Схема 1. Генетические и биохимические механизмы резистентности
бактерий к антибиотикам
химиотерапевтических соединений чувствительные микроорганизмы погибают, а резистентные сохраняются, размножаются и распространяются в окружающей среде. Приобретенная резистентность закрепляется и передаётся по наследству последующим генерациям бактерий.
Спонтанные мутации происходят с низкой частотой, примерно одна мутация на 108-109 микробных клеток в течение одной клеточной генерации. Однако при огромном числе клеток в бактериальной популяции вероятность возникновения в каком-либо гене мутации, приводящей к превращению чувствительных к данному лекарственному препарату клеток в резистентные, достаточно велика. В отдельных случаях в результате мутации только в одном локусе генома бактериальная клетка после первого контакта с химиотерапевтическим соединением приобретает устойчивость к высоким концентрациям препарата. Типичный пример такой мутационной резистентности - одноступенчатое возникновение устойчивости к стрептомицину вследствие изменения гена str А. В результате мутации нарушается аминокислотная последовательность S12 протеина в 30S субчастице рибосомы. При этом рибосома теряет способность связывать стрептомицин и микробная клетка приобретает устойчивость к антибиотику. Такой тип возникновения резистентности после кратковременного контакта с лекарственным препаратом характерен для макролидов, фузидина, рифампицина и некоторых других антибиотиков. Однако чаще устойчивость возникает вследствие небольших дискретных изменений, обусловленных последовательными мутациями во многих локусах. В этом случае устойчивость у микроорганизмов возрастает постепенно, в процессе длительного контакта с постепенно увеличивающимися концентрациями антибактериального препарата.
По скорости развития лекарственной устойчивости микроорганизмов антимикробные препараты подразделяют на три группы (таблица 6).
Таблица 6. - Скорость развития лекарственной устойчивости к антимикробным препаратам у микроорганизмов
| Медленно | Постепенно | Быстро |
| Амфотерицин Б Леворин Нистатин Гризеофульвин Фурацилин Фурадонин Фуразолин Фуразолидон Фурагин | Соли бензилпенициллина Феноксиметилпенициллин Бициллины Метициллин Оксациллин Диклоксациллин Ампициллин Карбенициллин Цефалоридин Цефалотин Цефалексин Неомицин Канамицин Гентамицин Сизомицин Апрамицин Тетрациклин Окситетрациклин Хлортетрациклин Доксициклин Левомицетин Полимиксин Сульфаниламиды | Стрептомицин Эритромицин Олеандомицин Линкомицин Фузидин Рифампицин |
Скорость развития и степень выраженности устойчивости связаны с видом и даже штаммом возбудителя. Наиболее быстро и часто резистентность к антибактериальным препаратам возникает у стафилококков, эшерихий, микоплазм, протея, синегнойной палочки. Среди пастерелл, эризипелотриксов, клостридий, стрептококков группы А, сибиреязвенных и гемофильных палочек резистентные штаммы выделяют сравнительно редко. Наиболее частой генетической основой резистентности служит наличие в бактериях внехромосомных факторов устойчивости к лекарственным веществам – плазмид и транспозонов.
Бактериальные плазмиды, связанные с переносом маркеров лекарственной устойчивости в процессе конъюгации клеток, получили название R-факторов. Плазмиды резистентности R (конъюгирующие) состоят из двух компонентов – фактора переноса устойчивости RTF, обеспечивающего передачу генетической информации, и r-фактора, отвечающего за резистентность к антибиотикам. В отдельных случаях r-факторы (неконъюгирующие плазмиды) существуют в бактериальных клетках самостоятельно. Межбактериальный перенос таких r-факторов может осуществляться посредством их мобилизации и коинтеграции с конъюгирующими плазмидами. R-фактор одновременно может содержать 1-10 и более детерминант устойчивости к различным антибактериальным соединениям. Приобретенная резистентность в большинстве случаев связана с плазмидными факторами. При этом клетка может нести до нескольких плазмид. Имеются различные варианты как внутривидового, так и межродового горизонтального переноса R-плазмид и других генетических элементов (интегронов, транспозонов) между различными штаммами микроорганизмов, что способствует их широкому распространению среди различных групп микроорганизмов.
Транспозонные элементы — это фрагменты ДНК, свободно перемещающиеся от одного репликона к другому. Транспозоны определяют различные фенотипические признаки бактериальной клетки, в частности антибиотикорезистентность, и способствуют переносу детерминант устойчивости к антибиотикам между хромосомой, плазмидами и фагами. Они не подчиняются rec-системам клетки, ограничивающим передачу хромосомных маркеров между неродственными видами. Гены, входящие в состав транспозонов, окружены особыми нуклеотидными последовательностями (IS-элементами), обеспечивающими их включение в негомологичный геном. Вхождение детерминант устойчивости в состав транспозонов при постоянно действующем в условиях производства селективном давлении антимикробных препаратов на бактериальные популяции может привести к образованию гибридных плазмид, обусловливающих новые комбинации устойчивости к химиотерапевтическим веществам. Транспозоны могут перемещаться в пределах одного вида, а также попадать в новые виды и роды микроорганизмов. Установлено, что транспозоны Т 1699 и Т 1700, присутствующие в неконъюгативных плазмидах S. marcescens, первоначально проникают в конъюгативную плазмиду этого вида, вместе с которой перемещаются в другие роды семейства Enterobacteriaceae. Способность R-факторов передаваться от клетки к клетке путем конъюгации или трансдукции объясняет быстрое распространение их по микробной популяции. Нередко в результате автономной репликации в одной клетке находятся десятки копий плазмид, что способствует быстрому развитию внехромосомной резистентности.
При трансдукции детерминанты устойчивости к антимикробным препаратам переходят от клетки к клетке с помощью бактериофага, играющего роль переносчика. Фаговая ДНК встраивается в бактериальный геном и при репликации, высвобождаясь из хромосомы или плазмиды, может захватывать генетические элементы, отвечающие за резистентность. Фаговая трансдукция играет важную роль в распространении лекарственной устойчивости у грамположительных микроорганизмов, особенно стафилококков и стрептококков.
Перенос плазмид при конъюгации осуществляется посредством половых пилей при установлении контакта между двумя клетками. При этом в донорской клетке (R+) происходит репликация плазмидной ДНК, одна цепь которой проникает в реципиентную клетку (R-), где образует новую плазмиду. Если плазмиды интегрированы с хромосомой, то при конъюгации возможен захват генетического материала из хромосомы плазмидной ДНК. При этом могут передаваться детерминанты резистентности, локализованные в хромосоме.
Передача генетической информации между микроорганизмами с помощью трансформации имеет значение только для лабораторных исследований и не участвует в распространении лекарственной устойчивости в условиях производства.
В то же время R-плазмидная передача устойчивости к лекарственным веществам является наиболее важным механизмом возникновения резистентности в бактериальной популяции, особенно в семействе энтеробактерий. С эпизоотической точки зрения наиболее опасна передача детерминант устойчивости от одного вида микроорганизмов к другому. Циркуляция плазмид от животных к животным, от животных к человеку и от человека к животным способствует быстрому распространению лекарственной резистентности во всем мире. Плазмиды резистентности распространяются в результате контактного перезаражения лекарственно-устойчивыми микроорганизмами больших групп животных, сконцентрированных на ограниченных площадях животноводческих помещений. Отмечена передача R-факторов от животных к человеку. Так, у персонала, работающего в животноводстве, количество резистентной микрофлоры в несколько раз выше, чем у людей, не контактирующих с животными. Высокая обсемененность туш забитых животных и птицы лекарственно-устойчивыми микроорганизмами способствует распространению R-факторов среди работников мясокомбинатов, а также лиц, занятых переработкой мясопродуктов и употребляющих в пищу мясо, не подвергнутое необходимой термической обработке.
Большинство штаммов Е. coli — комменсалы кишечника, легко перемещающиеся как внутри популяции животных и человека, так и между ними, о чем свидетельствует сходный набор плазмид резистентности. Основная масса этих штаммов устойчива к большинству антибактериальных соединений. Апатогенные эшерихии служат постоянным резервуаром плазмид резистентности, в котором попадающий в организм возбудитель, сам по себе не несущий R-фактор, при конъюгации может приобрести детерминанты устойчивости к лекарственным препаратам.
Использование антимикробных средств в заниженных дозах, увеличение интервалов между введением препарата приводят к созданию в организме субтерапевтических концентраций антибактериальных соединений и, как следствие этого, к селекции резистентных форм микроорганизмов. Применение антибиотиков, предназначенных для этиотропной терапии, с целью повышения продуктивности животных привело к селекции микрофлоры, резистентной к лечебным препаратам. В результате широкого употребления в животноводстве тетрациклиновых антибиотиков в качестве кормовой добавки большинство штаммов сальмонелл и эшерихий приобрело резистентность к препаратам этой группы.
Появление и распространение приобретенной резистентности составляет основную клиническую проблему, поскольку ее наличие у конкретной бактерии - возбудителя инфекционной болезни, трудно прогнозировать. Устойчивость микроорганизмов к антимикробным препаратам в случае как плазмидной, так и хромосомной локализации детерминант резистентности может быть обусловлена несколькими механизмами.
При рассмотрении молекулярных механизмов антибиотикорезистентности, несмотря на кажущееся их разнообразие выделяют шесть основных механизмов устойчивости микроорганизмов к антимикробным препаратам.
1. Ферментативная инактивация препаратов.
2. Изменение структуры молекулы мишени.
3. Снижение скорости проникновения препарата в клетку.
4. Повышение скорости элиминации препарата из клетки.
5. Формирование метаболического шунта.
6. Защита мишени.
На практике в большинстве случаев, приходится сталкиваться с комбинациями описанных механизмов, что существенно затрудняет интерпретацию полученных результатов. В то же время, понимание механизмов лежит в основе правильной интерпретации результатов антибиотикограммы и, как следствие, определяет эффективность назначаемой антибиотикотерапии.