Механизмы резистентности бактерий к β-лактамным антибиотикам и способы борьбы с ними
Авторы: Орлова Анастасия Cергеевна, Гайдуков Константин Михайлович
В настоящей статье представлены основные механизмы взаимодействия β-лактамных антибиотиков с бактериальной клеткой, в частности, воздействие препарата на структуру клеточной стенки и развитие в связи с этим резистентности микроорганизма к лекарству.
1. Почему антибиотики уничтожают клетки бактерий и не влияют на клетки человека?
Давайте разберемся. Для начала установим, в чем главное отличие между клеткой человека и бактериальной клеткой? Обе клетки содержат цитоплазматическую мембрану, которая отграничивает их от внешней среды, но клетка человека является эукариотической клеткой, так как содержит ядро; бактериальная же является прокариотической - ядра не содержит.
Пока остановимся на этом и перейдем к рассмотрению такого явления как осмос. Зачем мы его рассматриваем, в нашей теме будет понятно дальше.
Осмос - это перенос растворителя через полупроницаемую мембрану из области низкой концентрации растворенного вещества в область высокой концентрации растворенного вещества, разумеется, что молекулы растворенного вещества пройти через поры мембраны не могут.
Рассмотрим этот процесс на следующем примере. Возьмем стакан, посередине которого имеется полупроницаемая мембрана (проницаема для воды, но непроницаема для растворенного в ней вещества), а по обе стороны два водных раствора с разной концентрацией растворенного вещества. Вода перейдет через мембрану в область высокой концентрации вещества, стремясь выровнять концентрации по обе стороны мембраны.
Как вы считаете, с какой стороны мембраны будет более высокий столбик жидкости после выравнивания концентрации?
Более высокий столбик воды будет там, где исходная концентрация растворенного вещества была выше. Такая картина несколько парадоксальна для нашего житейского опыта, но если мы с вами проведем данный эксперимент, то увидим, что она верна, в стакане с разных сторон мембраны будут разные уровни водных столбиков.
Осмос (осмотическая сила, по средствам которой переходит растворитель через мембрану) не зависит от химической природы растворенного вещества (соли, белки), а зависит только от числа растворенных частиц в единице объема растворителя.
Теперь давайте перейдем к нашим клеткам.
Биологические мембраны по своей сути являются полупроницаемыми мембранами, отграничивающими клетку от внешней среды. Клетка находиться в жидкой среде организма, где вода растворитель, а разные молекулы солей, ионов, белков и так далее находятся в растворенном состоянии как снаружи клетки, так и внутри нее. Стало быть, на клетку действуют осмотические силы - осмос - перемещая воду то внутрь клетки, то из нее, в зависимости от концентрации (осмолярности) растворенных веществ снаружи и внутри клетки. Растворы с осмолярностью, равной осмолярности цитоплазмы клетки (внутренней среды клетки), называют изотоническими по отношению к клетке, и вода в данном случае никуда не перемещается, как бы сохраняется стационарное состояние - состояние осмотического равновесия - клетка не набухает от воды и не сжимается от ее потери. Данное состояние характерно для нормальной жизни клетки в условиях организма. В гипертоническом растворе, осмолярность которого превышает осмолярность цитоплазмы, клетки сжимаются, теряя воду, так как вода выходит наружу через мембрану. Напротив, в гипотоническом растворе, осмолярность которого ниже осмолярности цитоплазмы, клетки набухают, поскольку в них усиленно проникает вода.
Ранее мы сказали, что бактериальная клетка безъядерная, а человеческая с ядром. Но это, разумеется, не все отличия, в частности, есть еще кое-что. Ядро нужно для отделения генетического аппарата (молекулы ДНК) от цитоплазмы и здесь стоит отметить, что внутри человеческой клетки многие молекулы упакованы в свои оболочки, как ДНК упакована в ядре. Данные упаковки называются компартментами. Бактериальная же клетка таких компартментов не имеет, ее генетический аппарат (ДНК или РНК) свободно находится в цитоплазме, как и многие другие молекулы: белки, ферменты и так далее. Разумеется, все это приводит к одной проблеме, а именно, к увеличению количества свободных молекул (комплексов молекул) неограниченных ничем в бактериальной клетке, по сравнению с человеческой, где молекулы упакованы в компартменты, что снижает количество свободно находящихся молекул в цитоплазме человеческой клетки.
Стало быть, осмолярность бактериальной клетки намного больше чем человеческой. А значит, если обе клетки поместить в одинаковые условия, например, в организм человека, то человеческая клетка будет в состоянии изоосмолярности (количество свободных молекул в цитоплазме соответствует количеству молекул снаружи клетки), тогда как бактериальная клетка в условиях гипотоничности, так как ее осмолярность выше, чем человеческой и выше среды человеческого организма. Поэтому бактериальная клетка в условиях организма человека будет набухать от воды и в итоге лопаться, разрушаться (осмотический лизис). Но почему этого не происходит? Ведь мы знаем, что бактерии не только вызывают болезни человека, но и живут в его организме (сапрофитная флора).
2. Почему же бактерии не умирают от набухания - осмотического лизиса, когда попадают в организм человека?
Потому что когда мы говорили об устройстве бактериальной клетки, мы упустили существенную вещь, а именно то, что бактериальная клетка устроена несколько сложнее, чем мы показали выше: помимо цитоплазматической мембраны у бактериальной клетки снаружи есть еще клеточная стенка. Она имеет жесткую структуру, препятствующую набуханию клетки, как корсет препятствует глубокому вдоху.
Теперь разберемся, из чего состоит клеточная стенка. Чем же обеспечена ее жесткость?
Клеточная стенка содержит поперечно сшитый биополимер - пептидогликан, который состоит из полисахаридов и полипептидов. С полисахаридами связаны короткие поперечные полипептидные цепи.
Эти полипептидные цепи придают окончательную жесткость клеточной стенке. Их синтез осуществляется при помощи фермента Пенициллин-связывающего белка (транспептидазы), катализируемого транспептидазную реакцию.
В начале двадцатого века Александр Флеминг открыл пенициллин - антибиотик, уничтожающий бактерии, но не клетки человека.
3. Почему пенициллин уничтожает бактерии, но не клетки человека?
Ответ кроется в наличии клеточной стенки у бактерии и отсутствии ее у человека.
Пенициллин относится к группе β-лактамных антибиотиков. Все антибиотики этой группы имеют в своей структуре β-лактамное кольцо.
К группе β-лактамных антибиотиков относятся:
• пенициллины,
• цефалоспорины,
• карбапенемы и
• мнобактамы.
Все β-лактамные антибиотики являются селективными ингибиторами синтеза клеточной стенки. Так как они своим β-лактамным кольцом ковалентно связываются с ферментом осуществляющим один из этапов синтеза клеточной стенки, а именно, они связываются с пенициллин-связывающими белками ингибируя (выключая) их. Синтез клеточной стенки становится невозможным, бактериальная клетка теряет ее, что приводит к гибели клетки, так как она сразу набухает от окружающей ее воды, если она находится в теле человека, где среда по отношению к ней гипотонична и лопается по типу осмотический лизиса описанного выше.
Пенициллин-связывающего белка, как и клеточной стенки у человека нет, поэтому пенициллин не может повредить человеческую клетку, и в сущности, безвреден для человека, если исключить аллергические реакции на лекарство (пенициллин) и проблему связанную с тем, что при применении антибиотика может быть уничтожена сапрофитная (полезная) флора человека.
β-лактамные антибиотики используют для лечения многих заболеваний в том числе гнойных, вызванных таким видом бактерий как Золотистым стафилококком (лат. Staphylococcus aureus). Но, к сожалению, сейчас гнойная инфекция вызванная данным возбудителем в подавляющем числе случаев не поддается лечению этими антибиотиками.
4. Почему инфекция не поддается лечению данными антибиотиками?
Все дело в том, что бактерии, как и любые другие живые организмы, хотят жить, невзирая на то, что мы хотим их уничтожить (с целью лечения инфекций). Поэтому они изобретают механизмы борьбы с нашими антибиотиками.
Обсудим некоторые из них.
Некоторые бактерии вырабатывают ферменты β-лактамазы, которые инактивируют пенициллины, разрушая β-лактамное кольцо, так поступает большинство Золотистых стафилококков.
Данное явление называется резистентностью микроорганизмов к антибиотикам.
На что человек дал два ответа.
Первый из них - это изменение химической структуры β-лактамного антибиотика, в частности пенициллина, превращение его в оксациллин или цефалоспорины, что защищает β-лактамное кольцо.
Но на это бактерии ответили синтезом расширенных β-лактамаз, которые разрушают β-лактамное кольцо как у оксациллина, так и у цефалоспоринов. При этом сейчас некоторые бактерии синтезируют такие β-лактамазы как металло-β-лактамазы, которые разрушают даже карбапенемы.
Второй ответ человека - это использование ингибиторов β-лактамаз вместе с антибиотиком. Ингибитор подавит фермент (β-лактамазу), что не даст последнему разрушить антибиотик.
Но стоит отметить, что бактерии и в частности Золотистые стафилококки дали свой ответ на этот вызов человека. Ведь вызов затрагивает их жизни.
Часть стафилококков приобрела очень серьезную резистентность к β-лактамным антибиотикам, где применение даже цефалоспоринов с ингибиторами В-лактамаз не уничтожает бактерию.
Что это за резистентность и что это за стафилококки?
Это так называемые метициллин-резистентные Золотистые стафилококки (MRSA). Инфекция, вызванная ими встречается у 1 - 24 % больных, при этом среди Золотистых стафилококков доля MRSA встречается от 5% до 54 %, что вызывает серьезные опасения у врачей [M. Dulon et al., 2011].
5.В чем же заключается механизм резистентности?
В том, что MRSA просто взяли и изменили пенициллин-связывающий белок, вернее то место, к которому прикрепляется В-лактамное кольцо антибиотика. И теперь В-лактамный антибиотик не может прикрепиться к ферменту, а значит, не может его ингибировать и тем самым подавить синтез клеточной стенки.
Таким образом, инфекцию, вызванную MRSA вообще нельзя лечить β-лактамными антибиотики. Поэтому в данном случае применяют антибиотики из группы гликопептидов или оксазолидинонов с другими механизмами действия. Но и для этих антибиотиков стафилококки уже вырабатывают резистентность, что для человека бросает вызов. Вызов, который мы должны парировать так же изящно как ранее это делали, обсуждаемые в нашей статье маленькие безъядерные клеточки, отвечая на наши вызовы в борьбе с ними. А значит, борьба продолжается и науке есть чем заняться.
___________
Литература:
Б. Г. Ктцунг. Базисная и клиническая фармакология: Том 2 / Пер. с англ. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.; СПб.: Изд. БИНОМ, Изд. «Диалект», 2008., с. 259 - 284.
Д. Нельсон, М. Кокс. Основы биохимии Ленинджера: Том 1 / Пер. с англ. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2012., с. 84 - 88.
B. G. Katzung, S. B.Masters, A. J. Trevor. Basic and Clinical pharmacology, 12th edition / NY.: Mc Graw Hill Medical, 2012., p. 789-806.
M. Dulon et al. MRSA prevalence in european healthcare settings: a review / BMC Infect Dis. 2011; 11: 138.
В настоящей статье представлены основные механизмы взаимодействия β-лактамных антибиотиков с бактериальной клеткой, в частности, воздействие препарата на структуру клеточной стенки и развитие в связи с этим резистентности микроорганизма к лекарству.
1. Почему антибиотики уничтожают клетки бактерий и не влияют на клетки человека?
Давайте разберемся. Для начала установим, в чем главное отличие между клеткой человека и бактериальной клеткой? Обе клетки содержат цитоплазматическую мембрану, которая отграничивает их от внешней среды, но клетка человека является эукариотической клеткой, так как содержит ядро; бактериальная же является прокариотической - ядра не содержит.
Пока остановимся на этом и перейдем к рассмотрению такого явления как осмос. Зачем мы его рассматриваем, в нашей теме будет понятно дальше.
Осмос - это перенос растворителя через полупроницаемую мембрану из области низкой концентрации растворенного вещества в область высокой концентрации растворенного вещества, разумеется, что молекулы растворенного вещества пройти через поры мембраны не могут.
Рассмотрим этот процесс на следующем примере. Возьмем стакан, посередине которого имеется полупроницаемая мембрана (проницаема для воды, но непроницаема для растворенного в ней вещества), а по обе стороны два водных раствора с разной концентрацией растворенного вещества. Вода перейдет через мембрану в область высокой концентрации вещества, стремясь выровнять концентрации по обе стороны мембраны.
Как вы считаете, с какой стороны мембраны будет более высокий столбик жидкости после выравнивания концентрации?
Более высокий столбик воды будет там, где исходная концентрация растворенного вещества была выше. Такая картина несколько парадоксальна для нашего житейского опыта, но если мы с вами проведем данный эксперимент, то увидим, что она верна, в стакане с разных сторон мембраны будут разные уровни водных столбиков.
Осмос (осмотическая сила, по средствам которой переходит растворитель через мембрану) не зависит от химической природы растворенного вещества (соли, белки), а зависит только от числа растворенных частиц в единице объема растворителя.
Теперь давайте перейдем к нашим клеткам.
Биологические мембраны по своей сути являются полупроницаемыми мембранами, отграничивающими клетку от внешней среды. Клетка находиться в жидкой среде организма, где вода растворитель, а разные молекулы солей, ионов, белков и так далее находятся в растворенном состоянии как снаружи клетки, так и внутри нее. Стало быть, на клетку действуют осмотические силы - осмос - перемещая воду то внутрь клетки, то из нее, в зависимости от концентрации (осмолярности) растворенных веществ снаружи и внутри клетки. Растворы с осмолярностью, равной осмолярности цитоплазмы клетки (внутренней среды клетки), называют изотоническими по отношению к клетке, и вода в данном случае никуда не перемещается, как бы сохраняется стационарное состояние - состояние осмотического равновесия - клетка не набухает от воды и не сжимается от ее потери. Данное состояние характерно для нормальной жизни клетки в условиях организма. В гипертоническом растворе, осмолярность которого превышает осмолярность цитоплазмы, клетки сжимаются, теряя воду, так как вода выходит наружу через мембрану. Напротив, в гипотоническом растворе, осмолярность которого ниже осмолярности цитоплазмы, клетки набухают, поскольку в них усиленно проникает вода.
Ранее мы сказали, что бактериальная клетка безъядерная, а человеческая с ядром. Но это, разумеется, не все отличия, в частности, есть еще кое-что. Ядро нужно для отделения генетического аппарата (молекулы ДНК) от цитоплазмы и здесь стоит отметить, что внутри человеческой клетки многие молекулы упакованы в свои оболочки, как ДНК упакована в ядре. Данные упаковки называются компартментами. Бактериальная же клетка таких компартментов не имеет, ее генетический аппарат (ДНК или РНК) свободно находится в цитоплазме, как и многие другие молекулы: белки, ферменты и так далее. Разумеется, все это приводит к одной проблеме, а именно, к увеличению количества свободных молекул (комплексов молекул) неограниченных ничем в бактериальной клетке, по сравнению с человеческой, где молекулы упакованы в компартменты, что снижает количество свободно находящихся молекул в цитоплазме человеческой клетки.
Стало быть, осмолярность бактериальной клетки намного больше чем человеческой. А значит, если обе клетки поместить в одинаковые условия, например, в организм человека, то человеческая клетка будет в состоянии изоосмолярности (количество свободных молекул в цитоплазме соответствует количеству молекул снаружи клетки), тогда как бактериальная клетка в условиях гипотоничности, так как ее осмолярность выше, чем человеческой и выше среды человеческого организма. Поэтому бактериальная клетка в условиях организма человека будет набухать от воды и в итоге лопаться, разрушаться (осмотический лизис). Но почему этого не происходит? Ведь мы знаем, что бактерии не только вызывают болезни человека, но и живут в его организме (сапрофитная флора).
2. Почему же бактерии не умирают от набухания - осмотического лизиса, когда попадают в организм человека?
Потому что когда мы говорили об устройстве бактериальной клетки, мы упустили существенную вещь, а именно то, что бактериальная клетка устроена несколько сложнее, чем мы показали выше: помимо цитоплазматической мембраны у бактериальной клетки снаружи есть еще клеточная стенка. Она имеет жесткую структуру, препятствующую набуханию клетки, как корсет препятствует глубокому вдоху.
Теперь разберемся, из чего состоит клеточная стенка. Чем же обеспечена ее жесткость?
Клеточная стенка содержит поперечно сшитый биополимер - пептидогликан, который состоит из полисахаридов и полипептидов. С полисахаридами связаны короткие поперечные полипептидные цепи.
Эти полипептидные цепи придают окончательную жесткость клеточной стенке. Их синтез осуществляется при помощи фермента Пенициллин-связывающего белка (транспептидазы), катализируемого транспептидазную реакцию.
В начале двадцатого века Александр Флеминг открыл пенициллин - антибиотик, уничтожающий бактерии, но не клетки человека.
3. Почему пенициллин уничтожает бактерии, но не клетки человека?
Ответ кроется в наличии клеточной стенки у бактерии и отсутствии ее у человека.
Пенициллин относится к группе β-лактамных антибиотиков. Все антибиотики этой группы имеют в своей структуре β-лактамное кольцо.
К группе β-лактамных антибиотиков относятся:
• пенициллины,
• цефалоспорины,
• карбапенемы и
• мнобактамы.
Все β-лактамные антибиотики являются селективными ингибиторами синтеза клеточной стенки. Так как они своим β-лактамным кольцом ковалентно связываются с ферментом осуществляющим один из этапов синтеза клеточной стенки, а именно, они связываются с пенициллин-связывающими белками ингибируя (выключая) их. Синтез клеточной стенки становится невозможным, бактериальная клетка теряет ее, что приводит к гибели клетки, так как она сразу набухает от окружающей ее воды, если она находится в теле человека, где среда по отношению к ней гипотонична и лопается по типу осмотический лизиса описанного выше.
Пенициллин-связывающего белка, как и клеточной стенки у человека нет, поэтому пенициллин не может повредить человеческую клетку, и в сущности, безвреден для человека, если исключить аллергические реакции на лекарство (пенициллин) и проблему связанную с тем, что при применении антибиотика может быть уничтожена сапрофитная (полезная) флора человека.
β-лактамные антибиотики используют для лечения многих заболеваний в том числе гнойных, вызванных таким видом бактерий как Золотистым стафилококком (лат. Staphylococcus aureus). Но, к сожалению, сейчас гнойная инфекция вызванная данным возбудителем в подавляющем числе случаев не поддается лечению этими антибиотиками.
4. Почему инфекция не поддается лечению данными антибиотиками?
Все дело в том, что бактерии, как и любые другие живые организмы, хотят жить, невзирая на то, что мы хотим их уничтожить (с целью лечения инфекций). Поэтому они изобретают механизмы борьбы с нашими антибиотиками.
Обсудим некоторые из них.
Некоторые бактерии вырабатывают ферменты β-лактамазы, которые инактивируют пенициллины, разрушая β-лактамное кольцо, так поступает большинство Золотистых стафилококков.
Данное явление называется резистентностью микроорганизмов к антибиотикам.
На что человек дал два ответа.
Первый из них - это изменение химической структуры β-лактамного антибиотика, в частности пенициллина, превращение его в оксациллин или цефалоспорины, что защищает β-лактамное кольцо.
Но на это бактерии ответили синтезом расширенных β-лактамаз, которые разрушают β-лактамное кольцо как у оксациллина, так и у цефалоспоринов. При этом сейчас некоторые бактерии синтезируют такие β-лактамазы как металло-β-лактамазы, которые разрушают даже карбапенемы.
Второй ответ человека - это использование ингибиторов β-лактамаз вместе с антибиотиком. Ингибитор подавит фермент (β-лактамазу), что не даст последнему разрушить антибиотик.
Но стоит отметить, что бактерии и в частности Золотистые стафилококки дали свой ответ на этот вызов человека. Ведь вызов затрагивает их жизни.
Часть стафилококков приобрела очень серьезную резистентность к β-лактамным антибиотикам, где применение даже цефалоспоринов с ингибиторами В-лактамаз не уничтожает бактерию.
Что это за резистентность и что это за стафилококки?
Это так называемые метициллин-резистентные Золотистые стафилококки (MRSA). Инфекция, вызванная ими встречается у 1 - 24 % больных, при этом среди Золотистых стафилококков доля MRSA встречается от 5% до 54 %, что вызывает серьезные опасения у врачей [M. Dulon et al., 2011].
5.В чем же заключается механизм резистентности?
В том, что MRSA просто взяли и изменили пенициллин-связывающий белок, вернее то место, к которому прикрепляется В-лактамное кольцо антибиотика. И теперь В-лактамный антибиотик не может прикрепиться к ферменту, а значит, не может его ингибировать и тем самым подавить синтез клеточной стенки.
Таким образом, инфекцию, вызванную MRSA вообще нельзя лечить β-лактамными антибиотики. Поэтому в данном случае применяют антибиотики из группы гликопептидов или оксазолидинонов с другими механизмами действия. Но и для этих антибиотиков стафилококки уже вырабатывают резистентность, что для человека бросает вызов. Вызов, который мы должны парировать так же изящно как ранее это делали, обсуждаемые в нашей статье маленькие безъядерные клеточки, отвечая на наши вызовы в борьбе с ними. А значит, борьба продолжается и науке есть чем заняться.
___________
Литература:
Б. Г. Ктцунг. Базисная и клиническая фармакология: Том 2 / Пер. с англ. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.; СПб.: Изд. БИНОМ, Изд. «Диалект», 2008., с. 259 - 284.
Д. Нельсон, М. Кокс. Основы биохимии Ленинджера: Том 1 / Пер. с англ. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2012., с. 84 - 88.
B. G. Katzung, S. B.Masters, A. J. Trevor. Basic and Clinical pharmacology, 12th edition / NY.: Mc Graw Hill Medical, 2012., p. 789-806.
M. Dulon et al. MRSA prevalence in european healthcare settings: a review / BMC Infect Dis. 2011; 11: 138.