Nabywanie oporności na antybiotyki przez bakterie

advertisement
LABORATORIUM 3-4/2012
|DIAGNOST YKA
L A B O R ATO R YJ N A
Nabywanie oporności
na antybiotyki przez bakterie
STRESZCZENIE
Rozwój
chemioterapii będący konsekwencją
odkrycia antybiotyków niósł nadzieję
na skuteczne zwalczanie wielu infekcji
wywoływanych przez drobnoustroje.
Okazało się jednak, że na całym świecie
rośnie odsetek opornych szczepów
na wiele antybiotyków. Przyczyną
takiego zjawiska jest swoista zdolność
drobnoustrojów do obrony przed
destrukcją. Dzięki wyspecjalizowanym
mechanizmom wymiany elementów
genetycznych, oporność może być
również nabywana przez inne gatunki
bakterii, nawet te niespokrewnione
ze sobą i niewytwarzające inhibitujących
substancji, a wręcz na nie wrażliwe.
SŁOWA KLUCZOWE
drobnoustroje, antybiotyki, oporność,
e względu na sposób działania antybiotyki można podzielić na bakteriobójcze i bakteriostatyczne. Działanie
bakteriobójcze polega na spowodowaniu
śmierci komórek mikroorganizmów. Do leków o działaniu bakteriobójczym należą:
-laktamy, aminoglikozydy, chinoliny,
kotrimoksazol, glikopeptydy.
Działanie bakteriostatyczne leku powoduje zjawisko bakteriostazy – czyli
zahamowania wzrostu i rozmnażania mikroorganizmów, przy czym po przeniesieniu ich do środowiska pozbawionego
antybiotyku lub po ustaniu jego działania
ich procesy życiowe wracają do normy.
Do leków o działaniu bakteriostatycznym należą makrolidy, linkozamidy, tetracykliny, chloramfenikol, trimetoprim,
sulfonamidy [5, 6].
Z
patogeny wielolekooporne
SUMMARY
The development
of antibiotics and chemotherapy seemed
to have put an end to many of the
infections caused by the microorganisms.
This however turned out to be not true,
as the number of antibiotic resistant
strains worldwide has rapidly grown.
The reason for this phenomenon
is the ability of developing self-defense
mechanisms by the microorganisms.
There exist highly specialized mechanisms
of genetic information exchange thanks
to which the resistance can be acquired
by other bacteria species, even those
not closely related and originally not
producing the inhibiting substances.
KEY WORDS
microorganisms,
antibiotics, resistance, multidrug resistant pathogens
dr hab. n. med. Bogdan Mazur,
mgr Teresa Nalewajek
KATEDRA I ZAKŁAD MIKROBIOLOGII I IMMUNOLOGII,
ŚLĄSKI UNIWERSYTET MEDYCZNY W ZABRZU
44
MECHANIZM DZIAŁANIA
ANTYBIOTYKÓW
Mechanizm działania większości leków
przeciwbakteryjnych nie jest całkowicie
wyjaśniony. Jednak wygodny jest podział
mechanizmów działania antybiotyków
na 4 grupy:
• blokowanie syntezy ściany komórkowej;
do leków należą: -laktamy, glikopeptydy, fosfomycyna, bacytracyna,
• zmiana przepuszczalności błony komórkowej lub hamowanie transportu
czynnego przez błonę komórkową; leki
to polimyksyny oraz leki przeciwgrzybicze,
• blokowanie syntezy białek (np. hamowanie translacji i transkrypcji materiału
genetycznego): leki to chloramfenikol,
aminoglikozydy, tetracykliny, makrolity
oraz kwas fusydowy,
• blokowanie syntezy kwasów nukleinowych: do leków należą kotrimoksazol,
chinoliny, nitrofurany, metronidazol,
rifampicyna, leki przeciwwirusowe.
Miarą aktywności bakteriobójczej antybiotyku jest najmniejsze stężenie bakteriobójcze (MBC – minimal bacteriocidal
activity) – jest to najmniejsza ilość anty-
biotyku potrzebna do zabicia komórki
bakterii. Z kolei miarą aktywności bakteriostatycznej antybiotyku, czyli zdolności do zahamowania wzrostu bakterii,
jest najmniejsze stężenie hamujące (MIC
– minimal inhibitory concentration) – jest
to najmniejsza ilość antybiotyku potrzebna
do zahamowania wzrostu (i wstrzymania
procesów życiowych) bakterii.
Za bakteriobójcze uważa się te preparaty, dla których stosunek wartości MBC
do MIC jest mniejszy lub równy 4. Antybiotyki o wysokiej aktywności bakteriobójczej charakteryzują się wartością MBC
zbliżoną do wartości MIC [7, 8].
OPORNOŚĆ BAKTERII
NA ANTYBIOTYKI
Zdolność przystosowania się bakterii
do środowiska zawierającego czynniki
toksyczne jest dobrze znana od początków istnienia bakteriologii. Pierwsza praca
na ten temat ukazała się w pierwszym tomie Annales d’Institut Pasteur opublikowanym w 1887 r. pod patronatem Ludwika
Pasteura [9].
Już w kilka lat po wprowadzeniu
do użytku (1943 r.) penicyliny doszło
do wyselekcjonowania szczepów gronkowca złocistego Staphylococcus aureus opornych
na ten antybiotyk [10]. Oporność na antybiotyki powstała wśród mikroorganizmów
jako mechanizm obronny. Istnieją przypuszczenia, że początkowo pojawiła się
u drobnoustrojów produkujących dany
antybiotyk jako ochrona przed zniszczeniem własnej komórki [11]. Obecnie
wiadomo, że oporność nie jest jedynie
ochroną przed autodestrukcją. Dzięki wyspecjalizowanym mechanizmom wymiany
elementów genetycznych może być ona
nabywana przez inne gatunki bakterii,
nawet te niespokrewnione ze sobą i niewytwarzające inhibitujących substancji,
a wręcz na nie wrażliwych. Istnieje wiele
mechanizmów umożliwiających komórce
bakteryjnej nabycie oporności na dany
czynnik bądź ich grupę [12].
D I AG N O S T Y K A L A B O R ATO R YJ N A
Wyróżnia się naturalną i nabytą oporność na antybiotyki. Oporność naturalna
polega na braku zdolności penetracji antybiotyku do wnętrza komórki. Naturalnie
oporne na wiele antybiotyków są między
innymi szczepy pałeczek Pseudomonas aeruginosa, ziarenkowce z rodzaju Enterococcus
oraz gronkowce skórne.
Nabyta oporność rozwija się albo w wyniku mutacji, albo wskutek nabycia genów
oporności od innych bakterii. Nabyta oporność występuje wśród: Staphylococcus aureus,
Streptococcus pneumoniae, Haemophilus influenzae, Mycobacterium sp., pałeczek Gram (-)
z rodziny Enterobacteriaceae [13].
Cechą współczesnych patogenów
bakteryjnych jest ich wielolekooporność
MDR (ang. multi drug resistant), czyli
oporność na kilka lub wszystkie grupy
terapeutyczne leków poprzez tworzenie
złożonych biofilmów i mechanizmów
oporności [14, 15].
MECHANIZMY OPORNOŚCI
Istnieje wiele mechanizmów ujawniania
oporności drobnoustrojów na leki:
• bakterie wytwarzają enzymy, które niszczą czynny lek. Przykładem mogą być
gronkowce oporne na penicylinę G, które wytwarzają -laktamazy. -laktamazy
hydrolizują pierścień -laktamowy penicyliny G i wielu półsyntetycznych penicylin. Bakterie Gram-dodatnie uwalniają
z komórki -laktamazę, co w konsekwencji prowadzi do spadku stężenia
aktywnej postaci leku;
• bakterie Gram-ujemne oporne na antybiotyki aminoglikozydowe wytwarzają
enzymy adenylujące, fosforyzujące lub
acetylujące, które niszczą ww. leki;
• bakterie zmieniają przepuszczalność
ściany komórkowej dla leku. Przykładem są tetracykliny, które gromadzą
się we wrażliwych bakteriach, ale nie
gromadzą się w bakteriach opornych.
Gronkowce mają naturalną barierę przepuszczalności aminoglikozydów. Można
ją przełamać przez skojarzone podanie
aminoglikozydów z lekami działającymi
na ścianę komórkową, np. penicyliną;
• bakterie wytwarzają zmienione miejsce
docelowe działania leku, np. chromosomalna oporność na aminoglikozydy jest
związana z utratą lub zmianą swoistego
białka w podjednostce 30S rybosomu
bakteryjnego, które służy jako miejsce
|LABORATORIUM
3-4/2012
wiążące u wrażliwych organizmów. Organizmy oporne na erytromycynę mają
zmieniony receptor na podjednostce
50S rybosomu w wyniku metylacji
podjednostki 23S rybosomalnego RNA.
Oporność na niektóre penicyliny może
być wynikiem utraty lub zmiany białek
wiążących penicyliny (PBP);
• bakterie wytwarzają zmieniony szlak
metaboliczny, który omija reakcję hamowaną przez lek. Zmutowany enzym
może ominąć blokadę syntezy spowodowanej przez antybiotyk, np. wankomycynooporne szczepy Enterococcus wytwarzają syntezę D-alanino-D-mleczanu,
prowadząc do syntezy prekursorowego
pentapeptydu o znacznie mniejszym
powinowactwie do wankomycyny;
• bakterie wytwarzają zmienione enzymy,
które dalej mogą spełniać swoje funkcje
metaboliczne, lecz są mniej podatne
na działanie leku niż enzym w komórce wrażliwej. Pochodzenie oporności
na leki może być genetyczne lub niegenetyczne. Większość bakterii opornych na leki powstaje w wyniku zmian
genetycznych, a następnie w wyniku
procesu selekcji pod wpływem leków.
45
LABORATORIUM 3-4/2012
|DIAGNOST YKA
Genetyczna oporność na leki ma charakter chromosomalny oraz zewnątrzchromosomalny. Oporność chromosomalna
jest wynikiem samoistnej mutacji w miejscu, które kontroluje wrażliwość na dany
lek przeciwbakteryjny. Obecność leku
stanowi mechanizm selekcji, który tłumi
organizmy wrażliwe, a faworyzuje wzrost
mutantów opornych. Mutacje samoistne
zachodzą z częstością 10-7-10-12 i dlatego
rzadko są przyczyną powstawania klinicznej
oporności na leki u danego chorego.
O oporności zewnątrzchromosomalnej
mówimy wtedy, kiedy bakterie zawierają
plazmidy – zewnątrzchromosomalne elementy genetyczne. Czynniki R są klasą
plazmidów, które niosą oporność na jeden,
a często wiele leków przeciwbakteryjnych.
Geny plazmidu oporności na leki często
kontrolują wytwarzanie enzymów zdolnych
do niszczenia leków przeciwbakteryjnych.
W ten sposób plazmidy determinują
oporność na penicyliny i cefalosporyny,
gdyż zawierają geny kodujące wytwarzanie
-laktamaz. Przekazywanie genów między
przedstawicielami różnych gatunków,
a nawet różnych rodzajów nazywane jest
przekazywaniem w szerokim zakresie gospodarza. Przekazywanie w obrębie tego
samego gatunku nazywamy przekazywaniem w wąskim zakresie gospodarza. Jednak oba typy przekazywania zachodzą według tego samego mechanizmu nazwanego
horyzontalnym przekazywaniem genów,
do którego zaliczamy:
• transdukcję – gdzie plazmid DNA
jest zamknięty w wirusie bakteryjnym
i może być przekazywany przez wirus
innej komórce tego samego gatunku,
• transformację – w której nagi DNA
przechodzi z jednej komórki danego gatunku do innej, zmieniając genotyp,
• koniugację – podczas tego procesu następuje jednokierunkowe przeniesienie mate-
L A B O R ATO R YJ N A
riału genetycznego między bakteriami
tego rodzaju lub odmiennego. Proces
ten odbywa się za pośrednictwem czynnika płciowego (F). Plazmid lub DNA
jest przenoszony przez cewki białkowe
z komórki dawcy do komórki biorcy.
Seria ściśle związanych genów, z których
każdy determinuje oporność na jeden
lek, może być w ten sposób przeniesiona z bakterii opornej na wrażliwą.
Jest to najpowszechniejszy sposób rozprzestrzeniania się oporności na wiele
leków wśród różnych rodzajów bakterii
Gram-ujemnych. Przeniesienie plazmidów oporności może również zachodzić u bakterii Gram-dodatnich,
• transpozycję – czyli przeniesienie krótkich sekwencji DNA, które zachodzi
między dwoma plazmidami lub między
plazmidem a fragmentem chromosomu
bakteryjnego wewnątrz komórki bakteryjnej.
Drobnoustroje mogą zyskiwać oporność na leki, które cechują się tym samym
mechanizmem działania. Taka zależność
występuje głównie między związkami o bardzo zbliżonej budowie. Może też zaistnieć
między niespokrewnionymi związkami,
np. erytromycyna-linkomycyna. Taki typ
oporności określa się mianem oporności
krzyżowej. U pewnych klas leków czynne jądro związku jest bardzo podobne
(np. tetracykliny, cefalosporyny) i należy
oczekiwać znacznej oporności krzyżowej
na te leki.
Istnieje również pojęcie niegenetycznej
oporności na leki. Do działania większości leków przeciwbakteryjnych konieczna
jest czynna replikacja bakterii. Te drobnoustroje, które nie namnażają się, czyli
są metabolicznie nieczynne, są oporne
na leki przeciwbakteryjne. Jeśli jednak ponownie zaczną się namnażać,
stają się w pełni
wrażliwe – jest
to oporność związana z cyklem życiowym
drobnoustroju, niekodowana genetycznie.
Innym przykładem może być utrata pewnych swoistych struktur docelowych dla
leku, np. podczas stosowania penicyliny
drobnoustroje wrażliwe mogą utracić ścianę komórkową i przez wiele pokoleń utrzymywać się w formie niewrażliwej na leki
hamujące syntezę ściany komórkowej (penicyliny, cefalosporyny). Jeśli jednak zaczną
syntetyzować ścianę komórkową, stają się
znów wrażliwe na penicylinę [2, 5, 16].
PAŁECZKI Z RODZINY
ENTEROBACTERIACEAE
Najistotniejszym klinicznie i epidemiologicznie mechanizmem oporności pałeczek z rodziny Enterobacteriaceae jest
wytwarzanie -laktamaz o rozszerzonym
spektrum substratowym ESBL (extended
spectrum -lactamases). Enzymy te hydrolizują penicyliny, cefalosporyny (z wyjątkiem
cefamycyn) i monobactemy (aztreonam).
Dużą aktywność wykazują względem cefalosporyn III i IV generacji. Pomimo
faktu wrażliwości in vitro na leki należące
do substratów ESBL, zwłaszcza na niektóre cefalosporyny, przyjęto zalecenie,
aby szczepy wytwarzające ESBL traktować jako szczepy oporne na wszystkie
penicyliny (bez połączeń z inhibitorami),
cefalosporyny (z wyjątkiem cefamycyn)
i aztreonam [17].
Do niedawna szczepy ESBL+ były typowymi patogenami szpitalnymi. Ostatnio
jednak identyfikuje się te szczepy rutynowo
jako czynnik etiologiczny zakażeń pozaszpitalnych (zwłaszcza dróg moczowych).
Stwierdza się je również u ludzi zdrowych,
zwierząt domowych, hodowlanych, a nawet w produktach żywnościowych pochodzenia zwierzęcego [18, 19]. Drugim
ważnym mechanizmem oporności pałeczek
z rodziny Enterobacteriaceae na antybiotyki
-laktamowe jest wytwarzanie cefalosporynaz AmpC. Hydrolizują one penicyliny,
cefalosporyny (z wyjątkiem leków IV generacji) i aztreonam. Enzymy typu AmpC
są pierwotnie kodowane na chromosomach
i wtórnie na plazmidach. Pierwotnie kodowana synteza AmpC występuje u E. coli
i Shigella spp. lub indukcyjnie u Enterobacter
spp., Citrobacter spp., Serratia spp., Proteus spp.,
Pseudomonas spp. [13, 20, 21].
fot. Thinkstock
PAŁECZKI GRAM-UJEMNE
NIEFERMENTUJĄCE
46
Pałeczki Gram-ujemne niefermentujące
posiadają więcej naturalnych mechani-
D I AG N O S T Y K A L A B O R ATO R YJ N A
zmów oporności na leki niż rodzina
Enterobacteriaceae. Pojawiają się również
u nich mechanizmy nabyte. Pseudomonas
aeruginosa oraz Acinetobacter spp. posiadają
gatunkowo specyficzne cefalosporynazy
AmpC. Pseudomonas aeruginosa dysponuje
większą aktywnością oraz liczbą enzymów
o charakterze pomp błonowych, dlatego
komórki tego drobnoustroju są dużo mniej
wrażliwe na różne leki przeciwbakteryjne.
Poziom tej oporności może się podnosić wskutek nabywania nowych mutacji,
wynikających z mechanizmów oporności
nabytej. Pałeczka ropy błękitnej wytwarza:
-laktamazy typu ESBL, -laktamazy indukowane (IBL) oraz metalo- -laktamazy
klasy B (MBL).
Metalo--laktamazy klasy B (MBL)
nazwano tak, ponieważ wykorzystują
jony Zn2+. Hydrolizują one penicyliny,
cefalosporyny i karbapenemy. Enzymy
te hamowane są przez kwas merkaptopropionowy i EDTA.
Szczepy MBL+ interpretuje się jako niewrażliwe na karbapenemy i inne -laktamy,
z wyjątkiem aztreonamu. Oporność
na -laktamy wynika nie tylko z wytwarzania enzymów typu cefalosporynaza
i karbapenemaz, ale w istotnym stopniu
ze zmniejszenia przepuszczalności osłony zewnętrznej. Wskutek utraty białka
porynowego OprD, które stanowi kanał
dla wejścia karbapenemów do komórki,
dochodzi do oporności na tę grupę antybiotyków [17, 22]. Oporność na karbapenemy wśród bakterii Gram-ujemnych
stała się obecnie niesłychanie groźna.
Enzym KPC, czyli enzym warunkujący
oporność bakterii na karbapenemy, odkryto w szczepie bakterii wyizolowanym
w 1996 roku w szpitalu w Karolinie Północnej. Obecnie bakterie KPC stają się
coraz bardziej powszechne, wywołując
infekcje, które nastręczają wiele problemów klinicystom.
W Szwecji w 2008 roku w moczu hospitalizowanego pacjenta wykryto bakterię
Klebsiella pneumoniae posiadającą nieznany
dotąd gen. Nowo wykryty gen kodował
enzym, który nazwano NDM-1 – New
Delhi metallo-betalactamase. Nazwa New
Delhi wskazuje na miejsce zakażenia się
pacjenta wyjątkowo opornym szczepem.
„Lancet Infectious Diseases” w sierpniu
2010 r. opublikował wyniki odkrycia –
180 przypadków zakażeń wywołanych
szczepami zawierającymi NDM-1.
Najbardziej niepokojący jest jednak
fakt, że kodujący gen blaNDM-1 wykryto
nie tylko w szczepach Klebsiella pneumonice, ale również u bakterii Escherichia coli,
która współtworzy naturalną mikroflorę
jelit wszystkich zwierząt stałocieplnych
i występuje powszechnie w naszym otoczeniu. Infekcje powodowane przez szczepy
KPC i NDM-1 zwalczane są w zasadzie
tylko dwoma antybiotykami: tygecykliną
i kolistyną. Poszukiwanie leków o innowacyjnych mechanizmach działania nastręcza firmom farmaceutycznym wielu
problemów.
Można stwierdzić, że trwa swoisty wyścig nauki z dynamicznie zmieniającymi
się mechanizmami obronnymi bakterii.
Niepokojące stają się sugestie badaczy mówiące o pojawieniu się szczepów bakterii
Gram-ujemnych opornych na wszystkie
antybiotyki na długo przed wprowadzeniem nowych leków. Szefowie Resortów
Zdrowia, zgodnie z deklaracją Światowej
Organizacji Zdrowia z listopada ubiegłego roku, określają rozprzestrzenianie się
oporności na karbapenemy, warunkowanej
obecnością enzymów KPC i NDM-1, jako
„zagrożenie zdrowia publicznego o międzynarodowym znaczeniu” [23, 24].
BAKTERIE GRAM-DODATNIE
Gronkowce i paciorkowce wykazują oporność na makrolidy, linkozaminy, streptograminy (MLS). Nabywanie tej oporności
polega na: aktywnym usuwaniu antybiotyku z komórki (efflux), inaktywacji enzymatycznej oraz zmianie miejsca wiązania na rybosomach na skutek metylacji
lub mutacji.
U gronkowców wyróżnia się dwa
mechanizmy oporności na antybiotyki
-laktamowe. Jest to produkcja -laktamaz
oraz produkcja nowego białka PBP2a o niskim powinowactwie do antybiotyków
-laktamowych, a określona mianem oporności na metycylinę. Szczepy gronkowców
produkujące -laktamazę są oporne na penicylinę, ampicylinę, amoksycyklinę oraz
ureidopenicyliny i tikarcylinę. Szczepy
wrażliwe na metycylinę oznaczane są skrótem MSSA (metycylinowrażliwe S. aureus),
MSCNS (metycylinowrażliwe gronkowce
koagulazo-ujemne). Gronkowce oporne
na metycylinę określane są skrótami
MRSA w przypadku metycylinoopornych szczepów Staphylococcus aureus oraz
MRCNS w przypadku metycylinoopornych szczepów gronkowców koagulazoujemnych, a także MRSE w przypadku
metycylinoopornych szczepów Staphylococcus epidermidis [25, 26].
|LABORATORIUM
3-4/2012
OGRANICZENIE NABYWANIA
OPORNOŚCI NA LEKI
Na całym świecie narasta problem oporność bakterii na antybiotyki, co jest spowodowane zwiększaniem odsetka opornych
szczepów. Do podstawowych przyczyn tego
problemu należy zbyt duże zużycie antybiotyków oraz nieprawidłowa struktura zużycia
leków przeciwdrobnoustrojowych.
Pojawianiu się i narastaniu zjawiska lekooporności drobnoustrojów można do pewnego stopnia zapobiegać przez np.:
• stosowanie antybiotyków w dawkach
umożliwiających utrzymanie się ich
stężenia w ognisku zakażenia powyżej
spodziewanej wartości MIC dla danego
leku, aby zahamować wzrost populacji
oryginalnej, jak również uniemożliwić
selekcję mutantów opornych pierwszego stopnia;
• jednoczesne podawanie dwóch leków
o różnym punkcie uchwytu, między
którymi nie istnieje oporność krzyżowa;
• unikanie ekspozycji drobnoustrojów
na szczególnie cenny lek przez ograniczenie jego stosowania, zwłaszcza
w szpitalach i w paszy zwierzęcej [2].
Stosowanie skutecznych leków przeciwbakteryjnych bezpośrednio nie powoduje
oporności, a eliminuje z populacji bakteryjnych bakterie wrażliwe. Daje to zwiększoną
szansę na przewagę, a nawet wyłączność
przeżycia bakteriom, które nabyły cechy
oporności według podanych mechanizmów,
a które przed zastosowaniem chemioterapeutyku mogły znajdować się w danej populacji, nawet w minimalnej liczbie [1].
Polska należy do krajów o szczególnie
dużym zużyciu antybiotyków, które powszechnie przepisuje się w leczeniu zakażeń
wirusowych. Problem jest tak poważny,
że WHO i kraje UE z Polską włącznie
podpisały zobowiązanie do wprowadzenia
programu ochrony przed nadmiarem stosowanych antybiotyków oraz ich racjonalnego stosowania. Program ten monitoruje
minister zdrowia. Polega on na starannym
sprawdzaniu sytuacji epidemiologicznej
w celu wdrażania celowanych działań,
ograniczających stosowanie nagminnej
terapii antybiotykowej. Ogromną rolę
spełnia tu kontrola zakażeń szpitalnych
z dokładnym monitoringiem pacjentów,
którzy są nosicielami wieloopornych szczepów [27].

Piśmiennictwo dostępne na
www.laboratorium.elamed.pl
47
Download