ENDOECOLOGICAL ASPECTS OF ANTIBIOTIC RESISTANCE: A LITERATURE REVIEW

Full Text

За последние 3,5-3,7 миллиарда лет живые орга- распространенной формой жизни на нашей планете, низмы преодолели все эволюционные барьеры благо- могут выживать в любых средах обитания: от системы даря своей необычайной изменчивости и способности вечных льдов до кипящей воды, от крайних степеней к адаптации. Микробы, которые являются самой рН до условий избыточного давления. Высокая чис- 31 Эндоэкология Экология человека 2020.05 ленность их популяции, потрясающая пластичность геномного аппарата и их способность обмениваться генетической информацией между разными видами дает им бесконечную степень приспособляемости [1, 25]. Следовательно, у нас не должен вызывать удивление тот факт, что микробы выработали механизмы устойчивости к любым лекарствам, разработанным для борьбы с ними. Интенсивное, длительное и нерациональное использование антибиотиков в медицине, ветеринарии и сельском хозяйстве спровоцировало появление и всемирное распространение патогенных бактерий с высокой степенью антибиотикорезистентности [4, 15, 17, 42]. Цель настоящего обзора - продемонстрировать, что появление и распространение устойчивости бактерий к противомикробным препаратам является результатом эволюционного процесса, то есть микроорганизмы адаптируются к антибиотикам так же легко, как и к новым изменениям окружающей среды. Человек является лишь небольшой частью истории жизни бактерий, в которой противомикроб-ные препараты становятся еще одной ступенью их эволюции на Земле. Более того, недавние исследования заставляют нас думать, что бактерии - не просто «сторонние наблюдатели» своего успеха в эволюции. Они самостоятельно могут использовать генетические механизмы, чтобы увеличить скорость адаптации и извлечь выгоду даже из неблагоприятных условий [12, 14]. Основные пути возникновения антибиотикоре-зистентности Выделяют природную и приобретенную устойчивость бактерий к антибиотикам. Природная резистентность является видоспецифичной для бактерий и представляет собой отсутствие мишени действия антибиотика или недоступность мишени вследствие исходно низкой проницаемости клеточной стенки или ферментативной инактивации антимикробного агента [2, 13]. Приобретенную резистентность бактерии могут развить с помощью нескольких механизмов: 1) альтерация (изменение) мишени для антибиотика путем мутации, 2) изменение клеточной проницаемости и эффлюкс (активное выведение антибиотика из микробной клетки), а также 3) горизонтальный перенос генов антибиотикорезистентности [28, 43]. Крупный прорыв в понимании эволюции антибио-тикорезистентности произошел в 40-х годах прошлого века при демонстрации того, что действие летальных концентраций антибактериальных агентов на бактерий приводило к селекции (отбору) пресуществующих устойчивых штаммов микроорганизмов, следовательно, применение данных антибиотиков само по себе не индуцировало появления резистентности [10, 29]. Однако после семи десятилетий исследований следует расширить классическую точку зрения, чтобы отразить современное понимание этого сложного явления. Например, что происходит, когда антибиотики присутствуют в низких или очень низких концентрациях (недостаточных для того, чтобы убить или приостановить рост восприимчивой популяции) во многих окружающих средах? Явление, при котором субпопуляции бактерий могут выживать при действии летальных доз антибиотиков, при этом не становясь резистентными с помощью приобретенных механизмов, называется персистенцией. В работе Don- et al. [21] показано, что большая часть устойчивых к фторхинолонам (ци-профлоксацин) бактерий появляется при воздействии антибиотика на SOS-систему бактерии (данная защитная система активируется в ответ на серьёзные повреждения ДНК/ингибирование репликации и запускает последовательность защитных реакций, в том числе экспрессию генов, связанных с репарацией). Следовательно, резистентные бактерии появляются с помощью активного индуцибельного механизма, опосредованного ответом SOS-системы, который провоцируется действием некоторых антибиотиков. Это противоречит предыдущему представлению о том, что резистентные бактерии появляются случайно, до воздействия антибиотиков. Действие антибиотиков также способствует селекции бактерий с повышенным числом мутаций (гипермутанты или мутанты). Некоторые аллели увеличивают возможность благоприятных мутаций, а при некоторых условиях могут ускорять эволюцию бактерий. Во время этого процесса бактерии-мутанты могут оставаться в популяции путем отбора второго порядка с появлением благоприятных мутаций [19]. Эта наследственная гипермутация у бактерий в основном обусловлена изменениями в генах, принадлежащих к системе репарации неспаренных оснований (mismatch repatf - MMR) (mutS, mutL, mutH и uwD), хотя дефицит в других антимутантных генах, таких как mutT (который очищает 8-oxo-G и 8-oxo-dG), mutY и mutM (способные устранить ошибки, вызванные при встраивании 8-oxo-dG в ДНК), также был обнаружен среди мутантных штаммов Pseudomonas aeruginosa у пациентов с муковисцидозом [31, 36]. Отсутствие системы MMR увеличивает не только частоту мутаций, но и частоту рекомбинации двух дивергентных последовательностей, происходящих от одного и того же или разных бактериальных штаммов [18]. Таким образом, вероятность получения новых функций с помощью как мутаций, так и рекомбинаций в значительной степени возникает именно у MMR-дефицитных штаммов. Мао et al. [32] продемонстрировали, что действие антибиотиков может способствовать селекции мутантов: однократная селекция мутанта, резистентного к антибиотику, увеличивает их долю в выбранной популяции с первоначальной 0,001 % (нормальная частота в популяции E. coli) до 0,5 %. Кроме того, последовательная селекция может увеличить долю мутантных штаммов в выбранной популяции до 100 %. Следовательно, данный антибиотик может не только вызывать устойчивость 32 Экология человека 2020.05 Эндоэкология к себе, но и, увеличивая долю мутантов, косвенно вызывать повышенную вероятность устойчивости к не связанным с ним антибиотикам. Прямой мутагенный эффект антибиотиков Некоторые антибиотики могут повысить частоту мутаций с помощью нескольких способов: 1) окси-дативное повреждение и SOS-ответ, 2) дисбаланс нуклеотидного пула и 3) общие реакции на стресс [8, 11, 44]. Было продемонстрировано, что выработка активных метаболитов кислорода является общим признаком антибиотик-ассоциированной летальности. Этот общий путь клеточной гибели опосредован повышенной частотой дыхания, кратковременным истощением NADH и необратимым окислением железосерных кластеров, которые приводят к образованию гидроксильных радикалов посредством реакций Фентона [45]. Однако этот механизм, по-видимому, не является единственным, поскольку фторхинолоны и цефалоспорины эффективны и в анаэробных условиях. Известно, что активные метаболиты кислорода вызывают повреждение ключевых клеточных компонентов, таких как белки, липиды и ДНК. Эти поломки прямо или косвенно могут привести к повреждению ДНК и, следовательно, к накоплению мутаций. Лечение инфекций, вызванных кишечной палочкой, некоторыми антибиотиками в сублетальных концентрациях повышает уровень активных метаболитов кислорода, что значительно коррелирует с увеличением степени мутагенеза [26, 30]. Вследствие увеличения концентрации активных метаболитов кислорода и/или остановки репликации (вызванной, например, фторхинолонами) активируется SOS-ответ. Несколько функционально не связанных антибиотиков индуцируют запуск SOS-системы [26, 44]. Эта активация запускает экспрессию специализированных (подверженных ошибкам) ДНК-полимераз, способных обходить повреждения ДНК с пониженной точностью. Доказан тот факт, что фторхинолоны являются мутагенными для бактерий. Вот почему субингибирующие концентрации хинолонов могут увеличить частоту мутаций резистентности. Ципро-флоксацин вызывает увеличение частоты появления устойчивых к рифампину штаммов Streptococcus pneumoniae и устойчивых к карбапенему штаммов P. aeruginosa до 5 раз. У Mycobacterium fortuitum тот же антимикробный агент вызывает впечатляющий рост частоты резистентных штаммов почти в два раза. У E. Coli инактивация гена гесА in vitro, необходимая для индукции SOS-ответа, противодействует влиянию сублетальных антимикробных концентраций на мутагенность. Дополнительными регуляторами, участвующими в стресс-индуцированном мутагенезе E. coli, являются сигма-факторы RpoS и RpoE, которые могут оказывать независимую инактивацию некоторых склонных к ошибкам ДНК-полимераз [23, 37, 40, 41]. Бета-лактамные антибиотики, такие как пени-циллины и цефалоспорины, также вызывают запуск SOS-ответа, но с помощью другого механизма [35]. Ингибирование клеточного деления при воздействии Р-лактамов индуцирует оперон dpiBA, который кодирует двухкомпонентную систему «ответ - эффектор». DpiA, эффектор, связывается с источником хромосомной репликации и ингибирует ее, вызывая SOS-ответ и увеличивая генетическую вариабельность [35, 40]. С другой стороны, воздействие р-лактамных антибиотиков индуцирует ген dinB и мутагенез также через SOS-независимый путь. С другой стороны, механизм триметоприм-индуцированной мутации объясняется дисбалансом пула нуклеотидов, потому что ДНК-полимеразы реплицируются с пониженной точностью при данном дисбалансе. Более того, сублетальные дозы стрептомицина приводят к неточной и неправильной трансляции белков репарации и репликации ДНК, создавая переходные состояния. Интересно отметить, что неправильно транслированные после лечения стрептомицином белки оказались более восприимчивыми к окислению под действием активных метаболитов кислорода [7, 38, 39]. Согласно приведенным выше данным RecA и LexA (основные регуляторы SOS-ответа) являются главными мишенями для предотвращения или уменьшения появления резистентности к применяемым для лечения антибиотикам [7, 9, 27, 38]. Опасность субингибирующих концентраций антибиотиков Появляется все больше данных, указывающих на селективную способность сублетальных концентраций антибиотиков вызывать не только низкие, но и высокие уровни резистентности. Высокая частота обнаружения у животных из относительно нетронутой окружающей среды резистентных бактерий может быть частично объяснена воздействием суб-минимальных концентраций антибиотиков. Кроме того, воздействие субминимальных концентраций многих противомикробных препаратов препятствует протеканию некоторых важных физиологических процессов в бактериальных клетках, что приводит к таким нежелательным последствиям, как изменения вирулентности, устойчивости и способности вызывать генетические изменения [22, 29]. Эти результаты дополняют знания об эволюции резистентности и позволяют предположить, что низкие концентрации антибиотиков могут быть важны для обогащения и поддержания устойчивости в бактериальных популяциях, а также для повышения вирулентности. У бактерий группы кишечной палочки фторхино-лоны, р-лактамы, триметоприм и сульфаметокса-зол индуцируют стрессовый SOS-ответ, тогда как аминогликозиды, тетрациклин и хлорамфеникол его не вызывают. Тем не менее эти антибиотики вызывают SOS-ответ у Vibrio cholerae. Кроме того, субингибирующие концентрации антибиотиков могут стимулировать не только бактериальную мутацию, но и рекомбинацию (см. ниже) [8]. Следовательно, макроорганизм и окружающая среда, подвергающиеся 33 Эндоэкология Экология человека 2020.05 воздействию низких концентраций противомикробных препаратов, могут стать очагами вызванной антибиотиками мутации и рекомбинации, ответственными за фенотипические изменения и, в частности, за возникновение, поддержание и распространение устойчивости к антибиотикам. Концентрации антибиотиков в окружающей среде в значительной степени варьируют в зависимости от конкретных условий. В районе фармацевтических предприятий или в сточных водах больниц эти концентрации могут быть очень высокими (мг/мл). Кроме того, низкие уровни антибиотиков могут быть обнаружены в некоторых труднодоступных компарт-ментах тела [33, 46]. Влияние антибиотиков на горизонтальный перенос и рекомбинацию генов В дополнение к мутации существуют другие механизмы, обеспечивающие генетическую вариабельность бактерий, такие как внутригеномная реорганизация геномных последовательностей (внутрихромосомная рекомбинация) и получение чужеродных последовательностей ДНК из других организмов посредством горизонтального переноса генов. Оба механизма играют важную роль в эволюции и адаптации бактерий, включая ускользание от иммунного ответа, а также распределение генов, повышающих вирулентность и устойчивость к антибиотикам. Большая часть резистентности к антибиотикам, скорее всего, была приобретена путем горизонтальной передачи генов устойчивости от других бактерий [20, 24, 34]. Известно, что антибиотики могут способствовать переносу мобильных генетических элементов у некоторых штаммов микроорганизмов. Например, обработка E. Coli H57:0157 фторхинолонами индуцирует экспрессию шига-токсина через SOS-систему и способствует удалению и передаче кодирующего его профага. Следует отметить, что фторхинолоны обычно используются для лечения токсикозависимого гемолитико-уремического синдрома [8, 46]. Кроме того, вызванное антибиотиками повреждение клеток организма хозяина активирует SOS-ответ, что приводит к мобилизации многих других мобильных элементов. Beaber et al. [7] показали, что шига-токсин, интегрирующий конъюгативный элемент, кодирующий устойчивость к хлорамфениколу, сульфаметоксазолу, триметоприму и стрептомицину у Vibrio cholerae, переносился и встраивался более эффективно, когда донор подвергался воздействию ципрофлоксацина в концентрациях ниже минимально ингибирующих. Индукция SOS-ответа отвечает за его регулирование. Регуляция активаторов транскрипции, необходимых для удаления и переноса, происходит с помощью системы SOS. Недавно были получены первые доказательства значимости переноса инте-грон-опосредованной антибиотикорезистентности посредством SOS-ответа в клинических условиях. К другим примерам относится перенос островка патогенности SaPIbov1 у Staphylococcus aureus посредством индукции SOS-ответа низкими дозами ципрофлоксацина, тетрациклин-индуцированное увеличение частоты переноса генов у Bacteroides и Enterococcus faecalis, имеющих конъюгативные транспозоны, опосредованное бета-лактамами увеличение частоты переноса плазмид (в 100-1 000 раз) SOS-независимым образом у S. aureus и индукция способности к трансформации ДНК у S. pneumoniae субминимально ингибирующими концентрациями некоторых антибиотиков [7, 21, 32]. Также стоит отметить обратный эффект. Некоторые антибиотики могут ингибировать конъюгацию или проявлять токсичность в отношении клеток, несущих плазмиды. Например, ципрофлоксацин может ингибировать конъюгацию плазмид у E. coli, а субмини-мальные концентрации мупироцина снижают частоту конъюгативного переноса плазмид устойчивости к гентамицину pWG613 у S. aureus [22, 36]. Таким образом, антибиотики могут являться истинными промоутерами антибиотикорезистентно-сти. Многие антибиотики индуцируют образование активных форм кислорода, вызывают дисбаланс метаболизма нуклеотидов или воздействуют непосредственно на ДНК, вызывая во всех случаях реакцию SOS-системы и экспрессию подверженных ошибкам ДНК-полимераз. Селекция гипермутантных клонов является еще одним нежелательным последствием, которое может увеличить вероятность развития резистентности. Так, определенные антибиотики могут стимулировать мутагенез, рекомбинацию и/или горизонтальный перенос генов - ключевые процессы для возникновения и распространения резистентности. Конечным результатом является увеличение генетической вариабельности и, следовательно, вероятности того, что бактерии приобретут устойчивость в присутствии антимикробного агента, независимо во многих случаях от диапазона концентраций антибактериального вещества. Механизмы, вовлеченные в генетическую адаптацию к антибиотикам, по-видимому, являются превосходными мишенями для подавления или уменьшения появления мутаций устойчивости во время лечения антибиотиками [3, 5, 6, 16, 20]. Формирование устойчивости к противомикроб-ным препаратам является неизбежным следствием эволюционного процесса и представляет собой многофакторную проблему медицины, генетики, микробиологии, экологии и социологии. Если мы не найдем решения, то будем обречены на ожесточенную борьбу с эволюцией, так как до сих пор ни один антимикробный препарат не избежал появления бактериальной резистентности. Вклад авторов Давидович Н. В. - поиск и анализ данных литературных источников, написание текста рукописи; Соловьева Н. В. - анализ данных литературных источников, написание текста рукописи; Башилова Е. Н. - поиск и анализ данных литературных источников, структурирование обзора; Бажукова Т. А. - редактирование текста рукописи, окончательное ее утверждение к публикации.

About the authors

N. V. Davidovich

Northern StateMedicalUniversity

N. V. Solovieva

Northern StateMedicalUniversity

E. N. Bashilova

Northern StateMedicalUniversity

T. A. Bazhukova

Northern StateMedicalUniversity

References

Supplementary files