Антибиотики (антимикробные средства)

Источник:
Клиническая фармакология по Гудману и Гилману том 3.
Редактор: профессор А.Г. Гилман Изд.: Практика, 2006 год.

Антибиотики (антимикробные средства)

В этой статье рассматриваются антимикробные средства, их основные группы, механизмы действия, а также механизмы устойчивости микроорганизмов к этим препаратам. Обсуждаются принципы выбора антимикробных средств, комбинированная антимикробная терапия и антимикробная профилактика. Приводятся теоретические основы и даются практические рекомендации, касающиеся рационального применения антимикробных средств. Анализируются факторы, определяющие успех лечения. Особое внимание уделено распространенным ошибкам в использовании антимикробных средств.

Историческая справка

На возможность применения продуктов жизнедеятельности микроорганизмов в лечебных целях одними из первых обратили внимание Пастер и Жубер. В 1877 г. они опубликовали сообщение о том, что рост Bacillus anthracis (возбудителя сибирской язвы) в моче, зараженной другими микроорганизмами, подавляется (Pasteur and Joubert, 1877). Началом эпохи антимикробных средств стал 1936 г., когда в клиническую практику вошли сульфаниламиды. В 1941 г. было получено достаточное для клинического применения количество пенициллина. В конце Второй мировой войны и вскоре после нее появились стрептомицин, хлорамфеникол и хлортетрациклин. С тех пор было открыто множество новых групп антимикробных средств, а количество препаратов теперь исчисляется сотнями. Это одни из самых распространенных лекарственных средств. Не менее 30% стационарных больных получают хотя бы один курс антимикробной терапии. Случаи смерти от неизлечимых бактериальных инфекций почти ушли в прошлое. В то же время антимикробные средства чаше, чем многие другие препараты, назначают необоснованно. Общепризнано, что антибактериальные препараты не проявляют противовирусной активности, тем не менее их назначают более чем в половине случаев вирусных инфекций дыхательных путей. Появление устойчивых возбудителей — неизбежное следствие широкого применения антимикробных средств — заставляет искать все новые и новые препараты и ведет к удорожанию медицинской помощи. Однако за последние 10 лет темпы разработки антимикробных средств резко сократились: ежегодно появляется очень небольшое количество новых препаратов, причем действительно новыми могут считаться лишь немногие из них. Чтобы лечение инфекций было по-прежнему успешным, необходимо более рационально и избирательно подходить к назначению антимикробной терапии.

Классификация

Сегодня в клинической практике применяют несколько сотен препаратов, различающихся по своим физическим, химическим и фармакологическим свойствам, спектру и механизму действия. Изучение молекулярных основ жизнедеятельности бактерий, грибов и вирусов позволило вести направленный поиск веществ, нарушающих разные стадии жизненного цикла микроорганизмов. Многие из антимикробных средств относятся к антибиотикам. Строго говоря, так следует называть только продукты жизнедеятельности микроорганизмов (бактерий или грибов), подавляющие рост других микроорганизмов или вызывающие их гибель. В то же время этим термином нередко обозначают и синтетические препараты, такие, как сульфаниламиды, хиноло-ны и фторхинолоны.

Существует несколько классификаций антимикробных средств, но все они не слишком строги. Наибольшее распространение получила классификация, основанная на химическом строении и механизме действия препаратов. В соответствии с ней выделяют следующие группы антимикробных средств. К первой группе относятся препараты, нарушающие синтез клеточной стенки грибов или бактерий: это сходные по структуре пенициллины, цефалоспорины, карбапенемы и монобактамы, а также препараты, имеющие иное химическое строение, — цик-лосерин, ванкомицин, бацитрацин и противогрибковые препараты из группы азолов (клотримазол, флуконазол, итраконазол и др.). Вторую группу составляют препараты, увеличивающие проницаемость клеточной мембраны микроорганизмов: поверхностно-активные вещества, такие, как полимиксин В, и полиеновые антибиотики (нистатин и амфотерицин В), связывающиеся со стеро-лами клеточной мембраны грибов. В третью группу входят препараты, подавляющие синтез белка путем обратимого связывания с 30S- или 508-субъединицей бактериальных рибосом (хлорамфеникол, тетрациклины, эритромицин, клиндамицин и стрептограмины)', эти препараты обладают бактериостатическим действием. Препараты четвертой группы подавляют синтез белка за счет необратимого связывания с ЗОБ-субъединицей бактериальных рибосом (аминогликозиды), что придает им бактерицидное действие. К пятой группе относятся препараты, нарушающие метаболизм нуклеиновых кислот, — рифа-мицины, ингибирующие бактериальную РНК-полиме-разу (например, рифампицин), а также хинолоны и фторхинолоны, ингибирующие бактериальные топоизомера-зы (в том числе ДНК-гиразу). Шестая группа представлена препаратами, подавляющими метаболизм; сюда относятся триметоприм и сульфаниламиды, блокирующие синтез фолиевой кислоты. Седьмая группа — противовирусные средства — в свою очередь, подразделяется на несколько подгрупп: а) аналоги нуклеозидов, избирательно ингибирующие вирусную ДНК-полимеразу (ацикловир и ганцикловир) или ингибирующие обратную транскрип-тазу (зидовудин и ламивудин); б) ненуклеозидные ингибиторы обратной транскриптазы (невирапин и эфави-ренз); в) ингибиторы других вирусных ферментов, например протеазы ВИЧ или нейраминидазы вируса гриппа. Со временем, по мере углубления наших знаний о механизмах действия антимикробных средств, эта классификация может расширяться. Механизм действия некоторых препаратов до сих пор не известен.

Факторы, определяющие эффективность антимикробной терапии. Успех антимикробной терапии зависит от нескольких факторов. В первую очередь, концентрация препарата в очаге инфекции должна быть достаточной для подавления роста микроорганизмов или их гибели. При нормальном иммунитете, как правило, можно ограничиться назначением бактериостатических препаратов (подавляющих рост возбудителя). Если же защитные силы организма ослаблены, для уничтожения инфекции могут потребоваться бактерицидные средства, вызывающие гибель микроорганизмов. В то же время в концентрации, воздействующей на возбудителя, препарат не должен оказывать токсического действия на клетки макроорганизма. В противном случае возбудитель считается устойчивым к этому препарату.

Критерием разделения штаммов in vitro на чувствительные и устойчивые, как правило, служит сывороточная концентрация препарата. Однако его концентрация в очаге инфекции (например, в стекловидном теле или СМЖ) может быть намного ниже. Кроме того, активность антимикробного средства снижается под воздействием местных факторов (таких, как низкий pH, большое количество белка), и лечение бывает неэффективным даже в тех случаях, когда in vitro возбудитель чувствителен к препарату. Вместе с тем антимикробное средство, концентрация которого в моче гораздо выше, чем в крови, может успешно применяться при инфекции мочевых путей, несмотря на то что in vitro возбудитель устойчив к нему.

Устойчивость к антимикробным средствам

Чтобы лечение было эффективным, препарат должен достигнуть своей мишени, связаться с ней и изменить ее функцию. Соответственно, в основе устойчивости к антимикробным средствам лежат три главных механизма: 1) препятствие на пути к мишени, 2) инактивация препарата или нарушение его превращения в активную форму, 3) изменение самой мишени (Davies, 1994; Nikaido, 1994; Spratt, 1994). Различные механизмы устойчивости к бета-лактамным антибиотикам представлены на рис. 43.1.

Наружная мембрана грамотрицательных бактерий не пропускает в клетку крупные полярные молекулы. Небольшие полярные молекулы проходят через поры наружной мембраны, образованные белками поринами. Отсутствие либо утрата поринов, а также их изменение вследствие мутаций ограничивают или полностью блокируют поступление антимикробного средства в клетку. Таким образом, концентрация препарата в области мишени снижается. Если лекарственное средство достигает внутриклеточной мишени путем активного транспорта, устойчивость может быть обусловлена изменением условий, необходимых для активного транспорта, или мутациями. Например, источником энергии для активного транспорта гентамицина служит трансмембранный электрохимический градиент. Этот градиент формируется за счет ферментов дыхательной цепи, осуществляющих перенос электронов и окислительное фосфорилирование. Мутации генов, кодирующих эти ферменты, или отсутствие кислорода — конечного звена в дыхательной цепи приводят к значительному снижению трансмембранного электрохимического градиента, затруднению входа гентамицина в клетку и возникновению устойчивости. Кроме того, бактерии способны выводить лекарственные средства из клетки путем активного транспорта. Таким образом обеспечивается устойчивость к тетрациклинам и β-лактамным антибиотикам (Li, 1995; Okusu, 1996).

Второй механизм устойчивости к антимикробным средствам — это инактивация препарата. Устойчивость бактерий к аминогликозидам и р-лактамным антибиотикам часто бывает обусловлена синтезом ферментов, инактивирующих эти препараты. Некоторые антимикробные средства превращаются в активную форму только в клетках микроорганизмов. Нарушение этого процесса тоже может приводить к лекарственной устойчивости; такова, например, природа устойчивости Mycobacterium tuberculosis к изoниазиду.

Третий механизм — изменение мишени. Оно может быть следствием мутации кодирующих ее генов (устойчивость к фторхинолонам), модификации самой мишени (устойчивость к макролидам и тетрациклинам, обусловленная модификацией рибосом) или замены одной мишени на другую, не подверженную действию препарата (устойчивость к метициллину у стафилококков). В результате связывание препарата с мишенью затрудняется или становится невозможным.

Устойчивость может возникать в результате мутаций, которые передаются потомству и закрепляются естественным отбором. Отбор мутаций, обеспечивающих лекарственную устойчивость, происходит в том случае, если эти мутации не детальны и не снижают вирулентность. Кроме того, для распространения устойчивости за пределы макроорганизма необходима прямая передача мутантного возбудителя. В противном случае микроорганизмам придется каждый раз «изобретать» устойчивость заново.

Рисунок 43.1. Механизмы устойчивости Pseudomonas aeruginosa к р-лактамным антибиотикам (публикуется с разрешения доктора Hiroshi Nikaido). Большинство β-лактамныхантибиотиков гидрофильны и проходят через наружную мембрану бактерий только через специальные поры, образованные белками поринами. Эти поры избирательно пропускают молекулы определенного размера и заряда, поэтому некоторые препараты проходят через наружную мембрану слишком медленно или не проходят вовсе. Если порины изменяются в результате мутаций или вообще отсутствуют, проницаемость наружной мембраны для антибиотиков снижается. Антибиотик, преодолевший наружную мембрану, может разрушаться β-лактамазой, которая находится в периплазматическом пространстве (между наружной и цитоплазматической мембранами). Препараты, легко проникающие в бактериальную клетку, быстро инактивируются только высокоактивными β-лактамазами. Если же проникновение препарата в клетку замедлено, то с его разрушением справятся даже ферменты с низкой активностью. Еще один механизм устойчивости — снижение сродства пенициллинсвязывающих белков к препарату, в результате чего для инактивации этих белков требуются более высокие концентрации антибиотика. И наконец, β-лактамные и некоторые другие антибиотики могут выводиться из цитоплазмы и периплазматического пространства транспортными системами (например, системой, состоящей из белков МехА, МехВ и ОргМ).

Однако чаще лекарственная устойчивость распространяется путем горизонтального переноса генов в ходе трансдукции, трансформации или конъюгации, причем обмен генами может происходить даже между бактериями разных видов. Приобретенная таким образом устойчивость распространяется очень быстро за счет размножения устойчивых штаммов или дальнейшей горизонтальной передачи генов. Считается, что расположенный на плазмиде (нехромосомный генетический элемент, способный к самостоятельной репликации) ген β-лактамазы стафилококков широко распространился как раз таким путем, поскольку он встречается у неродственных штаммов и найден даже у энтерококков (Murray, 1992). Плазмидные гены р-лактамаз класса А часто встречаются у Escherichia coli, Neisseria gonorrhoeae и Haemophilus spp.

Мутации

Спонтанные мутации, закрепляемые в ходе естественного отбора, служат причиной устойчивости к стрептомицину (мутации рибосомных генов), фторхинолонам (мутации гена ДНК-гиразы), рифампицину (мутации гена РНК-полимеразы), а также к некоторым противотуберкулезным препаратам. Мутации могут затрагивать гены, кодирующие белок — мишень антимикробного средства, транспортные белки или активирующие препарат ферменты. Кроме того, устойчивость может быть следствием мутаций в регуляторных последовательностях ДНК и генах белков-регуляторов, которые, в свою очередь, влияют на экспрессию генов, кодирующих белки-мишени, транспортные белки, а также активирующие или инактивирующие препарат ферменты. В любой большой популяции чувствительных к антибиотику бактерий почти всегда найдется некоторое количество мутантов, относительно устойчивых к нему. Антимикробные средства не вызывают мутаций; последние возникают случайным образом, но под воздействием препарата закрепляются в ходе естественного отбора. Для возникновения выраженной устойчивости бывает достаточно единичной мутации (например, точечная мутация гена β-субъединицы бактериальной РНК-полимеразы, затрагивающая ответственный за связывание с рифампицином участок фермента). В других случаях устойчивость возникает в результате накопления нескольких мутаций, каждая из которых лишь незначительно снижает чувствительность микроорганизма к препарату. Такова, например, природа высокой устойчивости Escherichia coli к фторхинолонам.

Трансдукция

Это перенос генетического материала (участка ДНК) от одной бактерии к другой бактериофагами — вирусами, инфицирующими бактериальные клетки. Если в таких участках содержатся гены устойчивости к препарату, зараженная бактерия становится нечувствительной к нему и передает это свойство потомству. Путем трансдукции могут переноситься как плазмидные, так и хромосомные гены. Трансдукция играет важную роль в распространении устойчивости среди штаммов Staphylococcus aureus к пенициллинам (гены стафилококковой пени-циллиназы находятся в плазмиде), эритромицину, тетрациклину и хлорамфениколу.

Трансформация

Этот механизм передачи генетического материала заключается в поглощении бактериальной клеткой фрагментов ДНК, находящихся во внешней среде, которые затем встраиваются в геном путем обмена гомологичными участками. Трансформация лежит в основе распространения пенициллиноустойчивости пневмококков и Neisseria spp. (Spratt, 1994). У пенициллиноустойчивых штаммов пневмококков пенициллин-связывающие белки обладают меньшим сродством к антибиотику. Анализ нуклеотидной последовательности генов, кодирующих измененные пенициллинсвязывающие белки, показал, что в эти гены встроены фрагменты чужеродной ДНК от близкородственных видов стрептококков.

Конъюгация

Генетический материал может передаваться и во время непосредственного контакта микроорганизмов, по конъюгационному мостику, образующемуся между двумя клетками. При конъюгации переносятся достаточно большие фрагменты ДНК, поэтому микроорганизмы могут приобретать устойчивость сразу к нескольким антимикробным средствам. При конъюгации передаются две группы генов: 1) гены, необходимыедля самого процесса конъюгации, 2) другие гены, в том числе определяющие устойчивость к антибиотикам. Эти две группы генов могут располагаться как на одной и той же плазмиде, так и на разных плазмидах. Некоторые гены лекарственной устойчивости располагаются на транспозонах — подвижных генетических элементах, способных перемещаться по геному в пределах одной молекулы ДНК, между разными плазмидами или между плазмидой и хромосомой. Клиническое значение передачи лекарственной устойчивости путем конъюгации было впервые признано после вспышки дизентерии в Японии в 1959 г.; тогда возбудитель, Shigella flexneri, оказался устойчивым к антибиотикам сразу четырех разных групп (Watanabe, 1966). Лекарственная устойчивость могла передаваться как другим видам ши-гелл, так и прочим представителям семейства энтеробактерий.

Передача лекарственной устойчивости путем конъюгации характерна для грамотрицательных палочек, но встречается и у грамположительных бактерий. Так, энтерококки имеют трансмиссивные (содержащие помимо прочих генов гены, необходимые для конъюгации) плазмиды, ответственные за распространение устойчивости среди грамположительных микроорганизмов. Именно на таких плазмидах находятся гены, кодирующие устойчивость энтерококков к ванкомицину (Arthur and Courva-lin, 1993; Murray, 2000). Конъюгация может лежать в основе широкого распространения полирезистентных штаммов энтеробактерий. В ЖКТ человека и животных, вероятно, происходит обмен генетическим материалом между патогенной и непатогенной микрофлорой. Сам по себе такой обмен вряд ли имеет большое значение, но под действием антимикробных средств может происходить отбор устойчивых штаммов. В последние 30 лет число полирезистентных штаммов энтеробактерий неуклонно растет. По некоторым данным, их обнаруживают более чем у половины людей. В большом количестве такие штаммы присутствуют в реках, куда сбрасываются неочищенные сточные воды, а также в кишечнике животных. Полирезистентные энтеробактерии распространились по всему миру, и для лечения вызванных ими инфекций требуются все новые и новые препараты. Однако надлежащий контроль за использованием антибиотиков замедляет появление устойчивых возбудителей, а в некоторых случаях даже позволяет снизить распространенность устойчивых штаммов.

Быстрое распространение устойчивых возбудителей больничных и внебольничных инфекций может положить конец эпохе антибиотиков. В некоторых странах Европы около 50% всех выделяемых пневмококков пенициллиноустойчивы; доля устойчивых штаммов растет и в США. Серьезную проблему представляют появляющиеся во всем мире штаммы Neisseria gonorrhoeae и Haemophilus spp., образующие Р-лактамазу. Ме-тициллиноустойчивые штаммы Staphylococcus aureus все чаше выделяют не только при больничных, но и при внебольничных инфекциях. Имеются сообщения о полирезистентных штаммах Staphylococcus aureus, умеренно устойчивых к ванкомицину (Hiramatsuetal., 1997; Sieradzki etal., 1999; Smith etal., 1999).Некоторые штаммы энтерококков, псевдомонад и энтеробактерий устойчивы ко всем известным на сегодняшний день препаратам. В США отмечались вспышки туберкулеза, вызванного полирезистентными штаммами Mycobacterium tuberculosis. Чтобы антимикробная терапия была по-прежнему эффективной, нужно ответственнее подходить к использованию как старых, так и вновь появляющихся препаратов.