Proti antibiotikom odporni psevdomonas in acinetobakter

Uvod

Acinetobakter in psevdomonas sta rodova gramnegativnih bakterij, ki predstavljata velik izziv v današnjem zdravstvu. Problematični sta predvsem vrsti Acinetobacter baumanii in Pseudomonas aeruginosa. Pogosto se pojavljata v bolnišnicah, kjer napadeta predvsem imunsko oslabljene posameznike. Povzročata različna vnetja, pogosta je ventilatorska pljučnica, s katero se okužijo bolniki priključeni na dihalne aparate. Kar 30-70 % tovrstnih okužb se konča s smrtnim izidom. Zaradi vse večje odpornosti na nam znane antibiotike ju je organizacija WHO uvrstila v skupino najbolj kritičnih bakterij. Zaradi napačne in prekomerne uporabe antibiotikov, se število odpornih bakterij povečuje, s tem pa se povečuje tudi potreba po razvoju novih zdravil. Zato, da to lahko storimo pa moramo dobro poznati mehanizme odpornosti, proti katerim se borimo.

Mehanizmi odpornosti pri bakteriji Psevdomonas

Psevdomonas je rod gramnegativnih bakterij, ki imajo razvito odpornost proti številnim antibiotikom. Zaradi sposobnosti prilagajanja na različne okoljske pojave pa so tudi zelo razširjene. Do okužb pogosto prihaja v zdravstvenih ustanovah in pri bolnikih z rakom, cistično fibrozo ali z opeklinami. Tovrstne bolezni se zaradi okužbe v kar 50 % končajo s smrtnim izidom. Zmanjšana prepustnost zunanje membrane, aktivno izčrpavanje antibiotika iz celice in encimska inhibicija le-tega prispevajo k visoki naravni odpornosti bakterije.

Selektivna prepustnost zunanje membrane ščiti bakterijo pred vstopanjem antibiotikov v celico. Vendar pa nekateri hidrofilni antibiotiki (npr. ß-laktami, tetraciklini, fluorokinoloni) prehajajo zunanjo membrano preko nespecifičnih vodnih kanalčkov porinov, ki so sicer namenjeni za prenos hranilnih snovi. Psevdomonas se temu izogne s povečanjem deleža specifičnih porinov v zunanji membrani. Preko porina OprD v bakterijo poteka vnos bazičnih aminokislin, majhnih peptidov in antibiotika karbapenema. Bakterija je proti tovrstnemu antibiotiku razvila odpornost z znižano ravnjo prepisovanja gena oprD. To je lahko posledica delecij oz. insercij v promotorski regiji ali prezgodnje prekinitve prepisovanja.

K bakterijski odpornosti prispeva tudi aktivno izčrpavanje antibiotikov in strupenih snovi iz celice preko črpalk, več-proteinskih kompleksov, ki prehajajo tako notranjo kot zunanjo membrano. V bakteriji je najpogostejši tip črpalk družine RND, ki za prečrpavanje lipofilnih in amfipatičnih antibiotikov iz citosola in periplazme porablja energijo protonskega gradienta (vodikovi ioni v celico, antibiotik iz nje).

Psevdomonas v svojem genomu vsebujejo zapis za encim ß-laktamazo AmpC, hidrolitični encim, ki s cepitvijo amidne vezi v ß-laktamskem obroču zavre delovanje cefalosporinov. Povišana raven izražanja gena ampC je eden osnovnih načinov odpornosti bakterije. Za to je odgovoren AmpR, protein družine prepisovalnih regulatorjev tipa LysR. Ker se gena ampC in ampR izražata pod kontrolo skupnega promotorja, AmpR z vezavo na le-tega uravnava prepisovanje obeh genov. AmpR ima dobro ohranjeno N-končno domeno, s katero se veže na DNA. C-končna domena pa služi za vezavo induktorjev. Vezava na približno 38 bp dolgo promotorsko regijo poteka v obliki tetramera, pri čemer se dve monomerni enoti z visoko afiniteto vežeta na motiv T-N11-A. Vezava ostalih dveh gibljivejših domen na nižje-afinitetno vezavno mesto, ki je v bližini prepoznavnega mesta za RNA-polimerazo (regija -35), pa povzroča ukrivljanje DNA in posledično nedostopnost regije -35 za prepisovalni encim. AmpR lahko glede na to, kateri induktor je vezan nanj, deluje ali kot aktivator ali kot represor prepisovanja. Pentapeptid 1,6-anhidromuraminske in UDP-N-acetilmuraminske kisline sta intermediata peptidoglikan-reciklirajoče poti. Prvi nastane s hidrolitično razgradnjo peptidoglikana in se po prenosu v citoplazmo uporabi za sintezo zadnjega, ki je predhodnja snov v sintezi peptidoglikana. Na AmpR se oba vežeta preko pentapeptida z motivom D-Ala-D-Ala. V normalnih pogojih je na AmpR vezan pentapeptid UDP-N-acetilmuraminska kislina in zavira prepisovanje. Kadar je v periplazmi prisoten ß-laktam, pa inhibicija PBP4 povzroči kopičenje 1,6-anhidromuraminske kisline v citoplazmi. PBP4 namreč cepi ostanek D-Ala, ključen za vezavo na AmpR. Zaradi povišane koncentracije 1,6-anhidromuraminske kisline, se le-ta lahko veže na AmpR, sprememba v strukturi tega regulatorja pa povzroči sprostitev vezavnega mesta za RNA-polimerazo in povečano raven prepisovanja gena ampC v prisotnosti ß-laktamov.

Mehanizmi odpornosti pri Acinetobacter baumannii

Acinetobacter baumannii (v nadaljevanju acinetobakter) je gramnegativna baketrija in je aerobni kokobacil. Spada v rod Acinetobakter, ki vsebuje 32 različnih vrst, izmed katerih je večina naravno prisotnih organizmov, ki za človeka niso patogeni. Pojavlja se v bolnišnicah, kjer okužbe z njim predstavljajo od 2 do 10 % vseh okužb z gramnegativnimi bakterijami. Ker acinetobakter v telo običajno pride skozi odprto rano, preko intravenoznih katetrov ali mehanske ventilacije, se okužba največkrat pojavlja na oddelkih za intenzivno nego. Dodaten prenos povečuje tvorba biofilmov na medicinskih orodjih, ki bakterijam omogoča preživetje na abiotskih površinah in učinkovitejše širjenje. Okužbe se navadno pojavljajo pri pacientih, ki so v bolnišnici dlje časa, medtem ko se pri osebah, ki imajo malo stika z bolnišnicami, pojavljajo precej manj pogosto. Okužbe z acinetobakterjem največkrat povzročijo pljučnico in okužbe krvnega obtoka, lahko pa tudi celo vrsto drugih bolezenskih stanj, kot so okužbe kože in ran, okužbe urinarnega trakta in sekundarni meningitis. Smrtnost zaradi okužbe je od 8 do 35 %, odstotek pa je odvisen od seva, vrste okužbe in bolnikovega predhodnega zdravstvenega stanja.

Večina sevov acinetobakterja je odporna proti več antibiotikom hkrati, našli pa so tudi seve, ki so odporni na vse antibiotike. Acinetobakter je odpornost razvil s širokim spektrom β-laktamaz, z zmanjšanjem števila porinov, razvil je tudi različne sisteme za izčrpavanje antibiotikov iz celice ter se poslužil še preostalih načinov zaščite, ki so prisotni tudi pri ostalih vrstah.

Poleg encimov, ki razgrajujejo β-laktamske antibiotike, pa v večini sevov acinetobakterja najdemo encime, ki modificirajo aminoglikozide. Delimo jih v tri skupine: acetiltransferaze, nukleotidiltransferaze in fosfotransferaze. V 95 % izolatov acinetobakterja so našli vsaj en gen, ki zapisuje za enega od teh encimov, v 84 % pa kar 2 do 5 genov z zapisom za omenjene encime. Geni so običajno zapisani na plazmidih, zato je njihovo razširjanje omogočeno tudi med različnimi vrstami bakterij. Odpornost proti aminoglikozidom pa omogočajo tudi encimi 16 S rRNA metiltransferaze, ki se pojavljajo pri enterobakterijah, psevdomonasu in acinetobakterju. Vendar podobne 16 S rRNA metilaze najdemo tudi v aktinomicetah, saj so to organizmi, ki proizvajajo aminoglikozide in morajo biti proti njim intrinzično odporni. V gramnegativnih bakterijah se pojavlja več različnih genov, ki zapisujejo za te encime: armA, rmtA, rmtB, rmtC in rmtD. Glede na podobnost v zaporedju encimov v nepatogenih vrstah in gramnegativnih bakterijah predvidevajo, da so geni iz nepatogenih vrst v gramnegativne bakterije prišli preko horizontalnega prenosa. Geni za zapis teh metilaz se namreč nahajajo v transpozonskih regijah na plazmidih. V acinetobakterju so gen armA prvič odkrili leta 2007. 16 S rRNA metilaze v splošnem povzročajo metilacijo na dveh mestih in sicer na A1408 ali G1405, ki se nahajata v mestu A male ribosomske podenote. Metilaza ArmA metilira G1405, metiliran A1408 pa se (zaenkrat) pojavlja le pri aktinomicetah. Konformacijska sprememba, ki jo povzroči metilacija katere od obeh baz, je očitno tako huda, da preprečuje vezavo nekaterim aminoglikozidom, vendar pa so podrobnosti o mehanizmu zaenkrat še neznane.

Zdravljenje okužb in problemi s katerimi se srečujemo

Zdravljenje se prične z odvzemom vzorca bakterijske kulture, na kateri testiramo potencialne antibiotike. Če to ni možno, se pogosto poskusi s kombinacijo betalaktamskega antibiotika ter aminoglikozida ali kinolona. Leta 2005 smo na ta način pozdravili kar 90 % vseh okužb, dandanes pa se zaradi vse večje odpornosti ta odstotek hitro manjša. Zato moramo posegati po antibiotikih, ki smo jih prej uporabljali le v skrajni sili. S tem ustvarjamo selekcijski pritisk, ki povečuje razvoj in širjenje novih mehanizmov odpornosti. Rodovi psevdomonas, acinetobakter in enterobakterije so tako razvili odpornost na vse splošno uporabljane antibiotike, celo karbapeneme.

Kolistin

V začetku 21. stoletja smo nujno potrebovali novo rešitev, ki se je pokazala v obliki antibiotika kolistina. Odkrit je bil že leta 1959, a dolgo časa ni bil v uporabi zaradi domnevne strupenosti za ledvice. Je ciklični kationski dekapeptid, povezan z maščobno kislino. Deluje na podlagi elektrostatske interakcije med pozitivno nabitim antibiotikom in negativno nabitimi lipopolisaharidi (LPS), ki se nahajajo na zunanji membrani gramnegativnih bakterij. V normalnih okoliščinah so LPS stabilizirani z dvovalentnimi kationi. Kolistin ione umakne in tako zmoti strukturo bakterijske membrane. To povzroči uhajanje celične vsebine v okolico in posledično lizo celice. Ima tudi protivneten učinek, saj se veže na lipid A, komponento LPS, ki v živalih povzroča hud imunski odziv, in zmanjša njegovo imunogenost. Čeprav za kolistin že dolgo poznamo dva naravna mehanizma odpornosti, je odstotek takih bakterij dovolj majhen, da to ni povzročalo večjih težav. Ker pa je bil antibiotik poceni, so ga dolgo uporabljali v živinoreji na Kitajskem. Posledično so leta 2013 v črevesju prašiča že našli E. coli, ki je nanj odporna. Leta 2015 so ugotovili, da je odpornost prenosljiva, saj se gen zanjo (mcr-1) nahaja na plazmidu. Plazmid se je razširil že v Evropo in ZDA, kar pomeni, da bo kmalu tudi ta antibiotik neučinkovit.

Zaključek

Pomembno je, da se zavedamo resnosti problema in poskušamo ukrepati na čim več nivojih. Pri rodovih kot sta acinetobakter in psevdomonas je izjemno pomembna preventiva, saj so tovrstna vnetja pogosto posledica stika z okuženo opremo ali osebjem. Pomembno je varčevanje z antibiotiki, učinkovito odstranjevanje biofilmov v bolnicah ter pravi ukrepi v primeru izbruhov. Predvsem pa moramo čimprej najti novo zdravilo, ki bi nam lahko pomagalo v boju proti gramnegativnim bakterijam.

Viri

1. Potron A., Poirel L. in Nordmann P. Emerging broad-spectrum resistance in Pseudomonas aeruginosa and Acinetobacter baumannii: Mechanisms and epidemiology. International journal of antimicrobial agents, 2015, 45, str. 568-85, doi: 10.1016/j.ijantimicag.2015.03.001.

2. Gordon, N. C., Wareham, D. W. Multidrug-resistant Acinetobacter baumannii: mechanisms of virulence and resistance. Int J Antimicrob Agents, 2010, 35, 3, str. 219-226. doi: 10.1016/j.ijantimicag.2009.10.024.

3. Doi, Y., Arakawa, Y. 16S Ribosomal RNA Methylation: Emerging Resistance Mechanism against Aminoglycosides. Clin Infect Dis. 2007, 45, 1, str. 88-94. doi: 10.1086/518605.

4. Lister, P. D., Wolter D. J., Hanson N. D. Antibasterial-resistant Pseudomonas: Clinical Impact of Chromosomally Encoded Resistence Mechanisms. Clin. Microbiol. Rev, 2009, 22, str. 582-610, doi: 10.1128/CMR.00040-09

5. Conly J. in Johnston B. Colistin: The Phoenix Arises. Canadian Journal of Infectious Diseases and Medical Microbiology. 2006, 17, 5, str. 267–269.