Az effluxszivattyúk jelentősége a bakteriális antibiotikum-rezisztenciában

Az effluxszivattyúk olyan transzportfehérjék, amelyek a toxikus szubsztrátok (beleértve a klinikailag releváns antibiotikumok gyakorlatilag valamennyi osztályát) sejtekből a külső környezetbe történő extrudálásában vesznek részt. Ezek a fehérjék Gram-pozitív és -negatív baktériumokban, valamint eukarióta szervezetekben egyaránt megtalálhatók.1 A szivattyúk lehetnek specifikusak egy szubsztrátra, vagy egy sor szerkezetileg különböző vegyületet szállíthatnak (beleértve több osztály antibiotikumát is); az ilyen szivattyúk összefüggésbe hozhatók a többszörös gyógyszerrezisztenciával (MDR). A prokarióta birodalomban az efflux transzportereknek öt fő családja létezik:2 MF (major facilitator), MATE (multidrug and toxic efflux), RND (resistance-nodulation-division), SMR (small multidrug resistance) és ABC (ATP binding cassette). Mindezek a rendszerek a proton-motiváló erőt használják energiaforrásként,3 kivéve az ABC-családot, amely ATP-hidrolízist használ a szubsztrátok exportjának meghajtására. A DNS-technológia közelmúltbeli fejlődése és a genomikai korszak beköszönte a fenti családok számos új tagjának azonosításához vezetett, és figyelemre méltó az effluxszivattyúk ubiquitárius jellege. A több szubsztrátot, köztük antibiotikumokat is effluxáló transzporterek nem az antibiotikum-korszak stresszhatásaira reagálva fejlődtek ki. Minden vizsgált bakteriális genom több különböző effluxszivattyút tartalmaz; ez az ősi eredetükre utal. Becslések szerint az összes bakteriális gén ∼5-10%-a részt vesz a transzportban, és ezek nagy része efflux pumpákat kódol.2,4

Az efflux transzporterek “normális” élettani szerepét illetően van némi vita, mivel antibiotikumokra érzékeny és rezisztens baktériumok egyaránt hordozzák és expresszálják ezeket a géneket. Sok esetben az effluxszivattyú gének egy operon részét képezik, amelynek kifejeződését egy szabályozó gén szabályozza. A fokozott expresszió a szubsztrátokkal szembeni rezisztenciával jár együtt, pl. az Escherichia coli-ban az epesókkal és néhány antibiotikummal szembeni rezisztencia az acrAB túlzott expressziójának köszönhető5. Bár az efflux pumpákat kódoló gének plazmidokon is megtalálhatók, az efflux pumpa génjeinek kromoszómán való hordozása olyan belső mechanizmust ad a baktériumnak, amely lehetővé teszi a túlélést ellenséges környezetben (pl. antibiotikumok jelenlétében), és így az efflux pumpa génjeit túlexprimáló mutáns baktériumok új genetikai anyag megszerzése nélkül is szelektálhatók. Valószínű, hogy ezek a pumpák azért alakultak ki, hogy a káros anyagokat ki lehessen szállítani a baktériumból, lehetővé téve a túlélést. Ma már széles körben elfogadott tény, hogy a Gram-negatív baktériumoknak a Gram-pozitív baktériumokhoz képest bizonyos antibiotikumokkal szembeni “belső rezisztenciája” az effluxrendszerek aktivitásának eredménye6 . Az antibiotikum-rezisztenciához hozzájáruló effluxrendszereket számos klinikailag fontos baktériumból írták le, többek között a Campylobacter jejuni (CmeABC7,8), az E. coli (AcrAB-TolC, AcrEF-TolC, EmrB, EmrD9), Pseudomonas aeruginosa (MexAB-OprM, MexCD-OprJ, MexEF-OprN és MexXY-OprM9), Streptococcus pneumoniae (PmrA10), Salmonella typhimurium (AcrB11) és Staphylococcus aureus (NorA12). Mindezek a rendszerek fluorokinolonokat effluxálnak, és az RND szivattyúk (CmeB, AcrB és a Mex szivattyúk) több antibiotikumot is exportálnak.

Az efflux szivattyúk túlzott expressziója származhat a helyi represszor géneken belüli mutációkból13-15 vagy egy globális transzkripciós szabályozó, például az E. coli MarA vagy SoxS által szabályozott regulon aktiválásából16,17. Az effluxrendszerek széles szubsztrátválasztéka aggodalomra ad okot, mivel egy-egy pumpa túlterjedése gyakran egynél több osztályba tartozó antibiotikumokkal, valamint egyes festékekkel, mosó- és fertőtlenítőszerekkel (beleértve néhány általánosan használt biocidot is) szembeni rezisztenciát eredményez. A keresztrezisztencia szintén problémát jelent; bármely, a pumpa szubsztrátprofiljába tartozó szerrel szembeni expozíció elősegíti az adott pumpa túlterjedését és az ebből következő keresztrezisztenciát a pumpa összes többi szubsztrátjával szemben. Ezek közé tartozhatnak a klinikailag releváns antibiotikumok. Erre példa a P. aeruginosa mexAB rendszere; a MexAB-ot túltermelő mutánsok kevésbé érzékenyek, ha nem is teljesen rezisztensek egy sor antibiotikummal szemben (fluorokinolonok, β-laktámok, klóramfenikol és trimetoprim), de a triklozánnal, egy gyakran használt háztartási biociddel szemben is18. A biocidekkel való esetleges visszaélés és az antibiotikumokkal szemben keresztrezisztens baktériumok lehetséges szelekciója nemrégiben vita tárgyát képezte ebben a folyóiratban és máshol is.19-22 A multidrog-rezisztens effluxpumpa túlzott kifejeződése önmagában gyakran nem eredményez magas szintű, klinikailag jelentős antibiotikum-rezisztenciát. Az ilyen baktériumok azonban jobban képesek túlélni az antibiotikum-nyomást, és további mutációkat fejlesztenek ki az antibiotikumok célpontjait kódoló génekben23. Kimutatták, hogy az E. coli fluorokinolon-rezisztens törzsei 1000-szer könnyebben szelektálódnak a mar mutánsokból, mint a vad típusú baktériumok,24 és a magas fluorokinolon-rezisztenciájú E. coli mutációkat tartalmaz a célzott topoizomeráz enzimeket kódoló génekben, és csökkentett akkumulációval és fokozott effluxszal rendelkezik (porin lefelé szabályozása és effluxpumpa túlterjedése).14,15 Az antibiotikumok MIC-értékeinek additív növekedését is megfigyelték több különböző osztályba tartozó pumpa egyidejű túlterjedése után, ami szintén erősen rezisztens E. coli-t eredményezett.25

Kimutatták, hogy a P. aeruginosa Mex rendszereinek és az E. coli acrAB efflux rendszerének expressziója akkor a legnagyobb, amikor a baktériumokat stressz éri, pl. tápanyagszegény közegben történő növekedés, stacionárius fázisba történő növekedés vagy ozmotikus sokk; ezek az inhospitatív körülmények relevánsak lehetnek a fertőzésen belüli helyzetre.26,27,27 Az effluxszivattyúk szabályozatlan túlterjedése potenciálisan hátrányos a baktérium számára, mivel nemcsak a toxikus szubsztrátok kerülnek exportálásra, hanem tápanyagok és metabolikus intermedierek is elveszhetnek. A P. aeruginosa-val végzett munkák azt mutatták, hogy a Mex pumpákat túlexprimáló mutánsok kevésbé képesek ellenállni a környezeti stressznek, és kevésbé virulensek, mint vad típusú társaik.28 Ennek eredményeképpen a pumpák expresszióját szigorúan szabályozzák. Az efflux pumpákat túlexprimáló mutánsok és klinikai izolátumok azonban stabilak és gyakran izolálhatók; lehetséges, hogy az ilyen mutánsok kompenzációs mutációkat halmoznak fel, amelyek lehetővé teszik számukra, hogy ugyanolyan jól növekedjenek, mint a vad típusú baktériumok.

A közelmúltban vizsgálták az efflux pumpa gátlók alkalmazását az exportált antibiotikumok aktivitásának javítása és erősítése érdekében. Ilyen stratégiát alkalmaztak olyan inhibitorok kifejlesztésére, amelyek csökkentik az effluxpumpa hatását a fluorokinolonok aktivitására. Mivel számos effluxszivattyú jelentős szerkezeti homológiával rendelkezik, remélhető, hogy egy inhibitor vegyület különböző baktériumfajok szivattyúi ellen is aktív lesz. A legtöbb kutatás a P. aeruginosa Mex effluxszivattyúkra és ezek gátlóira összpontosított. Az egyik ilyen gátló csökkentette a fluorokinolonok MIC-értékeit mind az érzékeny, mind a rezisztens törzsek esetében.2 Emellett a fluorokinolon-rezisztens törzsek szelekciójának gyakorisága is alacsonyabb volt a gátló jelenlétében, ami arra utal, hogy az efflux fontos szerepet játszhat a fluorokinolon-rezisztencia szelekciójában. Hasonló megfigyeléseket tettek a S. pneumoniae és a S. aureus esetében is.29,30 Azt is leírták, hogy az E. coli-ban a topoizomeráz mutációk és az ebből következő fluorokinolon-rezisztencia kialakulásához intakt efflux rendszerre van szükség.31 Az aktív efflux és a célpontfehérjéket kódoló gének mutációi közötti kapcsolat arra utal, hogy az ilyen inhibitorok alkalmazása a szubsztrát antibiotikumokkal együtt hasznos lehet, mivel növeli mind az aktivitást, mind azon fajok körét, amelyekre a gyógyszer hatásos lehet. Az új gyógyszerek tervezésénél és a meglévő molekulák módosításánál most már az effluxszivattyúkat is szem előtt kell tartani. Azok a szerkezeti módosítások, amelyek csökkentik az antibiotikum effluxálási képességét anélkül, hogy veszélyeztetnék az antibiotikum aktivitását, erősebb vegyületek kifejlesztéséhez vezethetnek, minden bizonnyal a gyógyszerek “effluxálhatóságát” most már figyelembe kell venni, mivel a hatóanyagokat az általános hatékonyságuk és a rezisztencia kialakulásának valószínűsége szempontjából fejlesztik ki.

Összefoglalva, egyre több bizonyíték van arra, hogy az effluxpumpa szerepe jelentős a baktériumok antibiotikum-rezisztenciájában. Bár a magas szintű rezisztencia nem feltétlenül csak az MDR effluxpumpák eredményeként alakul ki, nem lehet figyelmen kívül hagyni az e gének túlzott expressziójának összefüggését a magas rezisztenciájú klinikai izolátumok között. Bizonyos fajok eredendő antibiotikum-rezisztenciája is nagyrészt az effluxszivattyúknak köszönhető. Az effluxmutánsok szelekciója a környezetben előforduló biocidek által potenciális aggodalomra ad okot; további munkára van szükség ahhoz, hogy számszerűsíteni lehessen az ilyen folyamatból eredő kockázatot, ha van ilyen. Az effluxrendszer(ek) túlzott kifejeződésével és a célterület mutációival megfigyelhető szinergikus rezisztencia-növekedés nagyon rezisztens baktériumokhoz vezethet, amelyek nehezen kezelhetők. Az effluxszivattyúk hatását figyelembe kell venni a jövőbeli antibiotikumok tervezésénél, és értékelni kell a gátlók szerepét a jelenlegi és jövőbeli antibiotikumok hatékonyságának maximalizálása érdekében.

Az érdeklődők számára számos kiváló áttekintő cikk található, amelyek az effluxszivattyúkkal foglalkoznak.2,3,9,11,32,33