Антибіотикостійкість біології

Вступ до стійкості до антибіотиків

Стійкість до антибіотиків виникає, коли бактерії розвивають механізми, що зменшують або усувають ефективність антибіотиків, роблячи стандартні методи лікування неефективними. Організація охорони здоров’я (ВОЗ) класифікує стійкість до антибіотиків як одну з 10 найбільших глобальних загроз для публічного здоров'я. Стійкість до антимікробних засобів (САЗ) призвела до загибелі приблизно 1,27 мільйонів людей безпосередньо у 2019 році та внесла вклад у 4,95 мільйонів смертей; без дії САЗ кількість смертей від САЗ може досягти 10 мільйонів на рік до 2050 року, що перевищує смертність від раку. Стійкість виникає через вроджені (зародкові структурні або біохімічні особливості), набуті (мутації або горизонтально передані гени) та адаптивні (тимчасове регулювання) механізми.

Олександр Флемінґ передбачив розвиток стійкості до антибіотиків у своїй промовах при врученні Нобелівської премії 1945 року — спостерігаючи, що експозиція на субтерапевтичних дозах пеніциліну може відбирати стійкі мутанти. З того часу стійкість виникла до кожного антибіотика протягом кількох років після застосування. Відсутність відкриттів антибіотиків — жодних нових класів антибіотиків (цілеспрямованих на нові механізми) не досягло клінічного використання з 1980-х років — у поєднанні зі зростаючою глобальною стійкістю відображає невдачу інновацій та ринкових стимулів для розробки антибіотиків. Збудники групи ESKAPE (Enterococcus faecium, Staphylococcus aureus, Klebsiella pneumoniae, Acinetobacter baumannii, Pseudomonas aeruginosa, Enterobacter species) представляють найбільш нагальну загрозу стійких організмів, що потребує нових варіантів лікування.

Механізми резистентності до антибіотиків

Ензиматична інактивація, Бета-лактамази гідролізують бета-лактамне кільце пеницилінів та цефалоспоринів, інактивуючи їх перед досягненням цільового білка PBP. Розширений спектр дії бета-лактамаз (ESBL — TEM, SHV, CTX-M) надає стійкість до розширеного спектру цефалоспоринів; металеві бета-лактамази (NDM-1, VIM, IMP) також гідролізують карбапенемні антибіотики (антибіотики останньої інстанції), створюючи організми з надзвичайною стійкістю до ліків (XDR). Ензими модифікації аміноглікозидів (ацетилази, фосфатази, нуклеотидази) модифікують гідроксильні або амінові групи блокуючи зв’язування з рибосомою. Ацетилювання хлорамфенікол запобігає його зв’язуванню з 50S рибосомою. Ці ензимні механізми часто знаходяться на рухомих генетичних елементах, що швидко поширюються серед бактерій.

Модифікація цільової молекули

Зменшення зв’язування антибіотика з його цільовою молекулою зменшує зв'язувальний ефект, зберігаючи функцію для бактерії. MRSA (метицилінорезистентний золотистий стафілокок) несе meca, що кодує PBP2a — модифіковану пеніцилін-зв’язуючу білок з низькою афінністю до бета-лактамів, набуту від симбіонтної стафілококової виду шляхом гомологічного горизонтального передавання генів (HGT). Бактерії, стійкі до макролідів, метилюють 23S РНК (erm гени), зменшуючи зв’язування еритроміцину з 50S рибосомою — той самий сайт, модифікований деякими генами резистентності в рибосомах, як саморезистентність. Точкові мутації в rpoB викликають стійкість до рифампіцину у Mycobacterium tuberculosis.

Горизонтальний перенос генів та мобільність генетичного матеріалу

Кон’югативні плазміди, Кон’югативні плазміди є репліконами, що містять власну систему передачі (гени Tra)—утворюючи з’єднання для спарювання (вії та мембранні канали) між донорними та рецепторними бактеріями, що дозволяє передавати ДНК без об'єднання клітин. Генетичні послідовності резистентності (часто як інтегрони, що містять декілька генів резистентності), мобілізуються на кон’югативних плазмідах, забезпечуючи швидке поширення мульти-протружної резистентності між бактеріальними видами в мікробіомах. Виникнення мукороподібної резистентності до карбапенемів було спричинено розповсюдженням плазмід, що несуть KPC, у *Klebsiella pneumoniae* та *E. coli* по всьому світу. Моніторинг епігенетичної карти плазм здійснюється шляхом секвенування цілого геному для відстеження розповсюдження елементів резистентності та ідентифікації мереж передачі.

Інтегрони та транспозони, Інтегрони є генетичними елементами, що захоплюють генні касети резистентності на своєму атІ сайті та експресують їх за допомогою спільного промотора Pc. Клас 1 інтегрівів є найбільш клінічно важливими—містять 1-8 генів резистентності, забезпечуючи мульти-протружну резистентність до аміноглікозидів, сульфаніламідів, триметоприму, хлор амінолів та інших антибіотиків одночасно. Багато клас 1 інтегрівів вбудовані в транспозони (Tn21, Tn402), які самі по собі несуться на кон’югативних плазмідах—створюючи вкладені мобільні елементи для ефективної збірки та розповсюдження мульти-протружної резистентності. Розширене секвенування областей клас 1 інтегрівів у клінічних та екологічних зразках кількісно визначає банк генів резистентності, що циркулюють в мікробіомах.

Нові підходи до боротьби з резистентністю

Удосконалення ланцюга розвитку антибіотиків: стимули за Законом «GAIN» FDA та фінансування BARDA підтримали розробку нових комбінацій бета-лактамів/бета-лактамазних інгібіторів (цефтазидимін-авібактам, цефтолозан-тазобактам, імпенем-циلاستін-релеб актам), які спеціально орієнтовані на KPC, OXA-48 та MBL карбапенеми. Повністю нові механізми дії включають теїксобактин (ціль ліпіди II і III для синтезу клітинної стінки, виділений з некультивованих бактерій за допомогою пристрою iChip для культивування ґрунту), аналогічні мупіроцину та інгібітори LolCDE, які запобігають передачі ліпопротеїнів. Фагтерапія, антимікробні засоби на основі CRISPR-технологій, що селективно цілять у гени резистентності або конкретні бактеріальні штами, та підходи, спрямовані на зниження патогенності, є неантибіотичними альтернативами, які розробляються.

Приклади та застосування

Приклад 1: Глобальне поширення MRSA Поява MRSA (метицилін-стійкого золотистого стафілокока) у 1960-х роках була пов’язана з введенням метициліну; клони CA-MRSA (спільнотної резистентної до метициліну MRSA) (USA300 в Північній Америці, ST59 в Азійсько-Тихоокеанському регіоні) поширювалися у 2000-х роках, викликаючи інфекції шкіри та м’яких тканин у здорових людей поза медичними закладами. USA300 CA-MRSA несе токсин PVL (полівантальний лейкоцидин), що спричиняє важкі некротичні шкірні інфекції та пневмонію. Геномна епідеміологія відстежила розширення клону та поширення USA300 з його витоку в Північній Америці. Резистентність до ванкomycіну (VRSA, що виникла через передачу гену з VRE до MRSA) спорадично виникає, але не поширюється через фітнес-вартість — наразі. Стратегії деколонізації MRSA (інтраназальний мюпіроцин + обмиви хлоргексидином) знижують ризик інфекцій у місцях операцій.

Приклад 2: Резистентність до карбапенемів Klebsiella Першою була ідентифікована NDM-1 (нова дельта-лактамаза з Нового Делі) у шведському пацієнта, госпіталізованому в Індії у 2008 році; протягом 3 років вона з’явилася у Klebsiella, E. coli та інших Enterobacteriaceae по всьому світу. Бактерії, носії NDM-1, стійкі до практично всіх бета-лактамів, включаючи карбапенеми, залишаючи обмежену кількість варіантів лікування (колістин, тигециклін, фосфоміцин — кожен з яких має значні токсичні властивості та ризики резистентності). Геномний моніторинг встановив, що NDM-1 поширювався на різноманітних плазмідах, запобігаючи контролю за клонами-специфічними мірами. Нові варіанти: цефтазетидим-авібактам (авібактам не інактивує MBL), комбінація азітреонаму-авібактому (азітреоном є стабільним до MBL, авібактом інактивує ESBL, що утворюються спільно), та сідерофоре фосцеола.

Приклад 3: Резистентність туберкульозу до ліків Мульти-антибіотикостійкий туберкульоз (MDR-TB) — стійкий до ізоніациду та рифампіцину — вражає приблизно 450 000 людей щорічно, вимагаючи другорядових ліків на 9–20 місяців із серйозними побічними ефектами. Надмірно резистентний туберкульоз (XDR-TB) додатково стійкий до фторхінолонів та ін’єкційних препаратів, вражає приблизно 40 000 на рік з дуже обмеженими варіантами лікування. Whole-genome sequencing швидко прогнозує чутливість до ліків на основі мутацій резистентності в rpoB (рифампіцин), katG/inhA (ізоніацид), gyrA (фторхінолони), rrs/eis (аміноглікозиди) — що дозволяє швидко застосовувати цільову терапію без очікування традиційного 6-тижневого DST. Нові ліки бедакуїн (інгібітор АТФ-синтази), претоманід та деламанід (нітроімідзалони) були схвалені у 2012–2019 роках, надавши перші нові варіанти лікування туберкульозу за останні 40 років.

Приклад 4: Лікарська дисципліна Програми лікарської дисципліни (ПЛД) у лікарнях систематично оптимізують призначення антибіотиків для зменшення непотрібного використання, вибору відповідних агентів емпірично та скорочення тривалості до мінімально необхідної доби. ПЛД у лікарнях знижують споживання антибіотиків на 20–30 %, зменшують захворюваність на C. difficile, скорочують термін перебування в лікарні та зменшують виникнення резистентності. Ключові елементи: обмеження формуляря, попереднє затвердження для широкого спектру антибіотиків, попередня оцінка та зворотний зв’язок, швидка інтеграція діагностики дозволяє деескалацію протягом 48 годин, а також оптимізація дозування ліками фахівцями з фармацевтики на основі фармакокінетичного/фармакодинамічного моделювання. Національні стратегії One Health, що вирішують використання антибіотиків в сільському господарстві — тварини споживають 70 % усіх антибіотиків у світі — доповнюють ПЛД у лікарнях для зменшення тиску на вибір резистентності.

Приклад 5: Факторівідновлювальна терапія Фактори — віруси, які заражають бактерії — були терапевтичними агентами до антибіотиків і переживають ренесанс як останній засіб лікування для MDR/XDR бактерій. Факторівідновлювальна терапія вимагає відповідності між ізолятами бактерій пацієнта та літичними фагами з бібліотек або спеціально ідентифікованих із навколишнього середовища. Публічно доступні випадки доброї волі включають успішну ерадикацію MDR Acinetobacter baumannii ендокардиту (UC San Diego, 2016), MDR E. coli печінкового абсцесу та інфікованих протезів суглобів. Фагові коктейлі зменшують ризик виникнення резистентності. Виклики включають швидке імунне видалення, специфічність штамів, що потребує великих фагових бібліотек, проектування антифагових механізмів у бактерій та регуляторні шляхи для індивідуальних фагових продуктів. Фагові банки в Бельгії та Польщі забезпечують терапевтичні фаги через міжнародні фреймворки доступу.

Приклад 6: Швидка діагностика та призначення антибіотиків Швидкі діагностичні тести дозволяють цілеспрямоване призначення антибіотиків замість емпіричного широкого спектру дії. MALDI-TOF мас-спектрометрія ідентифікує бактерії з позитивних кров’яних культур протягом хвилин замість годин; швидкі ПЛР панелі (BioFire FilmArray) одночасно виявляють 24 патогени та резистентні гени з позитивних крові, ЦНС та дихальних шляхів протягом 1 години. Швидке тестування чутливості фенотипу (Alfred AST, Accelerate Pheno) надає MICs протягом 7 годин від позитивної кров’яної культури замість 48–72 годин для традиційних методів, що дозволяє раніше деескалювати з широкого спектру емпіричних антибіотиків. Whole-genome sequencing термін виконання 12–24 годин для безпосередніх клінічних виділень перевіряється для підтримки прийняття рішень у лікуванні туберкульозу та MRSA.

Приклад 7: Резистентність до колістину та останнього ряду антибіотиків Колістин (полімексин Е), останній рядок антибіотиків проти CRE, вважався без резистентності, оскільки мутації хромосомного рівня, що викликають резистентність, накладають високу вартість пристосування. У 2015 році Ліу та співавт. повідомили про плазменну резистентність до колістину через ген mcr-1 (ензим MCR-1, що додає фосфоетаноламін до ліпідного А, зменшуючи зв’язування колістину) в китайських клінічних та сільськогосподарських Enterobacteriaceae. MCR-1 поширювався глобально на кон'югативних плазмідах протягом місяців після виявлення — в тому ж сільському екосистемі, де використовували колістин як провідну речовину. Китай заборонив використання колістину як провідної речовини в сільському господарстві у 2016 році; протягом року поширення MCR-1 у тваринах та пацієнтах значно зменшилося, що демонструвало, що видалення сільськогосподарського використання антибіотиків може призвести до зменшення поширеності генів резистентності протягом місяців.

Приклад 8: Синтетичні підходи до нових антибіотиків Теїксобактін було виділено з Eleftheria terrae — бактерії, що раніше не культивувалися в землях — за допомогою технології iChip, яка дозволяє проводити культуру бактерій у їхньому рідному ґрунті шляхом імплантації контейнерів із ґрунту, що містять бактерії, у ґрунт під час нормального росту, одночасно. Теїксобактін зв’язується з ліпід II (пептидоглікановим попередником) та ліпід III (таурополісахаридом), обертаючи частини синтезу клітинної стінки, вбиваючи грампозитивні бактерії, включаючи MRSA, VRE та резистентний до ліків M. tuberculosis при концентраціях нанометрів.

] }

Спробуйте онлайн

Все вище працює у вашому браузері – відкрийте симулятор «Бактеріальна еволюція при резистентності до антибіотиків» та змінюйте параметри, поки він запущений. Не встановлюється нічого, не завантажується нічого, весь модель жив у одному вікні.

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Antibiotic Resistance: Bacterial Evolution Simulator і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.