The importance of efflux pumps in bacterial antibiotic resistance
Effluxní pumpy jsou transportní proteiny, které se podílejí na vytlačování toxických substrátů (včetně prakticky všech tříd klinicky významných antibiotik) z buněk do vnějšího prostředí. Tyto proteiny se vyskytují u grampozitivních i negativních bakterií a také u eukaryotických organismů.1 Pumpy mohou být specifické pro jeden substrát nebo mohou transportovat řadu strukturně odlišných sloučenin (včetně antibiotik více tříd); takové pumpy mohou být spojeny s mnohočetnou rezistencí k léčivům (MDR). V prokaryotické říši existuje pět hlavních rodin efluxních transportérů:2 MF (major facilitator), MATE (multidrug and toxic efflux), RND (resistance-nodulation-division), SMR (small multidrug resistance) a ABC (ATP binding cassette). Všechny tyto systémy využívají jako zdroj energie protonovou hybnou sílu3 , kromě rodiny ABC, která k exportu substrátů využívá hydrolýzu ATP. Nedávné pokroky v technologii DNA a nástup genomické éry vedly k identifikaci mnoha nových členů výše uvedených rodin a všudypřítomnost efluxních pump je pozoruhodná. Transportéry, které vyplavují více substrátů, včetně antibiotik, se nevyvinuly jako odpověď na stresy antibiotické éry. Všechny studované bakteriální genomy obsahují několik různých efluxních pump; to naznačuje jejich ancestrální původ. Odhaduje se, že ∼5-10 % všech bakteriálních genů se podílí na transportu a velká část z nich kóduje efluxní pumpy.2,4
O „normální“ fyziologické úloze efluxních transportérů se vedou diskuse, protože tyto geny nesou a exprimují bakterie citlivé i rezistentní vůči antibiotikům. V mnoha případech jsou geny efluxních pump součástí operonu s regulačním genem řídícím expresi. Zvýšená exprese je spojena s rezistencí vůči substrátům, např. rezistence vůči žlučovým solím a některým antibiotikům u Escherichia coli je zprostředkována nadměrnou expresí genu acrAB5. Ačkoli geny kódující efluxní pumpy lze nalézt na plazmidech, nosičství genů pro efluxní pumpy na chromozomu dává bakterii vnitřní mechanismus, který umožňuje přežití v nepřátelském prostředí (např. v přítomnosti antibiotik), a tak lze mutantní bakterie, které nadměrně exprimují geny pro efluxní pumpy, selektovat bez získání nového genetického materiálu. Je pravděpodobné, že tyto pumpy vznikly proto, aby mohly být škodlivé látky transportovány ven z bakterie, což umožňuje přežití. V současné době se skutečně všeobecně uznává, že „vnitřní rezistence“ gramnegativních bakterií vůči některým antibiotikům ve srovnání s grampozitivními bakteriemi je důsledkem aktivity efluxních systémů6. Efluxní systémy, které přispívají k rezistenci vůči antibiotikům, byly popsány u řady klinicky významných bakterií, včetně Campylobacter jejuni (CmeABC7,8), E. coli (AcrAB-TolC, AcrEF-TolC, EmrB, EmrD9), Pseudomonas aeruginosa (MexAB-OprM, MexCD-OprJ, MexEF-OprN a MexXY-OprM9), Streptococcus pneumoniae (PmrA10), Salmonella typhimurium (AcrB11) a Staphylococcus aureus (NorA12). Všechny tyto systémy efluxují fluorochinolony a pumpy RND (CmeB, AcrB a pumpy Mex) také exportují více antibiotik.
Nadměrná exprese efluxních pump může být výsledkem mutací v rámci lokálních represorových genů13-15 nebo může být důsledkem aktivace regulonu regulovaného globálním transkripčním regulátorem, jako je MarA nebo SoxS u E. coli.16,17 Široký substrátový rozsah efluxních systémů je znepokojující, protože nadměrná exprese pumpy často vede k rezistenci vůči antibiotikům více než jedné třídy a také vůči některým barvivům, detergentům a dezinfekčním prostředkům (včetně některých běžně používaných biocidů). Problémem je také zkřížená rezistence; vystavení jedné látce, která patří do substrátového profilu pumpy, by podpořilo nadměrnou expresi této pumpy a následnou zkříženou rezistenci vůči všem ostatním substrátům pumpy. Mezi ně mohou patřit klinicky významná antibiotika. Příkladem je opět systém mexAB u P. aeruginosa; mutanti, kteří nadměrně produkují mexAB, jsou méně citliví, ne-li zcela rezistentní k řadě antibiotik (fluorochinolony, β-laktamy, chloramfenikol a trimetoprim), ale také k triklosanu, běžně používanému biocidu v domácnosti18. O možném zneužívání biocidů a možné selekci bakterií zkříženě rezistentních vůči antibiotikům se nedávno diskutovalo v tomto časopise i jinde.19-22 Nadměrná exprese efluxní pumpy s vícečetnou lékovou rezistencí sama o sobě často neznamená vysokou, klinicky významnou rezistenci vůči antibiotikům. Takové bakterie jsou však lépe vybaveny k tomu, aby přežily tlak antibiotik a vyvinuly další mutace v genech kódujících cílová místa antibiotik.23 Bylo prokázáno, že fluorochinolon-rezistentní kmeny E. coli jsou selektovány 1000krát snadněji z mar mutantů než bakterie divokého typu,24 a vysoce fluorochinolon-rezistentní E. coli obsahují mutace v genech kódujících cílové enzymy topoizomerázy a mají sníženou akumulaci a zvýšený eflux (snížení regulace porinů a nadměrná exprese efluxní pumpy).14,15 Bylo také pozorováno aditivní zvýšení MIC antibiotik po současné nadměrné expresi více než jedné pumpy různých tříd, což rovněž vede k vysoce rezistentním E. coli.25
Bylo prokázáno, že exprese systémů Mex u P. aeruginosa a efluxního systému acrAB u E. coli je největší, když jsou bakterie ve stresu, např. růst v médiu chudém na živiny, růst do stacionární fáze nebo osmotický šok; tyto nehostinné podmínky mohou odpovídat situaci v rámci infekce.26,27 Neregulovaná nadměrná exprese efluxních pump je pro bakterii potenciálně nevýhodná, protože dochází nejen k exportu toxických substrátů, ale také ke ztrátě živin a metabolických meziproduktů. Práce s P. aeruginosa naznačují, že mutanti s nadměrnou expresí mexických pump jsou méně schopni odolávat stresu prostředí a jsou méně virulentní než jejich protějšky divokého typu.28 V důsledku toho je exprese pump přísně kontrolována. Mutanti a klinické izoláty, které nadměrně exprimují efluxní pumpy, jsou však stabilní a běžně izolované; je možné, že se u takových mutantů hromadí kompenzační mutace, které jim umožňují růst stejně dobře jako bakteriím divokého typu.
V poslední době se zkoumá použití inhibitorů efluxních pump za účelem zlepšení a zesílení aktivity exportovaných antibiotik. Taková strategie byla použita k vývoji inhibitorů, které snižují vliv efluxních pump na aktivitu fluorochinolonů. Vzhledem k tomu, že mnoho efluxních pump má značnou strukturní homologii, doufá se, že jedna inhibiční sloučenina bude účinná proti řadě pump z různých bakteriálních druhů. Většina výzkumu se zaměřila na efluxní pumpy P. aeruginosa Mex a jejich inhibitory. Jeden takový inhibitor snížil hodnoty MIC fluorochinolonů pro citlivé i rezistentní kmeny.2 Kromě toho byla v přítomnosti inhibitoru nižší i frekvence selekce kmenů rezistentních na fluorochinolony, což naznačuje, že eflux může být důležitý při selekci rezistence na fluorochinolony. Podobná pozorování byla provedena u S. pneumoniae a S. aureus.29,30 Byl také popsán požadavek na neporušený efluxní systém, který umožňuje vznik mutací topoizomerázy a následnou rezistenci k fluorochinolonům u E. coli.31 Souvislost mezi aktivním efluxem a mutacemi v genech kódujících proteiny cílového místa naznačuje, že použití takových inhibitorů ve spojení se substrátovými antibiotiky může být užitečné tím, že zvyšuje jak aktivitu, tak rozsah druhů, pro které může být léčivo účinné. Návrh nových léčiv a modifikace stávajících molekul by se nyní měly provádět také s ohledem na efluxní pumpy. Strukturní změny, které snižují schopnost antibiotika být vyplavováno, aniž by byla ohrožena jeho aktivita, mohou vést k vývoji účinnějších sloučenin, rozhodně je nyní třeba brát v úvahu „vyplavitelnost“ léčiv, protože látky jsou vyvíjeny s ohledem na jejich celkovou účinnost a pravděpodobnost vzniku rezistence.
Závěrem lze říci, že přibývá důkazů, že úloha vyplavovacích pump v rezistenci bakterií vůči antibiotikům je významná. Ačkoli k vysoké úrovni rezistence nemusí docházet pouze v důsledku MDR efluxních pump, nelze ignorovat souvislost nadměrné exprese těchto genů u vysoce rezistentních klinických izolátů. Vnitřní rezistence některých druhů vůči antibiotikům může být také z velké části způsobena efluxními pumpami. Selekce efluxních mutant biocidů, které se vyskytují v životním prostředí, je potenciálním problémem; ke kvantifikaci případného rizika takového procesu je zapotřebí více práce. Synergické zvýšení rezistence pozorované při nadměrné expresi efluxního systému (systémů) a mutace cílového místa mohou vést k vysoce rezistentním bakteriím, které je obtížné léčit. Vliv efluxních pump je třeba vzít v úvahu při navrhování budoucích antibiotik a posoudit úlohu inhibitorů, aby se maximalizovala účinnost současných i budoucích antibiotik.
Pro zájemce existuje řada vynikajících přehledových článků zaměřených na efluxní pumpy.2,3,9,11,32,33
Odpovídající autor. Tel: +44-121-414-6966; Fax: +44-121-414-3599; E-mail: [email protected]
Bambeke, V. F., Balzi, E. & Tulkens, P. M. (
). Antibiotické efluxní pumpy.
,
-70.
Lomovskaya, O., Warren, M. S., Lee, A., Galazzo, J., Fronko, R., Lee, M. a další (
). Identifikace a charakterizace inhibitorů efluxních pump s vícečetnou lékovou rezistencí u Pseudomonas aeruginosa: nové látky pro kombinovanou terapii.
,
-16.
Paulsen, I. T., Brown, M. H. & Skurray, R. A. (
). Proton-dependentní multidrug efflux systémy.
,
-608.
Saier, M. H. & Paulsen, I. T. (
). Phylogeny of multidrug transporters [Fylogeneze transportérů více léčiv].
,
-13.
Thanassi, D. G., Cheng, L. W. & Nikaido, H. (
). Active efflux of bile salts by Escherichia coli [Aktivní vyplavování žlučových solí Escherichia coli].
,
-8.
Li, X. Z., Livermore, D. M. & Nikaido, H. (
). Role efluxních pump(y) ve vnitřní rezistenci Pseudomonas aeruginosa – rezistence k tetracyklinu, chloramfenikolu a norfloxacinu.
,
-41.
Lin, J., Michel, L. O. & Zhang, Q. (
). Cme ABC funguje jako multidrug efflux systém u Campylobacter jejuni.
,
-31.
Pumbwe, L. & Piddock, L. J. V. (
). Identifikace a charakterizace CmeB, multidrug efflux pump Campylobacter jejuni.
,
-9.
Poole, K. (
). Effluxem zprostředkovaná rezistence k fluorochinolonům u gramnegativních bakterií.
,
-41.
Gill, M. J., Brenwald, N. P. & Wise, R. (
). Identifikace genu efluxní pumpy pmrA, spojeného s rezistencí k fluorochinolonům u Streptococcus pneumoniae.
,
-9.
Nikaido, H. (
). Zabránění přístupu léčiv k cílům: bariéry propustnosti buněčného povrchu a aktivní eflux u bakterií.
,
-33.
Kaatz, G. W. & Seo, S. M. (
). Inducibilní multirezistence zprostředkovaná NorA u Staphylococcus aureus.
,
-5.
Adewoye, L., Sutherland, A., Srikumar, R. & Poole, K. (
). The MexR repressor of the mexAB-oprM multidrug efflux operon in Pseudomonas aeruginosa: characterization of mutations compromising activity.
,
-12.
Wang, H., Dzink-Fox, J. L., Chen, M. J. & Levy, S. B. (
). Genetická charakterizace vysoce fluorochinolon-rezistentních klinických kmenů Escherichia coli z Číny: role mutací acrR.
,
-21.
Webber, M. A. & Piddock, L. J. V. (
). Absence mutací v marRAB nebo soxRS u klinických a veterinárních izolátů Escherichia coli rezistentních vůči fluorochinolonům s nadměrnou expresí acrB.
,
-2.
Alekshun, M. N. & Levy, S. B. (
). Regulace chromozomálně zprostředkované vícenásobné rezistence k antibiotikům: regulon mar.
,
-75.
Pomposiello, P. J. & Demple, B. (
). Identifikace genů regulovaných SoxS u Salmonella enterica serovar typhimurium.
,
-9.
Chuanchuen, R., Beinlich, K., Hoang, T. T., Becher, A., Karkhoff-Schweizer, R. R. & Schweizer, H. P. (
). Cross resistance between triclosan and antibiotics in Pseudomonas aeruginosa is mediated by multidrug efflux pumps: vystavení citlivého mutantního kmene triklosanu vyselektuje mutanty nfxB s nadměrnou expresí MexCD-OprJ.
,
-32.
Fraise, A. P. (
). Zneužívání biocidů a antimikrobiální rezistence – důvod k obavám?
,
-2.
Gilbert, P., McBain, A. J. & Bloomfield, S. F. (
). Biocide abuse and antimicrobial resistance: being clear about the issues (Zneužívání biocidů a antimikrobiální rezistence: abychom měli v problematice jasno).
,
-9.
Fraise, A. P. (
). Odpověď.
,
-40.
Levy, S. B. (
). Antibakteriální výrobky pro domácnost: důvod k obavám.
,
-5.
Kern, W. V., Oethinger, M., Jellen-Ritter, A. S. & Levy, S. B. (
). Non-target gene mutations in the development of fluoroquinolone resistance in Escherichia coli [Mutace necílových genů ve vývoji rezistence vůči fluorochinolonům u Escherichia coli].
,
-20.
Cohen, S. P., McMurry, L. M., Hooper, D. C., Wolfson, J. S. & Levy, S. B. (
). Zkřížená rezistence k fluorochinolonům u Escherichia coli rezistentních k více antibiotikům (Mar) selektovaných tetracyklinem nebo chloramfenikolem: snížená akumulace léčiva spojená s membránovými změnami kromě redukce OmpF.
,
-25.
Lee, A., Mao, W., Warren, M. S., Mistry, A. S., Hoshino, K., Okumura, R. et al. (
). Vzájemné působení efluxních pump může mít buď aditivní, nebo multiplikační vliv na rezistenci vůči léčivům.
,
-50.
Ma, D., Alberti, M., Lynch, C., Nikaido, H. & Hearst, J. E. (
). Lokální represor AcrR hraje modulační roli v regulaci genů acrAB Escherichia coli globálními stresovými signály.
,
-12.
Rand, J. D., Danby, S. G., Greenway, D. L. A. & England, R. R. (
). Zvýšená exprese multidrug efflux genů acrAB se vyskytuje během pomalého růstu Escherichia coli.
,
-5.
Sanchez, P., Ruiz-Diez, B., Campanario, E., Navas, A., Martinez, J. I. & Baquero, F. (
). Hyperexprese pump u mutantů nalB a nfxB Pseudomonas aeruginosa snižuje virulenci v modelu hlístice Caenorhabditis elegans. In Program and Abstracts of the Forty-first Interscience Conference on Antimicrobial Agents and Chemotherapy, Chicago, IL, USA, 2001. Abstrakt C1-650. American Society for Microbiology, Washington, DC, USA.
Markham, P. N. (
). Inhibice vzniku rezistence k ciprofloxacinu u Streptococcus pneumoniae inhibitorem více lékových efluxů reserpinem.
,
-9.
Markham, P. N., Westhaus, E., Klyachko, K., Johnson, M. E. & Neyfakh, A. A. (
). Multiple novel inhibitors of the NorA multidrug transporter of Staphylococcus aureus (Více nových inhibitorů multidrogového transportéru NorA Staphylococcus aureus).
,
-8.
Oethinger, M., Kern, W. V., Jellen-Ritter, A. S., McMurry, L. M. & Levy, S. B. (
). Neúčinnost mutací topoizomerázy při zprostředkování klinicky významné rezistence na fluorochinolony u Escherichia coli v nepřítomnosti efluxní pumpy AcrAB.
,
-3.
Paulsen, I. T., Chen, J., Nelson, K. E. & Saier, M. H. (
). Comparative genomics of microbial drug efflux systems [Srovnávací genomika mikrobiálních systémů pro výtok léčiv].
,
-50.
Poole, K. (
). Rezistence zprostředkovaná efluxem k fluorochinolonům u grampozitivních bakterií a mykobakterií.
,
-9.
.
Leave a Reply