100972206

Spis treści Najważniejsze skróty stosowane w książce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

XIII Wprowadzenie Zdzisław Markiewicz, Magdalena Popowska . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1 1. Cele antybiotyków w komórce bakteryjnej i sposób, w jaki są atakowane Zdzisław Markiewicz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.1. Synteza DNA i antybiotyki hamujące jej przebieg . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.1.1. Antybiotyki hamujące biosyntezę DNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.1.2. Inne, poza chinolonami, antybiotyki hamujące syntezę DNA . . . . . . .

1.2. Przebieg transkrypcji i antybiotyki hamujące syntezę RNA . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.2.1. Antybiotyki hamujące transkrypcję . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.3. Antybiotyki hamujące syntezę białek . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.3.1. Antybiotyki działające na podjednostkę 30 rybosomu . . . . . . . . . . . . .

1.3.1.1. Aminoglikozydy i tetracykliny . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.3.2. Antybiotyki działające na podjednostkę 50 rybosomu . . . . . . . . . . . . .

1.3.2.1. Makrolidy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.3.2.2. Linkozamidy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.3.2.3. Fenikole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.3.2.4. Pleuromutyliny . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.3.2.5. Oksazolidynony . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.3.2.6. Streptograminy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.3.2.7. Kwas fusydowy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.3.2.8. Antybiotyki peptydowe hamujące syntezę białek . . . . . . . . . .

1.4. Antymetabolity przeciwbakteryjne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.5. Budowa i biosynteza elementów osłon bakteryjnych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.5.1. Błona cytoplazmatyczna bakterii . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.5.2. Budowa błony zewnętrznej bakterii Gram-ujemnych . . . . . . . . . . . . . . .

1.5.3. Biosynteza fosfolipidów tworzących błony bakteryjne . . . . . . . . . . . . . .

1.5.4. Budowa i biosynteza lipopolisacharydu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.5.4.1. Lipooligosacharyd błony zewnętrznej . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1.5.5. Antybiotyki działające na strukturę błon bakteryjnych . . . . . . . . . . . . .

1.5.5.1. Antybiotyki działające na błonę zewnętrzną . . . . . . . . . . . . . . .

1.5.5.2. Antybiotyki działające na błonę cytoplazmatyczną . . . . . . . . .

1.5.6. Budowa i biosynteza mureiny . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Antybiotyki.indd 7

19 20 22 25 28 29 31 35 36 42 42 44 45 45 46 47 49 50 53 56 57 60 61 63 68 68 71 74 78

16.09.2021 14:06

VIII

Antybiotyki w dobie narastającej lekooporności

1.5.6.1. Etapy biosyntezy mureiny . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

1.5.6.2. Antybiotyki oddziałujące na biosyntezę i funkcje mureiny . . . 90

1.5.7. Dodatkowe polimery związane z mureiną . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

1.5.7.1. Kwasy tejchojowe i lipotejchojowe mureiny bakterii Gram-dodatnich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

1.5.7.2. Antybiotyki hamujące syntezę kwasu tejchojowego . . . . . . . . 108

1.5.7.3. Kwasy uronowe i inne polimery związane z mureiną . . . . . . . 109

1.5.7.4. Białka ściany bakterii Gram-dodatnich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

1.5.7.5. Lipoproteiny w osłonach bakterii Gram-ujemnych . . . . . . . . . 111 1.6. Budowa osłon Mycobacterium sp. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112

1.6.1. Skład ściany Mycobacterium tuberculosis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

1.6.1.1. Budowa i biosynteza mureiny prątków . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

1.6.1.2. Budowa i synteza arabinogalaktanu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114

1.6.1.3. Budowa i biosynteza kwasów mikolowych . . . . . . . . . . . . . . . . . 116

1.6.1.4. Glikolipidy w osłonach prątków . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

1.6.1.5. Lipoproteiny prątków . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

1.6.2. Antybiotyki stosowane do zwalczania Mycobacterium tuberculosis i innych prątków . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 2. Skąd się bierze i jak rozpowszechnia się oporność? Magdalena Popowska . . . . . 125 2.1. Gleba i jej rola . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 2.2. Zanieczyszczenie gleby antybiotykami . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

2.2.1. Czas degradacji antybiotyków w glebie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 2.3. Metody wykorzystywane do badania antybiotykooporności . . . . . . . . . . . . . . 138 2.4. Geny oporności w glebie, ich ewolucja i rozpowszechnienie . . . . . . . . . . . . . . . 140 2.5. Bakterie oporne na antybiotyki . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 2.6. Mechanizmy rozpowszechniania AMR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 2.7. Wpływ zanieczyszczeń antropogenicznych na rozpowszechnianie AMR . . . . 152

2.7.1. Zastosowanie antybiotyków w przemyśle drobiarskim i jego wpływ na rezystom odchodów drobiowych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154

2.7.2. Stosowanie antybiotyków w przemyśle bydlęcym i jego wpływ na rezystom odchodów bydlęcych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156

2.7.3. Stosowanie antybiotyków w przemyśle trzody chlewnej i jego wpływ na rezystom odchodów świńskich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158

2.7.4. Hodowla zwierząt i rolnictwo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161

2.7.5. Oczyszczalnie ścieków . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165

2.7.6. Akwakultura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168

2.7.7. Powietrzne ARG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170 2.8. Rozpowszechnianie w glebie genów oporności na antybiotyki o podłożu antropogenicznym . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171

2.8.1. Zmiany w rezystomie roślin uprawianych w glebie nawożonej obornikiem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173

2.8.2. Dynamika i zmienność genów oporności na antybiotyki w glebie . . . 174

Antybiotyki.indd 8

16.09.2021 14:06

Spis treści

IX

2.9. Strategie oczyszczania obornika i ścieków . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177

2.9.1. Strategie obróbki obornika . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177

2.9.1.1. Termofilne kompostowanie obornika . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177

2.9.1.2. Fermentacja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178

2.9.2. Strategie oczyszczania ścieków . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178

2.9.2.1. Reaktory oczyszczania biologicznego . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179

2.9.2.2. Filtracja membranowa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179

2.9.2.3. Sztuczne tereny podmokłe – mokradła . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180 2.10. Podsumowanie i perspektywy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180 3. Oporność bakterii na antybiotyki Dorota Korsak, Magdalena Popowska . . . . . . . . 187 3.1. Informacje wstępne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188

3.1.1. Podstawowe wskaźniki oceniające skuteczność antybiotykoterapii . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189

3.1.2. Definicje nabytej oporności – konsensus międzynarodowy . . . . . . . . . 190

3.1.3. Przetrwanie (ang. persistence) i tolerancja (ang. tolerance) . . . . . . . . . . . 192

3.1.4. Podstawowe mechanizmy oporności . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196 3.2. Zmiany w miejscu docelowym działania leku . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197

3.2.1. Oporność na fluorochinolony . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197

3.2.2. Oporność na makrolidy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199

3.2.2.1. Modyfikacje 23S rRNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200

3.2.2.1.1. Metylotransferazy Erm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201

3.2.2.1.2. Metylotransferazy Rlm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203

3.2.2.1.3. Punktowe mutacje w domenach II i V 23S rRNA . . . 204

3.2.2.1.4. Zmiany w białkach rybosomowych . . . . . . . . . . . . . . . 205

3.2.3. Oporność na fenikole, linkozamidy, oksazolidynony, pleuromutylinę oraz streptograminę A (PhLOPSA) związana z metylotransferazami . . . . 207

3.2.4. Oporność na aminoglikozydy związana z metylotransferazami . . . . . . 208

3.2.5. Oporność na linezolid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209

3.2.5.1. Punktowe mutacje w domenie V 23S rRNA . . . . . . . . . . . . . . . . . 210

3.2.5.2. Zmiany w białkach rybosomowych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211

3.2.6. Oporność na ansamycyny (ryfamycyny) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212

3.2.7. Oporność na tetracykliny . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214

3.2.7.1. Punktowe mutacje w genach kodujących 16S rRNA . . . . . . . . . 214

3.2.7.2. Zmiany w białkach rybosomowych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215

3.2.8. Oporność na antybiotyki β-laktamowe wynikająca z modyfikacji białek wiążących penicylinę . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215

3.2.8.1.

Streptococcus pneumoniae . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217

3.2.8.2.

Haemophilus influenzae . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220

3.2.8.3.

Neisseria meningitidis i N. gonorrhoeae . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221

3.2.8.4. Enterococcus faecalis i E. faecium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223

3.2.9. Oporność na glikopeptydy wynikająca z modyfikacji prekursora peptydoglikanu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225

Antybiotyki.indd 9

16.09.2021 14:06

X

Antybiotyki w dobie narastającej lekooporności

3.2.9.1. Oporność Enterococcus spp. na glikopeptydy . . . . . . . . . . . . . . . 225

3.2.9.1.1. System VanA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229

3.2.9.1.2. Inne systemy Van . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232

3.2.9.2. Oporność Staphylococcus aureus na glikopeptydy warunkowana obecnością operonu vanA . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233

3.2.9.3. Oporność na glikopeptydy innych gatunków bakterii . . . . . . 235

3.2.10. Oporność na polimyksyny i daptomycynę . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237 3.3. Zmiana przepuszczalności osłon bakteryjnych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240

3.3.1. Zmiany w budowie błony zewnętrznej bakterii Gram-ujemnych . . . . 241

3.3.2. Zmiany grubości warstwy peptydoglikanu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244

3.3.2.1. Szczepy Staphylococcus aureus o fenotypie VISA (niezawierające genu vanA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245

3.3.2.2. Szczepy Staphylococcus aureus o fenotypie hetero-VISA . . . . 248 3.4. Oporność związana z syntezą enzymów inaktywujących lub modyfikujących cząsteczki antybiotyków . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249

3.4.1. Oporność na β-laktamy – synteza β-laktamaz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249

3.4.1.1. Nazewnictwo i klasyfikacja β-laktamaz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252

3.4.1.1.1. Klasyfikacja molekularna według Amblera . . . . . . . . 253

3.4.1.1.2. Klasyfikacja β-laktamaz na podstawie ich aktywności według Busha-Jacoby’ego-Medeirosa . . . 263

3.4.1.1.3. Charakterystyka wybranych β-laktamaz . . . . . . . . . . 267

3.4.2. Oporność na aminoglikozydy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279

3.4.2.1. Acetylotransferazy aminoglikozydów (AACs) . . . . . . . . . . . . . . . 282

3.4.2.2. Fosfotransferazy aminoglikozydów (ANTs) . . . . . . . . . . . . . . . . . 283

3.4.2.3. Nukleotydylotransferazy aminoglikozydów (APHs) . . . . . . . . . 284

3.4.3. Oporność na fenikole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284

3.4.4. Oporność na makrolidy, linkozamidy i streptograminy . . . . . . . . . . . . . 289

3.4.4.1. Esterazy makrolidów . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289

3.4.4.2. Fosfotransferazy makrolidów . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291

3.4.4.3. Nukleotydylotransferazy linkozamidów . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292

3.4.4.4. Enzymy inaktywujące streptograminy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294

3.4.5. Oporność na fosfomycynę . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296

3.4.6. Oporność na tetracykliny . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298 3.5. Bakteryjne pompy oporności wielolekowej . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299

3.5.1. Nadrodzina MFS (ang. major facilitators superfamily) . . . . . . . . . . . . . . . 302

3.5.2. Nadrodzina RND (ang. resistance-nodulation-cell division) . . . . . . . . . . . 306

3.5.3. Rodzina SMR (ang. small-multidrug resistance) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310

3.5.4. Rodzina MATE (ang. multidrug and toxic compounds extrusion) . . . . . . 312

3.5.5. Nadrodzina ABC (ang. ATP binding cassette) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313

3.5.6. Rodzina AbgT (ang. p-aminobenzoyl-glutamate transporter) . . . . . . . . 315

3.5.7. Rodzina PACE (ang. proteobacterial antimicrobial compound efflux) . . . . 316 3.6. Oporność wynikająca z wytworzenia alternatywnej drogi (lub enzymu) pozwalającej ominąć etap wrażliwy na lek . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316

Antybiotyki.indd 10

16.09.2021 14:06

Spis treści

XI

3.6.1. Oporność na trimetoprim . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317

3.6.1.1. Determinanty oporności na trimetoprim kodowane w ruchomych elementach genetycznych . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318

3.6.1.2. Chromosomowa oporność na trimetoprim . . . . . . . . . . . . . . . . 319

3.6.2. Oporność na sulfonamidy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320

3.6.2.1. Determinanty oporności na sulfonamidy kodowane w ruchomych elementach genetycznych . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320

3.6.2.2. Chromosomowa oporność na sulfonamidy . . . . . . . . . . . . . . . . 321

3.6.3. Oporność na antybiotyki β-laktamowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323

3.6.3.1. Oporność Staphylococcus aureus wynikająca z obecności PBP2a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323

3.6.3.2. Oporność Enterococccus hirae wynikająca z obecności PBP3r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329 3.7. Oporność wynikająca z obecności białek ochronnych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329

3.7.1. Białka chroniące rybosom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330

3.7.2. Białka chroniące gyrazę . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331 3.8. Podsumowanie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333 4. Poszukiwanie nowych antybiotyków, nowych celów dla antybiotyków oraz alternatywnych sposobów zwalczania bakterii Zdzisław Markiewicz . . . . . 339 4.1. Nowe antybiotyki . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341 4.2. Repozycjonowanie leków . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347 4.3. Naturalne i syntetyczne peptydy przeciwbakteryjne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349

4.3.1. Nanosystemy służące do transportu przeciwdrobnoustrojowych peptydów . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352 4.4. Bakteriofagi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356 4.5. Lizyny fagowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359 4.6. „Łamacze” bakteryjnej oporności na antybiotyki . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360

4.6.1. Inhibitory β-laktamaz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364

4.6.2. Inhibitory enzymów modyfikujących aminoglikozydy . . . . . . . . . . . . . . 366

4.6.3. Inhibitory pomp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369

4.6.4. Permeabilizacja osłon bakterii Gram-ujemnych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373 4.7. Wykorzystanie receptorów w błonie zewnętrznej bakterii Gram-ujemnych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374 4.8. Inhibitory siły protonomotorycznej . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376 4.9. Hybrydy antybiotykowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 379 4.10. Nowe cele dla antybiotyków w komórce bakteryjnej . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 381

4.10.1. Układy dwuskładnikowe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 389

4.10.2. tRNA jako target . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392

4.10.3. Wyczuwanie liczebności jako cel dla antybiotyków . . . . . . . . . . . . . . . . . 393

4.10.4. Białka uczestniczące w bakteryjnym podziale komórkowym . . . . . . . . 397 4.11. Terapia fotodynamiczna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 399 4.12. Probiotyki . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 400

Antybiotyki.indd 11

16.09.2021 14:06

XII

Antybiotyki w dobie narastającej lekooporności

4.13. Szczepionki . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 402 4.14. Przeciwciała monoklonalne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 405 4.15. Immunomodulacja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 406 Polecana literatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 409 Skorowidz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413

Antybiotyki.indd 12

16.09.2021 14:06

56

Antybiotyki w dobie narastającej lekooporności

Mupirocyna podana ogólnie (skóra, nos) jest metabolizowana do mikrobiologicznie nieaktywnego metabolitu – kwasu monowego, który QDVWĊSQLH zostaje V]\ENR Z\GDORQ\ SU]H] QHUNL ,QQH DQW\PHWDEROLW\ EĊGąFH QDWXUDOQ\PL DPLQRkwasami to np. aminokwasy ZáąF]DQH do syntetyzowanej F]ąVWHF]NL w miejsce ZáDĞFLZ\FK Tak dzieje VLĊ np. gdy w ĞURGRZLVNX wzrostowym Z\VWĊSXMH GXĪR konkretnego aminokwasu, np. glicyny, która PRĪH E\ü wtedy wbudowywana do pentapeptydowegoprekursoramureinybakteryjnejĞFLDQ\komórkowej,]DVWĊSXMąF w nim np. WHUPLQDOQą d-DODQLQĊ Podobnie PRJą do mureinyE\ü wbudowywane treonina i leucyna, SRZRGXMąF ELRV\QWH]Ċ PDNURF]ąVWHF]NL o VáDELHM usieciowanej strukturze, bardziej podatnej na G]LDáDQLH bakteryjnych autolizyn.

1.5. Budowa i biosynteza elementów osłon bakteryjnych W 1884 roku 'XĔF]\N Hans Christian Gram RSUDFRZDá SURFHGXUĊ barwienia EDNWHULL NWyUD SR]ZROLáD SRG]LHOLü ]GHF\GRZDQą ZLĊNV]RĞü ]QDQ\FK EDNWHULL QD dwie GXĪH grupy, EDUZLąFH VLĊ albo Gram-ujemnie, albo Gram-dodatnio. O wyQLNX EDUZLHQLD *UDPD GHF\GXMH VWUXNWXUD RVáRQ NRPyUNL EDNWHU\MQHM : OLWHUDWXU]H FRUD] F]ĊĞFLHM ]DPLDVW bakterii Gram-dodatnich i Gram-ujemnych stoVRZDQH Vą RGSRZLHGQLR WHUPLQ\ monodermata MHGQREáRQRZFH L didermata GZXEáRQRZFH FR RG]ZLHUFLHGOD Z\VWĊSRZDQLH MHG\QLH EáRQ\ F\WRSOD]PDW\F]nej w pierwszej grupie oraz dodatkowo EáRQ\ ]HZQĊWU]QHM w drugiej. Oprócz bakterii Gram-ujemnych i Gram-dodatnich LVWQLHMą nieliczne bakterie, które barZLą VLĊ Gram-zmiennie. 6ą to gatunki, których jedne komórki w populacji EDUZLą VLĊ Gram-dodatnio, inne ]DĞ Gram-ujemnie, lub takie, które GDMą odmienny Z\QLN EDUZLHQLD ]DOHĪQLH RG VWDQX ¿]MRORJLF]QHJR NRPyUHN Z hodowli.

Cytoplazma komórki bakteryjnej otoczona jest warstwami struktur, które FKURQLą Mą i równRF]HĞQLH PRGXOXMą interakcje SRPLĊG]\ QLą i ĞURGRZLVNLHP ]HZQĊWU]Q\P Te struktury, w tym GOD SU]HMU]\VWRĞFL w WHM NVLąĪFH UyZQLHĪ EáRQD F\WRSOD]PDW\F]na,nazywaneVąRVáRQDPLkomórkowymi(ang.cell envelope). W VNáDGRVáRQpoza EáRQą F\WRSOD]PDW\F]Qą (ang. CM, cytoplasmic membrane) wchodzi warstwa mureiny i, u bakterii Gram-XMHPQ\FK EáRQD ]HZQĊWU]QD (ang. OM, outer membrane).

Dodatkowo, na ]HZQąWU] mureiny bakterii Gram-dodatnich oraz OM bakterii Gram-XMHPQ\FK F]ĊVWR Z\VWĊSXMH PDWHULDá otoczkowy. Mykobakterie SRVLDGDMą VZRLVWą EáRQĊ ]HZQĊWU]Qą QD]ZDQą ÄP\NREáRQą´ FDáNLHP RGPLHQQą od OM bakterii Gram-ujemnych, na ]HZQąWU] NWyUHM UyZQLHĪ Z\VWĊSXMH PDWHULDá otoczkowy.

Budowa RVáRQ bakterii Gram-ujemnych i Gram-dodatnich przedstawiona jest schematycznieodpowiednionarycinach1.25 i 1.26. Znaczniebardziej]áRĪRQD budowa struktur VWDQRZLąF\FK RVáRQ\ mykobakterii omówiona jest w innej F]ĊĞFL tego UR]G]LDáX (s. 113).

82

Antybiotyki w dobie narastającej lekooporności

W drugiej fazie, przebiegającej w błonie cytoplazmatycznej, następuje połączenie powstałego muramoilopentapeptydu z przenośnikiem lipidowym – fosforanem undekaprenylu (C55-P, baktoprenol) z odłączeniem urydynofosforanu. Ten etap jest hamowany przez tunikamycynę oraz przez friulimycynę, która wiąże się do C55-P. Powstały prekursor C55-PP-MurNAc-pentapeptyd nosi nazwę lipidu I. Z kolei do kompleksu C55-PP-MurNAc-pentapeptyd poprzez wiązanie β(1o4) glikozydowe przyłączana jest reszta UDP-GlcNAc, a powstały prekursor, C55-PP-disacharydopentapeptyd, nosi nazwę lipidu II. Ten etap syntezy mureiny blokowany jest przez antybiotyk nizynę.

W powstaniu lipidu I i lipidu II uczestniczą odpowiednio białka MraY oraz MurG. Lipid II przerzucany jest przez błonę cytoplazmatyczną przez enzym MurJ zwany flipazą (ang. flippase). Niewykluczone, że w tym procesie również bierze udział białko FtsW, glikozylotransferaza peptydoglikanowa, która wiąże lipid II. W trzeciej fazie syntezy mureiny, mającej miejsce na zewnątrz błony cytoplazmatycznej, lipid II jest substratem dla aktywności transglikozylaz, które katalizują reakcję włączania disacharydopentapeptydu do mureiny, z równoczesnym odłączeniem C55-PP, z którego fosfatazy BacA(UppS), PgpB i YbjG usuwają grupę fosforanową, po czym C55-P powraca na wewnętrzną stronę błony cytoplazmatycznej (ryc. 1.36). Reakcja regeneracji C55-P hamowana jest przez antybiotyk bacytracynę.

Z kolei dd-transpeptydazy (dd-TPazy) katalizują powstawanie wiązań poprzecznych między bocznym peptydem włączanego prekursora a peptydem w już istniejących łańcuchach mureiny, lub między bocznymi peptydami włączanych prekursorów, decydując o tzw. usieciowaniu tej struktury. Reakcje transpeptydacji katalizowane przez białka wiążące penicylinę (ang. PBP, penicillin binding proteins) inhibowane są przez wankomycynę, która wiąże się do terminalnego dipeptydu prekursora, lipidu II. Reakcje transpeptydacji oraz tranglikozylacji, jak również usuwanie terminalnej d-alaniny z prekursora mureiny katalizowane są przez enzymy błonowe zwane białkami wiążącymi penicylinę. Naturalnym substratem tych enzymów jest d-alanylo-d-alanina w prekursorze mureiny, która wiąże się do centrum aktywnego enzymu z charakterystycznym dla dd-peptydaz motywem SXXK (Ser-X-X-Lys), gdzie X oznacza dowolny aminokwas. Do centrum aktywnego tych białek mogą się wiązać również antybiotyki β-laktamowe, które hamują ten etap. Reakcje transpeptydacji hamowane są więc zarówno przez antybiotyki glikopeptydowe, jak i antybiotyki β-laktamowe.

Liczba białek wiążących penicylinę jest różna u różnych bakterii, np. u Gram-dodatniego ziarniaka Staphylococcus aureus wrażliwego na penicylinę jest ich

1. Cele antybiotyków w komórce bakteryjnej i sposób, w jaki są atakowane 1 ETAP powstawanie disacharydopentapeptydu (cytoplazma)

3 ETAP

2 ETAP SRáąF]HQLH z undekaprenolem EáRQD F\WRSODPDW\F]QD

polimeryzacja ĞFLDQ\ NRPyUNRZHM

fruktozo-6-P glutamina

1 glutaminian

glukozamino-6-P

1

Aminotransferaza glutamino:fruktozo-6-P (GlmS)

2

Mutaza fosfoglukozaminowa (GlmM)

3

(Q]\P GZXGRPHQRZ\ *OP8 'RPHQD & NRĔFRZD MHVW DFHW\OD]ą D GRPHQD N NRĔFRZD SLURIRVIRU\OD]ą

2 glukozamino-1-P acetylo-CoA CoA

3

N-acetyloglukozamino-1-P UTP PPi

4

UDP-GlcNAc fosfomycyna

PEP

5

UDP-N DFHW\ORJOXNR]DPLQRZą 4

Pirofosforylaza (GlmU) – patrz p. 3

5

Transferaza enolopirogronianowa (MurZ)

6

Reduktaza (MurB)

7

(Q]\P GRGDMąF\ L DODQLQĊ 0XU&

8

(Q]\P GRGDMąF\ JOXWDPLQLDQ 0XU'

9

(Q]\P GRGDMąF\ NZDV GLDPLQRSLPHOLQRZ\ 0XU( 10 Racemaza alaninowa (DdlB) 11 Ligaza D-alanylo-D-alaninowa (DdlA) 12 (Q]\P GRGDMąF\ D-alanylo-D DODQLQĊ 'GO% 13 Transferaza fosfo-MurNAc-pentapeptydowa (MraY) 14 Transferaza N-acetyloglukozaminowa (MurG) 15 Difosfataza undekaprenylowa (UppP) 16 )OLSD]D 0XU- SUDZGRSRGREQLH ] XG]LDáHP ELDáND )WV:

Pi

UDP-GlcNAc-enolopirogronian

17 7UDQVSHSW\GD]\ L WUDQVJOLNR]\OD]\ 3%3 V

NADPH NADP+

6

UDP-MurNAc L-Ala

7

lipid II UDP-MurNAc-L-Ala D-Glu

PXUHLQD GRMU]DáD

C55-PP-GlcNAc-MurNAc -pentapeptyd ȕ ODNWDP\ wankomycyna

8 UDP-MurNAc-L-Ala-D-Glu A2pm

cykloseryna

[GlcNAc-MurNAc -pentapeptyd]n

14

9

17

lipid I UDP-MurNAc-L-Ala-D-Glu-A2pm D-Ala

L-Ala

10

D-Ala-D-Ala

11

dojrzewanie mureiny

16

C55-PP-MurNAc -pentapeptyd

GlcNAc-MurNAc -pentapeptyd

C55-PP

12 bacytracyna

15

13 UDP-MurNAc-L-Ala-D-Glu-A2pm-D-Ala-D-Ala

C55-P

(=UDP-MurNAc-pentapeptyd) O =

CH3

–

CH3

–

–

CH3

–

CH3–C=CH–CH2–[CH2–C=CH–CH3]9–CH2–C=CH–CH2–O–P–O O

Ryc. 1.36. Przebieg biosyntezy mureiny z zaznaczeniem poszczególnych faz tego procesu, które rozdzielono pionowymi przerywanymi liniami. W górnej ramce przedstawiono główne enzymy uczestniczące w biosyntezie tej makrocząsteczki, a w dolnej pokazano strukturę fosforanu undekaprenylu, który przenosi przez błonę prekursory w trakcie biosyntezy mureiny (również prekursory do syntezy lipopolisacharydu i kwasów tejchojowych). Czerwone strzałki wskazują miejsca działania antybiotyków hamujących syntezę mureiny. Szczegóły biosyntezy tego makropolimeru ściany opisano w tekście

83

300

Antybiotyki w dobie narastającej lekooporności

Ryc. 3.16. Schematyczne przedstawienie głównych rodzin bakteryjnych systemów efflux.

Transportery ABC (ang. ATP binding cassette); transportery MFS (ang. major facilitator superfamily); transportery MATE (ang. multidrug and toxic compounds extrusion); transportery PACE (ang. proteobacterial antimicrobial compound efflux); transportery SMR (ang. small-multidrug resistance); transportery AbgT (ang. p-aminobenzoyl-glutamate transporter); transportery RND (ang. resistance-nodulation-cell division), CM – błona cytoplazmatyczna, IMP – białko transportowe, MFP – peryplazmatyczne białko łączące, OM – błona zewnętrzna, OMF – białko błony zewnętrznej, PP – przestrzeń peryplazmatyczna

Geny kodujące transportery, które są odpowiedzialne za wyrzut związków antybakteryjnych, w tym antybiotyków, nie pojawiły się w odpowiedzi na stres związany z wprowadzeniem do leczenia antybiotyków i powszechnym ich stosowaniem począwszy od lat 40. XX wieku. Analizy sekwencji genomów bakteryjnych pokazują, że geny kodujące potencjalne pompy usuwające szkodliwe substancje mogą stanowić od 6% do 18% wszystkich transporterów obecnych w komórkach i im większy genom, tym więcej w nim genów kodujących różne rodziny pomp.

W większości przypadków geny zlokalizowane są w chromosomach i w związku z tym nie są łatwo przenoszone pomiędzy bakteriami w wyniku transferu horyzontalnego (HGT). Dodatkowo, geny te są silnie konserwowane (wszystkie szczepy danego gatunku posiadają takie same geny pomp), a ich ekspresja jest ściśle regulowana przez białka regulatorowe należące zarówno do białek działających lokalnie, jak i do sieci globalnej regulacji komórkowej. Geny często nie ulegają ekspresji lub ich ekspresja zachodzi na bardzo niskim poziomie i nie zapewnia odpowiedniego stopnia oporności.

Geny kodujące bakteryjne pompy efflux mogą być również związane z ruchomymi elementami genomu, takimi jak plazmidy czy transpozony, i wówczas mogą być łatwo wymieniane pomiędzy bakteriami na drodze HGT, przyczyniając się do szerzenia oporności. Niezależnie od lokalizacji w genomie, ekspresja

3. Oporność bakterii na antybiotyki

genów pomp może być indukowana przez podłoże, warunki środowiskowe lub mutacje w genach regulatorowych.

Badania prowadzone w ostatnich latach pokazały, że pompy efflux nie tylko usuwają z komórek związki o działaniu antybakteryjnym, takie jak antybiotyki, toksyny, środki dezynfekcyjne i antyseptyczne oraz jony metali, ale również odgrywają bardzo ważną rolę w fizjologii bakterii. Wykazano, że białka te mogą być zaangażowane w transport lipidów, utrzymanie równowagi kwasowo-zasadowej w komórce, proces patogenezy, zjawisko wyczuwania liczebności (ang. quorum sensing) czy tworzenie biofilmów, a ich naturalnymi substratami są kwasy tłuszczowe, sole kwasów żółciowych, peptydy przeciwbakteryjne czy autoinduktory.

Na przykład trójskładnikowy system transportowy AcrAB-TolC u E. coli i Salmonella serovar Typhimurium usuwa sole żółci, które są naturalnymi substancjami bakteriobójczymi produkowanymi przez ssaki i ptaki. Podobną rolę pełni pompa MdrT Gram-dodatniej bakterii – Listeria monocytogenes. Badania na modelu mysim pokazały również, że MdrT oraz drugi transporter, MdrM, odgrywają rolę w procesie kolonizacji komórek wątroby i woreczka żółciowego.

Pompy mają również wpływ na homeostazę komórki. Nadekspresja genu kodującego białko MdfA E. coli nie tylko nadaje bakterii oporność na antybiotyki, lecz w warunkach fizjologicznego poziomu ekspresji genu kodowane przezeń białko funkcjonuje jako antyporter Na+/H+. W ten sposób pomaga komórce utrzymać homeostazę pH w środowisku alkalicznym. Transportery efflux, zamiast usuwać substancje dostające się do komórki z zewnątrz, mogą wypompowywać endogenne metabolity wtórne, np. syderofory lub toksyczne produkty metabolizmu. Ta właściwość warunkuje udział pomp w komunikacji międzykomórkowej (ang. quorum sensing) dzięki której bakterie, poprzez wykorzystanie rozpuszczalnych cząsteczek sygnałowych, wyczuwają zmiany gęstości ich populacji i wspólnie odpowiadają na bodźce ze środowiska. Najlepiej poznanymi cząsteczkami sygnałowymi wytwarzanymi przez bakterie Gram-ujemne są laktony N-acylo-L-homoseryny (ang. AHL, acylhomoserine lactones). Zbudowane są one z laktonu homoseryny (ang. HSL, homoserine lactone), który jest podstawiony w pozycji α kwasem tłuszczowym (grupa acylowa). Wielkość cząsteczek AHL wpływa na sposób ich transportu z cytoplazmy na zewnątrz komórki bakteryjnej. Cząsteczki AHL zawierające krótkie łańcuchy kwasów tłuszczowych mogą swobodnie przemieszczać się na zewnątrz komórki na drodze dyfuzji. Natomiast autoinduktory, zawierające powyżej 6 atomów węgla w grupie acylowej, wymagają obecności wyspecjalizowanych transporterów. Wykazano, że trójskładnikowy system transportu MexAB-OprM Pseudomonas aeruginosa uczestniczy w transporcie z komórki do środowiska zewnętrznego autoinduktora, laktonu 3-okso-dodekanylo-homoseryny (3OC12-HSL). W momencie gdy ilość tego autoinduktora przekracza stężenie progowe, dochodzi m.in. do aktywacji regulatora transkrypcji

301