Проблема резистентності мікроорганізмів до антибіотиків

ДВНЗ «Івано-Франківський національний медичний університет», Україна SOVREMENNAYA PEDIATRIYA.2017.2(82):52-56; doi 10.15574/SP.2017.82.52 Мета роботи: розширити знання педіатрів щодо формування резистентності мікрорганізмів до антибіотиків.

Наведено сучасні погляди на фактори ризику, причини і механізми формування первинної і вторинної резистентності мікроорганізмів до антибіотиків. В основі розвитку останньої є мутації: зміна генетичної ендогенної інформації, що передається через хромосоми, та поява екзогенної генетичної інформації (плазміди і транспозони). Обґрунтовано роль багатофункціонального характеру системи ефлюксу, яку контролюють хромосомні гени. Основними механізмами набутої резистентності збудників різних інфекцій до антибіотиків є також порушення проникності препарату всередину збудника, поява нових b-лактамаз та зміна експресії існуючих, порушення цитоплазматичного транспорту антибіотиків до мішені, зміна структури самої мішені або формування метаболічного шунта. Обґрунтовано роль формування біоплівки у розвитку антибіотикорезистентності мікроорганізмів та хронічних форм бактеріальних інфекцій. Доведено значення у формуванні резистентності мікроорганізмів до антибіотиків при використання останніх у ветеринарії.

Для зменшення темпів розвитку антибіотикорезистентності мікроорганізмів необхідно чітко дотримуватись показань, дозування, тривалості лікування протимікробними препаратами; враховувати спектр мікрофлори і її резистентність у даному лікувальному закладі; обмежити використання антибіотиків та знайти їм альтернативу у ветеринарії.

Ключові слова: антибіотики, мікроорганізми, резистентність природна і набута. резистентність мікроорганізм антибіотик хромосомний

Problem of antibiotic resistance of microorganisms (lecture)

O.L. Tsymballsta

Ivano-Frankivsk National Medical University, Ukraine

The objective of the research was to improve pediatricians' knowledge regarding modern scientific data on the formation of antibiotic resistance of microorganisms.

The lecture presents the current views on risk factors, causes and mechanisms of developing primary and secondary antibiotic resistance of microorganisms. The latter develops due to mutations, namely changes in endogenous genetic information which is transmitted through chromosomes, as well as the appearance of exogenous genetic information (plasmids and transposons). The role of the multifunctional nature of the efflux system which is controlled by chromosomal genes has been substantiated.

The main mechanisms of acquired antibiotic resistance of infectious agents include an impaired penetration of the drug into the pathogen, the emergence of new b-lactamases, as well as the alteration in the expression of the existing ones, impaired transport of antibiotics across the cytoplasmic membrane toward the target site, changes in the structure of the target or the formation of metabolic shunt. The role of biofilm formation in the development of antibiotic resistance of microorganism and chronic forms of bacterial infections has been substantiated. The important role of using antibiotics in veterinary medicine in the formation of microbial resistance to antimicrobial agents has been proven.

To reduce the rate of antibiotic resistance of microorganisms it is necessary to strictly adhere to the indications, dosing, as well as the duration of antimicrobial treatment; to consider the spectrum of microflora and its resistance in a certain health care facility; to minimize antibiotic usage, as well as to find their alternatives for using in veterinary medicine.

Keywords: antibiotics, microorganisms, natural and acquired resistance.

Проблема резистентности микроорганизмов к антибиотикам (лекция)

ОЛ. Цимбалиста

ГВНУ «Ивано-Франковский национальный медицинский университет», Украина

Цель работы: расширить знания педиатров относительно формирования резистентности микрорганизмов к антибиотикам.

В лекции представлены современные взгляды на факторы риска, причины и механизмы формирования первичной и вторичной резистентности микрорганизмов к антибиотикам. В основе развития последней являються мутации: изменения генетической эндогенной информации, которая передается с помощью хромосом, и появление экзогенной генетической информации (плазмиды и транспозоны).

Обоснована роль многофункционального характера системы эфлюкса, которую контролируют хромосомные гены.

Основными механизмами приобретенной резистентности возбудителей различных инфекций к антибиотикам являются нарушения проникаемости препарата внутрь возбудителя, синтез новых b-лактамаз и изменения экспрессии существующих, нарушения цитоплазматического транспорта антибиотиков к мишени, изменение структуры самой мишени или формирование метаболического шунта. Обоснована роль формирования биопленки в развитии резистентности микроорганизмов к антибиотикам при использовании их в ветеринарии.

С целью уменьшения развития антибиотикорезистентности микроорганизмов необходимо четко придерживаться показаний, дозировки, продолжительности лечения противомикробными препаратами; учитывать спектр микрофлоры и ее резистентность в данном лечебном учреждении; ограничить использование антибиотиков и найти альтернативу этим препаратам в ветеринарии.

Ключевые слова: антибиотики, микрорганизмы, резистентность естесственная и приобретенная.

Антибіотики (АБ) -- це речовини мікробного, рослинного або тваринного походження, їх синтетичні або напівсинтетичні аналоги та похідні, що вибірково пригнічують життєдіяльність мікробних тіл, вірусів, найпростіших, грибів, а також затримують ріст пухлин. Антибіотикам властиві висока біологічна активність відносно чутливих до них організмів, велика вибіркова специфічність. На сьогодні відомо понад 6 тис. антибактеріальних препаратів [1,11].

Поширення і ріст природжених і набутих імунодефіцитних захворювань підвищили епідеміологічне значення умовно-патогенної флори та опортуністичних інфекцій, що викликають важкі госпітальні інфекції, післяопераційні гнійні ускладнення, сепсис. З'явились незвичайні форми багатьох мікроорганізмів, які викликають важкі захворювання, що супроводжуються бактеріємією, розвитком синдрому токсичного шоку і високою летальністю. Крім того, більшості мікроорганізмів, зокрема умовно-патогенних, притаманні швидке формування резистентності до багатьох протимікробних препаратів та розвиток порушень мікробіоценозу в організмі дитини. Цьому сприяють також екологічна агресія, вторинні імунодефіцитні захворювання, алергічні реакції, хронізація процесу. Зростає число хворих з ускладненнями внаслідок застосування медикаментів, у т.ч. АБ [2,6].

Особливо важливою є стратегія антибактеріальної терапії (АБТ) критичних станів у відділеннях інтенсивної терапії (ВІТ). Актуальність цього питання зумовлена тим, що всі пацієнти ВІТ належать до групи ризику розвитку інфекції у зв'язку з високою концентрацією хворих і персоналу, використанням інвазивних методів діагностики і лікування, а також порушенням біоценозу кишечника, зниженням імунітету. Інфекції зустрічаються майже у половини хворих ВІТ, а колонізація патогенними мікробами спостерігається у 85-90% випадків [11,16].

Інфікування пацієнтів у критичних станах в умовах стаціонару насамперед зумовлено внутрішньолікарняною грамнегативною мікрофлорою (Pseudomonas aeroginosa, Klebsiella, Acinetobacter тощо). На особливу увагу серед останніх заслуговує Pseudomonas aeroginosa, яка виділяє сильнодіючі екзотоксини. Особливістю її є і швидке формування антибіотикоре- зистентності до більшості сучасних протимікробних препаратів, утворення мутантних штамів, що є високопатогенними і вірулентними. Pseudomonas aeroginosa викликає розвиток важкої госпітальної інфекції, насамперед пневмонії, при зниженій імунологічній реактивності організму: при тривалій АБТ, складних хірургічних втручаннях на внутрішніх органах, імуносупресивній терапії. Інфікування Pseudomonas aeroginosa значною мірою визначає важкість перебігу бронхоектатичної хвороби, муковісцидозу, інфекційних ускладнень при природжених вадах розвитку бронхо- легеневої системи [12].

У більшості випадків госпіталізації хворого в стаціонар початкова АБТ є емпіричною та призначається на основі клінічних, патогно- монічних ознак інфекційного процесу. Принципи останньої побудовані на основі «Таррагонсь- кої стратегії» (2001р.). Відповідно, препарати для емпіричної монотерапії АБ повинні відповідати наступним вимогам: широкий спектр дії; бактерицидна дія, яка не супроводжується наростанням ендотоксемії і розвитком «медіаторної бурі»; висока концентрація у «шоковому органі»; стабільність у відношенні в-лактамаз; невисокий рівень резистентності бактерій, які виділяються у хворих ВІТ; сприятлива фармакокінетика і достатнє проникнення в тканини; мінімальний ризик розвитку небажаних реакцій; зручність дозування і використання; сприятливе співвідношення вартість/ефект; доведена ефективність контрольованих клінічних досліджень. При комбінованій терапії названі вимоги досягаються шляхом поєднання кількох АБ [4,11,12].

Подальша програма АБТ ґрунтується на результатах клініки, бактеорологічних досліджень сироватки крові, інших біологічних рідин, результатах полімеразної ланцюгової реакції (ДНК-, РНК-діагностика бактерій, вірусів тощо).

Основна проблема сучасної АБТ полягає у швидких темпах розвитку резистентності мікробів до протимікробних препаратів. Під резистентністю мікроорганізму розуміємо відсутність його ерадикації при терапевтичній концентрації АБ в організмі людини. Резистентність буває природною і набутою [3,6,12].

Стрімке поширення резистентності серед патогенних мікроорганізмів у зв'язку з широким використанням АБ як в медицині, так і в різних галузях господарства, має серйозну загрозу для життя людей. У 2011 р. ВООЗ визначила резистентність до АБ однією з головних проблем глобальної охорони здоров'я. Антибіотикорезистентність у багатьох країнах розглядається як один із критеріїв національної безпеки, оскільки щороку зростає кількість летальних випадків від бактеріальних інфекцій у результаті резистентності збудників до протимікробних препаратів [14,20].

Антибіотики вбивають бактерії та уповільнюють їх ріст, зменшують кількість чутливих до них штамів, зумовлюючи поширення резистентних штамів. Зростає частота мультирезистентних до АБ штамів, які викликають інфекції, колонізують кишечник, шкіру і верхні дихальні шляхи людини. Резистентні бактерії -- це ті, що вижили в селекції, зумовленій АБ, яка має місце в усіх групах населення. У результаті непрофесійного використання АБ з'явилися не окремі штами, а нові раси високорезистентних до них бактерій [2,8].

Антимікробні препарати є єдиним класом лікарських засобів, активність яких зменшується з часом. При цьому мікроорганізми мають значну перевагу перед АБ: представники мікробного світу надзвичайно швидко розмножуються, що і сприяє селекції штамів з медикаментозною резистентністю. Доведено, що мікроорганізми навколишнього середовища несуть велику кількість різних генів резистентності до АБ, причому постійно виявляють гени, невідомі раніше для патогенних мікроорганізмів [3,6].

Останніми роками важливим напрямком досліджень є вивчення резистентності не тільки патогенних бактерій, але й мікроорганізмів, що живуть у навколишньому середовищі. Із цим певною мірою пов'язане поняття глобальної резистоми, як сукупності всіх генів резистентності до АБ у геномах усіх мікроорганізмів -- патогенних і непатогенних, що живуть у природних умовах і різних біологічних середовищах. До складу резистоми входять потенційні гени резистентності, які кодують білки, що визначають помірну анти- біотикорезистентність (забезпечують афінність до АБ) [13,23].

Дослідження чутливості мікроорганізмів із різних зразків ґрунту (міська, сільська місцевість, ліси) виявило високу резистентність до багатьох АБ (від 6-8 до 21 препарату). Виявлено майже 200 різних варіантів резистентності. У ґрунтових мікроорганізмів виявлені гени резистентності, невідомі раніше для клінічно патогенних мікроорганізмів. Ґрунтові мікроорганізми є невеликою частиною мікробного світу ґрунту, і виявлений рівень резистентності до АБ серед них насправді є значно вищим [12,14,16].

Гени резистентності, виділені із ґрунтових мікроорганізмів, є дуже різноманітними і відмінними від генів, описаних раніше (подібність <60%). Ґрунтові мікроорганізми є великим природним резервуаром невідомих раніше генів резистентності. Зауважимо, що гени резистентності виявлені у мікробів біологічних середовищ, які не підлягали антропогенному впливу: з органів і тканин різних звірів, які знаходились у землі в районах вічної мерзлоти понад 150 років тому; з осаду морського дна на глибині 1400 м, вік якого понад 10 тис. років, в останніх виявлено в-лактамази, які забезпечують резистентність до ампіциліну, піперациліну, цефтазидиму, азтреонаму тощо; понад 70 представників Enterobacteriaceae із глибинних прісних високогірних озер мають множинну резистентність до АБ, зокрема до в-лактамів.

Отримані дані вказують на те, що резистентність до АБ є властивістю живих мікроорганізмів, а не виникла в результаті селективного впливу різних АБ. Важливо, що поширеність резистентних бактерій у біологічних середовищах, які зазнали антропогенного впливу, не відповідає ступеню антропогенного впливу на них [17,18].

Важливим моментом наукових досліджень є вивчення резистентності до АБ в організмі свійських тварин і птахів, а також в продуктах харчування, отриманих з ферм, де використовуються АБ. Доведено збільшення рівня резистентності до АБ у місцевостях, де є ферми, що використовують їх для обробки м'яса тварин і птахів. Багато мікробів в ґрунтах синтезують АБ у концентраціях, які є достатніми для пригнічення інших мікроорганізмів, так і виробляють гени резистентності до них. Окремі гени резистентності бактерій існували ще задовго до початку використання АБ (мільйони років) [22].

Ферменти в-лактамази, які інактивують в-лактамні АБ, походять від транспептидаз пеніцилін-зв'язуючих білків. Ці ж ферменти беруть участь у синтезі клітинної оболонки, репарації ДНК мікроорганізмів [2,11,14,23].

Одним із механізмів резистентності є багатофункціональний характер системи активного викиду (ефлюкса) АБ, токсинів із бактеріальних клітин, який також забезпечує резистентність до впливу зовнішніх токсинів. Усі мікроорганізми мають хромосомні гени, які контролюють систему ефлюкса (помпи). Існують множинні помпи в геномі одного мікроорганізму, визначаючи їх полірезистентність. Помпи беруть участь у синтезі різних речовин мікробної клітини, у колонізації, персистенції бактерій в організмі господаря, у процесах міжклітинної взаємодії -- кворумі [14].

Широке використання АБ призвело до появи в бактеріях плазмід завдяки транс- позонам та інтегронам з генами множинної резистентності. Поява нових АБ веде до появи плазмід із генами резистентності до них.

Механізми резистентності бактерій до протимікробних препаратів: мутації -- зміна генетичної ендогенної інформації, що передається через хромосоми; плазміди і транспозони -- поява екзогенної генетичної інформації. У випадку природної резистентності мікроби відразу є стійкими до конкретного АБ цілого класу [10,19].

Антибіотики чинять вплив на мікроорганізм у випадку проникнення через його мембрану, подальшого транспорту до мішені свого впливу і викликають певні зміни структури і функції мішені, яка є важливою для життєдіяльності мікроба. У зв'язку з цим провідними механізмами набутої резистентності збудників до АБ є: порушення проникності препарату всередину збудника (зменшена проникність клітинної мембрани або активне видалення АБ з клітини, інактивація ферментами); поява нових в-лакта- маз або зміна експресії існуючих; порушення ефективності цитоплазматичного транспорту АБ до мішені; зміна структури самої мішені або формування метаболічного шунта [3,11,14].

Зміна мішені впливу є основним механізмом набутої резистентності до глікопептидів, фторхінолонів. У грамнегативних і грампозитивних мікроорганізмів важливим механізмом формування резистентності є зниження проникності зовнішніх структур мікроорганізму.

Ферментативна інактивація АБ -- це провідний механізм резистентності бактерій до АБ. Ферменти, які руйнують бета-лактамні АБ, називають в-лактамазами. Вони зберігаються в цитоплазмі і виділяються в позаклітинний простір грамнегативними і грампозитивними бактеріями. Першими в-лактамазами були пеніцилінази. Еволюція мікроорганізмів у відповідь на постійне оновлення спектра АБ призвела до того, що на даний час спектр в-лактамаз є досить широким. Різновидом в-лактамаз є цинк в-лактамази -- один з основних механізмів резистентності синьогнійної палички до карбапенемів [1,21].

Характеристика основних в-лактамаз за Bush

Усі відомі в-лактамази поділені на чотири класи (A, B, C, D) залежно від впливу на певні групи АБ і чутливості до інгібіторів. Клас А за цим самим принципом поділений на сім груп. Група 2а в-лактамаз гідролізує природні і напівсинтетичні пеніциліни, є чутливою до інгібіторів. Плазмідна локалізація генів резистентності притаманна усім групам. Решта груп класу А -- в-лактамази широкого спектра (окрім пеніцилінів гідролізують цефалоспори- ни -- ЦС-І) і в-лактамази розширеного спектра: гідролізують пеніциліни природні і напівсинтетичні, ЦС І--ІІІ; окремі в-лактамази є резистентними до інгібіторів.

Класи В, С і D в -лактамаз синтезують тільки грамнегативні бактерії, характерною є хромосомна локалізація генів. Клас В в-лактамаз гідролізує усі в-лактамні АБ, у т.ч. карбапенеми, і є резистентним до інгібіторів. Клас С в-лактамаз гідролізує природні і напівсинтетичні пеніциліни, ЦС І--ІІІ, є нечутливим до інгібіторів. Клас D в-лактамаз розширеного спектра гідролізує усі в-лактамні антибіотики і є малочутливим до інгібіторів [15].

в-лактамази розширеного спектра дії (extended spectrum beta-lactamases) -- ESBL -- руйнують також азтреонам (монобактам), чим зумовлюють резистентність до багатьох «стартових» АБ в інтенсивній терапії і є симптомом поліре- зистентності. Здатність до вироблення ESBL властива грамнегативним бактеріям родини ентеробактерій, з них більшості нозокоміальних штамів (K. pneumoniae, E. coli). Здатність більшості мікроорганізмів виробляти в-лактамази перемагається призначенням захищених АБ (містять інгібітори в-лактамаз) [15,21].

Одним із механізмів антибіотикорезистентності мікроорганізмів є формування біоплівки. Бактерії продукують хімічні речовини -- авто- індуктори, які зв'язуються з рецепторами на поверхні мембрани сусідніх бактерій, активізують у них внутрішньобактеріальні сигнальні шляхи, під впливом яких змінюється експресія окремих генів. Зумовлені автоіндукторами зміни транскрипційної активності генів викликають посилення вірулентності, формування біоплівки та інші процеси, що захищають колонії від факторів агресії зовнішнього середовища [9].

Біоплівка -- це функціонально координована, зв'язана з поверхнею бактерій у захисній полісахаридній оболонці, колонія асоційованих між собою бактерій. Бактерії біоплівки є стійкими до дії АБ. У результаті цього бактерії в біоплівках не гинуть при концентраціях антибіотиків, які в багато разів перевищують бактерицидну для окремих бактерій.

На даний час існує думка, що всі хронічні інфекційні захворювання зумовлені формуванням біоплівки. При досягненні певного розвитку останніх від них відриваються частинки, які розносяться по макроорганізму, і відбувається формування нових біоплівок [9].

Доведено, що бактерії активно взаємодіють між собою, незалежно від приналежності до колоній. Одна з форм міжклітинної взаємодії між бактеріями отримала назву «відчуття кворуму» (quorut sensing) та є властивою бактеріальним колоніям певної порогової кількості. На даний час відомо >100 речовин, які пригнічують механізми «відчуття кворуму» і руйнують біоплівку патогенних мікробів [9,14,21].

Ріст резистентності мікробів (як первинної, так і вторинної) передбачає призначення АБ з дотриманням певних умов: необхідно визначати чутливість бактерій за допомогою антибіотикограми, що контролює усі можливі прояви резистентності в даному біологічному середовищі; проводити моніторинг антибіотикорезистентності і її механізмів у лікувальних закладах з метою адекватної АБТ до отримання результатів бактеріологічного дослідження; правильне призначення АБ (призначення препаратів у достатніх дозах, раціональне застосування нових, кожного разу враховуючи їх фармакокінетику та механізми елімінації). На підставі цього у кожному лікувальному закладі можна мати розроблені інструкції АБТ [2,3,7,12].

Висновки

Для зменшення темпів розвитку антибіотико- резистентності мікроорганізмів необхідно чітко дотримуватись показань, дозування, тривалості лікування протимікробними препаратами. Слід враховувати спектр мікрофлори і її резистентність у даному лікувальному закладі. Необхідно обмежити використання антибіотиків (ДЕ?) та знайти їм альтернативу у ветеринарії.

Література