Механізми стійкості мікроорганізмів до антибіотиків

СТІЙКІСТЬ (RESISTANCE)

ПРИРОДНА (NATURAL)

НАДБАНА (ACQUIRED)

Відсутність у мікроорганізму мішені

для антибіотика або її недоступність

через знижену проникність або ферментативну інактивацію антибіотика

Здатність окремих штамів

зберігати життєздатність при

концентраціях антибіотика, які пригнічують основну частину мікробної популяції

• Антибіотик клінічно неефективний

• Постійна видова ознака,

легко прогнозується

У всіх випадках обумовлена генетично:

• Набуття нової генетичної

інформації

• Зміна рівня експресії

власних генів

Escherichia coli

Klebsiella pneumoniae

Enterococcus faecium

Pseudomonas aeruginosa

Methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA)

​

• MRSA methicillin resistant Staphylococcus aureus (introduction of methicillin – 1959, first resistance report – 1961)
• VRE vancomycin resistant enterococci (1953- mid-1980s)
• VRSA vancomycin resistant S. aureus (1992)
• VISA vancomycin intermediate S. aureus (1996)
• CRE – carbapenem resistant Enterobacteriaceae (1985 – 1990s)
• MDR and XDR Mtb

ESKAPE - Enterococcus faecium

• Staphylococcus aureus
• Klebsiella pneumoniae
• Acinetobacter baumannii
• Pseudomonas aeruginosa
• Enterobacter spp.

​

Глосарій

https://resistancemap.cddep.org/AntibioticResistance.php

Фактори, що сприяють глобальній

антибіотикорезистентності

• Неправильне або надмірне використання антибіотиків людиною
• Неправильне або надмірне використання антибіотиків у тваринництві
• Забруднення навколишнього середовища (включаючи стічні води)
• Передача в умовах медичних закладів
• Субоптимальні методи прискореної діагностики
• Субоптимальне дозування, включаючи застосування нестандартизованих або пфдробних медикаментів
• Подорожі та глобалізація

Генетичні основи резистентності до антибіотиків

Хромосомні мутації

Трансдукція (фаги)

Вертикальна передача

Горизонтальний перенос генів

Еволюція/

Природний добір

Передача генів стійкості

від інших бактерій

Кон’югація (плазміди)

Tрансформація

Резистом

сукупність генів антибіотикорезистентності та їх попередників у мікроорганізмів.

​

Чотири типи генів антибіотикорезистентності:

1. Гени стійкості патогенних. Вивчені недостатньо, становлять найбільший науковий інтерес.
2. Гени стійкості продуцентів антибіотиків. Гени продуцентів антибіотиків (ґрунтова біота, гриби), що забезпечують механізми захисту. Є джерелом антибіотикорезистентності для багатьох патогенних бактерій.
3. Приховані гени стійкості. Зустрічаються в бактеріальних хромосомах, але безпосередньо не забезпечують стійкість, оскільки рівень їхньої експресії зазвичай низький або не відзначається.
4. Гени-попередники. Не відповідають за антибіотикорезистентність. Кодують білки, які забезпечують певний базовий рівень активності проти молекул антибіотиків або афінні до молекули. В обох випадках взаємодія може спричинити експресію повноцінного гена резистентності.

Властивості цих груп є абсолютно незалежними і можуть частково накладатися один на одного.

МЕХАНІЗМИ АНТИБІОТИКОРЕЗИСТЕНТНОСТІ

1 – зниження проникності зовнішніх структур мікробної клітини

2 – ферментативна інактивація антибіотика

3 – активне виведення препарату з клітини (еффлюкс)

4 – модифікація мішені дії антибактеріального препарату

1

2

3

4

Mechanisms of resistance

I

II

III

IV

Frontiers | Antibiotics, Resistome and Resistance Mechanisms: A Bacterial Perspective (frontiersin.org)

Ферментативна інактивація

• Хімічна зміна молекули антибіотика
• Деструкція молекули антибіотика

Хімічна модифікація антибіотика�(більшість інгібіторів біосинтезу білка)

• Ацетилювання (аміноглікозиди, хлорамфенікол, стрептограміни)

​

• Фосфорилювання (аміноглікозиди, хлорамфенікол)

• Аденілювання (аміноглікозиди, лінкозаміди)

​

AMEs (aminoglycoside modifying enzimes) - понад 50 ферментів

• AAC – acetyltransferase
• ANT – adenyltransferase
• APH – phosphotransferase

​

Chloramphenicol modifying enzymes

• CATs (chloramphenicol acetyltransferases)

Modified from Appl Microbiol Biotechnol (2006)70:140–150.

Деструкція молекули антибіотика

Клінічно значущі β-лактамні антибіотики

Antibiotics 2014, 3(2), 128-142

Механізм дії β-лактамази

Класифікація AMBLER (молекулярна)

• 4 класи (A-D) на основі послідовності амінокислот
• Класи A, C, D – серинові β-лактамази
• Клас B – метало-β-лактамази (йон Zn як кофактор)

Описано понад 1000 ферментів

2 класифікації

• Mолекулярна
• Функціональна

Класифікація Bush-Jacoby (функціональна)

Базується на

• субстратному профілі
• чутливості до інгібіторів
• Молекулярній структурі

​

ESBLs

Non-sensitive to inhibitors

Клавуланова кислота

Сульбактам

Тазобактам

Авібактам

Релебактам

​

Clavulanic acid + amoxicillin = Augmentin

Clavulanic acid + ticarcillin = Timentin

Sulbactam+ ampicillin = Unasyn

  Sulbactam+ cefoperazone = Sulperazon

Tazobactam + piperacillin = Tazocin

​

Інгібітори бета-лактамаз

Модифікація мішені антибіотика

• Захист мішені
• Модифікація мішені

Захист мішені

Детермінанти стійкості до тетрациклінів Tet(M) and Tet(O)

• Знайдені у плазмідах та транспозонах
• Діють як гомологи факторів елонгації EF-G та EF-Tu
• Конкурують з тетрацикліном за приєднання до сайту зв’язування на 30S субодиниці рибосоми, витісняють антибіотик та попереджають його

повторне приєднання

• Точкові мутації в генах, що кодують мішень
• Ферментативна модифікація сайту зв’язування (e.g. метилювання)
• Заміна або оминання оригінальної мішені

Результат: зменшена афінність антибіотика до мішені

Модифікація мішені

Точкові мутації в генах, що кодують мішень

Стійкість до фторхінолонів

• Мутації в генах, що кодують DNA-гіразу та топоізомеразу IV

​

Стійкість до оксазолідинонів

• Mутації в генах, що кодують 23S rRNA (мішені антибіотиків)

Ферментативнна модифікація сайту зв’язування

• Mетилювання 50S субодиниці рибосоми – стікість до макролідів

​

Заміна або оминання оригінальної мішені

Заміна

Надбання екзогенних генів

PBP2a у MRSA

• Низька афінність до всіх

β-лактамів

​

Оминання

Стійкість до триметоприму-сільфаметоксазолу

• Гіперпродукція молекул мішені
• Надбання екзогенних генів, що кодують менш чутливі ферменти метаболічного шляху синтезу мішені

​

Порушення проникності (β-лактами, тетрацикліни, фторхінолони)

• Зсув (шифт) у типі експресованих поринів
• Зміна рівня експресії поринів

Активація ефлюкс-помп (активне виведення)

• Торкається широкого кола антимікробних препаратів (β-лактами, фторхінолони, карбапенеми, поліміксини, інгібітори синтезу білка)
• 5 родин ефлюкс-помп на основі структурної конформації, джерела енергії, кола субстратів,

типу мікроорганізму

• Major fasilitator superfamily (MFS)
• Small multidrug resistance family (SMR)
• ATP-binding cassete family (ABC)
• Multidrug and toxic compound extrusion family (MATE)
• Resistance-nodulation-cell-division family (RND)

​

Родини ефлюкс-помп

Found in both Gr+ and Gr-

Only Gr-

МІМІКРІЯ МІШЕНІ

• MfpA білок – пентапептидні повтори =

Мімікрія 3D-структури DNA

секвестрування фторхінолонів у цитоплазмі

​

Зниження концентрації антибіотика

Захист DNA

M. tuberculosis

• Пошук аналогів антибіотиків, здатних приєднуватися до модифікованих внаслідок застосування антибіотиків мішеней
• Пригнічення активності захисних ферментів, що деградують молекули антибіотиків
• Пошук антимікробних агентів з принципово новими структурами, які не можуть розпізнаватися бактеріальними ефлюкс-системами
• Пошук нових сполук з новими мішенями дії в мікробній клітині
• Retargeting або repurposing існуючих препаратів

СУЧАСНІ ПІДХОДИ ДО ПОДОЛАННЯ

АНТИБІОТИКОРЕЗИСТЕНТНОСТІ