Mikhail Eidelstein: Definition of antibiotic resistance. Inherent and acquired resistance. Genetic nature of resistance

1. ПОНЯТИЕ АНТИБИОТИКОРЕЗИСТЕНТНОСТИ.
ПРИРОДНАЯ И ПРИОБРЕТЕННАЯ РЕЗИСТЕНТНОСТЬ.
ГЕНЕТИЧЕСКАЯ ПРИРОДА РЕЗИСТЕНТНОСТИ.
М.В. Эйдельштейн
НИИАХ ФГБОУ ВО СГМУ Минздрава России

2. Значение антибиотиков
Создание антибиотиков позволило за 15 лет
снизить смертность от инфекций в США на ~2,2 ‰
Сульфаниламиды
Пенициллин
Все прочие медицинские технологии за 50 лет
снизили смертность лишь на ~0,2 ‰
Смертностьотинфекционных
болезнейвСША,‰
3
2
1
1940 1960 1980
Armstrong GL. et al. JAMA 1999;281:61-66.

4. БИОЛОГИЧЕСКАЯ
сохранение
отдельными изолятами
жизнеспособности при
концентрациях АБ,
которые подавляют
рост большинства
других штаммов МО
ФК/ФД
нечувствительность к
терапевтическим
концентрациям АБ в
биологических тканях и
жидкостях
КЛИНИЧЕСКАЯ
отсутствие эффекта АБ
терапии
Резистентность

5. Биологическая, ФК/ФД и клиническая резистентность
 В подавляющем большинстве случаев
прослеживается четкая корреляция, но…
 иногда клинический эффект может быть достигнут при
наличии биологической резистентности
- Выздоровление зависит не только от действия антибиотика…
- Макролиды vs. Haemophilus influenzae
(МПК50 на уровне пограничных концентраций: 8-16 мг/л)
-  пенициллин (вм) + пробеницид vs. bla+ Neisseria gonorrhoeae
 в ряде случаем может наблюдаться клиническая
неэффективность при низком уровне биологической
резистентности in vitro
- ЦС III vs. in vitro «чувствительные» ESBL+ энтеробактерии
- Ванкомицин vs. VISA
- Особенности локализации инфекции и проникновения АМП в очаг
- Биопленки / персистирующие клетки бактерий с измененным
метаболизмом

6. Природная и приобретенная резистентность
 Природная R
– Постоянный видовой признак
(характерна для большинства штаммов вида или
группы микроорганизмов)
– Клиническая неэффективность АМП легко
прогнозируется на основании данных
идентификации микроорганизма
 Приобретенная R
– Свойство отдельных штаммов сохранять
жизнеспособность при тех концентрациях АМП,
которые подавляют основную часть популяции
– Обусловлена мутациями собственных генов
(изменение структуры или уровня экспрессии) или
приобретением новой генетической информации

7. Природная резистентность: справочная информация
Важно знать о природной устойчивости наиболее частых возбудителей!
Не следует вносить в отчет результат «Ч», который не соответствует
профилю природной резистентности МО!
http://www.antibiotic.ru/minzdrav/files/docs/clrec-dsma2018.pdf
http://www.eucast.org/expert_rules_and_intrinsic_resistance/

8. Примеры природной резистентности
 Анаэробные бактерии vs. аминогликозиды
 Enterococcus faecium vs. -лактамы
 Klebsiella spp. vs. пенициллины
 Stenotrophomonas maltophilia vs. карбапенемы
 Proteus spp. vs. полимиксины, тетрациклины
 Pseudomonas aeruginosa vs. хлорамфеникол, триметоприм
 ...
http://www.eucast.org/expert_rules_and_intrinsic_resistance/; http://www.antibiotic.ru/minzdrav/files/docs/clrec-dsma2018.pdf

9. Биологические механизмы резистентности
Нарушение
проницаемости
Инактивация
(расщепление,
модификация)
Активный
выброс
Изменение
мишени
Обходной
путь
А В
+
Связывание и
защита мишени

10. «Новый препарат относится к
классу антимикробных пептидов,
которые пробивают каналы в
клеточной стенке бактерий…»
«Он действует так быстро, что бактерии не успевают
выработать к нему устойчивость…»
Можно ли
создать
антибиотик,
к которому
невозможно
выработать
резистентность?

11. Наследственные изменения (мутации) случайны и всегда присутствуют в
популяции живых существ
Естественный отбор = выживание наиболее приспособленных (мутантов)

12. Как формируется резистентность?
В присутствии АБ
Случайные мутации
(резистентные МО)
10-6 – 10-20
Гибель
чувствительных МО
Селективное
размножение
резистентных МО
В отсутствии АБ

13. ГЕНЕТИЧЕСКАЯ ПРИРОДА
ПРИОБРЕТЕННОЙ РЕЗИСТЕНТНОСТИ
Приобретение
новых генов
Единичные
точечные
мутации
Рекомбинационные изменения
генов-мишеней
Множественные
мутации,
действующие
кооперативно
РЕЗИСТЕНТНОСТЬ

14. Инокулюм: 2 McFarland Std. Инкубация: 24 h
ГИПЕРМУТАБЕЛЬНОСТЬ КАК ПРИЧИНА
ПОВЫШЕННОЙ ЧАСТОТЫ РЕЗИСТЕНТНОСТИ
E. coli ATCC®25922 E. coli GM2995 (mutD5)
мутатор
Частота мутаций R к налидиксовой кислоте
~ 1 x 10-8 ~1 x 10-3 ~1 x 10-3
S. Typhimurium Vt-14533

15. ГИПЕРМУТАБЕЛЬНОСТЬ И MDR ФЕНОТИП P. aeruginosa
 Гипермутабельность
характерна для 30-60%
штаммов,
колонизирующих
дыхательные пути
пациентов с
хронической
респираторной
патологией
(муковисцидоз, ХОБЛ,
бронхоэктазы)
 <1% нозокомиальных
штаммов, вызывающих
острые инфекции
mutS

16. БИОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ, КОТОРЫЕ ВЛИЯЮТ
НА РАСПРОСТРАНЕННОСТЬ РЕЗИСТЕНТНОСТИ
Частота
спонтанных
мутаций R
Приобретение
генов R
Цена R
R

17. Всегда ли мы можем прогнозировать появление и
распространение резистентности к антибиотикам?

18.  мутации в сайте связывания 23S рРНК
 4-6 копий генов 23S рРНК в геноме стафилококков
 мутации в одном локусе формируют низкий уровень
устойчивости
 для формирования клинически значимой
резистентности требуется наличие мутаций в
нескольких копиях генов 23S рРНК
 Низкая вероятность появления резистентности у
клинических штаммов
МУТАЦИОННАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ К ЛИНЕЗОЛИДУ

19. УСТОЙЧИВОСТЬ К ЛИНЕЗОЛИДУ, СВЯЗАННАЯ С
ПРИОБРЕТЕНИЕМ CFR МЕТИЛТРАНСФЕРАЗЫ
 плазмидно-кодируемая метилрансфераза (cfr)
 впервые выявленна у S. sciuri, осуществляет метилирование A2503
23S рРНК и вызывает устойчивость к фениколам, линкосамидам,
оксазолидинонам, плевромутилинам и стрептограмину А (PhLOPSA
фенотип)
 2004-06 гг. обнаружение cfr метилаз у ветеринарных штаммов
Staphylococcus spp.
 После 2007 г. появление cfr+ клинических штаммов S. aureus и
CoNS в Колумбии, Испании, США, Китае, Индии и др. странах

20. ГЕНЕТИЧЕСКАЯ ПРИРОДА
ПРИОБРЕТЕННОЙ РЕЗИСТЕНТНОСТИ
Приобретение
новых генов
Единичные
точечные
мутации
Рекомбинационные изменения
генов - мишеней
Множественные
мутации,
действующие
кооперативно
РЕЗИСТЕНТНОСТЬ

21. ГОРИЗОНТАЛЬНЫЙ ПЕРЕНОС ГЕНОВ
РЕЗИСТЕНТНОСТИ У БАКТЕРИЙ
 Трансформация – приобретение и интеграция в собственный
геном свободных фрагментов чужеродной ДНК
S. pneumoniae: «мозаичность» ПСБ

22.  Трансформация – приобретение и интеграция в собственный
геном свободных фрагментов чужеродной ДНК
S. pneumoniae, «мозаичность» ПСБ
 Трансдукция – перенос генов бактериофагами (редко!)
S. aureus: Cmr, Tcr
ГОРИЗОНТАЛЬНЫЙ ПЕРЕНОС ГЕНОВ
РЕЗИСТЕНТНОСТИ У БАКТЕРИЙ

23.  Трансформация – приобретение и интеграция в
собственный геном свободных фрагментов чужеродной
ДНК
(S. pneumoniae: «мозаичность» ПСБ)
 Трансдукция – перенос генов бактериофагами
(S. aureus: Cmr, Tcr)
 Конъюгация –перенос генов путем прямого контакта
между бактериальными клетками
 Плазмидоопосредованная
Грам(-) бактерии, устойчивость к
большинству известных АМП
 Транспозон-опосредованная
Tn916 E. faecalis: tet(M)
Tn1545 S. pneumoniae: tet(M), ermAM, aphA-3
ГОРИЗОНТАЛЬНЫЙ ПЕРЕНОС ГЕНОВ
РЕЗИСТЕНТНОСТИ У БАКТЕРИЙ

24. ВЕЗИКУЛЯРНЫЙ ТРАНСПОРТ И ГОРИЗОНТАЛЬНЫЙ
ПЕРЕНОС ГЕНОВ РЕЗИСТЕНТНОСТИ

25. Основные типы мобильных элементов
 Инсерционные (IS)-элементы и транспозоны
 Интегроны
 ISCR элементы (Insertion Sequence Common Regions)
МОБИЛЬНЫЕ ГЕНЕТИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ
Роль в формировании и распространении резистентности
 Перенос генов резистентности
 Контроль экспрессии генов резистентности
(положительный и отрицательный)

26.  Способны к самостоятельному перемещению
и переносу участков ДНК внутри генома
TnA (TEM), ISEcp1(CTX-M, CMY), IS26 (SHV), ISAba1 (OXA)
IS-ЭЛЕМЕНТЫ И ТРАНСПОЗОНЫ
tetR IS10IS10
Сложный транспозон (Tn10)
tnpAIR IR
Транспозон (Tn3)
res tnpR blaTEM
tnpR – ген резолвазы
tnpIR IR
tnp – ген транспозазы;
IR – инвертированные повторы
R – ген резистентности
IS
R

27.  «Генетический конструктор» бактерий
 Способны к включению в свой состав и
комбинированию генов резистентности к большинству
известных АМП в виде генетических кассет
ИНТЕГРОНЫ
Интегрон I класса
intI gene 1 gene 2 gene 3
att
TniC orf6 tniB tniA
Tn5090
intI gene 1 gene 2 gene 3
att
qacE1 sul1
ген
интегразы
кассета
59-пн элемент

28. Биологическая «цена» резистентности:
снижение жизнеспособности
Примеры:
 R к рифампицину, связанная с мутациями rpoB
 R вследствие перманентной активации эффлюксных систем,
гиперпродукции ферментов, разрушающих или модифицирующих АБ
 R к различным АБ, связанная с утратой или модификацией поринов,
изменением структуры клеточной стенки
Формирование резистентности (R) в
ряде случаев связано с
 ослаблением биологических функций
 дополнительной метаболической
нагрузкой
 пониженной жизнеспособностью

29. ВЗАИМОСВЯЗЬ МЕЖДУ ПОТРЕБЛЕНИЕМ
АНТИБИОТИКОВ И РЕЗИСТЕНТНОСТЬЮ
 Ограничение использования
АБ ведет к снижению
резистентности
 Всегда ли можно надеяться, что ограничение одной группы
АБ приведет к восстановлению чувствительности?
(основная идея схем «ротации АБ»)

30. E. coli ST131
pEC_L8blaCTX-M-15
pemK
pemI
parB
psiB
mok
ccdA
ccdB
vagD
vagD
vagC
Множественные
системы
«токсин-
антитоксин»
удерживают
плазмиду в
бактериальной
клетке
blaOXA-1
tetA
catB4
aac6’-1b-cr
blaTEM-1
Аминогликозиды и
ципрофлоксацин
Ингибиторозащищенные
пенициллины
Хлорамфеникол
Тетрациклины
Smet et al, PLOSOne. 2010 5(6): e11202
Цефалоспорины
и пенициллины
Почему резистентность к различным
антибиотикам накапливается и сохраняется?

31. РЕЗЮМЕ
 Формирование устойчивости к любым антибиотикам –
неизбежный эволюционный процесс
 Резистентность возникает в результате мутаций в имеющихся
генах или приобретения новых генов
 Особую роль в распространении генов резистентности и
регуляции их экспрессии играют мобильные генетические
элементы и плазмиды
 Резистентность может быстро накапливаться в бактериальной
популяции при наличии селективного давления, связанного с
применением антибиотиков, но снижение резистентности может
происходить крайне медленно