Die Bedeutung von Effluxpumpen bei der bakteriellen Antibiotikaresistenz

Effluxpumpen sind Transportproteine, die an der Extrusion toxischer Substrate (einschließlich praktisch aller Klassen klinisch relevanter Antibiotika) aus dem Zellinneren in die äußere Umgebung beteiligt sind. Diese Proteine kommen sowohl in Gram-positiven und -negativen Bakterien als auch in eukaryontischen Organismen vor.1 Pumpen können spezifisch für ein Substrat sein oder eine Reihe strukturell unterschiedlicher Verbindungen (einschließlich Antibiotika mehrerer Klassen) transportieren; solche Pumpen können mit multipler Arzneimittelresistenz (MDR) in Verbindung gebracht werden. Im Reich der Prokaryonten gibt es fünf große Familien von Efflux-Transportern:2 MF (major facilitator), MATE (multidrug and toxic efflux), RND (resistance-nodulation-division), SMR (small multidrug resistance) und ABC (ATP binding cassette). Alle diese Systeme nutzen die Protonenmotivkraft als Energiequelle,3 mit Ausnahme der ABC-Familie, die die ATP-Hydrolyse als Antrieb für den Export von Substraten nutzt. Jüngste Fortschritte in der DNA-Technologie und der Beginn des genomischen Zeitalters haben zur Identifizierung zahlreicher neuer Mitglieder der oben genannten Familien geführt, und die Allgegenwärtigkeit der Effluxpumpen ist bemerkenswert. Transporter, die mehrere Substrate, einschließlich Antibiotika, ausschleusen, haben sich nicht als Reaktion auf die Belastungen der Antibiotika-Ära entwickelt. Alle untersuchten bakteriellen Genome enthalten mehrere verschiedene Effluxpumpen, was auf ihre ursprüngliche Herkunft hinweist. Man schätzt, dass ∼5-10 % aller bakteriellen Gene am Transport beteiligt sind, und ein großer Teil davon kodiert für Effluxpumpen.2,4

Die „normale“ physiologische Rolle von Efflux-Transportern ist umstritten, da sowohl antibiotikaempfindliche als auch -resistente Bakterien diese Gene tragen und exprimieren. In vielen Fällen sind Efflux-Pumpengene Teil eines Operons, wobei ein regulatorisches Gen die Expression kontrolliert. Eine verstärkte Expression wird mit einer Resistenz gegen die Substrate in Verbindung gebracht, z. B. wird die Resistenz gegen Gallensalze und einige Antibiotika in Escherichia coli durch eine Überexpression von AcrAB vermittelt.5 Obwohl Gene, die für Efflux-Pumpen kodieren, auf Plasmiden zu finden sind, verleiht das Mitführen von Efflux-Pumpen-Genen auf dem Chromosom dem Bakterium einen intrinsischen Mechanismus, der das Überleben in einer feindlichen Umgebung (z. B. in Gegenwart von Antibiotika) ermöglicht, so dass mutierte Bakterien, die Efflux-Pumpen-Gene überexprimieren, ohne den Erwerb neuen genetischen Materials selektiert werden können. Es ist wahrscheinlich, dass diese Pumpen entstanden sind, um schädliche Substanzen aus dem Bakterium zu transportieren und so das Überleben zu ermöglichen. In der Tat wird heute weithin angenommen, dass die „intrinsische Resistenz“ gramnegativer Bakterien gegenüber bestimmten Antibiotika im Vergleich zu grampositiven Bakterien auf die Aktivität von Effluxsystemen zurückzuführen ist.6 Effluxsysteme, die zur Antibiotikaresistenz beitragen, wurden bei einer Reihe von klinisch wichtigen Bakterien beschrieben, darunter Campylobacter jejuni (CmeABC7,8), E. coli (AcrAB-TolC, AcrEF-TolC, EmrB, EmrD9), Pseudomonas aeruginosa (MexAB-OprM, MexCD-OprJ, MexEF-OprN und MexXY-OprM9), Streptococcus pneumoniae (PmrA10), Salmonella typhimurium (AcrB11) und Staphylococcus aureus (NorA12). Alle diese Systeme effluxieren Fluorchinolone, und die RND-Pumpen (CmeB, AcrB und die Mex-Pumpen) exportieren auch mehrere Antibiotika.

Die Überexpression von Efflux-Pumpen kann durch Mutationen in lokalen Repressor-Genen13-15 oder durch die Aktivierung eines Regulons entstehen, das von einem globalen Transkriptionsregulator wie MarA oder SoxS von E. coli reguliert wird.16,17 Das breite Substratspektrum von Efflux-Systemen ist besorgniserregend, da die Überexpression einer Pumpe häufig zu einer Resistenz gegen Antibiotika mehrerer Klassen sowie gegen einige Farbstoffe, Detergenzien und Desinfektionsmittel (einschließlich einiger häufig verwendeter Biozide) führt. Kreuzresistenz ist ebenfalls ein Problem; die Exposition gegenüber einem Wirkstoff, der zum Substratprofil einer Pumpe gehört, würde eine Überexpression dieser Pumpe und damit eine Kreuzresistenz gegenüber allen anderen Substraten der Pumpe begünstigen. Dazu können auch klinisch relevante Antibiotika gehören. Ein Beispiel hierfür ist das mexAB-System von P. aeruginosa; Mutanten, die MexAB überproduzieren, sind weniger empfindlich, wenn nicht gar resistent gegen eine Reihe von Antibiotika (Fluorchinolone, β-Lactame, Chloramphenicol und Trimethoprim), aber auch gegen Triclosan, ein häufig verwendetes Haushaltsbiozid.18 Der potenzielle Missbrauch von Bioziden und die mögliche Selektion von Bakterien, die gegen Antibiotika kreuzresistent sind, wurden kürzlich in dieser und anderen Zeitschriften diskutiert.19-22 Die Überexpression einer multiresistenten Effluxpumpe allein führt oft nicht zu einer hochgradigen, klinisch signifikanten Resistenz gegen Antibiotika. Solche Bakterien sind jedoch besser gerüstet, um den Antibiotikadruck zu überleben und weitere Mutationen in Genen zu entwickeln, die für die Angriffspunkte von Antibiotika kodieren.23 Es wurde gezeigt, dass fluorchinolonresistente E. coli-Stämme 1000-mal leichter aus Mar-Mutanten selektiert werden als Wildtyp-Bakterien,24 und hochgradig fluorchinolonresistente E. coli enthalten Mutationen in Genen, die für die Ziel-Topoisomerase-Enzyme kodieren, und weisen eine verringerte Akkumulation und einen erhöhten Efflux auf (Porin-Down-Regulation und Efflux-Pumpen-Überexpression).14,15 Additive Erhöhungen der MHKs von Antibiotika wurden auch nach gleichzeitiger Überexpression von mehr als einer Pumpe verschiedener Klassen beobachtet, was ebenfalls zu hochresistenten E. coli führte.25

Es wurde nachgewiesen, dass die Expression der Mex-Systeme von P. aeruginosa und des AcrAB-Efflux-Systems von E. coli am stärksten ist, wenn die Bakterien gestresst sind, z. B. durch Wachstum in einem nährstoffarmen Medium, Wachstum bis zur stationären Phase oder osmotischen Schock; diese unwirtlichen Bedingungen können für die Situation innerhalb einer Infektion relevant sein.26,27 Eine unkontrollierte Überexpression von Effluxpumpen ist für das Bakterium potenziell nachteilig, da nicht nur toxische Substrate exportiert werden, sondern auch Nährstoffe und Stoffwechselzwischenprodukte verloren gehen können. Arbeiten mit P. aeruginosa haben gezeigt, dass Mutanten, die Mex-Pumpen überexprimieren, Umweltstress weniger gut widerstehen können und weniger virulent sind als ihre Wildtyp-Pendants.28 Daher wird die Expression der Pumpen streng kontrolliert. Mutanten und klinische Isolate, die Efflux-Pumpen überexprimieren, sind jedoch stabil und werden häufig isoliert; möglicherweise akkumulieren solche Mutanten kompensatorische Mutationen, die es ihnen ermöglichen, genauso gut zu wachsen wie Wildtyp-Bakterien.

In jüngster Zeit wurde der Einsatz von Efflux-Pumpen-Inhibitoren untersucht, um die Aktivität exportierter Antibiotika zu verbessern und zu potenzieren. Mit einer solchen Strategie wurden Inhibitoren entwickelt, die den Einfluss von Effluxpumpen auf die Aktivität von Fluorchinolonen verringern. Da viele Efflux-Pumpen eine signifikante strukturelle Homologie aufweisen, hofft man, dass eine einzige Hemmstoffverbindung gegen eine Reihe von Pumpen aus verschiedenen Bakterienarten wirksam ist. Die meisten Forschungsarbeiten konzentrierten sich auf P. aeruginosa Mex-Effluxpumpen und deren Inhibitoren. Ein solcher Inhibitor senkte die MHK-Werte von Fluorchinolonen sowohl bei empfindlichen als auch bei resistenten Stämmen.2 Außerdem war die Häufigkeit der Selektion fluorchinolonresistenter Stämme in Gegenwart des Inhibitors geringer, was darauf hindeutet, dass Efflux bei der Selektion der Fluorchinolonresistenz eine wichtige Rolle spielen könnte. Ähnliche Beobachtungen wurden bei S. pneumoniae und S. aureus gemacht.29,30 Es wurde auch beschrieben, dass ein intaktes Efflux-System erforderlich ist, um die Entwicklung von Topoisomerase-Mutationen und die daraus resultierende Fluorchinolon-Resistenz in E. coli zu ermöglichen.31 Die Verbindung zwischen aktivem Efflux und Mutationen in Genen, die für die Zielproteine kodieren, legt nahe, dass die Verwendung solcher Inhibitoren in Verbindung mit Substrat-Antibiotika nützlich sein kann, da sie sowohl die Aktivität als auch die Bandbreite der Spezies, bei denen ein Medikament wirksam sein kann, erhöht. Bei der Entwicklung neuer Medikamente und der Modifizierung bestehender Moleküle sollten nun auch die Effluxpumpen berücksichtigt werden. Strukturelle Veränderungen, die die Fähigkeit eines Antibiotikums, effluxiert zu werden, verringern, ohne seine Aktivität zu beeinträchtigen, können zur Entwicklung wirksamerer Verbindungen führen. Sicherlich muss die „Effluxierbarkeit“ von Arzneimitteln jetzt bei der Entwicklung von Wirkstoffen im Hinblick auf ihre Gesamtwirksamkeit und die Wahrscheinlichkeit einer Resistenzentwicklung berücksichtigt werden.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass es immer mehr Belege dafür gibt, dass die Rolle der Effluxpumpen bei der Antibiotikaresistenz von Bakterien bedeutend ist. Auch wenn eine hochgradige Resistenz möglicherweise nicht allein auf MDR-Effluxpumpen zurückzuführen ist, kann die Assoziation einer Überexpression dieser Gene bei hochresistenten klinischen Isolaten nicht ignoriert werden. Die intrinsische Antibiotikaresistenz bestimmter Arten kann auch weitgehend auf Effluxpumpen zurückzuführen sein. Die Selektion von Efflux-Mutanten durch Biozide, die in der Umwelt vorkommen, ist ein potenzielles Problem; es sind weitere Arbeiten erforderlich, um das Risiko eines solchen Prozesses zu quantifizieren. Synergistische Resistenzsteigerungen, die bei der Überexpression von Efflux-Systemen und Zielstellenmutationen beobachtet werden, können zu hochresistenten Bakterien führen, die schwer zu behandeln sind. Die Wirkung von Effluxpumpen muss bei der Entwicklung zukünftiger Antibiotika berücksichtigt und die Rolle von Inhibitoren bewertet werden, um die Wirksamkeit aktueller und zukünftiger Antibiotika zu maximieren.

Für Interessierte gibt es eine Reihe ausgezeichneter Übersichtsartikel, die sich auf Effluxpumpen konzentrieren.2,3,9,11,32,33