Мікробіологічні та молекулярно-біологічні основи антибіотикотерапії інфекційних захворювань

1. Класифікація антибіотиків за походженням, хімічною структурою, типом впливу, антимікробним спектром. Терапія інфекційних захворювань – це лікування бактеріальних, вірусних, грибкових, протозойних захворювань за допомогою засобів (лікарських препаратів), які вибірково пригнічують розвиток і розмноження відповідних агентів у організмі людини.

Перші хіміотерапевтичні засоби були синтезові П.Ерліхом – похідні арсену – сальварсан і неосальварсан, що використовувалися для лікування сифілісу. 1932 р. Г.Домагк синтезував перший сульфаніламідний препарат – стрептоцид – родоначальник групи сульфаніламідів, до яких чутливі стрепто-, менінго-, гонококи, хламідії.

Вивчення механізму їх антибактеріальної дії привело до відкриття антиметаболітів – сполук, що мають структурну схожість з найважливішими метаболітами, які беруть участь в анаболічних та катаболічних реакціях (сульфаніламідні – аналоги парааміно-бензойної кислоти, що входить до складу фолієвої, гідрофолієвої кислот; фтівазид – аналог ізонікотинової кислоти; нітрофурани – азотистих основ нуклеїнових кислот).

Ще в позаминулому столітті було відомо, що між різними мікроорганізмами можуть існувати як симбіотичні, так і антагоністичні взаємовідносини. Матеріальною основою антибіозу (теорія І. І. Мечникова про можливість боротьби зі збудниками кишечних захворювань за допомогою молочнокислих бактерій) слугувало спостереження А. Флемінга, який у 1928 році помітив, що колонія Penicillum notatum пригнічувала ріст стафілококів. Речовина, що дифундувала в агар дістала назву пеніциліну. В 1940 році Г.Флорі та Е.Чейном отримана стабільна форма пеніциліну. В 1943 році З.Ваксман виділив з актиноміцетів речовину, що ефективно пригнічувала розвиток туберкульозної палички. Відтоді виділено більше 6000 речовин схожої дії, проте використовують лише 50. В 1942 р. введений термін антибіотик, яким позначають високоактивні метаболічні продукти мікроорганізмів, що вибірково пригнічують ріст бактерій і окремих пухлин (у рослин – фітонциди). Напівсинтетичні антибіотики володіють новими цінними властивостями: кислото- і ферментостійкістю, широким спектром дії, ліпшим розподілом у тканинах і рідинах, меншою кількістю побічних ефектів.

Антибіотикотерапія, на відміну від клінічної фармакотерапії, розглядає систему лікування, ефективність якої визначається взаємодією 3 компонентів – мікроба, лікарського засобу, макроорганізму. Вибір антибіотика ґрунтується на особливостях виділеного чи передбачуваного збудника, його чутливості до засобу, локалізації в організмі. Необхідно також враховувати клініко-лабораторні дані стану хворого, важкість протікання інфекційного процесу, стан імунітету, вік, функцію нирок і печінки.

2. Механізми дії найважливіших антибіотиків. Антибіотики класифікують і характеризують за походженням, хімічним складом, типом впливу, спектром, механізмом дії.

А) Продуценти антибіотиків (мешканці вод і ґрунтів):

• гриби – Aspergillus, Penicillum notatum, Penicillum chrysogenum, Cephalosporium;

• актиноміцети, переважно роду Streptomyces griseus, Streptomyces erythreus, Streptomyces antibioticus, Streptomyces venezuele, Micromonospora;

• бактерії – Bacillus polymyxa.

Антибіотики забезпечують продуцентам селективні переваги (конкуренція за субстрат).

Б) За хімічним складом розрізняють:

• β-лактамні – азотовомісні гетероциклічні сполуки з β-лактамним кільцем. Визначальна роль β-лактамного кільця встановлена у 40-х роках ХХ ст.. Розрізняють групи:

- пеніциліну – природні антибіотики – бензилпеніцилін, фенікси-метилпеніцилін; напівсинтетичні – метицилін, оксацилін, аміцилін, карбаніцилін. Незважаючи на появу нових антибіотиків, пеніциліни продовжують широко використовуватися у практиці, оскільки вони володіють низьким рівнем токсичності, дозволяють застосовувати широкий діапазон дозування, відносно дешеві. До негативних наслідків застосування можна віднести виникнення алергічних реакцій. Активні у відношенні Гр+ бактерій – стрептококів, стафілококів, пневмококів (проте більшість стафілококів на сьогодні резистентні до дії антибіотиків пеніцилінового ряду).

- цефалоспорину – цефалоридин, цефалолексин, кефзол, мандал, кефлор.

• Тетрациклін і його похідні (окситетрациклін, доксициклін) – складаються з 4-х конденсованих бензольних кілець з різними радикалами. Широкий спектр дії проти Гр+ (стафіло-, стрепто-, пневмококів, клостридій, лістерій) і Гр- (гоно-, менінгококів), анаеробів, вібріона, мікоплазм, хламідій, рикетсій, деяких найпростіших. Побічні ефекти – шлунково-кишечні порушення, забарвлення зубів, бактеріостатичний ефект.

• Аміноглікозиди. Мають широкий спектр антимікробної дії (стафілококи, Гр- – кишечна паличка, шигели, протей, клебсіела, ентеробактер, сератія). Виявляють сильну і швидшу бактерицидну дію, рідко викликають алергію, але рівень токсичності високий – ототоксичність, нефротоксичність, нервово-м’язева блокада.

- стрептоміцини – містять стрептидин, стрептозу, N-метил-глюкозамін.

- група, що містить дезоксистрептамін – неоміцин, мономіцин, канаміцин, пентаміцин, гентаміцин, амікацин. Основні показники для застосування гентаміцину – важкі септичні інфекції.

• Макроліди – містять макроциклічне лактонне кільце – еритроміцин, олеандроміцин. Спектр дії, як у пеніцилінів. Бактеріостатичні, низькотоксичні, назначають вагітним при отитах, фагингітах, тонзилітах.

• Полієнові – мають кілька спряжених подвійних зв’язків – ністатин, леворин, амфотерицин В.

• Левоміцетин (хлорамфенікол) активний проти Гр+ і Гр-. Побічні ефекти – гематологічні зсуви, диспепсія, гепато- і нефротоксичність, дисбіоз.

• Рифаміцин.

• Поліміксини – препарати вузького спектра, застосовують проти Гр- бактерій. Дуже токсичні.

Рідше в лікувальній практиці застосовують антибіотики іншої хімічної структури.

В) За дією:

• Бактеріостатична – макроліди, тетрацикліни, левоміцетин. Застосовують у стадії доліковування або при середніх важкостях протікання хвороби.

• Бактерицидна – пеніциліни, цефалоспорини, аміноглікозиди, рифаміцини. Застосовують на початку хвороби. Антимікробну (антибактеріальну) дію раніше визначали в одиницях дії – ОД, що містяться в 1 мл розчину препарату чи в 1 мг хімічної чистої речовини. На теперішній час активність переважної більшості антибіотиків вимірюють у мікрограмах. Звичайно 1 мкг хімічно чистого препарату відповідає 1 ОД, хоча для окремих, випущених раніше антибіотиків, співвідношення інше – в 1 мг натрієвої солі бензилпеніциліну міститься 1,67 ОД, в 1 мкг ністатину – 4 ОД.

Г) За антимікробним спектром: вузького спектра (пеніциліни, полієнові) та широкого спектра дії. Чим ширший спектр, тим легше не помилитися, коли збудник не ідентифікований. Однак такі препарати викликають загибель корисної мікрофлори кишечнику (препарати нового покоління тетрацикліни, макроліди, цефалоспорини, аміноглікозиди).

Д) За механізмом дії викликають:

• Пригнічення різних етапів синтезу клітинної стінки – пеніциліни, цефалоспорини. Мішені дії препаратів – ферменти транс- і карбоксипептидази, що каталізують утворення поперечних зшивок у молекулах пептидоглікану. Зумовлюють загибель молодих клітин. Не діють на мікоплазми.

• Порушення функціонування цитоплазматичної мембрани – ністатин, міконазол, леворин, поліміксин, взаємодіють з ергостерином (ністатин утворює у мембрані пори, через які втрачаються К+, ферменти) чи білками (поліміксин).

• Пригнічення синтезу білка на рівні рибосом:

– Аміноглікозиди підвищують спорідненість аміноацил-тРНК до А-сайта, що призводить до зв’язування помилкових, не відповідних кодону матриці аміноацил-тРНК і викликає помилки при зчитуванні генетичної інформації.

– Тетрацикліни – зв’язуються з 30S та інгібують мРНК-залежне зв’язування аміноацил-тРНК з А-сайтом, пригнічуючи початкову стадію білкового синтезу.

– Макроліди – зв’язуються з 50S, інгібують транспептидацію, тобто перенесення поліпептидного ланцюга на аміноацил-тРНК, приєднану до А-сайту, і транслокацію – переміщення пептидилРНК з А-сайта в П-сайт.

– Левоміцетин – пригнічує пептидилтрансферазну реакцію.

• Інгібування ДНК-залежної РНК-полімерази – рифаміцин.

• Порушення реплікації – актиноміцетин (рух ДНК-полімерази), мітоміцин (ковалентні зшивки між ланцюгами ДНК), блеоміцин (комплексоутворення з ДНК і фрагментація геному).

3. Лікарська резистентність мікроорганізмів і шляхи її подолання. Ще на початку розвитку хіміотерапії під час вивчення дії трипанового синього на трипаносоми П.Ерліх помітив появу резистентних форм мікроорганізмів до даного барвника. З розширенням арсеналу хіміотерапевтичних засобів збільшувалася кількість стійких бактеріальних форм. На сьогодні день виявлено 90-98% пеніцилостійких стафілококів, 60-70% стрептоміциностійких стафілококів, 90% ампіциліностійких шигел.

Механізми резистентності складні та різноманітні. Найчастіше вони пов’язані з:

• перетворенням активної форми антибіотика в неактивну шляхом ферментативної інактивації та модифікації. Біохімічні механізми резистентності бактерій до β-лактамних антибіотиків пов’язані з індуцибельним синтезом бета-лактамази, змінами в пеніцилінзв’язуючих білках. Біохімічні механізми резистентності до аміноглікозидних антибіотиків і левоміцетину залежать від здатності бактерій утворювати ацетилтрансферазу, аденілтрансферазу, фосфотрансферазу, які викликають відповідно ацетилювання, аденілювання, фосфорилювання даних препаратів.

• активним виведенням антибіотиків завдяки функціонуванню транспортних білків;

• порушеннями в системі транспорту препарату в бактеріальну клітину (змінюється структура поринових каналів). Мішені, локалізовані у ЦПМ або в цитоплазмі, змінюються (проникають гідрофільні) – тетрацикліни;

• виникненням у мікроорганізмів альтернативного шляху життєво важливого метаболіту, що замінює основний шлях блокований препаратом;

• модифікацією чутливої мішені.

Механізми резистентності поділяють на:

- первинні – пов’язані з відсутністю „мішені” дії препарату – резистентність мікоплазм до дії пеніциліну;

- набуті – пов’язані зі змінами „мішені” в результаті модифікацій, мутацій, рекомбінацій. Гени резистентності (r-гени) передаються плазмідами (кілька генів, що формують множинну лікарську резистентність) і транспозонами (передають резистентність до одного препарату).

Кількість мутованих клітин, які володіють стійкістю до певного препарату в популяції спочатку складає одну на 105-109 інтактних клітин. Передача r-генів призводить до збільшення їх кількості. Масовій селекції та розповсюдженню антибіотикорезистентних бактеріальних популяцій сприяє багато факторів: безконтрольне і нераціональне застосування препаратів для лікування та профілактики інфекційних захворювань, використання харчових продуктів (м’ясо птахів), що містять тетрацикліни, та ін.

Боротьба з лікарсько-стійкими бактеріями проводиться різними шляхами:

- отримання нових препаратів, що відрізняються механізмом дії;

- використання інгібіторів синтезу бактеріальних ферментів (клавуланова кислота, сульбактам) і препаратів, що перешкоджають адгезії бактерій на клітинах макроорганізмів;

- обмеження розповсюдження лікарсько-стійких форм бактерій;

- заборона до застосування антибіотиків без достатніх показань;

- заборона використання медичних антибіотиків для консервації харчових продуктів, кормових добавок, прискорення росту, профілактики і лікування тварин;

- систематичне виявлення носіїв антибіотикостійких бактерій і профілактичні та очисні роботи.