Аннотация

Устойчивость к антибиотикам — это глобальная чрезвычайная ситуация в области здравоохранения, поскольку выявлена она ко всем антибиотикам, которые в настоящее время используются в клинической практике. В стадии разработки находится лишь несколько принципиально новых препаратов. Понимание молекулярных механизмов, с помощью которых бактерии противостоят действию антимикробных препаратов, имеет решающее значение для распознавания глобальных моделей устойчивости, улучшения применения лекарств, разработки новых препаратов, менее подверженных развитию устойчивости, и новых стратегий борьбы с устойчивостью. В этом обзоре авторы рассматривают последние достижения в изучении вклада генов устойчивости в биологию организма-хозяина, новые структурные детали соответствующих молекулярных процессов, лежащих в основе устойчивости, идентификацию новых семейств генов устойчивости и взаимодействие между различными механизмами устойчивости. Также авторы обсуждают возможность применения этой информации для разработки следующего поколения противомикробных препаратов.

---

Глоссарий

β-лактамазы
Ферменты, которые вырабатываются бактериями и расщепляют β-лактамные антибиотики.

Эпистаз
Когда мутация может оказывать фенотипический эффект, но только в сочетании с другими генами, что делает ее влияние зависимым от её генетического окружения.

Горизонтальный перенос генов
Перемещение генетической информации между бактериальными клетками.

Инсерционные последовательности
Небольшие фрагменты ДНК, которые кодируют свой собственный механизм рекомбинации и могут перемещаться внутри генома или между геномами.

Минимальная ингибирующая концентрация (МИК)
Самая низкая концентрация антибиотика, предотвращающая рост бактерий.

Топоизомеразы
Основные ферменты, участвующие в репликации ДНК.

Двухкомпонентная система
Система, позволяющая бактериям реагировать на определенные стимулы окружающей среды. Обычно она состоит из связанной с мембраной гистидин-киназы, которая воспринимает стимулы и активирует регулятор ответа, изменяющий экспрессию соответствующих генов.

---

Введение

Устойчивость к противомикробным препаратам (УПП) является одной из основных глобальных проблем здравоохранения, вызывая значительную заболеваемость и смертность во всем мире. Понимание молекулярных механизмов, лежащих в основе устойчивости, может помочь в разработке новых стратегий лечения инфекционных заболеваний. Бактерии используют различные механизмы устойчивости [1]: некоторые из них являются «внутренними», когда клетка может использовать уже имеющиеся у нее гены, чтобы пережить воздействие антибиотиков, а некоторые — «приобретенными», когда получение нового генетического материала обеспечивает новые возможности для выживания (таблица 1). Достигнут значительный прогресс в понимании принципов действия антибиотиков и основных механизмов, с помощью которых бактерии могут противостоять подавляющему или убивающему действию антибиотиков (рис. 1), включая важность условий среды при определении многих механизмов устойчивости (вставка 1). Например, экспрессия генов устойчивости и мишеней антибиотиков может существенно изменяться в зависимости от различных условий среды [2]. С помощью новых технологических достижений выявлены структурные детали многих механизмов устойчивости, включая сложные, многокомпонентные структуры систем эффлюкса (оттока), которые могут указывать на возможные пути разработки ингибиторов [3,4] и предполагаемый механизм действия недавно идентифицированных ABC-F, «белков спасения рибосомы». Также больше известно о важности и иерархии множества молекулярных механизмов, работающих сообща для выработки высокого уровня устойчивости (например, основополагающая роль эффлюкса для поддержки всех других механизмов устойчивости; вставка 2).

Таблица 1 | Основные классы антибиотиков, основные мишени и механизмы устойчивости.

Кроме того, теперь лучше понятны затраты и выгоды, связанные с приобретением устойчивости. В частности, взаимодействие между плазмидами, организмами-хозяевами и генами УПП важно для определения распространения генов, векторов и штаммов [5-7]. Были выявлены примеры успешного приобретения специфических генов устойчивости глобально доминирующими клонами одного вида, например, приобретение β-лактамазы расширенного спектра CTX-M-15 штаммом Escherichia coli ST131 или карбапенемазы KPC — штаммом Klebsiella pneumoniae ST258, которые распространились по всему миру [8,9].

В этом обзоре авторы исследуют механизмы устойчивости и в общих чертах обрисовывают их клиническую значимость. В частности, они обсуждают последние достижения в понимании устойчивости за счет уменьшения внутриклеточного накопления препаратов (снижение проницаемости и эффлюкса антибиотика), модификации или изменения мишени антибиотика у бактерии, модификации или разрушения самого препарата и обхода целых метаболических путей. Наконец, авторы также обсуждают, как геномика произвела революцию в изучении УПП (вставка 3), и как вся эта информация может помочь в разработке следующего поколения противомикробных препаратов.

Снижение проницаемости

Чтобы многие противомикробные соединения проявили свою активность, им необходимо преодолеть клеточную оболочку бактерий и достичь своей мишени. Это особенно важно для грамотрицательных бактерий, клеточная оболочка которых имеет двухмембранную структуру, что делает её относительно непроницаемой и обеспечивает внутреннюю устойчивость ко многим антибиотикам, действующим против грамположительных патогенов. Относительная непроницаемость клеточной оболочки представляет собой серьезную проблему для разработки новых антимикробных молекул, способных проникать через клеточную оболочку. Кроме того, изменения в структуре оболочки, такие как потеря поринов или изменение содержания фосфолипидов и жирных кислот в цитоплазматической мембране, могут влиять на способность антибиотика проникать в клетку и способствовать возникновению УПП. Грамположительные бактерии лишены наружной мембраны, что делает их клеточную стенку более проницаемой для многих антибиотиков; однако было показано, что изменения в составе цитоплазматической мембраны, влияющие на текучесть, играют важную роль в снижении её проницаемости для антибиотиков [10]. Микобактерии имеют обширный наружный липидный слой и оболочку из полисахаридных капсул, что препятствует проникновению гидрофильных молекул внутрь клетки [11].

Наружная мембрана грамотрицательных бактерий представляет собой сложную органеллу, которая эволюционировала для обеспечения защиты и выполняет барьерную функцию, позволяя при этом поглощать питательные вещества. Недавние данные, полученные на примере Enterobacterales, показывают, что проницаемость наружной мембраны динамически изменяется в процессе роста бактерий, что, в свою очередь, влияет на количество антибиотика, способное проникнуть через мембрану [2]. Наружная мембрана содержит порины, которые представляют собой β-цилиндрические белковые каналы. Их классификация делится на семейства и исходит из их функции и архитектуры: общие неспецифические каналы (например, OmpF и OmpC); субстрат-специфичные каналы (например, PhoE и LamB) и небольшие β-цилиндрические каналы (например, OmpA и OmpX) [12]. Как правило, порины позволяют проникать в клетку гидрофильным соединениям с массой <600 Da, в том числе многим антибиотикам [13]. OmpF и OmpC, обнаруженные у E. coli и родственных организмов, представляют собой тримерные β-цилиндрические структуры, через которые способны проходить различные классы антибиотиков. OmpF имеет больший размер пор, чем OmpC (6,5-7 Å и 5,5-6 Å, соответственно), что в целом позволяет субстратам легче проходить через OmpF по сравнению с OmpC [14]. Несмотря на более ранние представления о том, что порины проявляют избирательность по отношению к определенным субстратам, последние исследования показывают, что диффузия происходит спонтанно, пассивным путем, без наблюдаемого активного взаимодействия [15].

Недавно было установлено, что изменения в структуре поринов также вносят важный вклад в развитие устойчивости к антибиотикам, что свидетельствует о том, что эти структуры не являются эволюционно статичными, а также о расширении наших знаний о взаимосвязи структуры и функции поринов. Например, устойчивость к карбапенемам у Klebsiella pneumoniae частично обусловлена модификацией неселективных поринов OmpK35 и OmpK36; выборочная инсерция (Gly115-Asp116) в петлю 3 белка OmpK36 приводит к значительному сужению поры и, таким образом, к повышению устойчивости к карбапенемам [16]. Недавно было обнаружено, что изоляты E. coli от пациентов с множественной лекарственной устойчивостью несут многочисленные мутации в OmpC, которые изменяют электрический заряд внутри поры и, в свою очередь, влияют на проницаемость таких антибиотиков, как цефотаксим, гентамицин или имипенем [17].

Экспрессия поринов у Enterobacterales активно регулируется в ответ на стимулы окружающей среды (рис. 1). Возможно, наиболее изученными примерами являются, опять же, OmpC и OmpF E. coli, экспрессия которых находится под контролем двухкомпонентной системы EnvZ-OmpR. EnvZ — это периплазматический сенсорный белок, который улавливает изменения в окружающей среде и контролирует состояние фосфорилирования OmpR, своего родственного регулятора ответа [18]. Высокий уровень фосфорилированного OmpR в клетке приводит к снижению транскрипции ompF и повышению транскрипции ompC. Такая дифференциальная регуляция двух поринов обеспечивает экспрессию соответствующего порина: в средах с высокой осмолярностью, где питательные вещества присутствуют в изобилии, преобладают мелкие поры. Мутанты, которые формируют только поры меньшего размера, лучше переносят воздействие антибиотиков. Было показано, что под воздействием карбапенемов происходит отбор множественных первичных мутаций в OmpR, что приводит к снижению экспрессии поринов [19]. Малые регуляторные РНК (мрРНК) также могут контролировать структуру наружной мембраны на посттранскрипционном уровне. мрРНК micF кодируется последовательностью, не совпадающей с ompC, и после транскрипции подавляет экспрессию ompF путем прямого спаривания оснований с сайтом связывания рибосомы и стартовым кодоном мРНК ompF, таким образом предотвращая трансляцию [20]. Экспрессия этой мрРНК носит условный характер и зависит от различных стимулов окружающей среды, таких как высокая осмолярность [21]. Совсем недавно была идентифицирована мрРНК micC, которая подавляет трансляцию OmpC путем прямого связывания с 5' нетранслируемой областью мРНК ompC [22]. Транскрипция этих мрРНК совместно регулируется в ответ на антимикробный стресс, а β-лактамы активно индуцируют транскрипцию micC [23].

Неспецифические порины, такие как OmpF и OmpC, характерны для Enterobacterales. Однако другие важные патогены, такие как Pseudomonas aeruginosa и Acinetobacter baumannii, вместо этого снабжены множеством специфических поринов, которые позволяют проникать молекулам размером не более 200 Da (ссылка 24). Эта нехватка более крупных поринов приводит к высокой непроницаемости мембран, особенно для гидрофильных молекул [25]. В случае P. aeruginosa потерю поринов OprD очень часто описывают как механизм клинически важного, высокого уровня устойчивости к карбапенемам [26]. Это часто наблюдается в сочетании с другими механизмами, а недавний анализ последствий инактивации всех поринов P. aeruginosa показал, что утрата порина не может полностью предотвратить проникновение антибиотиков, что свидетельствует о важности синергии между утратой поринов и другими механизмами [27].

Активный транспорт антибиотиков

Помимо предотвращения проникновения антибиотиков в клетку, бактерии могут активно выводить их с помощью процесса, известного как эффлюкс. Эффлюксные насосы представляют собой трансмембранные белки, которые могут энергозависимым образом переносить через бактериальные мембраны широкий спектр токсичных соединений, включая антибиотики. Хотя множество эффлюксных насосов присутствует у всех видов бактерий, они особенно важны для УПП у грамотрицательных бактерий. Насосы синергично работают с непроницаемой двойной мембраной, что делает эти микроорганизмы устойчивыми ко многим антибиотикам. Влияние различных эффлюкс-систем на конкретные препараты варьирует: одни обеспечивают высокий, а другие низкий уровень устойчивости; однако эффлюкс действует как важнейший механизм, который позволяет влиять на большинство других механизмов устойчивости [28]. Эффлюксные транспортеры подразделяются на шесть семейств, причем представители семейства RND (resistance–nodulation–division) обеспечивают наиболее клинически значимые уровни устойчивости у грамотрицательных бактерий [3]. Являясь белками внутренней мембраны, RND-транспортеры связываются с периплазматическими адаптерными белками (PAP) и фактором наружной мембраны (OMF) в соотношении 3:6:3, образуя трехкомпонентные комплексы, заполняющие всю оболочку грамотрицательных клеток [29] (рис. 2). RND-насосы могут выводить широкий спектр структурно и химически несхожих антибиотиков, а сверхэкспрессия этих насосов способствует развитию множественной лекарственной устойчивости (МЛУ) у клинических изолятов [30,31].

Понимание структуры и сборки трехкомпонентных RND-систем стало возможным благодаря улучшениям технологий, особенно в области криоэлектронной микроскопии (крио-ЭМ) [3]. Крио-ЭМ позволила визуализировать эффлюкс-транспортеры в связанном и несвязанном состоянии, а также увидеть полностью собранные трехсторонние эффлюкс-комплексы in situ [32,33].

RND-транспортеры представляют собой гомотримерные белки, которые распознают лиганды и передают электрохимическую энергию градиента протонов (H⁺ ) через внутреннюю мембрану [3,30]. PAP — это удлиненные периплазматические белки, которые опосредуют сборку и стабилизацию трехкомпонентного комплекса с помощью шести мономеров PAP, непосредственно взаимодействующих с белками внутренней мембраны и компонентами OMF (фактор наружной мембраны). Собранный комплекс представляет собой непрерывный туннель, через который экспортируются субстраты [3]. В качестве внешней части канала, OMF представляют собой связанные с наружной мембраной гомотримерные структуры, которые выступают глубоко в периплазматическое пространство и служат конечным каналом трехкомпонентного комплекса, через который антибиотики выходят из канала и высвобождаются во внеклеточное пространство, тем самым завершая выведение субстратов [3,34]. Крио-ЭМ структуры AcrAB-TolC E. coli с разрешением, близким к атомарному, показала, что при трехкомпонентной сборке в случае отсутствия субстратов комплекс образуется в замкнутом состоянии [34,35]. В присутствии субстратов, таких как пуромицин, периплазматическая верхушка OMF TolC расширяется, а три протомера RND-транспортера AcrB принимают асимметричную конформацию — свободную, плотную и открытую — предположительно для подготовки к эффлюксу антибиотика [34] (графическое представление см. по ссылке 30). Четвертичные структурные изменения, связанные с переходом AcrB в активное состояние, через PAP AcrA отражаются на TolC [34], который также герметизирует канал насоса для предотвращения утечки во время экспорта субстрата [34,36]. На основе новейших крио-ЭМ структур трехкомпонентных насосов было показано, что успешное открытие канала OMF зависит от разрушения «первичных ворот», образованных преимущественно ионными взаимодействиями, на его периплазматической верхушке α-спиральным доменом-шпилькой PAP по принципу зубчатого колеса «верхушка к верхушке» [3,34,37–39]. На основе функционального и крио-ЭМ структурного анализа MexAB- OprM P. aeruginosa было также выдвинуто предположение, что PAP обеспечивают направленность циклического перехода между переходными состояниями RND [3,39]. Стало ясно, что PAP играют далеко не простую роль «мостика», которую им первоначально приписывали, а имеют решающее значение как в сборке насоса, так и в вытеснении субстрата [3,40]. Эта важность привела к тому, что PAP стали рассматривать в качестве эффективных мишеней для борьбы с эффлюкс-опосредованной устойчивостью к антибиотикам [41,42].

Эффлюксные RND-насосы способствуют формированию фенотипа МЛУ у всех клинически значимых грамотрицательных патогенов, включая E. coli, P. aeruginosa, Neisseria gonorrhoeae и A. baumannii, отчасти благодаря чрезвычайно широкому спектру субстратов (см., например, ссылки 43,44). Структурная основа полиспецифичности RND-транспортеров до конца не изучена, хотя они содержат как проксимальные, так и дистальные связывающие карманы, которые могут вмещать различные субстраты (рис. 2). У AcrB поверхность дистального связывающего кармана позволяет осуществлять мультисайтовое связывание благодаря наличию слабогидрофобных и слабополярных остатков [45, 46]. Кроме того, множественные пути входа в AcrB обеспечивают различные пути доступа к дистальному связывающему карману для субстратов с различными химическими свойствами [47,48]. Входы на границе раздела мембрана-периплазма (канал 1) и в периплазме (канал 2) позволяют проникать антибиотикам с низкой и высокой молекулярной массой, соответственно [30,49], тогда как отверстие между периплазмой и центральной полостью тримера AcrB (канал 3) благоприятствует проникновению плоских ароматических катионов, таких как бромистый этидий [47,50]. Совсем недавно в качестве точки входа для карбоксилированных субстратов, таких как фузидовая кислота и гидрофобные β-лактамы был предложен четвертый канал, расположенный между трансмембранными спиралями 1 и 2 AcrB [50].

Предпочтение субстрата AcrB также модулируется влиянием AcrZ — четвертым трансмембранным компонентом [51]. Расположенный во внутренней мембране, AcrZ представляет собой небольшой α-спиральный белок, который связывается с AcrB (рис. 2) и способствует преимущественному вытеснению антибиотиков, таких как хлорамфеникол, тетрациклин и пуромицин, с помощью AcrAB-TolC [34,51]. Недавние данные крио-ЭМ показали, что липиды взаимодействуют с AcrZ синергическим образом, аллостерически модулируя активность AcrB [52]. Понимание механизмов, поддерживающих активность RND-транспортеров, будет полезно в разработке ингибиторов эффлюксных насосов для подавления связывания антибиотиков и восстановления к ним чувствительности [46,53,54].

Продукция эффлюксных насосов тщательно регулируется, и большинство систем контролируется репрессором, который закодирован рядом со структурными генами эффлюксной системы. Мутации в этих генах транскрипционных регуляторов часто способствуют сверхэкспрессии насоса в клинических изолятах (см., например, ссылки 43,44,55). Например, MtrR отвечает за репрессию mtrCDE, единственного RND-насоса у N. gonorrhoeae [56]. Часто встречаются точечные мутации в сайте связывания MtrR или его ДНК-связывающем домене, приводящие к усилению экспрессии mtrCDE и устойчивости к различным по структуре антибиотикам, включая пенициллин, тетрациклин, азитромицин и цефалоспорины третьего поколения (см., например, ссылки 56-58). Недавно сообщалось, что локус mtrCDE-mtrR является «горячей точкой» для генетической рекомбинации между несколькими видами Neisseria, а эпистаз в области mtr обеспечивает устойчивость к азитромицину, полимиксину B и кристаллическому фиолетовому [59,60]. Более того, было показано, что сверхэкспрессия MtrR повышает чувствительность гонококков к пенициллину и цефтриаксону [57]. Взаимосвязь между нарушением регуляторных факторов и эффлюкс-опосредованной устойчивостью, наблюдалась и у других клинически значимых патогенов, включая P. Aeruginosa [61], Campylobacter jejuni [62] и Salmonella enterica subsp. enterica serovar Typhimurium [63].

В индукции экспрессии каждого компонента RND участвуют как локальные, так и глобальные регуляторы транскрипции, реагирующие на различные сигналы окружающей среды. Например, экспрессия acrAB-tolC у S. Typhimurium регулируется RamA, который, в свою очередь, находится под контролем RamR. Недавно RamR был совместно кристаллизован с компонентами желчи — холевой кислотой и хенодезоксихолевой кислотой, соединениями, которые обычно содержатся в печени и далее метаболизируются в желудочно-кишечном тракте; связывание лиганда с RamR снижало аффинность его связывания с ДНК, что приводило к усилению экспрессии acrAB-tolC за счет усиления регуляции ramA [64]. Было также показано, что RamR взаимодействует с другими субстратами, хотя и иным способом, и это указывает на то, что различные механизмы распознавания позволяют регуляторам транскрипции реагировать на несколько индуцирующих сигналов.

Кроме того, деятельность этих регуляторов не ограничивается только эффлюксными помпами. Действительно, MarA, SoxS и Rob — глобальные регуляторы экспрессии acrAB-tolC — играют важную роль, в том числе в обеспечении целостности мембран, репарации ДНК, формировании биопленок, чувстве кворума и вирулентности [65-68]. Таким образом, многофакторная активность этих регуляторов указывает на то, что экспрессия эффлюксных насосов является частью более широкой сети генов, способствующих выживанию бактерий в различных стрессовых условиях [65,67]. Выявление ключевых регуляторных особенностей экспрессии эффлюксных насосов может стать полезной терапевтической мишенью для борьбы с МЛУ у клинически значимых патогенов [69].

Очевидный вклад эффлюксных RND-насосов в развитие МЛУ, особенно у клинически значимых грамотрицательных патогенов, предоставляет широкие возможности для восстановления чувствительности к антибиотикам путем воздействия на структуру, функцию и регуляцию этих транспортеров [3,30,70,71]. Безусловно, это также применимо к представителям других семейств эффлюксных белков таких как NorA Staphylococcus aureus и P55 Mycobacterium tuberculosis, относящихся к суперсемейству мембранных транспортёров [72–74].

Изменение, модификация и защита мишени

Центральным фактором избирательной токсичности большинства антибиотиков является их высокая специфичность в отношении важных бактериальных клеточных мишеней. Многие антибиотики связываются с основной мишенью с высокой аффинностью, что, как правило, ингибирует важную клеточную функцию и приводит к торможению роста или гибели [75]. Если структура основной мишени изменена или защищена другими химическими соединениями, то связывание антибиотика может стать неэффективным, что приведет к устойчивости к нему (рис. 3а). Например, хинолоновые антибиотики ингибируют незаменимые ферменты топоизомеразы, связываясь вблизи активного центра. Аминокислотные замены в белках-мишенях, которые приводят к снижению эффективности связывания, но при этом позволяют ферменту функционировать, обусловливают устойчивость [76]. Аналогично, снижение чувствительности к β-лактамным антибиотикам обусловлено мутациями в генах, кодирующих пенициллин-связывающие белки (PBP). Например, мутация PBP3 у E. coli была выявлена почти повсеместно в клинических изолятах из Индии, устойчивых к азтреонаму и авибактаму [77]. Изменение сайтов-мишеней может происходить в результате случайных точечных мутаций, которые накапливаются в процессе роста и могут стать доминирующими под воздействием антибиотиков. Кроме того, мутантные аллели генов-мишеней могут с высокой частотой возникать при рекомбинации между аллелями, если в клетке существует несколько их копий (например, мутация и рекомбинация между гомологами гена 23S рибосомальной РНК (рРНК) может быстро придать устойчивость к линезолиду у грамположительных видов [78]) или путем трансформации, при которой альтернативные аллели могут быть получены от родственных видов, и мозаичные гены образуются путем рекомбинации — такой подход распространен у компетентных видов, таких как представители рода Neisseria [79].

Микобактерии необычны тем, что перенос плазмид, по-видимому, у них встречается редко [80] и не имеет большого значения в качестве механизма развития УПП. Лечение туберкулеза требует комбинированной терапии, при этом в качестве препаратов первой линии обычно используются изониазид, рифампин, пиразинамид и этамбутол. Устойчивость к каждому из этих препаратов может возникать в результате мутации сайта-мишени [81]; например, в недавнем исследовании задокументирована структурная основа устойчивости к пиразинамиду, при которой мутация с заменой аминокислотных остатков вблизи активного сайта PanD ухудшает сродство и время связывания активного пролекарства, что приводит к устойчивости [82].

Кроме того, добавление различных фрагментов молекул к мишени лекарства может предотвратить контакт с антибиотиком и таким образом защитить мишень. Это хорошо известный механизм устойчивости к макролидам, при котором рРНК-мишень метилируется рибосомальными метилтрансферазами, что предотвращает связывание макролидов (а также линкозаминов и стрептограминов) [83]. Метилирование 16S рРНК является новым механизмом высокого уровня устойчивости к аминогликозидным антибиотикам [84]. Было признано, что устойчивость к полимиксину колистину также является результатом модификации мишени. Поскольку устойчивость грамотрицательных патогенов к традиционным препаратам первой линии становится все более распространенной, часто используется старый препарат колистин — одно из немногих оставшихся эффективных средств. Колистин обладает сложным механизмом действия, но центральным фактором его эффективности является способность воздействовать на липополисахарид (ЛПС), что приводит к повреждению мембраны и гибели клеток [85,86]. Устойчивость может возникнуть при добавлении в ЛПС фрагментов молекул, которые изменяют заряд всей молекулы и ингибируют взаимодействие между антибиотиком и его мишенью. Перенос фосфоэтаноламина (pEtN) ферментом pEtN-трансферазой с фосфатидилэтаноламина на ЛПС приводит к его модификации, обеспечивающей устойчивость. Действие pEtN-трансфераз контролируется регуляторными системами PmrAB или PhoPQ [87], которые закодированы в хромосоме у многих грамотрицательных видов, а устойчивость наследуется в потомстве мутантов (передаётся вертикально), но не распространяется между штаммами. Однако в 2015 году было выявлено новое семейство мобилизуемых pEtN-трансфераз, получившее название mcr (mobile colistin resistance). Это было чрезвычайно тревожное открытие, учитывая важность колистина и возможность быстрого распространения устойчивости к нему. Последующий анализ обнаружил семейство генов mcr, которые в настоящее время выявлены у широкого спектра видов по всему миру [88]. Ферменты MCR действуют аналогично хромосомным системам [89]. В отдельности приобретение гена mcr может приводить к ограниченному повышению минимальной ингибирующей концентрации (МИК) колистина, поэтому в настоящее время обсуждается клиническое значение mcr. В устойчивых к колистину изолятах распространено носительство mcr [90] и было показано, что штаммы, несущие mcr, защищены от воздействия низких концентраций колистина, хотя в том же исследовании было обнаружено, что носительство mcr фактически препятствует отбору мутантов с очень высокими значениями МИК колистина [91]. Экспрессия pEtN-трансфераз приводит к образованию диацилглицерола (ДАГ) в качестве побочного продукта. ДАГ — это тупиковый метаболит, который может стать токсичным; чтобы предотвратить это, клетка полагается на диацилглицеролкиназу А (DgkA), которая перерабатывает ДАГ в полезные молекулы-предшественники. Недавно было показано, что DgkA необходима для устойчивости к колистину, чтобы предотвратить образование токсичных побочных продуктов, ингибирующих рост [92]. В совокупности эти данные подтверждают предыдущие наблюдения о балансе, необходимом для экспрессии pEtN-трансферазы, которая влияет на устойчивость и приспособленность [93].

Защита мишени может привести к относительно небольшому повышению МИК соответствующего антибиотика; однако в сочетании с мутацией сайта-мишени можно достичь очень высоких МИК. Это часто наблюдается в случае белков Qnr — семейства генов, которые содержатся в плазмидах, обычно встречаются у грамотрицательных видов и защищают топоизомеразы от ингибирования хинолонами. Приобретение гена qnr (в настоящее время известно семь семейств) само по себе оказывает незначительное влияние, но устойчивые к хинолонам изоляты часто несут ген qnr в сочетании с хромосомными мутациями в gyrA, что в совокупности может привести к высокому уровню устойчивости [94]. Разнообразие различных механизмов устойчивости к хинолонам, каждый из которых по-разному влияет на МИК и приспособленность, открывает множество возможных эволюционных путей к высокому уровню устойчивости [94].

Защита мишени может осуществляться без предотвращения связывания антибиотика, и в этом случае он достигает мишени, но его воздействие затем удается ослабить, что приводит к защите. Например, устойчивый к фузидовой кислоте S. aureus часто экспрессирует белки типа FusB. Фузидовая кислота ингибирует трансляцию, связываясь с фактором элонгации G (EF-G), рибосомальной транслоказой, которая участвует в процессинге мРНК и тРНК и предотвращает диссоциацию комплекса после завершения транслокации РНК. Белки FusB содержат домен цинковых пальцев, который восстанавливает трансляцию, способствуя диссоциации остановившегося комплекса, даже если связывание антибиотика уже произошло [95].

Еще один недавний пример спасения мишени также связан с рибосомой. Как уже упоминалось, макролиды, линкозамиды, стрептограмины и плевромутилины нацелены на трансляцию и действуют путем связывания с пептидилтрансферазным центром, имеющим решающее значение в фазе элонгации синтеза белка.

Белки семейства АТФ-связывающих кассет F (ABC-F) могут придавать устойчивость к этим антибиотикам. В отличие от белков ABC-транспортеров, белки ABC-F не связаны с мембраной, и представители этой группы обеспечивают устойчивость к антибиотикам, связывающимся с пептидилтрансферазным центром рибосомы, путем связывания с комплексом рибосома-антибиотик [96]. Последние данные структурных и генетических исследований свидетельствуют о том, что белки ABC-F содержат «домены устойчивости к антибиотикам», которые взаимодействуют с доменами, связывающими антибиотик, и вызывают его высвобождение [97,98]. Существуют различные семейства белков ABC-F, и в настоящее время известно, что они могли неоднократно эволюционировать у многих видов. Они имеют различную структуру, которая, как предполагается, обеспечивает разное сродство к различным классам препаратов [99]. Недавно на основе структурных и генетических данных была предложена модель того, как белки АВС-F Vga и Lsa могут защищать остановившийся рибосомный комплекс [96]. Согласно этой модели, белки ABC-F распознают остановившийся рибосомный комплекс и связываются с E-сайтом рибосомы, что приводит к сдвигу конформации P-сайта тРНК в рибосоме. Это открывает доступ для домена устойчивости к антибиотикам ABC-F к пептидилтрансферазному центру рибосомы, что приводит к выведению антибиотика из клетки. В ходе дальнейшей работы была изучена структурная основа того, как белки Sal ABC-F стафилококков придают устойчивость к лефамулину, первому плевромутилину, используемому для лечения системных заболеваний у человека [100].

Это исследование подтвердило, что белки Sal ответственны за устойчивость к плевромутилинам, стрептограминам группы А и линкозамидам у спектра изолятов стафилококков. Была проанализирована структура комплекса SalB-рибосома и предложен аллостерический механизм устойчивости, при котором связывание SalB изменяет структуру 23S рРНК и приводит к высвобождению связанных плевромутилинов [100]. Хотя в настоящее время устойчивость к плевромутилину встречается редко, белки ABC-F часто обнаруживают в плазмидах, что делает возможным их распространение и, вероятно, может привести к клинически проблематичным показателям устойчивости в будущем [100].

Инактивация и модификация антибиотика

Широко распространенным механизмом устойчивости многих патогенных бактерий является модификация или инактивация самого противомикробного средства [101] (рис. 3b). Обычно это происходит под действием ферментов и, следовательно, часто не требует изменений каких-либо основных компонентов бактериальной клетки. Подобный механизм может обеспечить преимущество, поскольку в таком случае затраты на приспособленность меньше, чем при использовании других механизмов, таких как мутации или изменение мишени антибиотика. Механизмы модификации антибиотиков в широком смысле можно разделить на два типа: инактивация антибиотика путем деградации и модификация путем переноса химической группы. Оба эти механизма широко распространены среди бактерий благодаря мобильности кодирующих их генов.

Инактивация антибиотиков

Инактивация антибиотиков — один из основных механизмов лекарственной устойчивости, при котором структура антибиотика повреждается или разрушается, что делает его менее эффективным; таким образом, это может способствовать снижению эффективности лечения [102]. Примеры инактивации антибиотиков включают гидролиз β-лактамных антибиотиков β-лактамазами и связывание тетрациклиновыми гидроксилазами для инактивации тетрациклинов. β-лактамазы — это ферменты, которые обеспечивают устойчивость к β-лактамным антибиотикам путем гидролиза амидной связи β-лактамного кольца, тем самым разрушая молекулу [103]. β-лактамазы возникли в природе в ответ на продукцию микроорганизмами β-лактамных антибиотиков и изучаются с 1940-х годов. Список охарактеризованных β-лактамаз продолжает увеличиваться; на момент написания статьи в базе данных бета-лактамаз (Beta Lactamase DataBase) зарегистрировано более 7 000 различных β-лактамаз [104]. Разработаны две основные схемы классификации β-лактамаз, основанные либо на молекулярной классификации по Ambler [105], либо на функции фермента [103,106]. Функционально выделяют четыре класса β-лактамаз (A-D); классы A, C и D — это сериновые β-лактамазы, а представители класса B — цинк-зависимые металло-β-лактамазы [103].

Устойчивость к карбапенемам вызывает особое беспокойство, поскольку карбапенемы являются одними из наиболее эффективных антибиотиков, а устойчивость к ним в сочетании с устойчивостью к другим β-лактамам может исключить применение целого класса препаратов [107]. β-лактамазы расширенного спектра действия обеспечивают устойчивость к цефалоспоринам широкого спектра действия и монобактамам [108]. Устойчивость к карбапенемам может быть опосредована карбапенемазами или продукцией β-лактамаз расширенного спектра действия в сочетании с потерей порина. В 2017 году ВОЗ перечислила три «критических» приоритетных патогена, все из которых были устойчивы к карбапенемам [109]. Карбапенемазы, такие как KPC (класс A), NDM (класс B) и OXA (класс D), обладают способностью гидролизовать пенициллины, цефалоспорины и карбапенемы, что значительно сокращает возможности лекарственной терапии подобной инфекции [103,110]. Постоянно открывают новые варианты ферментов карбапенемаз, например, KPC-55, который особенно эффективно катализирует азтреонам и меропенем [111], NDM-19, способный гидролизовать β-лактамы даже в условиях низкого содержания цинка [112], и OXA-679 у Acinetobacter calcoaceticus, придающий высокий уровень устойчивости к карбапенемам [113]. Из карбапенемаз огромное влияние на устойчивость за последнее десятилетие оказали ферменты NDM. Впервые обнаруженные в 2009 году в Индии [114], в настоящее время они встречаются по всему миру у нескольких различных видов благодаря их присутствию во многих плазмидах и могут придавать устойчивость ко всем β-лактамам, кроме азтреонама [115-118]. Было показано, что разные виды в пределах одного и того же отделения интенсивной терапии часто обмениваются генами устойчивости к антибиотикам, и среди них наиболее распространены гены устойчивости к β-лактамам, причем >40 % имеют предсказанную карбапенемазную активность [119]. Эта и другие работы [120,121] показывают, как часто β-лактамазы могут распространяться между бактериями. Плазмиды с множественной лекарственной устойчивостью часто характеризуются наличием β-лактамаз, что позволяет этим генам легче распространяться между различными бактериями [122]. Помимо плазмид, β-лактамазы часто выявляются вблизи инсерционных последовательностей. Это может как мобилизовать ген устойчивости, так и повлиять на уровень его экспрессии [123,124]. Например, у A. baumannii инсерционная последовательность ISAba1 находится перед геном blaampC (который кодирует β-лактамазу AmpC), усиливая его экспрессию и, в свою очередь, обеспечивая устойчивость к цефалоспоринам расширенного спектра действия [124].

Другим важным примером инактивации антибиотиков являются тетрациклин-инактивирующие ферменты, которые катализируют окисление тетрациклинов. Наиболее известным является семейство Tet(X), которое было описано у многих классов бактерий и способно к горизонтальному переносу на мобильных элементах, обеспечивая высокий уровень устойчивости к тетрациклинам [101,125]. Гены tet(X/X2) широко распространены и часто встречаются у бактерий с множественной лекарственной устойчивостью из различных сред, включая изоляты от пациентов, а их присутствие в среде положительно коррелирует с применением тетрациклинов [125,126]. Ферменты Tet(X3/ X4/X5) могут придавать устойчивость к тигециклину и были обнаружены в изолятах Enterobacterales и Acinetobacter в Китае [127–129]. Хотя ферменты Tet(X) способны придавать устойчивость, их способность расщеплять тетрациклины варьирует. Согласно результатам структурного анализа со сравнением способности различных ферментов семейства расщеплять субстраты, определенные замены в наиболее эффективных ферментах сокращают время ферментативной реакции, позволяя быстрее перерабатывать субстраты [126].

Модификация антибиотиков путем переноса химической группы

Антибиотики также могут стать неэффективными в результате переноса химической группы. Ферменты, модифицирующие антибиотики, были выявлены для нескольких антибиотиков, включая аминогликозиды, макролиды, рифамицины, стрептограмины, линкозамиды и фениколы.

Аминогликозиды могут быть модифицированы ацетилтрансферазами, фосфотрансферазами или нуклеотидилтрансферазами, которые изменяют гидроксильные или аминогруппы аминогликозидов, что, в свою очередь, существенно снижает сродство антибиотиков к мишени [130,131]. Многие ферменты, модифицирующие аминогликозиды, закодированы, помимо хромосом, на мобильных генетических элементах и встречаются как у грамположительных, так и у грамотрицательных видов. Одним из примеров нового фермента, модифицирующего аминогликозиды, является ApmA — ацетилтрансфераза, способная инактивировать апрамицин, антибиотик, который в настоящее время может обходить другие механизмы устойчивости к аминогликозидам [132].

Линкозамиды могут быть модифицированы нуклеотидилтрансферазами, которые добавляют к антибиотику фосфатсодержащие группы. Нуклеотидилтрансферазы кодируются генами lnu, например, lnu(A) у видов Staphylococcus [133]. Новые гены lnu все еще изучаются, и хотя их клиническое влияние остается неопределенным, вызывает беспокойство тот факт, что они часто встречаются на мобильных генетических элементах, способных распространяться среди множества различных бактерий [134].

Фосфотрансферазы и эстеразы могут модифицировать макролиды и придавать устойчивость к ним, поскольку модифицированные макролиды не могут эффективно связываться с 50S рибосомой. Была установлена структура макролидных фосфотрансфераз в комплексе с макролидами, а затем было показано, что макролидные фосфотрансферы — представители того же суперсемейства белков, что и аминогликозидные фосфотрансферазы [135]. Эстеразы представляют собой разнообразные модифицирующие ферменты, и структура комплекса эстераза-макролид до сих пор не установлена [135].

Антибиотики феникол и стрептограмин обычно модифицируются широко распространенными ацетилтрансферазами. Фермент хлорамфеникол-ацетилтрансфераза (CAT) переносит ацетильную группу от коэнзима А, предотвращая связывание хлорамфеникола с его мишенью на рибосоме [136]. Стрептограминовые антибиотики можно разделить на две группы в зависимости от их структуры: группа А, которая связывается с пептидилтрансферазным центром, и группа В, которая связывается с выходным туннелем рибосомы. Стрептограмины ферментативно модифицируются вирджиниамициновыми ацетилтрансферазами (Vats), которые ацетилируют спирт, изменяя конформацию молекулы и тем самым снижая активность антибиотика [137]. В одном из недавних исследований был разработан конвейер для поиска новых стрептограминовых антибиотиков, которые в меньшей степени подвержены влиянию Vats, что может иметь важное значение для разработки более эффективных препаратов этого класса [137].

Наконец, рифамицины могут быть инактивированы и модифицированы АДФ-рибозилтрансферазами, гликозилтрансферазами, фосфотрансферазами и монооксигеназами. Рифамицины часто являются первой линией защиты от инфекций M. Tuberculosis [138]. АДФ-рибозилтрансферазы Mycobacterium smegmatis были впервые охарактеризованы в конце 1990-х годов, но недавно также были обнаружены и АДФ-рибозилтрансферазы, обеспечивающие высокий уровень устойчивости к рифамицину у Mycobacterium abscessus [139]. На момент написания статьи АДФ-рибозилтрансферазы у M. tuberculosis еще не обнаружено. АДФ-рибозилтрансферазы катализируют перенос рибозы АДФ на гидроксильную связь С23 антибиотика, блокируя его взаимодействие с РНК-полимеразой [140]. Устойчивость к рифамицину, обусловленная действием гликозилтрансфераз [141], аналогична механизму действия АДФ-рибозилтрансфераз, при этом ферменты гликозилируют гидроксил в положении С23 (ссылка 140). Фосфотрансферазы превращают рифамицины в неактивные фосфо-рифамицины [142], модифицированные по С21 (ссылка 140). Экспрессия таких ферментов может снизить чувствительность организма, если фосфотрансферазы находятся на мобильных генетических элементах, таких как плазмиды, обеспечивающих высокий уровень экспрессии [143]. Совсем недавно был описан новый механизм инактивации рифамицина, обеспечиваемый ферментами рифамицин-монооксигеназами (Rox). Было показано, что ферменты Rox способствуют переходу рифамицина в линейную структуру после насыщения кислородом нафтильной группы, что разрушает связывание рифампицина с RpoB [144].

Обход мишени

Обход мишени — это стратегия, которая заключается в создании альтернативного пути, позволяющего обойти антибиотик, сделав исходную мишень избыточной. Это может происходить путем приобретения альтернативного гена, который может придать клетке необходимые свойства, но при этом недостаточно эффективно ингибируется исходным антибиотиком [145] (рис. 3c).

Самым известным примером обхода мишени, вероятно, является появление метициллин-резистентного S. aureus (MRSA). β-лактамные антибиотики, такие как метициллин, связываются с PBP (пенициллин-связывающий белок, от англ. — penicillin-binding proteins) и ингибируют транспептидазный домен, что приводит к нарушению синтеза клеточной стенки. S. aureus может приобретать экзогенные PBP (PBP2a), гомологичные исходной мишени, но с более низким сродством к β-лактамным антибиотикам [145,146]. Этот белок кодируется геном mecA (ген устойчивости к метициллину), расположенным в стафилококковой хромосомной кассете mec (SCCmec), мобильном генетическом элементе, который придает устойчивость к метициллину [146].

Когда метициллин связывается с этим альтернативным сайтом-мишенью, предотвращается ингибирование синтеза клеточной стенки, поскольку поддерживается транспептидазная активность PBP2a [145]. Нативные PBP также необходимы, поскольку PBP2a не содержит трансгликозилазного домена. Благодаря этому механизму S. aureus может обходить действие метициллина и обеспечивать выживание клеток [146]. Недавние данные свидетельствуют о том, что распространенные линии MRSA, часто встречающиеся при инфекциях человека, впервые появились у европейских ежей в ответ на β-лактамы, продуцируемые эндогенными дерматофитами. Это произошло задолго до того, как люди начали применять антибиотики, и иллюстрирует широкое разнообразие давления отбора в различных условиях, что может иметь последствия для здоровья человека [147].

Другой недавно описанный пример обхода мишени выявлен у E. coli: альтернативный механизм сшивки, включающий L,D-транспептидазу YcbB, может обходить D,D-транспептидазную активность PBP и приводить к устойчивости к β-лактамам [148]. В этом случае, помимо L,D-транспептидазной активности YcbB, также необходимы дополнительные факторы, такие как высокий уровень синтеза алармона (p)ppGpp, монофункционального PBP5 класса C и гликозилтрансферазной активности PBP1b класса A [149]. Хотя YcbB не ингибируется β-лактамными антибиотиками, он остается чувствительным к таким карбапенемам, как меропенем и имипенем [149].

Ванкомицин — гликопептидный антибиотик, широко используемый для лечения энтерококковых инфекций и инфекций, вызванных MRSA [150]. Этот антибиотик также ингибирует синтез клеточной стенки, но вместо прямого связывания с PBPs, как это делают β-лактамы, ванкомицин связывается с концевым D-аланин-D-аланином предшественников пентапептида. Это ингибирует сшивку пептидогликана, которая необходима для синтеза клеточной стенки бактерий. Устойчивость энтерококков к ванкомицину опосредована приобретением кластера van, причем кластер генов vanA наиболее распространен среди клинически устойчивых к ванкомицину штаммов. Экспрессия генов кластера vanA, расположенного на транспозоне (Tn1546), приводит к нарушению синтеза предшественников пептидогликана, который и является сайтом-мишенью. Следовательно, вместо связывания с D-аланин-D-аланином, ванкомицин теперь связывается, с пониженным сродством, с концевым D-аланин-D-лактатом или D-аланин-D-серином [151,152].

Эта стратегия обхода обеспечивает устойчивость к ванкомицину у видов Enterococcus и других грамположительных бактерий. Некоторые штаммы MRSA также могут нести транспозон Tn1546, полученный от устойчивых к ванкомицину Enterococcus faecalis [150]. Это привело к появлению MRSA с устойчивостью к ванкомицину, обусловленной кластером генов vanA, причем первый случай был зарегистрирован в США в 2002 году [153]. Хотя инфекции S. aureus, устойчивые к ванкомицину, встречаются редко, в Европе был выделен штамм S. aureus, устойчивый и к метициллину, и к ванкомицину [154].

Комбинация двух антибиотиков — триметоприма и сульфаметоксазола (известная как TMP-SMX или ко-тримоксазол) — обычно используется для лечения инфекций мочевыводящих путей и профилактики пневмонии, вызываемой Pneumocystis carinii, которая возникает у людей с ВИЧ [155]. Оба действующих вещества блокируют биосинтез бактериальной фолиевой кислоты, которая необходима для синтеза нуклеиновых кислот и белков. TMP действует как ингибитор дигидрофолат-редуктазы (DHFR), а SMX — сульфаниламид, который ингибирует дигидроптероат-синтазу (DHPS) [156,157]. Как правило, устойчивость к комбинированной терапии развивается медленнее, что делает ее привлекательной стратегией. Однако устойчивость к TMP-SMX может возникать при приобретении и/или избыточной продукции дополнительных новых аллелей DHFR и/или DHPS. Это приводит к повышению доступности мишени и снижению связывающей активности TMP-SMX, поддерживая выработку фолиевой кислоты и обеспечивая выживание клеток [145,157].

Бактерии обладают разными способами переработки компонентов собственной клеточной стенки. У E. coli фермент MurNAc-6P-эстераза (MurQ) используется для восстановления уридиндифосфата (UDP) N-ацетилмурамовой кислоты (UDP-MurNAc), первого предшественника в биосинтезе пептидогликана de novo. Однако фермент MurQ, который также необходим для переработки и катаболизма аминосахаров, у многих грамотрицательных бактерий отсутствует[158]. У большинства грамотрицательных бактерий был обнаружен «путь анаболической рециркуляции», который обходит первые этапы биосинтеза пептидогликана [159,160] (у E. coli отсутствует [160]). Этот путь рециркуляции направляет MurNAc-6P в форме UDP-MurNAc непосредственно в биосинтез пептидогликана [160]. При изменении пула UDP-MurNAc изменяется и мишень фосфомицина (MurA), которая присутствует на первых этапах биосинтеза пептидогликана. Следовательно, этот путь также обеспечивает внутреннюю устойчивость к фосфомицину [159,161].

Перспективы преодоления устойчивости

Понимание молекулярных механизмов устойчивости важно для разработки новых стратегий, которые вмешиваются в механизм устойчивости или подавляют его. Так называемые разрушители устойчивости к антибиотикам — это соединения, которые могут нарушать или ингибировать определенный механизм устойчивости, восстанавливая клиническую эффективность конкретного антибиотика. Это привлекательная стратегия, поскольку ее можно использовать для усиления действия существующих антибиотиков. Существует множество доказательств работоспособности этой стратегии в клинических условиях, поскольку ингибиторы ферментов β-лактамаз успешно применяются с момента появления клавулановой кислоты в 1981 году. Как правило, ингибиторы β-лактамаз действуют путем модификации ферментов β-лактамаз, делая их неактивными. Многие из них, в том числе клавулановая кислота, сульбактам и тазобактам, сами являются β-лактамными соединениями с минимальным антибактериальным эффектом, но обладают способностью модифицировать фермент β-лактамазу, создавая неактивный комплекс ингибитора с ферментом. Совсем недавно были разработаны новые ингибиторы β-лактамаз, относящиеся к классу диазабициклооктанов (например, авибактам, релибактам и дурлобактам) или борной кислоты (ваборбактам), причем меропенем-ваборбактам и имипенем-релебактам получили одобрение регулирующих органов, продемонстрировав реальный клинический потенциал [162]. Несмотря на огромный успех ингибиторов β-лактамаз, в настоящее время все чаще возникает проблема устойчивости: как раньше отмечалась устойчивость ко всем клинически доступным антибиотикам, так и сейчас отмечается устойчивость ко всем доступным комбинациям β-лактамов и ингибиторов β-лактамаз. Устойчивость часто обусловлена высоким уровнем экспрессии ферментов-мишеней или мутациями в этих ферментах. Также разработаны перспективные ингибиторы ферментов, модифицирующих аминогликозиды, хотя они еще не вошли в клиническую практику [163].

Глубокое понимание взаимодействия базовой физиологии с механизмами устойчивости также открывает новые возможности. Например, было замечено, что устойчивость к колистину, обусловленная pEtN-трансферазами, сопровождается образованием токсичного ДАГ в качестве побочного продукта, которое ослабляется при воздействии DkgA. Утрата этого механизма контроля приводит к подавлению pEtN-трансфераз и потере устойчивости, следовательно, воздействие на DkgA может усилить активность колистина [92].

Альтернативная стратегия преодоления устойчивости заключается в воздействии на непроницаемую наружную мембрану грамотрицательных микроорганизмов для усиления поглощения антибиотика. Однако соединения с таким эффектом часто сами оказывают бактерицидное действие, одновременно усиливая активность других антибиотиков. Например, полимиксины, в том числе колистин, являются мощными противомикробными препаратами и действуют путем повышения проницаемости мембраны, но есть данные, что, наряду с другими противомикробными пептидами, их можно комбинировать с другими препаратами для повышения активности [164].

Наконец, концепция ингибирования активности эффлюксных насосов особенно привлекательна не только потому, что эффлюкс лежит в основе многих других механизмов устойчивости (вставка 2), но и потому, что многие эффлюксные насосы также необходимы для обеспечения вирулентности и образования биопленки. Идея состоит в том, что, блокировка или ингибирование основных эффлюксных насосов могут повысить чувствительность к противомикробным препаратам, поскольку прекращение выведения антибиотиков приведет к их внутриклеточному накоплению до высоких уровней. Было обнаружено несколько конкурентных ингибиторов эффлюксных RND-насосов. Однако ни один из них не дошел до клинического применения, в основном из-за токсичности для организма-хозяина. Конкурентное ингибирование также затрудняется сложностью систем, поэтому не исключено, что этот подход в конечном итоге окажется безуспешным. Вероятно, могут потребоваться альтернативные стратегии ингибирования эффлюкса. Другие изучаемые стратегии включают предотвращение сборки эффлюксного комплекса, направленное воздействие на наружную мембрану [165] или периплазматические компоненты [166], устранение источника энергии или ингибирование экспрессии эффлюксного насоса [167,168] (подробно рассмотрены по ссылке 3). Кроме того, в недавней работе показано, что влияние эффлюкса на накопление антибиотика наиболее очевидно в активно растущих клетках, что позволяет определить на какие типы инфекций следует ориентироваться при разработке ингибиторов эффлюкса [2].

Возможности препаратов, уменьшающих устойчивость, не были опробованы в клинических условиях, за исключением широкого применения ингибиторов β-лактамаз. Приведенные выше примеры показывают, как понимание биологии устойчивости может помочь в разработке будущих комбинаций; однако это сложная задача, и их клиническая разработка потребует значительных усилий.

Выводы и перспективы

Эпидемиология УПП по-прежнему представляет собой тревожную картину, и ее угроза нарастает. Однако усилия многих исследователей, изучающих различные аспекты этой проблемы, дают повод для надежды. Сейчас мы гораздо лучше понимаем биохимию действия различных антибиотиков и соответствующие механизмы защиты от них. В сочетании с глубоким пониманием отбора устойчивости и влияния на приспособленность организма-хозяина мы имеем больше возможностей для разработки режимов дозирования любых новых антибиотиков таким образом, чтобы минимизировать резистентность. Понимание генетической основы устойчивости является еще одной основой для разработки методов быстрой диагностики, которые обещают помочь в первоначальном выборе антибиотика, чтобы свести к минимуму их неэффективное использование. В конечном счете, срочно необходимы новые антибиотики или новые синергетические терапевтические комбинации, а понимание устойчивости является важнейшей предпосылкой для достижение этих целей.