Найбільш поширені біохімічні механізми антибіотикорезистентності

1. Ензиматична інактивація (ферментативне руйнування чи модифікація).

В основі механізму лежить руйнування антибіотика ще до його проникнення в цитоплазму клітини, тобто у зовнішньому середовищі, чи у периплазматичному просторі грам негативних бактерій. При цьому мішені антибіотиків в цитоплазмі клітини залишаються інтактними. Інактивація здійснюється за рахунок синтезованих бактерією специфічних ферментів, що розщеплюють антибіотик до безпечних для неї структур. Гени, що містяться в R-плазмідах кодують білки, що викликають різноманітні модифікації молекул антибіотика шляхом їх фосфорилювання, аденілування чи ацетилування [30].

Як інактивуючі ферменти відомі представники гідролаз — бета-лактамази, що каталізують розщеплення бета-лактамного кільця у пеніцилінів, цефалоспоринів та інших бета-лактамів. Естерази, що діють на еритроміцин та деякі інші антибіотики близькі до нього за структурою.

Інша група інактивуючих ферментів — трансферази. До них належать левоміцетин- (хлорамфенікол-)-ацетилтрансферази, аміноглікозидацетил, фосфо- або аденілілтрансферази і фосфотрансферази, що діють на еритроміцин.

Механізми інактивації існували у бактерій, що продукують антибіотики, задовго до початку використання цих речовин у медицині. Скоріш за все, вони виконували функції захисту бактерії-продуцента від власного антибіотика. Це пояснює той факт, що на відміну від антибіотиків (речовин природного походження), хіміотерапевтичні препарати, як правило, не інактивуються мікробною клітиною.

2. Активне виведення антибіотика з мікробної клітии (ефлюкс).

Здійснюється за рахунок мембранних ТЕТ-білків, що кодуються хромосомними чи плазмідними генами. Такі трансмембранні помпи здатні транспортувати токсичні речовини, ксенобіотики, в тому числі і антибіотики більшості відомих на даний момент класів, крім глікопептидів, із внутрішньоклітинного простору в зовнішнє середовище [29].

На даний момент описано 5 основних сімейств бактеріальних протонних помп, що забеспечують активне виведення екзогенних речовин (в тому числі і антибіотиків) із бактеріальної клітини. [1]

1. ABC суперсімейство АТФ-зв’язування касет ( ATP-binding Cassette);

2. MF суперсімейство (Major Facilitator Superfamily);

3. MATE сімейство (Multidrug And Toxic Compound Extrusion);

4. SMR сімейство (Small Multidrug Resistance);

5. RND суперсімейство (Resistance-Nodulation-Division);

«Базова» активність цих систем у значній мірі визначає рівень природної чутливості бактерій до антимікробних препаратів. При активації виведення відмічають формування набутої резистентності.

Такий механізм характерний для тетрациклінів. Молекули антибіотика, що потрапили в цитоплазму мікробної клітини, як правило, виводяться настільки швидко, що препарат не встигає прореагувати зі своєю мішенню — рибосомою.

3) Структурні зміни в молекулах, що є мішенями для антибіотиків:

Структура мішеней дії антибіотиків може змінюватись в результаті спонтанних мутацій в генах, що їх кодують. Частина таких мутацій призводить до зниження (чи втрати) здатності мішені зв’язуватися з антибіотиком. Внаслідок чого, антибіотик, що проник в клітину не знаходить своєї мішені і не може заблокувати біохімічні процеси.

Зміни в структурі білків рибосом 70S лежать в основі стійкості до стрептоміцину, аміноглікозидів, макролідів, тетрациклінів та інших антибіотиків. Зміна структури

бактеріальних гіраз у результаті мутацій призводить до формування резистентності до хінолонів; РНК-полімераз — до рифампіцину; пеніцилінзв’язувальних білків (трансфераз) — до бета-лактамів.

Також бактерія може продукувати альтернативні мішені, резистентні до пригнічуючої дії антибіотика. Вони зв’язують антибіотик і позбавляють його можливості вразити справжні мішені. Зазвичай у якості хибних цілей виступають ферменти.

Внаслідок генних мутацій, обмін речовин мікроорганізму може бути змінений таким чином, що заблоковані антибіотиком реакції більше не будуть критичними для життєдіяльності мікроорганізму. 4) Порушення проникності мікробної клітини.

Цей механізм розповсюджений, в основному, серед грамнегативних бактерій, що мають зовнішню мембрану і є найменш специфічним по відношенню до різних груп антибіотиків.

Транспорт гідрофільних антибіотиків всередину мікробної клітини здійснюється через поринові канали. Ефективність транспорту (як і ефективність ефлюксу) визначає рівень природної чутливості бактерій до різних груп антибіотиків.

Проникність оболонки бактеріальної клітини до хіміопрепаратів послаблюється в результаті зменшення кількості білків-поринів і утворених ними водних каналів у зовнішній мембрані, через які дифундують препарати. При порушенні структури поринових каналів чи їх втраті, ефективність транспорту антибіотиків різко знижується, що проявляється у формуванні стійкості до кількох класів препаратів.

Такий механізм резистентності може реалізуватися по відношенню до бета-лактамаів, аміно-глікозидів, фторхінолонів та ін.

Деякі види бактерій, наприклад Pseudomonas aeruginosa, є резистентними на рівні проникності мембрани завдяки низькій кількості поринів у складі внутрішньої мембрани, що разом з високоефективною роботою трансмембранних помп, робить цей мікроорганізм надзвичайно стійким до широкого спектру антибіотиків [8].

Антимікробні агенти з вираженою гідрофобністю (деякі пеніциліни, фторхінолони, тетрацикліни та ін.) проникають в клітину через ліпідні ділянки зовнішньої мембрани. Зміни у структурі ліпідів можуть впливати на резистентність.

Було встановлено, що частина ліпополісахариду, що знаходиться у верхньому шарі внутрішньої мембрани, відіграє основну роль в бар’єрній функції внутрішньої мембрани по відношенню до гідрофобних антибіотиків, таких як аміноглікозиди (гентаміцин и канаміцин), макроліди (еритроміцин), рифаміцин, новобіоцин, і позитивно заряджені пептиди, а також до тетрациклінів і фторхінолонів, хоча останні два класи антибіотиків також здатні проникати і через порини. Бактеріальні штами, здатні до експресії довгих оліго- и полісахаридних частин ліпополісахариду мають вроджену стійкість до цих антибіотиків [8] [9].

Через цитоплазматичну мембрану деякі антибіотики, наприклад аміноглікозиди, проникають з допомогою специфічних енергозалежних транспортных систем. За відсутності функціонуючих цитохромних систем електронного транспорту припиняється перенесення в клітину аміноглікозидів. Цим пояснюється різке зниження активності аміноглікозидів в анаеробних умовах і природна резистентність до них анаеробів.

При порушенні структури поринових каналів чи їх втраті ефективність транспорту антибіотиків різко знижується, що проявляється у формуванні стійкості до кількох класів препаратів.