ЛЕКАРСТВЕННАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ МИКРООРГАНИЗМОВ

Лекарственная устойчивость микроорганизмов — способность микроорганизмов сохранять жизнедеятельность в присутствии относительно высоких концентраций антибиотиков или химиотерапевтических средств иной природы. Лекарственная устойчивость у бактерий обнаруживается чаще, чем у грибков и простейших. У вирусов чувствительность к известным антибиотикам или к химиотерапевтическим средствам практически отсутствует. Отмечается значительный рост числа штаммов бактерии, выделенных из организма человека и животных или из окружающей среды, характеризующихся устойчивостью к антибиотикам, химиотерапевтическим средствам, солям тяжелых металлов и пр. По данным японских исследователей, среди 1151 штамма сальмонелл, выделенных при гастроэнтерите в период с 1960 по 1972 г., 86% были устойчивы к различным антибиотикам [Накая (R. Nakaya) с соавт., 1975]. Большая частота выделения устойчивых к антибиотикам штаммов характерна для дизентерийных бактерий. Танака (Т. Tanaka) с соавт. (1975) изучил лекарственную устойчивость 12 453 штаммов шигелл и установил, что 91% из них устойчивы к сульфаниламидам, 76% — к пиреитоксицину, 71,5% — к тетрациклину.

Отмечается также увеличение числа случаев выделения из организма человека штаммов бактерий, ранее считавшихся непатогенными, напр. Pseudomonas, Erwinia и др., которые характеризовались устойчивостью (резистентностью) к разным антибиотикам. Т. о., проблема устойчивости к антибиотикам и другим антибактериальным средствам превратилась в важнейшую проблему современной микробиологии, эпидемиологии, генетики и биохимии, имеющую большое практическое значение.

Механизмы, определяющие устойчивость прокариотов (бактерий, актиномицетов, риккетсий, микоплазм) к антибиотикам, можно разделить на два основных класса. 1. Устойчивость, обусловленная способностью прокариотов химически модифицировать и тем самым инактивировать соответствующие антибиотики. 2. Устойчивость, связанная с изменением (отсутствием) того компонента прокариотной клетки, с к-рым данный антибиотик взаимодействует, или с нарушением транспорта антибиотика к месту его действия в бактерии.

Устойчивость первого типа широко распространена среди бактерии, выделенных из клин, материала, из организма животных, и обычно генетически контролируется внехромосомными факторами — так наз. плазмидами (см. Плазмиды). Известны следующие антибактериальные средства, в отношении которых обнаружена устойчивость бактерий, выделенных из естественных источников, связанная с присутствием в клетке плазмид; аминогликозиды (канамицин, неомицин, гентамицин, ливидомицин, тобрамицин, стрептомицин, спектиномицин); антибиотики, имеющие в молекуле бета-лактамное кольцо (Пенициллины, цефалоспорины); хлорамфеникол, тетрациклин, эритромицин, линкомицин, триметоприм, сульфонамид, тяжелые металлы (никель, кобальт, ртуть, свинец), колицины.

Устойчивость второго типа связана с мутациями в бактериальной хромосоме, в генах, контролирующих структуру соответствующего компонента клетки (рибосома, мембрана и пр.). Мутанты данного типа были получены в большом количестве в лаб. условиях при селекции аптибиотикоустойчивых бактерий, но они обнаруживаются, хотя и относительно редко, среди штаммов, выделенных из естественных источников.

Устойчивость к аминогликозидам

Аминогликозиды, используемые в клин. практике, могут быть инактивированы за счет одной из следующих реакций: ацетилирования, фосфорилирования или аденилирования, каждая из которых катализируется ферментами, контролируемыми генами, находящимися в составе R-плазмид (табл.)

Таблица. Ферменты, кодируемые плазмидами, модифицирующие аминогликозидные антибиотики [по Дейвису, Курвалену, Бергу (J. Davies, P.Courvalin, D. Berg, 1977)]

Предполагается, что ферменты, модифицирующие аминогликозидные антибиотики, локализованы в клетке на внутренней мембране, т. к. они могут быть освобождены в среду при отмывании холодной водой бактерий, обработанных сахарозой и трис-ЭДТА. Присутствие на внутренней мембране бактерий ферментов, модифицирующих аминогликозидные антибиотики, предотвращает, вероятно, их транспорт к рибосомам, представляющим мишень действия этих антибиотиков. С другой стороны, предполагалось, что модификация аминогликозидного антибиотика приводит к его инактивации. Накапливается все больше данных о возможной роли модифицирующих ферментов в нарушении транспорта аминогликозидных антибиотиков в клетку. Действительно, имеются результаты, указывающие, что полная инактивация антибиотика под влиянием модифицирующего фермента не наступает, а вместе с тем бактерия оказывается устойчивой к его действию. Уровень устойчивости к аминогликозидным антибиотикам, обусловленный R-плазмидами (см. R-фактор), колеблется от 20 до 5000 мкг/мл.

Эти колебания определяются многими причинами. Известно, что штаммы R⁺-бактерий, инактивирующие стрептомицин и канамицин путем фосфорилирования, характеризуются более высоким уровнем устойчивости к этим антибиотикам, чем этот же штамм, несущий другую плазмиду и инактивирующий антибиотики путем аденилирования. Различия в уровнях устойчивости к аминогликозидным антибиотикам могут быть обусловлены разным уровнем ферментативной активности, а именно: повышение последней может быть результатом увеличения в клетке числа копий плазмиды и, следовательно, числа генов, кодирующих модифицирующий фермент. Снижение уровня устойчивости к антибиотику может возникнуть в результате нарушения процесса выражения гена, определяющего устойчивость к данному антибиотику. Это часто наблюдают при переносе R-плазмиды из бактерии одного вида в бактерию другого вида. Расшифровка биохим, механизмов инактивации антибиотиков послужила стимулом для поиска новых препаратов, устойчивых к действию известных ферментов, определяющих резистентность бактерий. Так, напр., гентамицин, тобрамицин, ливидомицин А и Б активны в отношении бактерий, устойчивых к неомнцину и канамицину. Это определяется тем, что ферменты фосфорилирования, инактивирующие неомицин и канамицин, модифицируют 3'-OH группу аминогексозы, к-рая отсутствует в молекуле гентамицина и других упомянутых антибиотиков.

Устойчивость к антибиотикам, содержащим бета-лактамное кольцо (к пенициллину, цефалоспорину)

Устойчивость грамположительных бактерий к пенициллину обусловлена способностью бактерий синтезировать фермент, гидролизующий бета-лактамное кольцо, присутствующее в молекуле всех пенициллинов и в цефалоспорине. Этот фермент получил название бета-лактамазы или пенициллиназы.

Как показали исследования Новика (R. Novick, 1963), гены, контролирующие синтез пенициллиназы у Staphylococcus aureus, локализованы на нетрансмиссибельных плазмидах. В отличие от устойчивости к аминогликозидам, устойчивость к пенициллину у грамположительных бактерий, за исключением Вас. cereus, индуцибельна. Индукция синтеза пенициллиназы достигается присутствием в среде низких концентраций метициллина или оксациллина — препаратов, устойчивых к действию пенициллиназы. Напротив, у грамотрицательных бактерий синтез пенициллиназы конститутивен.

Грамотрицательные бактерии обычно менее чувствительны к пенициллину, чем грамположительные. Однако открытие и внедрение в клин, практику карбенициллин, ампициллина, цефалоспорина, активных против грамотрицательных бактерий, привело к быстрому появлению и широкому распространению устойчивых к пенициллину штаммов среди грамотрицательных бактерий и особенно среди энтеробактерий. Как и в случае грамположительных бактерий, у большинства грамотрицательных, выделенных из клин, материала, резистентность к пенициллину определяется присутствием в клетке R-плазмид, контролирующих синтез бета-лактамаз. Установлено, что бета-лактамазы, синтезируемые грамотрицательными бактериями, различны как по своим физ.-хим. свойствам, так и но субстратной специфичности. Существует по крайней мере 8 различных бета-лактамаз, которые по своим свойствам (субстратная специфичность, иммунологическая перекрестная реактивность, молекулярный вес, электрофоретическая подвижность при разных pH, чувствительность к р-меркурбензоату) группируются в четыре основные группы, обозначенные римскими цифрами (I, II, III, IV). Большинство известных R-плазмид контролирует синтез бета-лактамазы III группы. Уровень устойчивости бактерий к пенициллину не всегда является простой функцией количества фермента в бактерии. Он зависит также от таких параметров, как аффинитет фермента к субстрату, от локализации фермента в клетке, скорости проникновения антибиотика и др.

Устойчивость к хлорамфениколу

Окамото и Судзуки (S. Okamoto, Y. Suzuki, 1965) впервые описали инактивацию хлорамфеникола бесклеточными экстрактами R⁺-штаммов E. coli в присутствии ацетилкоэнзима A. Инактивация хлорамфеникола была обусловлена ацетилированием 1'- и 3'-OH групп в молекуле антибиотика. Хлорамфеникол-ацетилтрансфераза — фермент, катализирующий эту реакцию,— имеет молекулярный вес (массу) 80 000 дальтон и состоит из четырех субъединиц, каждая из которых имеет молекулярный вес (массу) 20 000. Близкие по свойствам хлорамфеникол-ацетилтрансферазы обнаружены в некоторых R⁺-штаммах Proteus mirabilis и, вероятно, кодируются генами, локализованными в хромосоме бактерии. Такие штаммы обладают высоким уровнем устойчивости к хлорамфениколу.

В отличие от энтеробактерий, у которых устойчивость к хлорамфениколу конститутивна, т. е. синтез инактивирующей хлорамфеникол - ацетилтрансферазы не индуцибелен, у стафилококка уровень устойчивости к хлорамфениколу индуцибелен, т. е. синтез ацетилтрансферазы возрастает, если в среде имеется небольшое количество хлорамфеникола или его аналогов. Инактивирующий фермент, синтезируемый стафилококком, подобен аналогичному ферменту энтеробактерий, хотя и отличается от него электрофоретической скоростью и иммунологическими свойствами.

Сравнение хлорамфеникол-ацетилтрансфераз, синтезируемых энтеро-бактериями и стафилококками, приводит к заключению, что, подобно пенициллиназам, существует семейство хлорамфеникол-ацетилтрансфераз, являющихся родственными белками, дивергировавшими в процессе эволюции.

Ацетилирование хлорамфеникола является основным механизмом, обеспечивающим устойчивость как грамотрицательных, так и грамположительных бактерий, но существуют и другие механизмы, как, напр., восстановление нитрогруппы. Однако клин, значение этого механизма сомнительно, т. к. эта реакция протекает очень медленно.

Устойчивость к тетрациклину

Устойчивость к тетрациклину широко распространена среди бактерий, что, как полагают, связано с расположением гена, определяющего устойчивость к тетрациклину, в той части плазмиды, к-рая контролирует трансмиссибельность (см. Плазмиды).

Объект действия тетрациклина в клетке — рибосомно-матричный комплекс, нарушается его связь с аминоацил-РНК. Однако устойчивость R⁺-бактерий к тетрациклину не связана с изменениями свойств рибосом; отсутствуют также доказательства существования ферментативной инактивации антибиотика. Резистентность к тетрациклину обусловлена нарушением проникновения антибиотика в клетку. В нормальную клетку тетрациклин проникает с помощью энергетически зависимой транспортной системы, угнетаемой азидом натрия, требующей присутствия ионов магния.

Устойчивость к тетрациклину индуцибельна, т. е. возрастает, если в среде присутствуют суббактериостатические дозы антибиотика или его аналогов [Франклин (Т. Franklin, 1967)].

Уровень устойчивости к тетрациклину у R⁺-штаммов бактерий, а также эффективность индукции определяются структурой плазмиды, несущей ген tet (контролирует синтез ТЕТ-белка), а также особенностями бактериального хозяина, в к-ром данная плазмида находится. Так, напр., плазмида RP4 определяла в одном и том же штамме более низкую устойчивость к тетрациклину, чем плазмида R6. С другой стороны, степень индукции устойчивости к тетрациклину широко варьировала и оказалась наиболее высокой в Erw. aroideae, несущей плазмиду RP4 (Д. М. Гольдфарб, Н. В. Купцова, 1979). Молекулярный механизм индукции устойчивости бактерии к тетрациклину изучен недостаточно. Было выяснено, что небольшие дозы тетрациклина индуцируют у бактерии синтез нового белка — так наз. ТЕТ-белка. Появление этого белка коррелирует с возникновением устойчивости бактерий к антибиотику [Янг (H. Yang с соавт., 1976)]. Предполагается, что в норме синтез TET-белка зарепрессирован, и малые дозы тетрациклина выполняют роль антагониста репрессора синтеза ТЕТ-белка. Т. о., регуляция функционирования генов, кодирующих синтез ТЕТ-белка, негативная.

В 1978 г. было установлено [Тейт, Бойер (R. Tait, H. Boyer), 1978], что индукция устойчивости к тетрациклину малыми дозами антибиотика сопровождается синтезом нескольких белков, ассоциированных с мембраной клетки. Эти белки отличаются друг от друга по молекулярному весу (массе), равному 34 000, 26 000, 18 000 и 14 000 дальтон, и все кодируются R-плазмидой. Функция первых двух из этих белков сводится к снижению способности бактерий накапливать антибиотик, функция третьего белка пока не установлена. Аналогичный индуцибельный механизм, обеспечивающий устойчивость к тетрациклину, обнаружен и у St. aureus. Устойчивость бактерии к макролидам, подобно устойчивости к тетрациклинам, не связана с хим. модификацией антибиотика.

Устойчивость к антибиотикам, связанная с хромосомными мутациями бактерий

Данный тип устойчивости связан с мутациями хромосомных генов, контролирующих транспорт антибиотиков в клетку или структуру и функцию тех клеточных компонентов, которые являются мишенью действия данного антибиотика. Многие антибиотики взаимодействуют с трансляционным аппаратом бактерии. Так, напр., тетрациклин, хлорамфеникол, пуромнцин взаимодействуют с аминоацил- тРНК, а стрептомицин и спектиномицин — с рибосомами. Поэтому устойчивость бактерий к перечисленным антибиотикам при не нарушенном их транспорте в клетку должна быть связана с мутациями в механизме белкового синтеза. Естественно, что большинство мутаций в аппарате трансляции у бактерий является для них летальными, что и объясняет относительно низкую частоту обнаружения в бактериальных популяциях мутантов, устойчивых к антибиотикам, блокирующим отдельные этапы синтеза белка.

Хромосомально контролируемая устойчивость к стрептомицину связана с мутациями, изменяющими 30S-субъединицу рибосомы. Оказалось, что рибосомы стрептомицин-резистентных бактерий не образуют комплекса с антибиотиком. Устойчивость к эритромицину, вероятно, зависит от изменения белков в 50S-субъединице рибосомы. С другой стороны, известно, что изменения в рибосомальной РНК, в частности нарушение ее метилирования, могут быть причиной возникновения устойчивости к антибиотику, напр, к касугамицину [Бенвенист. Дейвис (R. Benveuiste, J. Davies, 1973)].

Пример хромосомально-детерминируемой устойчивости к антибиотикам, воздействующим на процесс транскрипции,— устойчивость бактерий к рифамицину, стрептоварицину и стрептолидигину. Бактерии, устойчивые к этим антибиотикам, несут хромосомные мутации в генах, контролирующих бета-субъединицу РНК-полимеразы, с к-рой взаимодействуют эти антибиотики.

Хромосомные мутации могут также вызывать устойчивость к пенициллину п его аналогам. Было установлено, что некоторые типы бактериальных мутантов, устойчивые к пенициллину, характеризуются изменениями в клеточных стенках, приводящими к повышенной осмотической чувствительности и к усилению выделения бета-лактамазы в среду. Этот тип устойчивости к пенициллину обнаруживается у бактерий, несущих мутацию в генах, контролирующих синтез липополисахаридов и галактозы, т. е. компонентов, входящих в клеточную стенку. Наиболее высоким уровнем устойчивости к пенициллину характеризуются бактериальные мутанты с такими изменениями поверхностных структур, которые сопровождаются потерей способности бактерий к конъюгации.

Механизм лекарственной устойчивости грибков и простейших

Механизм лекарственной устойчивости грибков и простейших, являющихся по структурной организации эукариотами, изучен менее подробно, чем у прокариотов. Их устойчивость также может быть вызвана изменением (отсутствием) соответствующих структурных компонентов- клетки, синтез которых ингибируется препаратом, или обусловлена выработкой ферментов, модифицирующих препарат. Напр., хлорамфеникол — ингибитор синтеза белка — подавляет рост прокариотической клетки, но не действует на эукариотическую клетку из-за отличий в аппарате, синтезирующем белок. Показано, что этот антибиотик соединяется с рибосомами чувствительных микроорганизмов, но не связывается рибосомами устойчивых форм.

Особенностью лекарственной устойчивости у грибков и простейших является се медленное развитие и появление лишь после многочисленных пересевов в присутствии антибиотика. Это было отмечено в отношении антибиотика нистатина и грибков, дрожжей и лейшманий. У некоторых видов дрожжеподобных грибков рода Candida удавалось получить in vitro устойчивые штаммы к антибиотику трихомицину. Однако в клинике повышенная устойчивость трихомонад и Candida к трихомицину не установлена. Относительная трудность выделения резистентных к антибиотикам штаммов грибков и простейших в сравнении с бактериями, вероятно, связана с отсутствием у них плазмид, контролирующих одновременную устойчивость к нескольким лекарственным препаратам и обладающих способностью транспортироваться из клеток, носителей плазмид, в бесплазмидные.

Сведения о лекарственной устойчивости вирусов весьма ограничены, т. к. химиотерапия вирусных инфекций находится в ранней стадии своего развития из-за отсутствия средств, специфически действующих па метаболизм вирусов, без отрицательного влияния на клетку. Тем не менее в ряде случаев удалось показать принципиальную возможность развития устойчивости некоторых вирусов к препаратам, угнетающим синтез вирусных макромолекул. Так, гуанидин и 2-(альфа-оксибензил)бензимидазол известны как средства, избирательно подавляющие пикорнавирусы и не влияющие на клетку. Механизм действия этих соединений скорее всего связан с первичным угнетением синтеза вирусной РНК. Однако практическое использование этих соединений ограничено высокой частотой появления мутантов вируса, синтез РНК которых устойчив к действию указанных ингибиторов, а у некоторых из мутантов стимулируется этими соединениями.

Библиография: Гершанович В. Н. О механизмах поступления антибиотиков в бактерии, Усп. совр, биол., т. 84, в. 3(6), с. 453, 1977, библиогр.; Гольдфарб Д. М. и Купцова Н. В. Выражение гена резистентности к тетрациклину плазмид R6 и RP4 в бактериях семейства Enterobacteriaceae, Антибиотики, т. 24, №4, с. 273, 1 979; Навашин С. М. и Фомина И. П. Справочник по антибиотикам, с. 11, М., 1974; Терешин. Преодоление лекарственной устойчивости возбудителей инфекционных заболеваний, Л., 1977; Acаr J. F. а. Sabath L. D. Bacterial persistense in vivo, resistance or tolerance to antibiotics, Scand. J. infect. Bis., suppl. 14, p. 86, 1978; Benveniste R.a. Davies J. Mechanisms of antibiotic resistance in bacteria, Ann. Rev. Biochem., v. 42, p. 471, 1973, bibliogr.; Davies J., Courvalin P. a. Berg D. Thougths on the origins of resistance plasmids, J. Antimicrob. Chemother., v. 3, suppl. C., p. 7, 1977, bibliogr.; Franklin T. J. Resistance of Escherichia coli to tetracyclines, Biochem. J., v. 105, p. 371, 1967; Microbial drug resistance, ed. by S. Mit-suhashi a. H. Hashimoto, Baltimore a. o., 1975; Tait R. С. а. Boyer H. W. On the nature of tetracycline resistance, controlled by plasmid pSC 101, Cell, v. 13, p. 73, 1978; Yang H. L., Zubay G. a. Levy S. B. Synthesis of an R-plasmid protein associated with tetracycline resistance is negatively regulated, Proc. nat. Acad. Sci. (Wash.), v. 73, p. 1509, 1976.

Д. М. Гольдфарб, Л. А. Замчук.