Резистентность микробов к антибиотикам: взгляд на проблему на рубеже тысячелетий
Изложение доклада профессора С.В. Сидоренко (Россия) на конференции “Клиническая антибиотикотерапия” (г. Киев, 5 октября 2000 г.)
Отношение международного сообщества к проблеме резистентности микроорганизмов к антибиотикам в 90-ые гг. претерпело существенные изменения. Об актуальности этой проблемы свидетельствует тот факт, что только за последние 2-3 года крупнейшие международные и национальные организации приняли несколько основополагающих программных документов, В их числе – план глобальной борьбы с антибиотикорезистентностью, подготовленный Всемирной организацией здравоохранения (ВОЗ), совместные рекомендации ВОЗ и Европейского Совета (Копенгаген, 1998), 7-й отчет Комитета Палаты лордов по науке и технологиям (Великобритания, 1998), план действий по борьбе с антимикробной резистентностью (совместный доклад Центров по контролю над заболеваниями, Комиссии по контролю качества продуктов питания и лекарственных средств, Министерства энергетики, Министерства обороны и т.д., США, 2000) и др.
Основная угроза, нависшая над человечеством – это возвращение в доантибиотическую эру. Эта опасность непосредственно связана с резким снижением клинической эффективности антибиотиков.
Главная причина распространения устойчивости среди микроорганизмов – это селективный прессинг антибиотиков, применяющихся в медицине и сельском хозяйстве.
Основные направления деятельности по предотвращению распространения устойчивости, сформулированные ВОЗ, предусматривают:
Борьба с резистентностью, по мнению экспертов ВОЗ, должна стать национальным приоритетом. Обязательными компонентами этой борьбы являются мониторинг за распространением резистентности и разработка новых антибактериальных препаратов.
В США основными направлениями деятельности по предотвращению распространения устойчивости являются:
Следует отдавать себе отчет о разных уровнях понимания проблемы устойчивости. Так, все люди считают себя специалистами в педагогике, сельском хозяйстве и … резистентности. На бытовом уровне это приводит к умозаключениям типа: “В больницах плодятся мутанты”. Общемедицинский уровень понимания проблемы означает осознание того факта, что устойчивость микробов приводит к клиническим неудачам. Более того, между данными, полученными in vivo и in vitro, нет полной корреляции. Для борьбы с устойчивостью необходимо часто менять антибиотики и применять их комбинации. Самый же высокий уровень понимания проблемы антибиотикорезистентности – это профессиональный.
До настоящего времени четко не установлена биологическая роль антибиотиков и факторов устойчивости. В частности, не исключается, что и те, и другие могут играть роль регуляторов метаболизма бактерий. В том или ином виде они могут выступать как факторы регуляции экосистем почвенных бактерий. Например, они могут быть:
Любопытную идею об эволюционной роли антибиотиков высказал в 1998 г. R.S. Gupta. По его мнению, формирование внешней мембраны грамотрицательных микроорганизмов явилось в свое время одним из первых факторов устойчивости к антибиотикам. Грамположительные бактерии в историческом плане являются более древними, чем грамотрицательные. Когда некоторые из грамположительных бактерий приобрели способность вырабатывать антибиотики, условием выживания для других микроорганизмов стало приобретение специфических механизмов защиты. Таким ответом стало утолщение внешней мембраны микроорганизмов, что привело к снижению доступности мишеней, расположенных внутри бактерий, для антибиотиков. Так появились грамотрицательные микроорганизмы.
Если рассматривать антибиотики как фактор антропогенного воздействия на микроорганизмы, можно выделить следующие особенности. Прежде всего, произошло разобщение продуцента антибиотика и чувствительного микроорганизма, а резистентность к антибиотикам становится фактором сохранения вида. Концентрации антибиотиков, которые используются в медицине, существенно превосходят достижимые в естественных условиях. Под влиянием антибиотиков произошло ускорение эволюции механизмов устойчивости.
Говоря об антибиотикорезистентности возбудителей инфекций в “до-антибиотическую” эру, следует подчеркнуть, что в коллекции микроорганизмов с 1914 по 1950 гг. устойчивости к антибиотикам выявлено не было (Hughes V.M., Datta N., 1983). Первое сообщение о неэффективности антибактериальных средств опубликовано в 1937 г., когда T.F. Crean описал неэффективность сульфаниламидов при лечении гонореи. Спустя 5 лет C.H. Rammelcamp и T. Maxon опубликовали данные о снижении чувствительности Staphylococcus aureus к пенициллину на фоне лечения.
Следует различать клиническую и микробиологическую устойчивость, каждая из которых, в свою очередь, может быть природной и приобретенной. Оба варианта клинической устойчивости приводят к неэффективности терапии. О природной микробиологической устойчивости говорят в тех случаях, когда у микроорганизма отсутствует мишень для действия антибиотика. Например, микоплазмы не имеют пенициллинсвязывающих белков (ПСБ), с которыми связываются бета-лактамные антибиотики. О приобретенной микробиологической устойчивости свидетельствует появление субпопуляции микроорганизмов с повышенными значениями минимальной подавляющей концентрации (МПК).
Весьма сложной является проблема критериев устойчивости. В лабораториях (in vitro) определяют МПК или величину зоны ингибиции (подавления) роста микробов. Критерии, призванные прогнозировать клиническую эффективность антибиотиков – эмпирические, во многом условные. В качестве примера можно привести гемофильную палочку (Haemophilus influenzae). Микробиологическая устойчивость этого микроорганизма к макролидам не описана, а критерии чувствительности к эритромицину (первому антибиотику-макролиду, внедренному в клиническую практику) – не разработаны.
Разработка критериев устойчивости “отстает” от выработки микроорганизмами новых механизмов устойчивости. Если раньше бактерии делились на чувствительные к данному антибиотику (в случаях, когда была показана клиническая эффективность) и резистентные к нему (продемонстрирована клиническая неэффективность), то сейчас на границе между ними размещаются умеренно устойчивые штаммы. Появление таких штаммов свидетельствует о возникновении новых механизмов устойчивости. Клиническая же эффективность в подобных случаях остается неясной.
Один и тот же микроорганизм может обладать разными механизмами устойчивости к различным антибиотикам. Например, резистентность синегнойной палочки к карбапенемам может быть связана с наличием транспортных систем, активно выводящих антибиотики из клетки. Устойчивость к аминогликозидам обусловлена их ферментативной модификацией путем инактивации и снижением (в результате мутации) проницаемости для антибиотиков внешней мембраны этих микроорганизмов. Резистентность к фторхинолонам объясняется модификацией мишеней действия антибиотиков – ДНК-гиразы и топоизомеразы IV и/или активным выведением антибиотиков из клетки. В целом, для Pseudomonas aeruginosa характерна ассоциированная устойчивость к цефалоспоринам, аминогликозидам, фторхинолонам, иногда карбапенемам.
Пептидогликановый каркас микробной клетки “сшивается” с помощью ферментов, получивших название пенициллинсвязывающих белков (ПСБ). С их помощью происходит замыкание поперечных сшивок между параллельными цепями пептидогликана. ПСБ располагаются в цитоплазматической мембране и именно они являются мишенями для реализации действия бета-лактамных антибиотиков.
Устойчивость к бета-лактамным антибиотикам связана, главным образом, с двумя механизмами: синтезом бактериальных бета-лактамаз и модификацией ПСБ. Бета-лактамазы представляют собой бактериальные ферменты, которые образуют комплекс с антибиотиком, в результате чего последний разрушается. Модифицированный же ПСБ обладает сниженной аффинностью (сродством) к бета-лактамным антибиотикам.
В 1998 г. I. Massova и S. Mobashery выдвинули гипотезу об общности происхождения бета-лактамаз и пенициллинсвязывающих белков. По их мнению, все известные бета-лактамазы и ПСБ произошли от одного ПСБ-предшественника.
Бета-лактамазы быстро распространяются среди микроорганизмов, попутно приобретая новые свойства. Вот лишь некоторые этапы этого пути:
На сегодняшний день наибольшую опасность представляет распространение бета-лактамаз расширенного действия (extended spectrum beta-lactamases, ESBL). Основными их продуцентами являются представители семейства Enterobacteriaceae – Klebsiella spp., E.coli, Proteus spp. ESBL обладают способностью гидролизовать цефалоспорины I-IV поколений. Гены, кодирующие выработку этих бета-лактамаз, локализуются на плазмидах. ESBL чувствительны к ингибиторам бета-лактамаз – клавулановой кислоте, сульбактаму, тазобактаму. Серьезной проблемой является сложность детекции (обнаружения) выработки ESBL рутинными микробиологическими методами. Другими словами, микроорганизмы, вырабатывающие ESBL, в лабораториях ошибочно трактуются как чувствительные к цефалоспоринам. Это побудило пересмотреть критерии чувствительности для цефалоспоринов III поколения. В частности, если МПК цефтриаксона или цефтазидима для данного микроорганизма равна или превышает 2 мкг/мл, этот штамм должен рассматриваться как подозрительный на выработку ESBL.
Результаты многоцентрового исследования сравнительной активности различных антибиотиков в отношении возбудителей тяжелых нозокомиальных инфекций (программа “Micromax”) в России (Сидоренко С.В. с соавт., 1999) свидетельствуют о высокой распространенности штаммов, вырабатывающих ESBL. Например, число штаммов E.coli, вырабатывающих ESBL, в отдельных лечебных учреждениях Москвы и Екатеринбурга превышала 40% (в среднем по России – 30%). Еще чаще выработка ESBL выявлялась у K.pneumoniae – до 90% и более в ряде центров Москвы и Екатеринбурга и 66% - в среднем по России.
Отмечается рост распространенности ESBL в России. В исследовании NRPS (Страчунский Л.С. с соавт., 1998), проводившемся в 1996-19997 гг., частота ESBL у E.coli с 6% в 1996 г. возросла до 14% в 1997 г. (диапазон величин – 0-60%). Аналогичные показатели для K.pneumoniae составили 33% в 1996 г., 40,8% в 1997 г., диапазон – 0-80%.
В качестве примера глобального распространения бета-лактамаз расширенного спектра действия можно привести распространение ESBL группы CTX-M у S.typhimurium. Первоначально они были выявлены в 1995-1996 гг. в Санкт-Петербурге. В 1996 г. о выявлении аналогичных штаммов сообщили в Польше и Греции, а еще 2 г. спустя – в Латвии.
Мишенями действия хинолонов являются ДНК-гираза и топоизомераза IV, опосредующие конформационные изменения в молекуле бактериальной ДНК, необходимые для ее нормальной репликации. ДНК-гираза состоит из двух gyrA и двух gyrB субъединиц, которые кодируются соответственно генами gyrA и gyrB. Топоизомераза IV, в свою очередь, состоит из субъединиц parC и parE (соответствующие гены parC и parE). Ген gyrA осуществляет контроль суперспирализации ДНК и снятие топологического напряжения, возникающего в процессе трансляции или репликации, parC отвечает за разделение дочерних хромосом, возникших в процессе репликации (декатенация). Оба фермента – ДНК-гираза и топоизомераза IV – аналогичны по структуре, но несколько различаются по функциям. Основой формирования резистентности к хинолонам являются мутации в генах gyrA и parC. Поскольку гены обоих ферментов локализованы на бактериальной хромосоме, то, следовательно, и детерминанты резистентности будут находиться там же. В результате генных мутаций активируются механизмы активного выведения хинолонов из бактериальных клеток.
Область, определяющая устойчивость к хинолонам, захватывает примерно 40 аминокислот в каждой субъединице. Принципиально важным является то, что мутации в одном или двух генах могут накапливаться, что сопровождается ступенчатым снижением сродства ферментов к хинолонам и повышением МПК. Единичные мутации приводят к развитию устойчивости только к “старым” хинолонам (налидиксовая кислота и др.) и сопровождаются незначительным с клинической точки зрения повышением МПК фторхинолонов (в 2-4 раза). Высокий уровень устойчивости к фторхинолонам (МПК > 64 мг/л) обычно связан с двумя и более мутациями в одном или обоих чувствительных ферментах.
Серьезной проблемой в последние годы стал рост устойчивости пневмококков к пенициллину. Так, по результатам исследований 1997-1998 гг. в Москве, выполненных в соответствии со стандартами Национального комитета по клиническим и лабораторным стандартам США (NCCLS), только 76% штаммов пневмококка были чувствительными к пенициллину, в то время как 22% оказались умеренно устойчивыми, а 2% - резистентными к пенициллину. Высокий уровень резистентности пневмококков установлен по отношению к тетрациклину (57% чувствительных штаммов) и ко-тримоксазолу (64% чувствительных штаммов). 88% штаммов пневмококков сохраняют чувствительность к эритромицину. Самая высокая чувствительность пневмококков установлена по отношению к цефтриаксону (97%) и офлоксацину (92%). Только один штамм пневмококков был резистентным к моксифлоксацину – новому фторхинолону с повышенной антипневмококковой активностью, который пока находится на стадии клинического изучения.
Еще одна сложная клиническая проблема – появление устойчивости к гликопептидам среди энтерококков. Механизм резистентности связывают с формированием нового метаболического пути синтеза модифицированного предшественника пептидогликана. Причины появления резистентности, по-видимому, различаются на разных континентах. Так, в США главная причина заключается в избыточном потреблении ванкомицина в отделениях реанимации и интенсивной терапии, в то время как в Европе появление резистентности связывают с применением другого гликопептидного антибиотика – авопарцина – в сельском хозяйстве. Достоверных данных о распространенности и механизмах возникновения устойчивости энтерококков к гликопептидам в России нет.
Актуальной проблемой медицины является и широкое распространение резистентности Streptococcus pyogenes к макролидам, особенно в странах Южной Европы. Основным механизмом устойчивости является модификация мишени – участка связывания 50S субъединицы рибосомы (метилирование). Возможны конститутивная и индуцибельная экспрессия метилазы. При конститутивной экспрессии фермента микроорганизм является устойчивым ко всем макролидам и линкозамидам.
Другим механизмом устойчивости пиогенных стрептококков к макролидам является активное выведение антибиотиков из бактериальной клетки. В подобных случаях устойчивость возникает к 14- и 15-членным макролидам, но не к 16-членным (спирамицин и др.).
Клиническое значение устойчивости пиогенных стрептококков к макролидам можно проиллюстрировать на примере исследования Bassetti et al. (1998). Авторы оценивали эффективность лечения тонзилло-фарингита кларитромицином на фоне разных механизмов устойчивости S.pyogenes. У 67,2% больных пиогенные стрептококки in vitro были чувствительными к кларитромицину; эрадикация (уничтожение возбудителя) достигнута в 91% случаев. При индуцибельной устойчивости (21,8%) и активном выведении (7,3%) эрадикации удалось достичь в 100% случаев. Напротив, при конститутивной устойчивости (3,7% больных) ни в одном случае не было эрадикации.
Опыт Финлядии свидетельствует о возможности контроля над распространением устойчивости к макролидам. В течение года (т.е. с 1991 по 1992 г.) в стране удалось сократить потребление макролидов с 2,4 суточных доз на 1000 населения до 1,38. Уменьшение потребления продолжалось и в последующие годы. В результате частота устойчивости к эритромицину снизилась с 16,5% в 1992 г. до 8,5% в 1996 г. (Seppala H. et al., 1997).
Возможна ли полная элиминация устойчивости из микробной популяции? Ответ на этот вопрос можно проиллюстрировать на примере E.coli, приобретшей устойчивость к стрептомицину в результате точечной мутации по гену rpsl:
Таким образом, человечеству нужно свыкнуться с мыслью о неизбежности возникновения резистентности микроорганизмов к антибиотикам. Осознание этого факта должно стать стимулом для разработки правил рационального использования антибиотиков в медицине и сельском хозяйстве, создания новых антибактериальных препаратов, проведения исследований по изучению механизмов резистентности и контролю за ее распространением.
"Клиническая антибиотикотерапия" (Киев 5.10.2000)