidy i streptograminy B [30, 59].
Podwyższona synteza pomp MexXY występujących u
Oporność na glicylcykliny, w tym tigecyklinę może być również związana z nadprodukcją systemów wypompowujących. Ich występowanie stwierdzono dotychczas u
Modyfikacje cząsteczek substancji przeciwbakteryjnej bądź ich rozkład z udziałem enzymów również prowadzi do oporności na omawiane klasy substancji czynnych.
Esterazy kodowane przez plazmidowe geny
Mechanizm oporności polegający na enzymatycznej modyfikacji dotyczy również tigecykliny. Hydroksylacja z udziałem monooksygenazy flawinowej kodowanej przez
Występowanie enzymów odpowiadających za adenylację, acetylację i fosforylację stanowi najważniejszy ze sposobów w jaki bakterie nabywają oporność na aminoglikozydy. Skutkiem ich aktywności jest zmniejszone powinowactwo cząsteczek antybiotyku do miejsca docelowego, czyli 16S rRNA. Enzymy odpowiedzialne za modyfikacje aminoglikozydów charakteryzują się różnym profilem substratowym. Geny determinujące ich występowanie najczęściej przenoszone są z udziałem mobilnych elementów genetycznych.
Aminoglikozydo N-acetylotransferazy (AAC) są wśród licznych enzymów tego typu notowane najczęściej, zwłaszcza u bakterii Gram-ujemnych. Enzymy te katalizują acetylację grup aminowych w cząsteczkach antybiotyków, a ze względu na różne miejsca modyfikacji klasyfikowane są jako AAC(1), AAC(2’), AAC(3) oraz AAC(6’) [39, 83]. Najbardziej rozpowszechnione są acetylotransferazy klasy AAC(6’), których profil substratowy obejmuje wiele klinicznie ważnych aminoglikozydów m. in. gentamycynę [39, 83]. Występowanie genów kodujących enzymy AAC(6’) opisano np. u
Kolejną grupę enzymów odpowiadającą za modyfikacje tej klasy substancji przeciwbakteryjnych stanowią fosfotransferazy APH (kinazy aminoglikozydowe). Podobnie jak acetylotransferazy podzielono je na klasy w zależności od miejsca ich działania: APH(2”), APH(3’), APH(3”), APH(4), APH(6), APH(7”) oraz APH(9) [95]. Większość fosfotransferaz aminoglikozydowych zaliczana jest do klasy APH(3’), a ich obecność warunkuje oporność m. in. na kanamycynę i neomycynę. Proteiny należące do grupy APH(2”) odgrywają znaczącą rolę w oporności bakterii Gram-dodatnich na gentamycynę. Determinanty kodujące obecność enzymów APH wykryto np.
Ostatnią grupę enzymów mających znaczenie w epidemiologii oporności na aminoglikozydy stanowią nukleotydylotransferazy ANT (adenylotransferazy), które dzielone są na pięć klas. Enzymy ANT(2”), ANT(3”) częściej notowane są u Gram-ujemnych bakterii, natomiast ANT(4’), ANT(6), ANT(9) dominują u bakterii Gram-dodatnich [83, 95].
Zidentyfikowano także nieliczne enzymy dwufunkcyjne (tj. posiadające dwie różne domeny katalityczne) warunkujące oporność na aminoglikozydy. Dotychczas opisano np. enzym odpowiadający za adenylację i acetylację kodowany przez
Poznanie mechanizmów oporności na środki przeciwbakteryjne jest niezbędne do efektywnej walki z rosnącą antybiotykoopornością bakterii. Szereg aspektów wpływa na pojawianie się i rozprzestrzenianie tego zjawiska. Łatwość przenoszenia mechanizmów oporności w wyniku horyzontalnego transferu genów z udziałem ruchomych elementów genetycznych np. plazmidów, transpozonów, a nawet fagów bakteryjnych, wpływa na szerzenie oporności pomiędzy różnymi gatunkami i rodzajami bakterii, także niespokrewnionymi filogenetycznie. Ekspozycja na substancje przeciwbakteryjne należące do różnych klas może prowadzić do oporności krzyżowej i selekcji genów przenoszonych właśnie z udziałem ruchomych elementów genetycznych. Doskonały przykład stanowią omówione geny
Różnorodne czynniki działające na komórki bakteryjne mogą wpływać na pojawianie się oporności. Obecność pestycydów, metali ciężkich, detergentów, dezynfektantów przyczynia się do selekcji szczepów opornych. Stres środowiskowy, nawet przy nieobecności substancji przeciwbakteryjnej, sprzyja powstawaniu mutacji, które w efekcie mogą skutkować obniżeniem wrażliwości. Warto wspomnieć o zdolności bakterii do tworzenia biofilmów umożliwiających komórkom bakteryjnym przetrwanie w niesprzyjających warunkach środowiskowych, w tym również w obecności antybiotyków.
Obfitość rozmaitych mechanizmów oporności świadczy o ogromnych zdolnościach adaptacyjnych bakterii. Fakt wykrycia genu warunkującego oporność na kolistynę (
Mając na względzie złożoność i skalę zjawiska oporności, zachowanie skuteczności działania substancji przeciwbakteryjnych, zwłaszcza istotnych w aspekcie zdrowia publicznego, staje się poważnym wyzwaniem i priorytetem. Ranga problemu wymaga podjęcia kompleksowych działań obejmujących przede wszystkim propagowanie rozważnego stosowania antybiotyków oraz ograniczenie nadużywania substancji przeciwbakteryjnych zarówno w rolnictwie, weterynarii jak i medycynie.