19.2C: Антибіотики

Люди та наші домашні тварини можуть служити господарями найрізноманітніших хвороботворних організмів (патогенів), включаючи бактерії, віруси, гриби, найпростіші, гельмінти (глисти). На цій сторінці будуть розглянуті тільки ті хімічні засоби, які використовуються для боротьби з бактеріальними збудниками.

Проблема

Є багато хімічних речовин, які смертельні для бактерій - ціанід робить хорошу роботу - але їх не можна використовувати для лікування інфекцій, оскільки вони смертельні і для господаря. Проблема полягає в тому, щоб знайти речовини, які атакують метаболічний шлях, виявлений у бактерії, але не в господаря. Це не є непереборною проблемою для бактеріальних збудників, оскільки вони багато в чому відрізняються від еукаріотів.

Рішення

Натуральні продукти. Було виявлено ряд натуральних продуктів, пеніцилін наприклад, які є антибіотиками, придатними для терапії. Спочатку вони були виявлені як виділення грибків або ґрунтових бактерій. Грунти є складними екосистемами, і не дивно, що її мешканці сформували хімічний захист один від одного.

Малюнок 19.2.3.1 Пеніцилій

Фото (люб'язно надано Merck & Co., Inc.) показує, як ріст бактерій на агарі в культурній страві гальмувався трьома круговими колоніями гриба Penicillium notatum. За цей ефект відповідає антибіотик пеніцилін, що дифундує назовні з колоній. Сьогодні пеніцилін виготовляють з культур Penicillium chrysogenum, спеціально адаптованих для високих врожаїв.

• Напівсинтетичні вироби. Це натуральні продукти, які були хімічно модифіковані в лабораторії (і фармацевтичному об'єкті) для
  • поліпшити ефективність натурального продукту
  • зменшити його побічні ефекти
  • обійти розвиток стійкості цільовими бактеріями
  • розширити спектр бактерій, які можна лікувати за допомогою нього
• Повністю синтетичні вироби. Приклади сульфанідних препаратів.

Сульфінові препарати і аналоги фолієвої кислоти

Сульфа Препарати

Малюнок 19.2.3.2 ПАБА

Сульфаніламід був першим антибактеріальним засобом. Багато інших сульфанідних препаратів (таких як сульфаметоксазол) з тих пір увійшли в використання.

 

Як бактерії, так і їх людські господарі потребують фолієвої кислоти для синтезу нуклеїнових кислот (вона перетворюється в пурини і тимідин), а також синтезу білка (попередник амінокислот метіоніну і гліцину). Однак бактерії синтезують свою фолієву кислоту, починаючи з параамінобензойної кислоти (PABA), тоді як ми повинні вживати вже сформовану фолієву кислоту; тобто для нас це вітамін.

Сульфаніламід та інші сульфаніламідні препарати є аналогами ПАБА; вони конкурують з ПАБА і при виборі блокують синтез фолієвої кислоти. Ссавці ігнорують PABA та його аналоги і, таким чином, можуть переносити сульфаніди.

Аналоги фолієвої кислоти

Ці синтетичні молекули блокують завершальний етап перетворення PABA на фолієву кислоту, тому вони теж блокують синтез нуклеотидів та білків у бактерій, але не у ссавців. Триметоприм є одним з декількох в поточному використанні. Ці аналоги фолієвої кислоти часто використовуються в комплексі з сульфанідним препаратом.

Бета-лактами

Малюнок 19.2.3.3 Пеніцилін Г. Бета-лактами отримали свою назву від характерної кільцевої структури - показаної тут синім кольором - що всі вони поділяють. (Зелена стрілка показує зв'язок, який порушується бета-лактамазами, які синтезуються багатьма стійкими до пеніциліну бактеріями.)

До бета-лактамів відносять

• пеніциліни, такі як
  • пеніцилін G (натуральний продукт), що виробляється грибком Penicillium chrysogenum
  • ампіцилін (напівсинтетичний)
  • амоксицилін (напівсинтетичний)
• цефалоспорини В даний час їх налічується понад два десятки. Більшість - це напівсинтетика, що отримується з секрету цвілі Цефалоспоріум. Деякі приклади:
  • цефалексин (наприклад, Кефлекс®)
  • цефаклор (наприклад, Цеклор®)
  • цефіксим (наприклад, Супракс®)
• карбапенеми, такі як
  • меропенем (Меррем®)
  • ертапенем (Інванц®)

 

Всі бета-лактами працюють, втручаючись у синтез клітинної стінки бактерій - структури, яка не зустрічається в еукаріотів. Стінки бактерій виготовлені зі складного полімерного матеріалу під назвою пептидоглікан.

Малюнок 19.2.3.4 НАГ - НАМ

Пептидоглікан містить як амінокислоти, так і аміноцукру. Аміноцукри бувають двох видів:

• N-ацетилглюкозамін (NAG) і його близький родич
• N-ацетилмурамінова кислота (НАМ).

Ці два утворюють лінійний полімер NAG, що чергується з NAM. Вони пов'язані глікозидним зв'язком між вуглецями #1 і #4 (це зв'язок, атакований лізоцимом) і орієнтовані так само, як вони знаходяться в целюлозі. Бічні ланцюги, що містять 4 або 5 амінокислот, прикріплені до кожного НАМ. Вони утворюють ковалентні зв'язки з амінокислотами в сусідніх ланцюгах. Зв'язки можуть бути прямими до наступного ланцюга або включати додаткові пептидні перехресні мости (наприклад, 5 залишків гліцину), які поширюються на ланцюги в одній площині (показано тут), а також на ланцюги зверху і знизу.

Ця складна, ковалентно зшита структура забезпечує велику міцність клітинної стінки. Це також призводить до чудового висновку, що бактеріальна клітинна стінка відповідає визначенню однієї молекули!

Бета-лактамні антибіотики зв'язуються і інгібують ферменти, необхідні для синтезу стінки пептидоглікану. Хоча вони мало впливають на бактерії, що відпочивають, вони смертельні для поділу бактерій, оскільки дефектні стінки не можуть захистити організм від розриву в гіпотонічному оточенні.

аміноглікозиди

Це продукти актиноміцетів (грунтових бактерій) або напівсинтетичних похідних натуральних продуктів.

Прикладами є:

• стрептоміцин
• канаміцин
• неоміцин
• гентаміцин

 

Бактеріальна рибосома 70S відрізняється декількома способами від еукаріотичної рибосоми 80-х років. Аміноглікозиди зв'язуються з 30S субодиницею бактеріальної рибосоми і перешкоджають утворенню комплексу ініціації. Вони також викликають неправильне читання мРНК. Хоча еукаріотична рибосома в цитозолі відносно не впливає на ці препарати, рибосоми в мітохондріях 70-ті роки і чутливі до їх впливу.

Тетрацикліни

Це натуральні продукти, отримані з грунтових актиноміцетів або їх напівсинтетичних похідних. Приклади:

• хлортетрациклін (ауреоміцин®)
• окситетрациклін (терраміцин®)
• доксициклін
• тигециклін (Тигацил®)

Тетрацикліни зв'язуються з 30S субодиницею бактеріальної рибосоми. Вони перешкоджають передачі активованих амінокислот до рибосоми, тому синтез білка припиняється.

Макроліди, лінкозаміди, стрептограміни та кетоліди

Чинк в броні = бактеріальна рибосома

Ці антибіотики зв'язуються з великою (50S) субодиницею бактеріальної рибосоми, де вони блокують зростаючий пептидний ланцюг від виходу рибосоми, таким чином, серйозно перешкоджаючи синтезу білка. Через їх подібної дії розвиток антибіотикорезистентності до одних зазвичай поширюється на всі інші.

Макроліди

Макроліди - це також продукти актиноміцетів (грунтових бактерій) або напівсинтетичних похідних їх. Еритроміцин, азитроміцин (Zithromax®) та кларитроміцин (Біаксин®) є зазвичай призначаються макролідами.

лінкозаміди

Перший член цієї групи також був виділений з грунтового актиноміцета (знайдений поблизу Лінкольна, штат Небраска). Напівсинтетичне похідне, зване кліндаміцином (Cleocin®), в даний час широко використовується проти грампозитивних бактерій.

стрептограміни

Прикладами є квінапристин і дальфопристин. Станом на 1 жовтня 1999 року вони будуть продаватися у вигляді суміші під торговою назвою Synercid. У поєднанні вони демонструють великі перспективи в лікуванні певних інфекцій, стійких до ванкоміцину - в даний час антибіотик останньої надії для деяких інфекцій, придбаних в лікарні.

Кетоліди

Кетоліди є похідними макролідів. Телітроміцин (Кетек®) є прикладом. Кетоліди також зв'язуються з 50S субодиницею бактеріальної рибосоми. При цьому вони змушують його викликати зрушення кадрів під час перекладу. Бактерії, що стали стійкими до макролідів, лінкозамідів, стрептограмінів, все ще сприйнятливі до кетолідів.

фторхінолони

Прикладами є ципрофлоксацин (Cipro®), левофлоксацин і норфлоксацин. Cipro є кращим антибіотиком для людей, які навмисно піддавалися впливу сибірської виразки, хоча деякі інші антибіотики виявляються однаково ефективними.

Чинк в броні = ДНК топоізомераз

Фторхінолони блокують дію двох бактеріальних топоізомераз - ферментів, які розвантажують котушки, що утворюються в ДНК при відкритті спіралі при підготовці до реплікації або транскрипції або ремонту. Топоізомерази у еукаріотів не уражаються.

поліпептиди

Найпоширенішим з них є поліміксин Е (також відомий як колістин). Він поводиться як миючий засіб, збільшуючи проникність мембран, що містять бактерії, і викликаючи витікання вмісту бактеріальної клітини.

Рифампін

Цей напівсинтетичний антибіотик зв'язується з бактеріальною РНК-полімеразою і перешкоджає їй виконувати свою роль у транскрипції. Його спорідненість до еквівалентного еукаріотичного ферменту набагато нижче. Рифампін також відомий як рифампіцин.

Мупіроцин

Цей антибіотик блокує дію бактеріальної ізолейцину тРНК синтетази, ферменту, відповідального за приєднання амінокислоти ізолейцину (Іле) до її тРНК при підготовці до синтезу білка, тому синтез білка пригнічується. Він щадить еквівалентний еукаріотичний фермент.

Циклосерин

Циклосерин пригнічує синтез клітинної стінки бактерій, але за іншим механізмом, ніж розглянуті вище бета-лактамні антибіотики. Циклосерин є аналогом D-аланіну і блокує включення D-аланіну в пептидні мости в клітинній стінці бактерій. Він походить від актиноміцета.

Аміноцикліти

Ці продукти іншого актиноміцета досягають свого ефекту шляхом втручання в 30S субодиницю бактеріальної рибосоми. Спектиноміцин (торгова назва = Trobicin®) є прикладом. Він особливо ефективний проти гонокока, бактерії, яка викликає захворювання, що передаються статевим шляхом (ЗПСШ) гонорею.

глікопептиди

Глікопептиди також перешкоджають синтезу клітинної стінки бактерій, але за іншим механізмом, ніж бета-лактами.

Ванкоміцин є широко використовуваним глікопептидом у США. Він зв'язується з D-аланінами на попередниках перехресних мостів пептидоглікану, запобігаючи їх зшиванню. Він став антибіотиком останньої надії, оскільки резистентність до інших антибіотиків стає все більш поширеною.

оксазолідинони

Перший з цих нових антибіотиків, лінезолід (Zyvox®), був схвалений Управлінням з контролю за продуктами і ліками США 19 квітня 2000 року. Він ефективний проти багатьох грампозитивних бактерій, які виробили стійкість до старих антибіотиків.

Лінезолід атакує раніше неексплуатовану щітку в броні бактерії: належна збірка двох рибосомних субодиниць (30S і 50S). Це не впливає на еукаріотичні рибосоми - і, таким чином, трансляцію мРНК у цитозолі. Однак він впливає на бактеріально-подібні мітохондріальні рибосоми і може перешкоджати синтезу цих мітохондріальних білків, синтезованих ними.

ліпопептиди

Це природні сполуки, отримані з виду Streptomyces. Зараз у клінічному застосуванні є даптоміцин (Кубіцин®). Він ефективний проти грампозитивних бактерій. Він атакує ще одну раніше неексплуатовану шишку в бактеріальній броні - цілісність її клітинних мембран.

Поки немає доказів того, що бактерії розвивають стійкість проти нього.

Стійкість до антибіотиків

Жоден з розглянутих вище антибіотиків не ефективний проти всіх бактеріальних збудників.

Внутрішня стійкість

Деякі бактерії є іскростійкими до деяких антибіотиків. Приклад: грампозитивні бактерії набагато менш сприйнятливі до поліміксинів, ніж грамнегативні бактерії. [Позначення «Грам» стосуються поведінки бактерій під час фарбування плямою Грама; така поведінка є відображенням зовсім іншої організації їх клітинних стінок.]

придбане опір

Багато бактерій набувають стійкість до одного або декількох антибіотиків, до яких вони раніше були сприйнятливі.

Приклад: У США за десятиліття з 1985—1995 років стійкість шигели (що викликає шлунково-кишкові захворювання) до ампіциліну зросла з 32% до 67%. І хоча лише 7% цих ізолятів були стійкими до комбінації сульфаметоксазолу та триметоприму на початку десятиліття, ця цифра зросла до 35% до кінця десятиліття.

Бактерії розвивають резистентність шляхом придбання генів, що кодують білки, які захищають їх від впливу антибіотика. У деяких випадках гени виникають мутацією; в інших вони набуваються від інших бактерій, які вже стійкі до антибіотика. Гени часто зустрічаються на плазмідах, які легко поширюються від однієї бактерії до іншої - навіть від одного виду бактерій до іншого.

Приклади:

• Синтез ферменту пеніцилінази - або інших бета-лактамаз - забезпечує захист від бета-лактамних антибіотиків. Ці ферменти розривають бета-лактамне кільце в положенні, показаному зеленою стрілкою на схемі пеніциліну G.
• Аналогічним чином синтез цефалоспориназ перемагає цефалоспорини.
• Перемога над хінолонами:
  • Деякі бактерії роблять це, модифікуючи свою ДНК-гіразу.
  • Інші, наприклад, Mycobacterium tuberculosis, розвивають резистентність до хінолонів шляхом синтезу білка, який нагадує коротку довжину ДНК. Цей білок зв'язує гірозу, тому він не може утворювати комплекс ДНК/гірази, який є мішенню дії хінолону.
• Деякі бактерії синтезують «насоси» у своїй плазматичній мембрані, через яку вони видаляють антибіотики, такі як тетрациклін, з внутрішньої частини клітини.
• Бактерії можуть метилювати свої рибосоми, затемнюючи мішень антибіотиків (наприклад, еритроміцину), які зазвичай зв'язуються з рибосомою та інактивують її - або навпаки
• вони можуть ферментативно модифікувати антибіотик (наприклад, канаміцин), щоб він більше не міг «бачити» свою рибосомальну мішень.
• Бактерії можуть змінювати структуру своєї стінки пептидоглікану і, таким чином, уникати інгібуючих ефектів антибіотиків, таких як циклосерин.

Тривожна кількість патогенів людини придбали гени для боротьби з усіма застосовуваними в даний час антибіотиками, крім ванкоміцину і недавно з'явилися стійкі до ванкоміцину бактерії. Ці мультирезистентні штами особливо поширені в лікарнях, де вживання антибіотиків є важким, а пацієнти часто мають ослаблену імунну систему.

Вимірювання стійкості до антибіотиків

Малюнок 19.2.3.5 Антибіотичні диски

Малюнок ілюструє найпростіший метод з декількох доступних для вимірювання стійкості до антибіотиків.

• Суспензія бактерій, що підлягають дослідженню (наприклад, культивованих у зараженого пацієнта), поширюється по поверхні чашки Петрі, що містить тверде культуральне середовище.
• На поверхню агару тиснуть диски декількох різних антибіотиків. Концентрація антибіотика в кожному типі дисків стандартизована.
• Інкубують протягом ночі.
• Бактерії виростуть на «галявині», за винятком випадків, коли антибіотик, до якого вони чутливі, розсіяний з диска.
• Виміряйте діаметр будь-яких зон гальмування, які утворюються.

Що можна зробити, щоб затримати поширення антибіотикорезистентності?

• Не просіть у лікаря антибіотик для лікування вірусного захворювання (наприклад, застуди), для якого антибіотики марні. (Однак ваш лікар може призначити антибіотик, якщо ви заражені вірусом грипу - не для боротьби з вірусом, а для захисту від вторинної бактеріальної інфекції пошкоджених легенів.)
• Залишайтеся курсом. Використовуйте всі дози, призначені, навіть якщо ви відчуваєте себе краще. Це дозволить мінімізувати можливість вибору на стійкість серед бактерій, які залишаються пізно в інфекції.
• Не зберігайте невикористані антибіотики для подальшого самолікування.

Фермери також можуть допомогти, уникаючи використання антибіотиків у худобі, подібних до тих, які використовуються у людей. Антибіотики широко використовуються у здорової худоби для поліпшення темпів їх зростання (за невідомим механізмом).

Стаття в 20 травня 1999 року випуску The New England Journal of Medicine документує недавній розвиток резистентності до хінолонів у Campylobacter jejuni, найбільш частою бактеріальною причиною гастроентериту у людей. Зростання збігається зі схваленням в 1995 році використання хінолонів птахівниками U.S. (кури також заражаються C. jejuni). Подібне недавнє збільшення резистентності до фторхінолону C. jejuni повідомлялося в Нідерландах, а також в Іспанії (де до 50% інфекцій людини зараз спричинені бактеріями, стійкими до антибіотика). У кожній країні поява резистентних штамів слідувало за широким впровадженням лікування хінолоном для тварин.

Перспективи майбутнього

Лікарські компанії - після багатьох років самозаспокоєння - зараз реагують на загрозу стійких до антибіотиків бактерій. Розробляється понад десяток нових антибіотиків, а деякі вже дійшли до клінічних випробувань. Багато з них є напівсинтетичними модифікаціями вже існуючих антибіотиків, в тому числі нових

• бета-лактами
• макроліди
• глікопептиди
• хінолони
• модифікації ванкоміцину

Інші абсолютно нові, атакуючи раніше неексплуатовані хитрощі в бактеріальній броні.

• Гідроксамати сечовини, які блокують фермент (пептиддеформілазу), який видаляє FMet з готового білка, щоб він міг почати свою роботу. (Еукаріоти не починають переклад з FMet.)
• Гетероароматичні поліцикли (HARP), які зв'язуються з бактеріальними промоторами, запобігаючи транскрипції генів.