Effluksipumppujen merkitys bakteerien antibioottiresistenssissä

Effluksipumput ovat kuljetusproteiineja, jotka osallistuvat myrkyllisten substraattien (mukaan lukien käytännöllisesti katsoen kaikki kliinisesti merkittävien antibioottien luokat) ekstrusoitumiseen solujen sisältä ulkoiseen ympäristöön. Näitä proteiineja esiintyy sekä grampositiivisissa että -negatiivisissa bakteereissa sekä eukaryoottisissa organismeissa.1 Pumput voivat olla spesifisiä yhdelle substraatille tai ne voivat kuljettaa useita rakenteellisesti erilaisia yhdisteitä (mukaan lukien useiden luokkien antibiootteja); tällaiset pumput voivat olla yhteydessä moninkertaiseen lääkeresistenssiin (MDR). Prokaryoottisessa valtakunnassa on viisi suurta effluksikuljettajaperhettä:2 MF (major facilitator), MATE (multidrug and toxic efflux), RND (resistance-nodulation-division), SMR (small multidrug resistance) ja ABC (ATP binding cassette). Kaikki nämä järjestelmät käyttävät protonien liikkeellepanevaa voimaa energialähteenä3 , lukuun ottamatta ABC-perhettä, joka käyttää ATP:n hydrolyysiä ohjaamaan substraattien vientiä. Viimeaikaiset edistysaskeleet DNA-teknologiassa ja genomisen aikakauden alku ovat johtaneet lukuisten uusien jäsenten tunnistamiseen edellä mainituista perheistä, ja effluksipumppujen ubiikki luonne on huomattava. Kuljettajat, jotka poistavat useita substraatteja, myös antibiootteja, eivät ole kehittyneet vastauksena antibioottiajan stressiin. Kaikissa tutkituissa bakteerien genomeissa on useita erilaisia effluksipumppuja, mikä viittaa niiden esi-isien alkuperään. On arvioitu, että ∼5-10 % kaikista bakteerien geeneistä osallistuu kuljetukseen, ja suuri osa näistä geeneistä koodaa efflux-pumppuja.2,4

Efflux-transporttereiden ”normaalista” fysiologisesta roolista käydään jonkin verran keskustelua, sillä sekä antibiooteille alttiit että resistentit bakteerit kantavat ja ilmentävät näitä geenejä. Monissa tapauksissa effluksipumpun geenit ovat osa operonia, jonka ilmentymistä säätelygeeni kontrolloi. Lisääntynyt ekspressio liittyy resistenssiin substraatteja kohtaan, esimerkiksi Escherichia coli -bakteerin resistenssi sappisuoloille ja joillekin antibiooteille johtuu acrAB:n yli-ekspressiosta5 . Vaikka effluksipumppuja koodaavia geenejä löytyy plasmideista, effluksipumppugeenien kuljettaminen kromosomissa antaa bakteerille luontaisen mekanismin, joka mahdollistaa selviytymisen vihamielisessä ympäristössä (esim. antibioottien läsnäollessa), joten effluksipumppugeenejä yliekspressoivia mutanttisia bakteereja voidaan valikoida ilman uuden geneettisen materiaalin hankintaa. On todennäköistä, että nämä pumput syntyivät, jotta haitalliset aineet voitaisiin kuljettaa pois bakteerista, mikä mahdollistaisi selviytymisen. Nykyään onkin laajalti hyväksytty, että gramnegatiivisten bakteerien ”luontainen resistenssi” tietyille antibiooteille suhteessa grampositiivisiin bakteereihin johtuu efflux-järjestelmien toiminnasta6 . Antibioottiresistenssiä edistäviä effluksijärjestelmiä on kuvattu useista kliinisesti tärkeistä bakteereista, kuten Campylobacter jejuni (CmeABC7,8), E. coli (AcrAB-TolC, AcrEF-TolC, EmrB, EmrD9), Pseudomonas aeruginosa (MexAB-OprM, MexCD-OprJ, MexEF-OprN ja MexXY-OprM9), Streptococcus pneumoniae (PmrA10), Salmonella typhimurium (AcrB11) ja Staphylococcus aureus (NorA12). Kaikki nämä järjestelmät effluxoivat fluorokinoloneja, ja RND-pumput (CmeB, AcrB ja Mex-pumput) vievät myös useita antibiootteja.

Efflux-pumppujen yliekspressio voi johtua mutaatioista paikallisissa repressorigeeneissä13-15, tai se voi olla seurausta globaalin transkriptionaalisen regulaattorin, kuten E. colin MarA:n tai SoxS:n kaltaisen globaalin transkriptionaalisen regulaattorin säätelemän regulaattorin aktivaatiosta.16,17 Efflux-järjestelmien laaja substraattivalikoima on huolestuttava, sillä usein pumpun yliekspressio johtaa resistenssiin useamman kuin yhden luokan antibiooteille sekä joillekin väriaineille, pesuaineille ja desinfiointiaineille (mukaan lukien jotkin yleisesti käytetyt biosidit). Ristiresistenssi on myös ongelma; altistuminen jollekin pumpun substraattiprofiiliin kuuluvalle aineelle edistäisi kyseisen pumpun yliekspressiota ja sen seurauksena ristiresistenssiä kaikille muille pumpun substraateille. Näihin voivat kuulua kliinisesti merkitykselliset antibiootit. Esimerkkinä tästä on jälleen P. aeruginosan mexAB-järjestelmä; MexAB:tä ylituottavat mutantit ovat vähemmän herkkiä tai jopa täysin resistenttejä useille antibiooteille (fluorokinolonit, β-laktaamit, kloramfenikoli ja trimetopriimi), mutta myös kotitalouksissa yleisesti käytetylle biosidille, triklosaanille18 . Tässä lehdessä ja muualla on hiljattain keskusteltu biosidien mahdollisesta väärinkäytöstä ja antibiooteille ristiresistenttien bakteerien mahdollisesta valikoitumisesta.19-22 Moniresistentin effluksipumpun yliekspressio ei useinkaan yksinään aiheuta korkeatasoista, kliinisesti merkittävää resistenssiä antibiooteille. Tällaiset bakteerit ovat kuitenkin paremmin varustautuneita selviytymään antibioottipaineesta ja kehittämään lisämutaatioita antibioottien kohdepaikkoja koodaavissa geeneissä.23 . On osoitettu, että fluorokinoloniresistentit E. coli -kannat valikoituvat 1000-kertaisesti helpommin mar-mutanteista kuin villityyppiset bakteerit24 , ja erittäin fluorokinoloniresistentit E. coli -kannat sisältävät mutaatioita kohdemaan topoisomeraasientsyymejä koodaavissa geeneissä, ja niillä on heikentynyt akkumulaatio ja lisääntynyt effluksi (poriinien alaspäin suuntautuva regulaatio ja effluksipumpun yli-ilmentyminen).14,15 Antibioottien MIC-arvojen additiivista nousua on havaittu myös useamman kuin yhden eri luokkiin kuuluvan pumpun samanaikaisen yli-ilmentymisen jälkeen, mikä on myös johtanut erittäin resistenttien E. coli -bakteerien syntyyn25 .

On osoitettu, että P. aeruginosa -bakteerin Mex-järjestelmien ja E. coli -bakteerin acrAB-emislux-järjestelmän ilmentyminen on suurinta, kun bakteerit ovat stressaantuneita, esimerkiksi kun ne kasvavat ravinneköyhässä väliaineessa, kun ne kasvavat stationaariseen faasiin tai kun ne ovat osmoottisessa shokissa; näillä epäsuotuisilla olosuhteilla voi olla merkitystä infektiotilanteessa.26,27,27 Effluksipumppujen sääntelemätön yli-ilmentyminen voi olla haitaksi bakteerille, sillä sen lisäksi, että myrkyllisiä substraatteja viedään ulos, myös ravinteita ja aineenvaihdunnan välituotteita voi hävitä. P. aeruginosa -bakteerilla tehdyt työt ovat osoittaneet, että Mex-pumppuja yli-ilmentävät mutantit kestävät huonommin ympäristöstressiä ja ovat vähemmän virulentteja kuin villityyppiset vastineensa.28 Tämän vuoksi pumppujen ilmentymistä kontrolloidaan tiukasti. Mutantit ja kliiniset isolaatit, jotka yli-ilmentävät effluksipumppuja, ovat kuitenkin stabiileja ja niitä eristetään yleisesti; saattaa olla, että tällaiset mutantit kerryttävät kompensoivia mutaatioita, joiden ansiosta ne kasvavat yhtä hyvin kuin villityyppiset bakteerit.

Hiljattain on tutkittu effluksipumpun inhibiittoreiden käyttöä vietyjen antibioottien aktiivisuuden tehostamiseksi ja voimistamiseksi. Tällaisella strategialla on kehitetty inhibiittoreita, jotka vähentävät effluksipumppujen vaikutusta fluorokinolonien aktiivisuuteen. Koska monilla effluksipumpuilla on huomattavaa rakenteellista homologiaa, toivotaan, että yksi inhibiittoriyhdiste vaikuttaisi useisiin eri bakteerilajeista peräisin oleviin pumppuihin. Suurin osa tutkimuksesta on keskittynyt P. aeruginosa Mex -efluksipumppuihin ja niiden estäjiin. Eräs tällainen inhibiittori alensi fluorokinolonien MIC-arvoja sekä herkkien että resistenttien kantojen osalta.2 Lisäksi fluorokinoloniresistenttien kantojen valikoitumistiheys oli alhaisempi inhibiittorin läsnä ollessa, mikä viittaa siihen, että efflux-pumpulla voi olla merkitystä fluorokinoloniresistenssin valinnassa. Samanlaisia havaintoja on tehty S. pneumoniae- ja S. aureus -bakteereista.29,30 Myös E. coli -bakteerin topoisomeraasimutaatioiden ja siitä johtuvan fluorokinoloniresistenssin kehittymisen edellytyksenä on kuvattu olevan ehjä efflux-järjestelmä.31 Aktiivisen effluxin ja kohdeproteiineja koodaavien geenien mutaatioiden välinen yhteys viittaa siihen, että tällaisten inhibiittoreiden käyttö yhdessä substraattiantibioottien kanssa voi olla hyödyllistä, koska se voi kasvattaa lääkkeen vaikuttavuutta ja lisätä sen vaikutusvalikoimaa. Uusien lääkkeiden suunnittelussa ja olemassa olevien molekyylien muuntamisessa olisi nyt otettava huomioon myös effluksipumput. Rakennemuutokset, jotka vähentävät antibiootin effluksoitumiskykyä vaarantamatta sen aktiivisuutta, voivat johtaa tehokkaampien yhdisteiden kehittämiseen, ja lääkkeiden ”effluksoituvuus” on nyt varmasti otettava huomioon, kun aineita kehitetään niiden yleisen tehon ja resistenssin kehittymisen todennäköisyyden kannalta.

Yhteenvetona voidaan todeta, että on olemassa yhä enemmän todisteita siitä, että effluksipumpuilla on merkittävä rooli antibioottiresistenssissä bakteereissa. Vaikka korkean tason resistenssi ei välttämättä johdu pelkästään MDR-emisluksuspumpuista, ei voida jättää huomiotta näiden geenien yli-ilmentymisen yhteyttä erittäin resistenttien kliinisten isolaattien keskuudessa. Tiettyjen lajien luontainen antibioottiresistenssi voi myös suurelta osin johtua effluksipumpuista. Ympäristössä esiintyvien biosidien aiheuttama effluksimutaatioiden valikoituminen on mahdollinen huolenaihe; tarvitaan lisätyötä, jotta voidaan määrittää tällaisesta prosessista mahdollisesti aiheutuva riski. Resistenssin synerginen lisääntyminen efflux-järjestelmän (efflux-järjestelmien) liiallisen ilmentymisen ja kohdekohtaisten mutaatioiden myötä voi johtaa erittäin resistentteihin bakteereihin, joita on vaikea hoitaa. Effluksipumppujen vaikutus on otettava huomioon tulevien antibioottien suunnittelussa ja inhibiittoreiden merkitys on arvioitava, jotta nykyisten ja tulevien antibioottien teho voidaan maksimoida.

Kiinnostuneille on olemassa useita erinomaisia katsausartikkeleita, joissa keskitytään effluksipumppuihin.2,3,9,11,32,33