Защита кольца

Это противостояние началось в феврале 1941 года в Англии и продолжается по сей день. Всякий раз, когда мы принимаем антибиотики пенициллинового ряда, мы участвуем в нем. На чьей стороне – зависит от того, грамотно или нет мы применяем эти лекарства.

Redcliffe infirmary

В декабре 1940 года в больницу английского города Оксфорд Radcliffe Infirmary доставили 43-летнего констебля полиции Альберта Александера. Так вышло, что он укололся краем рта о шип розы. Все бы ничего, но ранка была инфицирована стафилококками и стрептококками, и начался тяжелый инфекционный процесс.

Лечить бактериальные инфекции тогда еще не умели, и вскоре у него начался сепсис. Инфекция распространилась на костную ткань и легкие.

Florey

Об этом случае узнал доктор Howard Walter Florey, исследователь Оксфордского Lincoln College, изучавший в это время свойства открытого Флемингом пенициллина.

Florey и его ближайший коллега биохимик Ernst Chain нашли способ получать очищенный пенициллин и изучали его эффективность на мышах. Они давно хотели попробовать свой препарат на людях, но боялись побочных эффектов. Для первого клинического исследования им нужен был такой пациент, которому уже нечего было бы терять.

Подходящим кандидатом в клиническое исследование и оказался констебль Alexander.

Florey, Chain и врачи из Radcliffe Infirmary начали вводить Альберту по 160 мг пенициллина в сутки. После первой же инъекции у него упала температура, и он начал поправляться. Однако, то метод получения пенициллина, которым пользовались Florey и Chain, не позволял быстро готовить большие объемы, и через пять дней все их запасы закончились. Этого времени не хватило, чтобы победить инфекцию, и в марте Albert Alexander умер.

Летом 1941 года Florey и Chain отправились в США, чтобы совместно с американскими экспертами поискать другие виды плесени, из которых можно было бы получить больше пенициллина. В конечном итоге, они нашли способ резко увеличить производство препарата, и к 1944 году он уже широко вошли в практику, в том числе и в практику военной медицины.

penicillin in war

Одновременно, упала и цена препарата – с 20 долларов за одну дозу в 1943 году до 55 центов в 1946. За свои достижения Fleming, Florey и Chain получили Нобелевскую премию. При этом они посчитали невозможным для себя оформить патент на лекарство, которое, как им тогда казалось, может спасти все человечество.

Ermolyeva

Параллельно с англичанами работы по выделению чистого пенициллина и создания нового антибиотика велись в Советском Союзе. У нас пионером этого направления была Зинаида Виссарионовна Ермольева, биохимик из Всесоюзного Института Экспериментальной Медицины.

Ей удалось получить очищенный пенициллина в 1942 году. И она сразу же начала предпринимать все возможно, чтобы помочь наладить его промышленное производство. За свою разработку в 1943 году она получила Сталинскую премию, которую отправила на нужды фронта.

И в Америке, и в Англии, и в Европе на театре военных действий, и в СССР пенициллин творил чудеса, поднимая на ноги безнадежных по тем меркам больных и раненых.

Однако, уже с 1944 года стали появляться первые тревожные звоночки.

Резистентность

В 1944 году выходит статья Willam Kirby «Extraction of a highly potent penicillin inactivator from penicillin resistant staphylococci», в которой он описывает первые штаммы пенициллин-устойчивого золотистого стафилококка (S.aureus).

В 1945 году Kirby опубликовал работу, в которой он описал основные свойства бактериальной молекулы, инактивирующей пенициллин. Этой молекулой был фермент – бета-лактамаза.

Кольцо

beta-lactam ring

Это формула пенициллина. Красным цветом отмечено гетероциклическое кольцо, состоящее из трех атомов углерода и одного атома азота – бета-лактам. Антибиотики, содержащие в своей структуре это кольцо, называют бета-лактамные антибиотики или просто бета-лактамы.

По классификации FDA на апрель 2013 бета-лактамы включают:

  • пенициллины
  • цефалоспорины (в практике с конца 1940х)
  • пенемы и и карбапенемы (в практике с 1985)
  • монобактамы (в практике с 1986)

beta-lactams

Зачем нужно кольцо?

Многие бактерии образуют вокруг себя особую защиту – бактериальную стенку. Их цитоплазма окружена плазматической мембраной, как у обычных клеток, но поверх мембраны они создают еще один защитный слой.

gram positive wall

Это слой состоит из скрепленных друг с другом пептидогликанов – гетерополимеров N-ацетилглюкозамина и N-ацетимурамовой кислоты, сшитыми друг с другом пептидными цепочками. Бактериальная стенка, состоящая из пептидогликанов, выполняет важные функции – сохраняют форму бактерии и защищает ее от осмотического шока (то есть не дает взорваться из-за высокого осмотического давления).

Бактерии постоянно перестраивают свои стенки, синтезируя компоненты пептидогликанов и сшивая их друг с другом. Если этот процесс остановить, то клеточная стенка начнет терять свою целостность, и бактерия погибнет от лизиса.

bacterial cell lysis

Бета-лактамное кольцо имитирует субстраты ферментов, сшивающих пептидогликаны друг с другом. Эти ферменты называются транспептидазы, а второе их название – penicillin-binding proteins (PBPs), потому что именно с ними и связываются пенициллины и другие бета-лактамные антибиотики.

Итак, если транспептидазам не мешать, то они будут делать свою работу – наращивать бактериальную стенку, сшивая молекулы пептидогликанов друг с другом –

transpeptidation

Зеленая рогатина – это транспептидаза или PBP.

Но если использовать бета-лактамный антибиотик, то он займет активный центр фермента, и не даст транспептидазе выполнять свою работу –

beta-lactam action

Розовый пятиугольник с квадратом – это бета-лактамный антибиотик, занявший активный центр фермента транспептидазы и не дающей ей сшивать пептидогликаны бактерии.

В результате – бактериальная клетка гибнет от осмотического шока. Но у бактерий есть важное свойство, которое позволяет им выживать вот уже более 3 миллиардов лет, и антибиотики им не помеха.

Бактерии обладают прекрасной способностью к изменчивости своего генома. В результате частых мутаций они могут приобрести новые признаки – например, немного изменить структуру транспептидаз, с которыми связываются бета-лактамы или увеличить производство ферментов, разрушающих бета-лактамное кольцо – бета-лактамаз.

Незащищенное кольцо

Ну, а дальше действуют принципы искусственной селекции. Если в популяции есть бактерия-мутант, способная сопротивляться бета-лактамам, то применение бета-лактамного антибиотика всего лишь создаст для нее эволюционное преимущество – больше места и питания, так как немутировавшие конкуренты погибли. И эта бактерия-мутант начнет размножаться. Но помимо просто размножения она еще будет распространять «полезный» ген среди своих соседей. Это называется горизонтальный перенос.

бактериальная конъюгация

Даже погибшая бактерия-мутант может «отдать» свои гены оставшимся в живых и научить их бороться с антибиотиком.


Подробнее о переносе генов читайте в статьях «Плазмиды» и «В помощь эволюции»


Так, постепенно в популяции бактерий формируется резистентность к применяемым в медицине антибиотикам. Именно этот процесс и зафиксировал в 1945 году William Kirby.

Для борьбы с новой угрозой ученые стали придумывать новые виды пенициллинов – полу-синтетические пенициллины, защищавшие кольцо от действия бета-лактамаз. В 1959 появился метициллин. Но уже через 2 года был обнаружен штамм, устойчивый к метициллину – знаменитый Methicillin-Resistant Staphylococcus Aureus или MRSA. Этот штамм изменил свои PBPs, снизив на 3-4 порядка способность бета-лактамов соединяться с его клеточной стенкой.

Сегодня MRSA это один из самых главных источников нозокомиальной (внутрибольничной) инфекции и большая головная боль для врачей и чиновников от медицины.

MRSA threat

Каждый новый класс и каждый новый препарат в своем классе более эффективен в отношении старых резистентных штаммов, а карбапенемы на сегодняшний день – это антибиотики резерва, которые придерживают для лечения пациентов с инфекциями, вызванными самыми злыми мультирезистентными бактериями.

Однако, любой, самый современный антибиотик, лишь отодвигает проблему, но не решает ее, потому что эволюцию бактерий остановить невозможно. Мы лишь управляем ей при помощи антибиотиков, и, что печально, очень часто делаем это неосознанно.

Достаточно сказать, что уже есть штаммы бактерий семейства Enterobacteriaceae, P.aeruginosa и Acinetobacter spp, устойчивые к карбапенемам, а некоторые бактерии выработали резистентность ко всем бета-лактамам и почти ко всем оставшимся антибиотикам других классов. Такие бактерии (их уже можно называть не multiresistant, а totally resistant) переехали, так сказать, в допенициллиновую эру, обратно к констеблю Александеру. Спасать пациентов с такими инфекциями опять нечем.

resistance threats

В США каждый год от бактериальных инфекций умирают 23,000 человек по той лишь причине, что ни один существующий антибиотик против этих бактерий эффективно не действует.

Оружие врага

Сейчас принята комбинированная условная классификация:

  • металлобеталактамазы (MBL),
  • бета-лактамазы расширенного спектра (ESBL),
  • карбапенемазы (carbapenemase).

ESBL and KPC

ESBL действуют на многие бета-лактамные антибиотики, включая и цефалоспорины последнего поколения; KPC – Klebsiella Pneumoniae Carbapenemase может разрушать бета-лактамы в составе как цефалоспоринов последних поколений, так и карбапенемов, то есть антибиотиков резерва

Последнее время по всему миру распространяются Грам-отрицательные бактерии, содержащие плазмиды, кодирующие New-Delhi metallo-beta-lactamase (NDM-1). Этот фермент нашли в бактерии, обнаруженной в Швеции, но исследователи полагают, что она прибыла из Индии. NDM-1 делаем бесполезными пенициллины, цефалоспорины и карбапенемы.

Опасно, когда бактерия собирает несколько генов, кодирующих бета-лактамазы разных классов. Эти гены могут быстро разойтись среди бактерий разных видов, в результате чего некоторые приобретают резистентность ко всем бета-лактамным антибиотикам.

Как быть?

Чтобы преодолеть бета-лактамную резистентность есть два подхода:

  1. Создавать новые классы бета-лактамных антибиотиков.
  2. Комбинировать имеющиеся антибиотики с молекулами, подавляющими механизмы резистентности

Нового класса бета-лактамов пока нет. На сегодняшний день наиболее успешным способом продлить жизнь монобактамов является использование ингибиторов бета-лактамаз. Самый известный пример такого ингибитора – клавулановая кислота, полученная в 1972 году из Streptococcus clavuligerus.

Клавулановая кислота содержит в своей молекуле бета-лактамное кольцо. Оно почти не обладает антимикробными свойствами, зато является хорошей мишенью для сериновых бета-лактамаз, подставляясь под их действия и защищая таким образом амоксициллин.

augmentin

Первым препаратом с клавулановой кислотой стал Аугментин. В 1981 году этот препарат открыл новую группу защищенных пенициллинов. Сначала он появился на рынке Англии, а затем распространился по всему миру.

Клавулановая кислота оказалось очень эффективным ингибитором, но тем не менее на многие бета-лактамазы она все же не действует.

Другие ингибиторы бета-лактамаз:

  • Сульбактам, защищает ампициллин в препарате Unasyn® и других
  • Тазобактам, защищает пиперациллин в составе Zosyn® (одобрен FDA в 1996), а также цефтолазан в составе Zerbaxa® (одобрен FDA в 2014)
  • Авибактам, защищает цефтазидим в составе Avycaz® (одобрен FDA в 2015)

Пока все. Что-то еще есть в исследованиях.

Тему продолжу в других постах.

Добавить комментарий

Такой e-mail уже зарегистрирован. Воспользуйтесь формой входа или введите другой.

Вы ввели некорректные логин или пароль

Извините, для комментирования необходимо войти.

6 комментариев

по хронологии
по рейтингу сначала новые по хронологии
1
Ярослав

Классификация бета-лактамаз неправильная.
Сейчас принята комбинированная условная классификация: металлобеталактамазы (MBL), БЛРС (ESBL), карбапенемазы (carbapenemase).

KPC и MBL - семейства ферментов, одни из многих.

"Опасно, когда бактерия подбирает несколько плазмид, содержащих несколько генов бета-лактамаз разных классов. Эти гены могут быстро разойтись среди бактерий разных видов, в результате чего некоторые приобретают резистентность ко всем бета-лактамным антибиотикам."

Чаще происходит формирование интегронных кассет множественной устойчивости. Они подходят под описание мобильных генетических элементов, только транспозазу не кодируют.

2
Ярослав

*KPC и NDM

Автор3

Спасибо, Ярослав. Вчера поздно доделывал - сил не было разбираться в классификации. Решил, что ломать голову не буду, их еще, наверное, перепишут. Тем не менее, спасибо. Ссылку на классификацию не пришлете?

4
Ярослав

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2825993/
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/18594288
http://www.clinicalmicrobiologyandinfection.com/article/S1198-743X(14)65087-4/fulltext

например, вот так, приведенная классификация условная, но общепринятая
в первой ссылке более подробная функциональная классификация

Автор5

Спасибо, Ярослав

Автор6

Если интересуетесь историей Florey - посмотрите полудокументальный фильм BBC - Breaking the mould. На youtube он есть.