Биологические науки/6. Микробиология и вирусология

Крысенко А.В., Скляр Т.В., Винников А.И.,

Татошвили И.А., Василенко Е.Н.

Днепропетровский национальный университет имени О.Гончара

Особенности комбинированного применения антибиотических препаратов

Проблема антибиотикоустойчивости микроорганизмов приобрела особую актуальность с середины пришлого века, когда антибиотики стали широко использоваться в медицинской практике. На сегодняшний день эта проблема остается далекой от разрешения, при этом наряду с разработкой новых антимикробных препаратов, одним из способов преодоления лекарственной устойчивости является комбинирование антимикробных препаратов с веществами, повышающими их активность и (или) способными в определённой степени подавлять биохимические механизмы устойчивости. В связи с этим следует выделить наиболее эффективные подходы, способствующие повышению терапевтической эффективности антибиотиков: комбинирование β-лактамных антибиотиков с ингибиторами β-лакатамаз, препараты типа «prodrug», синергидные комбинации антибиотиков, комбинации с синтетическими поверхностно-активными веществами.

Устойчивость бактерий к антибиотикам путем ферментативной инактивации последних широко известна применительно к β-лактамам и аминогликозидам, обнаружена также ферментативная инактивация макролидных антибиотиков и тетрациклинов. Отсюда целесообразным представляется поиск природных и синтетических ингибиторов ферментов, модифицирующих антибиотики, тем самым снижая их эффективность [10,11]. Относительно устойчивости микроорганизмов к β-лактамам, наибольшее клиническое значение имеет гидролиз антибиотика β-лактамазами. Именно этот механизм обеспечивает высокие уровни устойчивости.

β-лактамазы представляют обширную группу генетически и функционально различных ферментов. Природная способность к продукции β-лактамаз характерна для многих видов микроорганизмов. Однако наибольшую значимость в последнее время приобретает широкое распространение плазмиднокодируемых β-лактамаз, являющихся факторами вторичной (приобретенной) резистентности у изначально чувствительных микроорганизмов (генетические группы SHV, TEM и др. ) [9,20]. С момента открытия β-лактамаз в 1940 г., когда E.P. Abraham и E. Chain описали процесс инактивации пенициллина в бесклеточном экстракте культуры кишечной палочки, и до настоящего времени различными исследователями выявлено не менее 300 ферментов, отличающихся структурно и функционально, способных осуществлять гидролиз β-лактамного кольца [20,21]. За исключением нескольких видов клинически значимых микроорганизмов, среди которых следует отметить Streptococcus pneumoniae и Helicobacter pylori, β-лактамазы встречаются у подавляющего большинства бактериальных возбудителей инфекций [ 19,21,22 ].

Наиболее эффективным методом преодоления этой проблемы является комбинированое применение β-лактамов с ингибиторами β-латкамаз. За последние годы доказана высокая лечебная ефективность комбинированных препаратов аугментина (амоксициллиин и ингибитор β-лактамаз — клавуланат натрия или калия) и уназина (ампициллин и ингибитор β-лактамаз — сульбактам) [3,9,11]. Также известен препарат тиментин (тикарциллин и ингиботор β-лактамаз – клавуланат). На мировом рынке они успешно конкурируют с новейшими цефалоспоринами [18].

Все β-лактамы, обладающие ингибиторной активностью (пенициллины, цефалоспорины и собственно ингибиторы), принято распределять на конкурентные (обратимые и необратимые) и неконкурентные ингибиторы. Конкурентные обратимые ингибиторы конкурируют с субстратом за активные центры β-лактамаз, однако химического взаимодействия с ферментом при этом не происходит. Удаление ингибитора из смеси сопровождается восстановлением ферментативной активности. К соединениям такого типа относят изоксазолиловые пенициллины. Конкурентные необратимые ингибиторы вступают во взаимодействие с β-лактамазами, инактивируя их; при удалении ингибитора из реакционной смеси активность фермента не восстанавливается. Примерами данной группы ингибиторов являются клавулановая кислота, сульбактам. К неконкурентным ингибиторам принадлежат вещества, которые не конкурируют с субстратом за активные центры фермента, но связывают последний с нарушением его функции. К неконкурентным ингибиторам относят цефамандол, цефалоглицин, метициллин, действующий как конкурентный ингибитор при низких концентрациях и как неконкурентный — при высоких [11,20].

Следует отметить, что помимо ингибирующего эффекта, клавулановая кислота усиливает действие многих пенициллинов и цефалоспоринов, за счет усиления сродства пенициллинсвязывающих белков (ПСБ) [18]. МПК бензилпенициллина, ампициллина, амоксициллина, карбенициллина, тикарциллина, пиперациллина, цефалотина, цефалоридина, цефалексина заметно снижается в присутствии ингибитора в отношении S. aureus, H. influenzae, Neisseria gonorrhoeae, В. fragilis, E. coli, Klebsiella pneumoniae, С. freundii, Salmonella spp., Serratia spp., P. aeruginosa [12].

Сульбактам является конкурентным необратимым ингибитором β-лактамаз грамположительных и грамотрицательных микроорганизмов. Он необратимо связывается с β-лактамазой, что приводит к гидролизу и расщеплению молекулы сульбактама с одновременно необратимой инактивацией фермента. Несмотря на β-лактамную стрктуру сульбактама, спектр его антимикробного действия ограничен и включает только некоторые виды нейсерий, Actinetobacter calcoaceticus, Bacteroides spp.,Pseudomonas cepacia.[13,14] Поэтому основным антибактериальным компонентом комбинированного препарата, включающего сульбактам с ампициллином, является ампициллин, который оказывает бактерицидное действие на чувствительные микроорганизмы, находящиеся в фазе роста, путём ингибирования процессов биосинтеза клеточной стенки бактерий [7, 8]. Он усиливает антибактериальную активность амоксициллина, бензилпенициллина, карбенициллина, цефазолина, цефалотина, пиперациллина, мезлоциллина, мециллинама и других в отношении β-лактамазообразующих штаммов S. aureus, Enterobacteriaceae, P. aeruginosa, Bacteroides spp. Комбинация отличается особенно высокой активностью в отношении анаэробов. Однако сульбактам уступает клавулановой кислоте в способности потенцировать активность антибиотиков [1, 9, 15].

Большую группу природных ингибиторов β-лактамаз составляют карбапенемы. Они включают оливановые кислоты, тиенамицины и карпетимицины. Некоторые из этих соединений обладают выраженной антибактериальной активностью и устойчивы к действию β-лактамаз.

К эффективным ингибиторам β-лактамаз относится и β-лактамный антибиотик тиенамицин (образуется Streptomyces cattleya), который привлекает внимание исследователей своим необычайно широким спектром действия и высокой антибактериальной активностью. Он активен в отношении Е. coli, Enterobacter spp., P. mirabilis, K. pneumoniae, P. aeruginosa, B. fragilis, Streptococcus spp., в том числе S. faecalis [15].

Большинство известных β-лактамаз проявляет выраженную структурную гомологию с пенициллинсвязывающими белками (ПСБ), что свидетельствует об эволюционной взаимосвязи между ферментами этих групп. Подобно ПСБ β-лактамазы, содержащие остаток серина в активном центре, взаимодействуют с β-лактамными антибиотиками с образованием эфирного комплекса. Однако в случае β-лактамаз этот комплекс быстро расщепляется с высвобождением нативного фермента и инактивированной молекулы субстрата [19].

Различия между β-лактамазами и ПСБ не всегда отчетливы, поскольку многие β-лактамазы могут образовывать стабильные эфиры с β-лактамами, выступающими в роли ингибиторов, а некоторые ПСБ обладают способностью к быстрому деацилированию, проявляя слабую гидролитическую активность в отношении отдельных β -лактамных антибиотиков [21].

Приходится отметить, однако, что субстратная специфичность β-лактамаз широко варьирует при мутациях, фенотипически выраженных в изменении последовательности аминокислот не только в активном центре ферментов, но и вне его. Это ведет к исключительному разнообразию ферментов и постепенному распространению β-лактамаз, способных инактивировать любые новейшие цефалоспорины и карбапенемы. Среди патогенов постепенно распространяются металлозависимые β-лактамазы, с широким субстратным спектром, ранее встречавшиеся в основном у почвенных споровых бактерий. Поиск новых ингибиторов для комбинированного применения их с антибиотиками должен продолжаться, также как и поиск новых β-лактамных антибиотиков. В то же время при широком подходе к проблеме тест-объектом для поиска следует считать не только β-лактамазу саму по себе, но и содержащую ее клетку. Здесь открываются новые возможности получения агентов, перспективных при сочетанном использовании с антибиотиками. Речь идет об ингибиторах индукции β-лактамаз и ингибиторах процессинга этих ферментов. Как известно, цефалоспорины третьего поколения нередко индуцируют синтез хромосомных β-лактамаз, что является их заметным недостатком, несмотря на сохраняющееся доминирующее положение этой группы антибиотиков в клинике. Системы индукции включают сенсоры на поверхности клетки, трансмембранные белки, цитоплазматические белки, передающие сигнал на репрессор структурного гена β-лактамазы. После освобождения от репреесора начинается экспрессия структурного гена — образование специфической информационной РНК (матрицы) и синтез белка β-лактамазы в рибосомно-матричной системе микробной клетки.

К основным факторам, определяющим эффективность взаимодействия ингибитора с β-лактамными антибиотиками, относят следующие:

- степень β-лактамазной активности штаммов; штаммы, продуцирующие большие количества фермента, требуют больших концентраций ингибитора;

- локализация β-лактамаз в клетке; экстрацеллюлярные ферменты (например, стафилококков) подавляются легче;

- степень проникновения антибиотика через клеточную стенку, меньшие количества ингибитора требуются при сочетанном применении с β-лактамами, хорошо проникающими внутрь клетки;

- степень внутренней активности β-лактамов: сочетание ингибиторов с бензилпенициллином или ампициллином в отношении стафилококков, образующих β-лактамазу более эффективно, чем с карбенициллином, поскольку последний обладает меньшей антистафилококковой активностью. Ингибиторы в сочетании с β-лактамами проявляют большую активность в отношении пенициллиназ, чем в отношении цефалоспориназ [10, 11, 13].

β-лактамные антибиотики также используются в комбинациях с рядом антибиотиков, таких как: тетрациклины, макролиды. Так, синергидный эффект наблюдается при комбинации с мециллинамом. Мециллинам – это производное 6 – амидинопенициллановой кислоты, отличается высокой активностью по отношению к ряду грамотрицательных бактерий и слабой активностью в отношении грамположительных микроорганизмов. К важной особенности мециллинама относится повышение его эффективности в отношении бактерий семейства Enterobacteriaceae при его сочетании с пенициллинами и цефалоспоринами [4,16].

Перспективы химио- и антибиотикотерапии, несомненно, связаны и с созданием препаратов типа «prodrug», т.е. двух веществ, соединенных ковалентной связью, которая расщепляется в клетке с освобождением входящих в «prodrug» компонентов. Каждый из них может иметь свою мишень, т.е. подразумевается их различие по механизму действия. В настоящее время обсуждается возможность внедрения в клинику препаратов, содержащих соединенные эфирной связью цефалоспориновую и фторхинолоновую структуры [6]. Цефалоспорины, как известно, подавляют синтез пептидогликана, т.е. образование у бактерий клеточной стенки, фторхинолоны активность ДНК-гиразы, фермента, вызывающего суперскручивание кольцевой бактериальной ДНК (хромосомы). Аргументы в пользу «prodrug», но не смеси цефалоспорина и фторхинолона, обусловлены тем, что при наличии ковалентной связи между этими антимикробными агентами изменяется проникновение в клетку по крайней мере одного из компонентов комбинации: в частности, гидрофильный цефалоспориновый фрагмент в «prodrug» способствует проникновению через внешнюю мембрану, а возможно и через цитоплазматическую мембрану гидрофобного фторхинолона. Предполагается также, что «prodrug» обеспечивает последовательность взаимодействия с мишенями для входящих в него компонентов: вначале инактивируются ферменты биосинтеза пептидогликана и при реагировании с их активным центром из молекул «prodrug» освобождается фторхинолон. Последний получает возможность прореагировать с ДНК-гиразой. Именно такая последовательность в нарушении метаболизма бактериальной клетки, способствует бактерицидному эффекту [2, 11].

Синтетические поверхностно-активные вещества (катамин АБ, роккал, хлоргексидина биглюконат, этоний) нашли широкое применение в медицинской практике в качестве дезинфицирующих средств, антисептиков и химиотерапевтических препаратов для профилактики и лечения бактериальных инфекций. Cоединения данного класса вследствие присущей им способности концентрироваться на границе раздела двух фаз вода-липид и взаимодействовать с поверхностными структурами клетки-клеточной стенкой и (или) цитоплазматической мембраной повышают проницаемость мембранного аппарата бактерий для антибиотиков. В силу этих причин совместное применение антибиотиков и поверхностно-активных веществ предполагает повышение активности и преодоление лекарственной устойчивости микроорганизмов [5] .

Рассмотренные проблемы комбинированной антибактериальной терапии будут постоянно эволюционировать вслед за изменениями тактики антибиотикотерапии, внедрением в клиническую практику новых эффективных препаратов, дальнейшим распрастранением антибиотикоустиойчивости. Беспорно, что поиск и разроботка достоверных методов лабораторного контроля сочетаний терапии всегда будут рассматриваться как основной резерв повышения её эффективности и предупреждение осложнений [13].

Список литератури

1. Бережинская В.В., Долгова Г.В., Егоренко Г.Г., Свиногеева Т.П., Штегельман Л.А., Смолкина Т.В., Никитин А.В. Изучение общетоксических и органотропных свойств комбинации ампициллина с сульбактамом // Антибиотики и химиотерапия.- 1992 . – Т.37, № 2 . – С. 25-28.

2. Бондарева Н.С., Яковлев В.П. Фторхинолоны и проблемы молекулярного механизма их действия // Антибиотики и химиотерапия. – 2000 . - № 8 . – С. 3-6.

3. Бриан Л. Бактериальная резистентность и чувствительность к химиопрепаратам: Пер.с англ . – М.: Мир, 1984 .– 360с.

4. Васина Т.А. Комбинированная антибиотикотерапия - один из путей повышения эффективности антибиотиков // Антибиотики и химиотерапия . – 1998 . – Т.43, № 5 . – С. 42-43.

5. Гудзь О.В., Писько Г.Т. Совместное действие этония и антибиотиков на грамположительные и грамотрицательные микроорганизмы // Антибиотики и химиотерапия . – 1982 . – Т.27, №9 . – С.32-34.

6. Егоров А.М. Фармакоэнзимология и актуальные проблемы в области антибиотиков // Вестник Московского ун-та. Серия 2. Химия.- 2000. – Т.41, №46. – С. 410-413.

7. Козлов Р.С., Веселов А.В. Амоксициллин / сульбактам – новый представитель ингибиторозащищенных бета-лактамов // Клиническая микробиология и антимикробная химиотерапия. – 2006. – Т.8,№2. – С. 173-183.

8. Макркович М.Н. Термоаналитическое изучение взаимодействия ампициллина и диклоксациллина с белком-носителем // Антибиотики и медицинская биотехнология.- 1986 . – Т.31,№ 7. – С.550-552.

9. Савко В. Комбинация сульбактама с ампициллином – препарат широкого спектра действия // Антибиотики и химиотерапия.- 1991 . – Т.36, № 1 . – С. 51-55.

10. Сазыкин Ю.О. Новые аспекты резистентности к беталактамным антибиотикам // Антибиотики и медицинская биотехнология. – 1986. – Т.31, №7. – С. 483-486.

11. Сазыкин Ю.О., Навашин П.С. Современные проблемы комбинорованнй антибиотикотерапии // Антибиотики и химиотерапия.- 1993 . – Т.38, № 4-5 . – С. 22-28

12. Сидоренко С.В. Аминопенициллины и ингибиторы бета-лактамаз // Антибиотики и химиотерапия. – 2006. – Т.51,№5 . – С. 22-28.

13. Трескина О.С., Навашин С.М. Современные проблемы комбинорованнй антибиотикотерапии // Антибиотики и медицинская биотехнология.- 1986 . – Т.31,№ 8 . – С. 563-568.

14. Фойнголд С.М. Лабораторное и клиническое испытание комбинированного препарата Ампицилин / Сульбактама // Антибиотики и химиотерапия.- 1991 . – Т.36, № 6 . – С. 9-11.

15. Фомина И.П., Лобусева А.Н., Навашин С.М. Ингибиторы β-лактамаз и их возможное терапевтическое значение // Антибиотики. – 1984 . – Т.29, № 2 . – С. 142-148.

16. Хантимер Э.И. Изучение комбинированного антимикробного действия мециллинама и ампициллина // Антибиотики.- 1983. – Т. 33, №8.- С. 589-591.

17. Яковлев В.П., Бобров В.И., Агапитова И.В., Назарова О.И., Соляник Г.И., Холодов Л.Е. Фармакокинетика пенициллинов при комбинированном применении с сульфаниламидами // Антибиотики и химиотерапия.- 1983 . – Т.28, № 6 . – С. 424-429.

18. Яковлев С.В., Дворецкий Л.И., Шахова Т.В. Клиническая эффективность тикарциллин/клавуланата при тяжелой пневмонии // Антибиотики и химиотерапия. – 2000. – № 3. – С. 30-34.

19. Эйдельштейн М.В. β-лактамазы аэробных грамотрицательных бактерий: характеристика, основные принципы классификации, современные методы выявления и типирования // Клиническая микробиология и химиотерапия.- 2001. – Т. 3, № 3. – С. 223-242.

20. Bush K. The evolution of b-lactamases. Antibiotic Resistance: Origins, Evolution, Selection and Spread. John Willey & Sons; 1997.- P.152-69.

21. David V.Livermore. β-Lactamases in Laboratory and Clinical Resistance // Clinical microbiology reviews . – 1995 . – Vol.8, No.4. – P. 557-584.

22. Timothy R. Walsh, Mark A. Toleman, Laurent Poirel, Patrice Nordmann. Metallo-β-Lactamases: the Quiet before the Storm? // Clinical microbiology reviews . – 2005. – Vol.18, No. 2. – P. 306-325.