Chcesz wydać pracę habilitacyjną, doktorską czy monografię? Zrób to w Wydawnictwie Borgis – jednym z najbardziej uznanych w Polsce wydawców książek i czasopism medycznych. W ramach współpracy otrzymasz pełne wsparcie w przygotowaniu książki – przede wszystkim korektę, skład, projekt graficzny okładki oraz profesjonalny druk. Wydawnictwo zapewnia szybkie terminy publikacji oraz doskonałą atmosferę współpracy z wysoko wykwalifikowanymi redaktorami, korektorami i specjalistami od składu. Oferuje także tłumaczenia artykułów naukowych, skanowanie materiałów potrzebnych do wydania książki oraz kompletowanie dorobku naukowego.

© Borgis - Medycyna Rodzinna 6/2004, s. 278-281
Elżbieta Mazur, Sebastian Klag
Mechanizmy lekooporności bakterii
Mechanisms of antimicrobial resistance
z Katedry i Zakładu Mikrobiologii Lekarskiej Akademii Medycznej w Lublinie
Kierownik Katedry: prof. dr hab. Maria Kozioł-Montewka
Summary
An antimicrobial resistance, particularly acquired, is one of antibiotic therapy side effects constituting an increasing therapeutic problem.
The article describes:
1. The ways in which bacteria acquire genes coding for resistance
2. The main mechanisms of resistance expression and their clinical consequences.
Konsekwencją wciąż wzrastającej i selekcjonującej presji antybiotyków i chemioterapeutyków, ich nadużywania i nieprawidłowego stosowania jest szybkie rozprzestrzenianie się bakterii opornych na leki, w tym szczepów wieloopornych, wśród których opisuje się szczepy niewrażliwe na żaden z dostępnych preparatów. Zjawisko to jest problemem globalnym, dotyczącym bakterii występujących zarówno w populacji pozaszpitalnej, jak i w środowisku szpitalnym. Praktycznie uniemożliwia to skuteczne leczenie zakażeń bez znajomości danych epidemiologicznych dotyczących aktualnego stopnia lekowrażliwości szczepów w danym środowisku (8). W ostatnim czasie opisano wiele mechanizmów powstawania oporności, ich rozprzestrzenianie się wśród bakterii stanowi szczególne niebezpieczeństwo dla przyszłej terapii zakażeń (4).
O oporności drobnoustrojów na antybiotyk (chemioterapeutyk) mówi się wtedy, kiedy średnie stężenia hamujące populację drobnoustrojów in vitro są większe od stężeń możliwych do uzyskania in vivo (6).
Najprostszym typem oporności jest oporność naturalna. Dany drobnoustrój jest niewrażliwy na antybiotyk, posiada on „wrodzoną” oporność na niektóre grupy antybiotyków, gdyż albo nie posiada charakterystycznego dla nich punktu uchwytu albo antybiotyki te nie przenikają do jego wnętrza (6, 10). Opornością naturalną na wiele chemioterapeutyków cechują się na przykład Pseudomonas aeruginosa i Staphylococcus epidermidis (1).
Oporność nabyta jest przeciwieństwem oporności naturalnej, to znaczy powstaje ona u bakterii, które pierwotnie były wrażliwe na dany chemioterapeutyk. Oporność nabytą można podzielić na pierwotną i wtórną.
Oporność pierwotna powstaje wskutek spontanicznej mutacji i może pojawiać się bez kontaktu z lekiem. Ten typ oporności jest kodowany chromosomalnie i nie może być przekazywany innym gatunkom bakterii. Częstość pojawiania się zmutowanych bakterii jest niewielka, jednakże w obecności antybiotyku mutanty mają przewagę w stosunku do reszty populacji, przeżywają i przewyższają ilością populacje wrażliwe. Mogą one rozprzestrzeniać się do innych nisz ekologicznych u tego samego osobnika lub też mogą być przeniesione na inne osoby (10).
Mechanizmy prowadzące do powstania oporności wtórnej rozwijają się w warunkach kontaktu drobnoustroju z lekiem przeciwbakteryjnym i są znacznie bardziej złożone. Mechanizm genetyczny leżący u podłoża oporności wtórnej, w odróżnieniu od oporności pierwotnej, ma charakter pozachromosomalny. Odpowiedzialne za występowanie tego zjawiska są geny zlokalizowane w kolistych fragmentach DNA, leżących w cytoplazmie i nazywanych plazmidami. Jeden plazmid może zawierać geny oporności na kilka różnych chemioterapeutyków. Plazmidy mogą przenosić geny, kodujące oporność z jednej komórki bakteryjnej na inną. Przekazywanie plazmidów odbywa się głównie na drodze koniugacji i transdukcji.
Podczas koniugacji do przekazywania plazmidów dochodzi przez bezpośredni kontakt dwóch lub więcej komórek bakteryjnych, za pomocą wytwarzanych przez nie nici białkowych. W procesie koniugacji mogą brać udział bakterie różnych gatunków i rodzajów, często bardzo odległych filogenetycznie. Szczególnie niekorzystne jest przekazywanie w ten sposób oporności z bakterii saprofitycznych na bakterie chorobotwórcze.
Transdukcja jest procesem przekazywania plazmidów z komórki dawcy na komórkę biorcy przez wirusy bakteryjne (bakteriofagi). Proces ten jest swoisty gatunkowo, jego przykładem jest przenoszenie plazmidów, warunkujących wytwarzanie b-laktamaz w obrębie szczepów gronkowcowych (6, 10).
Geny oporności mogą znajdować się również na transpozonach. Są to tzw. skaczące geny, czyli niewielkie sekwencje DNA, które są zdolne do integracji z materiałem genetycznym zarówno chromosomów jak i plazmidów (10). Transpozony odgrywają szczególną rolę w rozwoju i szerzeniu się oporności w warunkach szpitalnych (2, 5, 6).
W ewolucji wielolekooporności u bakterii istotne znaczenie przypisuje się również integronom, które mogą być zlokalizowane zarówno w bakteryjnych chromosomach, jak i plazmidach. Jest to specyficzny samotranslokacyjny rodzaj wyspecjalizowanych nośników informacji genetycznej, których szczególną właściwością jest zdolność do łączenia genów oporności w zespoły (kasety) i blokowego ich przenoszenia do komórki biorcy (8).
W efekcie nabycia genów oporności bakterie stają się częściowo lub całkowicie oporne na dany antybiotyk w wyniku rozwinięcia się kilku zasadniczych mechanizmów efektorowych (6, 10):
A. unieczynnienie antybiotyku przez enzymy, produkowane przez bakterie,
B. zmniejszenie przenikania leku przez ścianę i błonę komórkową bakterii lub czynne wypompowywanie antybiotyku z wnętrza komórki bakteryjnej (tzw. oporność transportowa),
C. zmiana ilości lub konformacji receptora (lub/i jego otoczenia) dla chemioterapeutyku.
Należy podkreślić, że każdy z wyżej opisanych mechanizmów oporności może wystąpić u jednej bakterii jednocześnie oraz, że u jednaj bakterii może równocześnie występować kilka różnych mechanizmów oporności wobec jednego chemioterapeutyku (10).
Ad. A.
Unieczynnienie antybiotyków przez enzymy dotyczy przede wszystkim szerokiej grupy leków posiadających w swojej budowie wiązanie b-laktamowe (penicyliny, cefalosporyny, karbapenamy, monobaktamy). Są one rozkładane przez wytwarzane przez bakterie enzymy (b-laktamazy). Innym przykładem tego typu oporności jest modyfikacja enzymatyczna struktury aminoglikozydów (3, 11).
b-laktamazy stanowią bardzo zróżnicowaną grupę obejmującą ponad 340 enzymów produkowanych zarówno przez bakterie Gram-dodatnie, jak i Gram-ujemne. Różnią się one lokalizacją genów (chromosom, plazmidy, transpozony, integrony) i typem ich ekspresji (konstytutywna, indukcyjna), spektrum substratowym oraz wrażliwością na inhibitory. U bakterii Gram-dodatnich są one typowymi egzoenzymami, które wydzielane do środowiska mogą również chronić komórki innych bakterii przed działaniem antybiotyków. Zjawisko takie nie występuje u bakterii Gram-ujemnych, które gromadzą te enzymy w przestrzeni periplazmatycznej (8).
Wprowadzenie do terapii preparatów z inhibitorem b-laktamaz skojarzonym z antybiotykiem b-laktamowym rozwiązało problem enzymatycznej oporności tylko przejściowo. Okazało się bowiem, że szczepy bakterii mogą inaktywować inhibitor lub w wyniku mutacji wytwarzać taką ilość enzymu, która potrafi przełamać barierę tworzoną przez inhibitor.
Szerokie stosowanie antybiotyków b-laktamowych w leczeniu chorych z upośledzoną odpornością oraz w oddziałach intensywnej terapii doprowadziło do szybkiej selekcji szczepów wieloopornych na te antybiotyki. To zjawisko związane jest z pojawieniem się kolejnych odmian b-laktamaz o rozszerzonym profilu substratowym (ESbL). Ich obecność sugeruje wykazana w antybiogramie obniżona wrażliwość badanego drobnoustroju na cefalosporyny III generacji. Geny ESbL mogą być przenoszone na plazmidach koniugacyjnych, ich aktywne przekazywanie jest możliwe w obrębie blisko spokrewnionych gatunków z rodziny Enterobacteriaceae. Problem występowania ESbL (+) szczepów E. coli i Klebsiella został opisany w wielu krajach i staje się powoli poważnym problemem epidemiologicznym (1, 5).
Niektóre pałeczki Gram-ujemne mają również zdolność produkcji chromosomalnie kodowanego enzymu (b-laktamazy typu ampC) warunkującej oporność na wszystkie antybiotyki b-laktamowe z wyjątkiem karbapenamów. Zjawisko to najwcześniej wykryto u pałeczek z rodzaju Enterobacter, Citrobacter, Serratia i Pseudomonas (1, 3).
Poza wyżej opisanymi beta-laktamazami, spotykane są również inne ich odmiany, które nie mają tak dużego znaczenia z epidemiologicznego punktu widzenia, ale ich profil substratowy bywa bardzo szeroki. Przykładem są szczepy bakterii z gatunku Stenotrophomonas maltophilia, które produkują metalo-b-laktamazy (MBL) posiadające zdolność rozkładu nawet karbapenamów (1, 3, 4).
Charakterystykę najważniejszych b-laktamaz przedstawia tabela 1.
Tabela 1. Charakterystyka głównych grup b-laktamaz [według Malm A. i wsp. (7)].
GrupaWystępowanieLokalizacja genówTyp ekspresjiWrażliwość na inhibitory b-laktamazGłówne substraty
PenicylinazyBakterie Gram-dodatnie z rodzaju Staphylococcus, Enterococcus i BacillusPlazmid
Chromosom
IndukcyjnyWrażliwePenicyliny
Cefalosporynazy bakterii beztlenowychPałeczki Gram-ujemne z rodzaju BacteroidesChromosomKonstytutywnyWrażliwePenicyliny
Cefalosporyny
b-laktamazy TEM-1 i SHV-1Bakterie Gram-ujemne z rodzaju Neisseria i HaemophilusPlazmid
Transpozon
IndukcyjnyWrażliwePenicyliny
Cefalosporyny I generacji
Indukcyjne b-laktamazy (IBL = cefalosporynazy)Pałeczki Gram-ujemne z rodziny Enterobacteriaceae i pałeczki niefermentująceChromosom
Plazmid
Indukcyjny
Konstytutywny (derepresja)
Brak wrażliwościPenicyliny (z wyjątkiem temocyliny)
Cefalosporyny (z wyjątkiem cefamycyny)
Monobaktamy
b-laktamazy o rozszerzonym spektrum substratowym (ESBL) - warianty enzymów typu TEM i SHV Pałeczki Gram-ujemne z rodziny Enterobacteriaceae oraz pałeczki niefermentującePlazmid
Transpozon
KonstytutywnyWrażliwePenicyliny (z wyjątkiem temocyliny)
Cefalosporyny (z wyjątkiem cefamycyny)
Monobaktamy
Metalo-b-laktamazy (MBL = karbapenemazy)Pałeczki Gram-ujemne z rodziny Enterobacteriaceae oraz pałeczki niefermentująceIntegronKonstytutywnyBrak wrażliwościPenicyliny
Cefalosporyny
Karbapenemy
Zdolność bakterii do syntezy b-laktamaz typu ESBL, IBL czy ampC powinna automatycznie wykluczyć z terapii wszystkie penicyliny (poza temocyliną), cefalosporyny (również III, a nawet IV generacji) i aztreonam, w przypadku IBL i ampC – również preparaty skojarzone z inhibitorami b-laktamaz. Produkcja MBL wyklucza z terapii penicyliny, cefalosporyny i karbapenemy oraz preparaty skojarzone antybiotyków b-laktamowych, pomimo że w warunkach in vitro (antybiogram) wynik wskazuje, że badane szczepy są wrażliwe na te leki (7).
Ad. B.
Oporność transportowa jest spowodowana modyfikacją transportu antybiotyku przez ścianę komórkową. Leki hamujące syntezę białek poprzez łączenie się z rybosomami i ich blokowanie, takie jak aminoglikozydy, zwykle wymagają czynnego transportu do wnętrza komórki bakteryjnej, aby mogły wykazać swoją aktywność biologiczną. Mutacje zmieniające proces czynnego transportu mogą zablokować przenikanie antybiotyku do wnętrza komórki bakteryjnej i tym samym zapobiec blokadzie procesu translacji (11). Modyfikacja drogi transportu jest istotnym mechanizmem oporności Pseudomonas aeruginosa na imipenem, ma też ona udział w selekcji szczepów opornych z rodzaju Enterobacter i Serratia (11).
Ad. C.
Najważniejszym przykładem oporności związanej ze zmianą ilości lub konformacji receptora dla antybiotyku jest powstawanie szczepów gronkowców opornych na metycylinę tzw. MRSA (metycylinooporne szczepy gronkowca złocistego) i MRCNS (metycylinooporne szczepy gronkowców koagulazoujemnych).
Oporność na metycylinę oznacza jednoczesną oporność na wszystkie antybiotyki b-laktamowe. Miejscami wiązania dla tych antybiotyków są białka wiążące penicylinę (PBP), zlokalizowane w ścianie komórkowej bakterii. Istotą tworzenia się metycylinoopornych szczepów gronkowca jest synteza przez oporny szczep nowego białka (PBP2a), które nie ma zdolności wiązania z antybiotykami b-laktamowymi. Za oporność na metycylinę odpowiedzialny jest gen mecA, zlokalizowany w chromosomie komórki. Szczepy MRSA wytwarzają zazwyczaj penicylinazy, a więc dysponują jednocześnie dwoma mechanizmami oporności na antybioyki b-laktamowe. Gronkowce metycylinoporne mogą wykazywać równoczesną oporność na makrolidy, linkozoamidy, tetracykliny, aminoglikozydy oraz fluorochinolony (1, 9).
W Polsce, podobnie jak na całym świecie, MRSA izolowane są w każdym szpitalu. Ostatnie dane z licznych ośrodków na terenie kraju wykazały, że odsetki izolacji MRSA są różne i wahają się w granicach od kilku do kilkudziesięciu procent, w zależności od profilu oddziału, typu szpitala oraz regionu geograficznego. W populacji pozaszpitalnej częstość występowania MRSA nie jest dokładnie znana; odsetek izolacji ocenia się na około kilka procent. Jednak ostatnio pojawia się coraz więcej doniesień na temat izolacji MRSA od chorych leczonych ambulatoryjnie, nawet niepozostających w kontakcie ze szpitalem. Jest to bardzo niepokojące zjawisko, które najprawdopodobniej wynika z nadużywania antybiotyków w leczeniu różnego rodzaju zakażeń, niekoniecznie o etiologii bakteryjnej, u chorych ambulatoryjnych (9).
Innym przykładem oporności związanej ze zmianą receptora jest zaburzenie w syntezie gyrazy powstałe w wyniku kilkustopniowej mutacji w obrębie genu gyrA. Gyraza, biorąca udział w replikacji bakteryjnego DNA, jest miejscem wiązania fluorochinolonów, które hamują funkcję tego enzymu. Ze zmutowaną gyrazą chinolony nie łączą się i tym samym nie wykazują swej aktywności wobec tak zmutowanych bakterii (1).
Najważniejsze z klinicznego punktu widzenia mechanizmy efektorowe oporności bakterii na poszczególne grupy antybiotyków przedstawiono w tabeli 2.
Tabela 2. Główne mechanizmy oporności bakterii na antybiotyki [według Dzierżanowska D. i wsp. (1)].
Grupa antybiotykówMechanizmy oporności
Penicyliny i cefalosporyny I generacjienzymy plazmidowe typu TEM i SHV
Cefalosporyny (w tym wyższe generacje)b-laktamazy o rozszerzonym spektrum (ESbL), cefalosporynazy chromosomalne (ampC)
Inhibitory b-laktamaz zwiększona synteza klasycznych b-laktamaz, enzymy rozkładające inhibitor
Karbapenemykarbapenemazy (Serratia, Enterobacter)
zmiana miejsca docelowego (Proteus mirabilis)
utrata białka porowego D2 (Ps. aeruginosa)
metaloenzymy (Stenotrophomonas maltophilia)
Glikopeptydymodyfikacja prekursora peptydoglikanu i spadek powinowactwa do antybiotyku
Chinolonymodyfikacja gyrazy DNA
mechanizm modyfikujący przepuszczalność
Aminoglikozydyenzymy modyfikujące
zaburzenia transportu
modyfikacja miejsca docelowego
Piśmiennictwo
1. Dzierżanowska D., Jeljaszewicz J.: Zakażenia szpitalne. Wydawnictwo a-medica-press 1999. 2.Dzierżanowska D.: Antybiotykooporne bakterie w szpitalu. Nowa Medycyna 1997; 16: 18-22. 3. Dzierżanowska D.: Zasady stosowania antybiotyków w leczeniu zakażeń bakteryjnych. Mikrobiol Med 2003; 2 (35): 3-14. 4. Hryniewicz W.: Oporność bakterii. Infomedica (Online) 1998; 5. 5.Hryniewicz W.: Problemy oporności na antybiotyki u najczęstszych patogenów szpitalnych. Nowa Medycyna 1998; 2: 23-29. 6.Janiec W., Krupińska J.: Farmakodynamika. PZWL 2003. 7.Malm A. i wsp.: b-laktamazy, skuteczna broń bakterii w walce z antybiotykami b-laktamowymi. Almamater 2004; 4 (45): 158-165. 8.Malm A. i wsp.: Lekooporność bakterii. Almamater 2002; 2 (43): 128-135. 9.Malm A. i wsp.: Metycylinooporne szczepy Staphylococcus aureus.Almamater 2003; 3 (44): 64-69. 10.Mazur E.: Założenia racjonalnej antybiotykoterapii. Medycyna Rodzinna 2002; 2 (18): 89-93. 11.Meszaros J. i wsp.: Powikłania septyczne, etiologia i zasady chemioterapii. Mikrobiol Med 2001; 2 (27): 3-8.
Medycyna Rodzinna 6/2004
Strona internetowa czasopisma Medycyna Rodzinna