Наука

Устойчивость бактерий к антибиотикам: у истоков явления

Быстрое распространение среди бактерий генов устойчивости к антибиотикам требует кардинального пересмотра стратегии разработки новых антибактериальных средств. В частности, следует обратить внимание на один из важнейших источников антибиотикорезистентности — огромное разнообразие непатогенных бактерий, обитающих в окружающей среде. В их арсенале — множество всевозможных способов защиты своих жизненно важных систем, в том числе тех, которые служат мишенями для антибиотиков. И в ответ на каждый новый антибактериальный препарат они с высокой вероятностью предложат свои рецепты устойчивости

Скрытые резервы

Большинство применяемых в медицине антибиотиков имеют природное происхождение или являются производными природ­ных молекул. Многие получены из почвенных бактерий, в частности актиномицетов. На протяжении всей своей истории микроорганизмы использовали антибиотики для борьбы с конкурентами. Последним удавалось выживать благодаря формированию механизмов устойчивости к антибиотикам. То есть и антибиотики, и устойчивость к ним существовали и в допенициллиновую эру.

Анализ древней ДНК, выделенной из вечной мерзлоты (возраст отложений — 30 тыс. лет) показал наличие в ней генов устойчивости к антибиотикам нескольких классов. А прямой скрининг бактерий, выделенных в пещере, где не ступала нога человека, выявил у них устойчивость к 14 современным антибиотикам. Было обнаружено, что многие клинически значимые гены резистентности «пришли» из природных источников, не связанных с человеком. Еще в 1973 г. одинаковые факторы устойчивости к канамицину были обнаружены и в почвенных стрептомицетах, и в клинически значимой патогенной кишечной палочке.

Позднее при сравнении ДНК почвенных и патогенных бактерий было обнаружено, что и те, и другие содержат гены резистентности с совпадением нуклеотидной последователь­ности >99%. Бактерии, продуцирующие антибиотики, часто со­держат факторы устойчивости к ним (чтобы защитить себя), которые теоретически могут быть переданы бактериям других видов, в том числе патогенным.

Читайте также: Развитие устойчивости бактерий к антибиотикам сняли на видео

Несмотря на то что явление антибиотикорезистентности суще­ствует с древнейших времен, применение антибиотиков человеком резко ускорило его распространение среди бактерий. Метагеномный анализ почвенных проб различных периодов показал корре­ляцию между числом генов резистентности и все более активным применением антибиотиков в медицине и сельском хозяйстве.

Катастрофа резистентности

Гены резистентности часто возникают в результате точечных мутаций в хромосоме бактерии, однако они могут передаваться только дочерним клеткам. Наибольшей проблемой является рас­пространение генов резистентности, которые находятся в плазмидах (внехромосомных кольцевых фрагментах ДНК, способных к автономной репликации) и, благодаря этому, способны к горизонтальному переносу — передаче не потомкам, а находящимся рядом бактериям, иногда даже других видов.

Это может происходить, например, при одновременном инфицировании больного несколькими патогенами. Так, горизонтальный перенос генов был зафиксирован в 2002 г. в США у пациента, инфицированного одновременно метициллинрезистентным штаммом Staphylococcus aureus (MRSA) и Enterococcus faecalis. Генетический анализ упомянутых штаммов показал, что плазмида, содержащая «кассету» генов устойчивости к ванкомицину и трем другим антибиотикам, перешла от Е. faecalis к MRSA, в результате чего появился новый ванкомицинрезистентный штамм MRSA (VRSA).

«Резистом» — так стали называть совокупности генов антибиотикорезистентности у микроорганизмов в конкретной среде по аналогии с «геномом», «протомом», «метаболомом» и т.д.

Горизонтальному переносу генов резистентности мы обяза­ны быстрому распространению в мире устойчивости к цефалоспоринам и карбапенемам, хинолонам, а также к резервному антибиотику колистину. Ген blaNDM-1, ответственный за синтез металло-β-лактамазы из Нью-Дели, разрушающей практически все β-лактамные антибиотики, включая карбапенемы, впервые был выделен в Индии в 2009 г. Ген быстро распространился по Азии и Балканам, в настоящее время его обнаруживают в госпитальных штаммах бактерий во всем мире. Все обитаемые континенты «поко­рил» еще один ген устойчивости к карбапенемам — kpc, впервые выделенный из Klebsiella pneumoniae в 2001 г.

Читайте также: Устойчивость к антибиотикам последнего резерва распространяют мухи и другие животные

Для хинолонов риск распространения резистентности в течение длительного времени оценивали как низкий, пока в 1998 г. не была зафиксирована плазмид-опосредованная резистентность к ним: плазмидный ген qnr кодирует белок, защищающий ДНК-гиразу бак­терий от воздействия хинолонов. На сегодня ген qnr зафиксирован в Европе, Северной и Южной Америке, Северной Африке, на Ближнем Востоке, в Юго-Восточной Азии. Возможным источником qnr считают водную бактерию Shewanella algae, в которой он, возможно, выпол­нял какую-то другую функцию. Происхождение плазмидного гена устойчивости к хинолонам из непатогенной для человека бактерии является еще одним подтверждением гипотезы о том, что патоген­ные бактерии черпают гены в окружающей среде.

В последние годы в зону риска попал резервный антибиотик колистин: плазмидный ген mcr-1, обеспечивающий устойчивость к нему Escherichia coli, впервые был обнаружен в Китае в 2016 г., спустя год — в США, а в настоящее время выявлен в 30 странах на пяти континентах.

Механизмы антибиотикорезистентности

Чтобы воздействовать на микроорганизм, антибиотик должен:

• проникнуть в клетку;
• вступить во взаимодействие с молекулой-мишенью;
• сохранить активную структуру.

Если бактерии удается нарушить какое-либо из этих условий, то антибиотик не оказывает антибактериального действия. Соответственно, для противостояния антибиотикам бактерии используют следующие стратегии:

• инактивация антибиотика путем разрушения или модификации бактериальными ферментами (такими как различные β-лактамазы, хлорамфеникол-ацетилтрансфераза, тетрациклининактивирующие ферменты TetX39 и др.);
• изменение или сверхэкспрессия молекулы-мишени антибиотика (например, ванкомицинрезистентные энтерококки синтезируют фермент, который модифицирует пептидогликан, что снижает сродство ванкомицина к его мишени; устойчивая к колистину кишечная палочка, несущая ген mcr-1, синтезирует фермент, который переносит фосфоэтаноламин на липид А на клеточной мембране грамотрицательных бактерий, что снижает сродство к липиду А колистина и других полимиксинов);
• поддержание низкой концентрации антибиотика в бактерии путем активного его выведения (эффлюкса) из бактериальной клетки. С этой целью бактерия экспрессирует трансмембранные белки — универсальный эффлюксный насос или антибиотик-специфичный экспортер (например, среди бактерий различных семейств широко распространены тетрациклиновые энергозависимые помпы, экспрессирующиеся в присутствии антибиотика);
• ограничение доступа антибиотика в бактериальную клетку путем уменьшения проницаемости бактериальной мембраны или клеточной стенки. С этой целью бактерия снижает экспрессию белков-поринов или повышает экспрессию высокоселективных поринов, не пропускающих антибиотик из среды внутрь бактериальной клетки (ограничением доступа антибиотика через внешнюю мембрану объясняется устойчивость грамотрицательных бактерий ко многим антибиотикам).

Бактерия может одновременно использовать несколько из указанных механизмов, достигая высокого уровня устойчивости к антибиотикам. Примером может служить устойчивость к карбапенемам у госпитальных штаммов Enterobacter cloacae, лишенных каких бы то ни было известных карбапенемаз: она достигается комбинацией мутаций в белках-поринах, уменьшающих поступление антибиотика в клетку, и повышением экспрессии хромосомных не-карбапенемазных β-лактамаз.

В фокусе — резистом

Быстрое распространение mcr1, kpc, blaNDM1, qnr и других плазмидных генов резистентности указывает на два момента. Во-первых, в войне с патогенными бактериями человечество сдает позиции. Новые антибиотики появляются все реже, а резистентность к ним развивается все быстрее. Так, резистентность к антибиотику тигециклину была зафиксирована еще до его регистрации. Во-вторых, новые антибиотики тестируют на отсутствие резистент­ности только среди бактерий, патогенных для человека. Исследо­ватели не принимают во внимание возможность переноса генов резистентности от бактерий окружающей среды, непосредственно не связанных с человеком.

Мишени большинства антибиотиков высококонсервативны и характерны для многих типов бактерий, а это означает, что представители любого из них могут развить меха­низмы защиты своих жизненно важных функций и рано или поздно передать их другим бактериям.

Читайте также: Смогут ли антимикробные пептиды заменить антибиотики?

Катастрофическая ситуация с распространением антибиотикорезистентности требует новых подходов к разработке антибиотиков и мониторингу резистентности бактерий. Быть на шаг впереди бактерий в «гонке антибиотиков» поможет всестороннее изучение резистома.

Современные методы функциональной метагеномики (изучение генетического материала, полученного из образцов окружающей среды), сиквенирования и биоинформатики постоянно рас­ширяют понимание механизмов возникновения и распространения генов резистентности к антибиотикам, их генетического контекста. Эти методы необходимо использовать для постоянного мониторинга эволюции и распространения факторов резистентности до их попадания в патогенные бактерии.

Полученные с помощью этих методов данные помогут оценивать риск развития устойчивости к новым антибиотикам, подбирать эффективные комбинации нескольких антибиотиков, а также своевременно разрабатывать методы преодоления антибиотикорезистентности бактерий.

Читайте также: 10 перспективных альтернатив антибиотикам

Татьяна Ткаченко, канд. биол. наук

По материалам статьи: Crofts TS, Gasparrini AJ, and Dantas G. Next-generation approaches to understand and combat the antibiotic resistome // Nat Rev Microbiol., 2017, 15(7): 422-434. doi: 10.1038/nrmicro.2017.28

“Фармацевт Практик” #10′ 2018