Het belang van efflux pompen bij bacteriële antibioticaresistentie
Efflux pompen zijn transporteiwitten die betrokken zijn bij de extrusie van toxische substraten (waaronder vrijwel alle klassen van klinisch relevante antibiotica) vanuit de cellen naar het externe milieu. Deze eiwitten worden aangetroffen in zowel Gram-positieve als -negatieve bacteriën, alsook in eukaryote organismen.1 Pompen kunnen specifiek zijn voor één substraat of kunnen een reeks structureel ongelijksoortige verbindingen transporteren (waaronder antibiotica van meerdere klassen); dergelijke pompen kunnen in verband worden gebracht met meervoudige geneesmiddelenresistentie (MDR). In het prokaryotisch rijk zijn er vijf grote families van efflux-transporter:2 MF (major facilitator), MATE (multidrug and toxic efflux), RND (resistance-nodulation-division), SMR (small multidrug resistance) en ABC (ATP binding cassette). Al deze systemen maken gebruik van de proton-motorkracht als energiebron,3 met uitzondering van de ABC-familie, die gebruik maakt van ATP-hydrolyse om de export van substraten aan te sturen. Recente vorderingen in de DNA technologie en de komst van het genomische tijdperk hebben geleid tot de identificatie van talrijke nieuwe leden van de bovengenoemde families, en het alomtegenwoordige karakter van efflux pompen is opmerkelijk. Transporters die meerdere substraten, waaronder antibiotica, uitscheiden, zijn niet geëvolueerd in antwoord op de stress van het antibioticatijdperk. Alle bestudeerde genomen van bacteriën bevatten verschillende efflux pompen; dit wijst op hun voorouderlijke oorsprong. Naar schatting ∼5-10% van alle bacteriële genen is betrokken bij transport en een groot deel daarvan codeert voor efflux-pompen.2,4
Er is enige discussie over de “normale” fysiologische rol van efflux-transporters, aangezien zowel antibiotica-gevoelige als resistente bacteriën deze genen dragen en tot expressie brengen. In veel gevallen maken efflux-pompgenen deel uit van een operon, waarbij een regulerend gen de expressie controleert. Een verhoogde expressie gaat gepaard met resistentie tegen de substraten; zo wordt resistentie tegen galzouten en sommige antibiotica in Escherichia coli gemedieerd door over-expressie van acrAB.5 Hoewel genen die coderen voor efflux-pompen op plasmiden kunnen worden aangetroffen, geeft de aanwezigheid van efflux-pompgenen op het chromosoom de bacterie een intrinsiek mechanisme dat overleving in een vijandig milieu (b.v. de aanwezigheid van antibiotica) mogelijk maakt, zodat gemuteerde bacteriën die efflux-pompgenen tot overexpressie brengen, kunnen worden geselecteerd zonder de verwerving van nieuw genetisch materiaal. Het is waarschijnlijk dat deze pompen zijn ontstaan om schadelijke stoffen uit de bacterie te kunnen transporteren, zodat deze kan overleven. Thans wordt algemeen aangenomen dat de “intrinsieke resistentie” van Gram-negatieve bacteriën tegen bepaalde antibiotica ten opzichte van Gram-positieve bacteriën een gevolg is van de activiteit van efflux-systemen.6 Efflux-systemen die bijdragen tot antibioticaresistentie zijn beschreven bij een aantal klinisch belangrijke bacteriën, waaronder Campylobacter jejuni (CmeABC7,8), E. coli (AcrAB-TolC, AcrEF-TolC, EmrB, EmrD9), Pseudomonas aeruginosa (MexAB-OprM, MexCD-OprJ, MexEF-OprN en MexXY-OprM9), Streptococcus pneumoniae (PmrA10), Salmonella typhimurium (AcrB11) en Staphylococcus aureus (NorA12). Al deze systemen effluxen fluoroquinolonen en de RND pompen (CmeB, AcrB en de Mex pompen) exporteren ook meerdere antibiotica.
Overexpressie van efflux pompen kan het gevolg zijn van mutaties binnen lokale repressorgenen13-15 of kan het gevolg zijn van activering van een regulon dat gereguleerd wordt door een globale transcriptionele regulator zoals MarA of SoxS van E. coli.16,17 Het brede substraatbereik van efflux-systemen is een punt van zorg, aangezien overexpressie van een pomp vaak zal resulteren in resistentie tegen antibiotica van meer dan één klasse, alsook tegen sommige kleurstoffen, detergenten en ontsmettingsmiddelen (waaronder sommige algemeen gebruikte biociden). Kruisresistentie is ook een probleem; blootstelling aan één middel dat tot het substraatprofiel van een pomp behoort, zou overexpressie van die pomp en bijgevolg kruisresistentie tegen alle andere substraten van de pomp in de hand werken. Hiertoe kunnen klinisch relevante antibiotica behoren. Een voorbeeld hiervan is het mexAB-systeem van P. aeruginosa; mutanten die MexAB overproduceren zijn minder gevoelig, zo niet volledig resistent tegen een reeks antibiotica (fluorochinolonen, β-lactamines, chlooramfenicol en trimethoprim), maar ook tegen triclosan, een veelgebruikt biocide voor huishoudelijk gebruik.18 Het mogelijke misbruik van biociden en de mogelijke selectie van bacteriën die kruisresistent zijn tegen antibiotica is onlangs in dit tijdschrift en elders besproken.19-22 Overexpressie van een meervoudig resistente effluxpomp alleen leidt vaak niet tot een klinisch significante resistentie op hoog niveau tegen antibiotica. Dergelijke bacteriën zijn echter beter toegerust om de antibioticadruk te overleven en verdere mutaties te ontwikkelen in genen die coderen voor de doelgebieden van antibiotica.23 Aangetoond is dat fluoroquinolon-resistente stammen van E. coli 1000-voudiger uit mar mutanten worden geselecteerd dan wild-type bacteriën,24 en dat zeer fluoroquinolon-resistente E. coli mutaties bevatten in genen die coderen voor de doel-topoisomerase-enzymen en een verminderde accumulatie en verhoogde efflux hebben (porine-down-regulatie en efflux-pomp-over-expressie).14,15 Additieve verhogingen van de MIC’s van antibiotica zijn ook waargenomen na gelijktijdige overexpressie van meer dan één pomp van verschillende klassen, wat ook resulteert in zeer resistente E. coli.25
Aangetoond is dat expressie van de Mex systemen van P. aeruginosa en het acrAB efflux systeem van E. coli het grootst is wanneer de bacteriën gestrest zijn, b.v. groei in een nutriënten arm medium, groei tot stationaire fase of osmotische shock; deze onherbergzame omstandigheden kunnen relevant zijn voor de situatie binnen een infectie.26,27 Ongereguleerde overexpressie van effluxpompen is potentieel nadelig voor de bacterie, omdat niet alleen toxische substraten worden geëxporteerd, maar ook nutriënten en metabole tussenproducten verloren kunnen gaan. Uit onderzoek met P. aeruginosa is gebleken dat mutanten met een overexpressie van Mex-pompen minder goed bestand zijn tegen omgevingsstress en minder virulent zijn dan hun wild-type tegenhangers.28 Bijgevolg wordt de expressie van pompen streng gecontroleerd. Mutanten en klinische isolaten die efflux pompen overexpresseren zijn echter stabiel en worden vaak geïsoleerd; het is mogelijk dat dergelijke mutanten compenserende mutaties accumuleren waardoor zij even goed groeien als wild-type bacteriën.
Recent is het gebruik van efflux pomp remmers onderzocht om de activiteit van geëxporteerde antibiotica te verbeteren en te potentiëren. Een dergelijke strategie is gebruikt om remmers te ontwikkelen die de invloed van efflux pompen op fluoroquinolone activiteit verminderen. Aangezien veel effluxpompen een aanzienlijke structurele homologie bezitten, wordt gehoopt dat één remmer werkzaam zal zijn tegen een reeks pompen van verschillende bacteriesoorten. Het meeste onderzoek is gericht op P. aeruginosa Mex efflux pompen en remmers hiervan. Eén zo’n remmer verlaagde de MIC-waarden van fluoroquinolonen voor zowel gevoelige als resistente stammen.2 Bovendien was de selectiefrequentie van fluoroquinolon-resistente stammen ook lager in aanwezigheid van de remmer, wat suggereert dat efflux belangrijk kan zijn bij de selectie van fluoroquinolon-resistentie. Vergelijkbare waarnemingen zijn gedaan voor S. pneumoniae en S. aureus.29,30 Ook is beschreven dat een intact effluxsysteem vereist is om de ontwikkeling van topoisomerasemutaties en de daaruit voortvloeiende fluorochinolonresistentie in E. coli mogelijk te maken.31 Het verband tussen actieve efflux en mutaties in genen die coderen voor de doelwitproteïnen suggereert dat het gebruik van dergelijke remmers, in combinatie met substraatantibiotica, nuttig kan zijn door zowel de activiteit als het bereik van de soorten waarvoor een geneesmiddel effectief kan zijn, te vergroten. Bij het ontwerpen van nieuwe geneesmiddelen en het modificeren van bestaande moleculen moet nu ook rekening worden gehouden met effluxpompen. Structurele wijzigingen die het vermogen van een antibioticum om te worden uitgescheiden verminderen zonder de activiteit ervan aan te tasten, kunnen leiden tot de ontwikkeling van krachtiger verbindingen; de “uitscheidbaarheid” van geneesmiddelen moet nu zeker in aanmerking worden genomen, wanneer middelen worden ontwikkeld met het oog op hun algemene werkzaamheid en de waarschijnlijkheid van de ontwikkeling van resistentie.
Concluderend kan worden gesteld dat er steeds meer bewijs is dat de rol van effluxpompen bij de resistentie van bacteriën tegen antibiotica aanzienlijk is. Hoewel resistentie op hoog niveau wellicht niet alleen het gevolg is van MDR efflux pompen, kan de associatie van overexpressie van deze genen onder zeer resistente klinische isolaten niet worden genegeerd. De intrinsieke antibioticaresistentie van bepaalde soorten kan ook grotendeels te wijten zijn aan effluxpompen. Selectie van effluxmutanten door biociden die in het milieu terechtkomen, is een potentiële bron van zorg; er is meer werk nodig om het eventuele risico van een dergelijk proces te kwantificeren. Synergetische toename van resistentie door overexpressie van het effluxsysteem (of de effluxsystemen) en door doelwitmutaties kan leiden tot zeer resistente bacteriën die moeilijk te behandelen zijn. Het effect van efflux pompen moet worden overwogen in het ontwerp van toekomstige antibiotica en de rol van remmers moet worden beoordeeld om de werkzaamheid van de huidige en toekomstige antibiotica te maximaliseren.
Voor degenen die geïnteresseerd zijn, zijn er een aantal uitstekende overzichtsartikelen die zich richten op efflux pompen.2,3,9,11,32,33
Corresponderende auteur. Tel: +44-121-414-6966; Fax: +44-121-414-3599; E-mail: [email protected]
Bambeke, V. F., Balzi, E. & Tulkens, P. M. (
). Antibiotica efflux pompen.
,
-70.
Lomovskaya, O., Warren, M. S., Lee, A., Galazzo, J., Fronko, R., Lee, M. et al. (
). Identificatie en karakterisering van remmers van multidrug resistentie efflux pompen in Pseudomonas aeruginosa: nieuwe middelen voor combinatietherapie.
,
-16.
>
Paulsen, I. T., Brown, M. H. & Skurray, R. A. (
). Proton-dependent multidrug efflux systems.
,
-608.
Saier, M. H. & Paulsen, I. T. (
). Fylogenie van multidrug transporters.
,
-13.
>
Thanassi, D. G., Cheng, L. W. & Nikaido, H. (
). Actieve efflux van galzouten door Escherichia coli.
,
-8.
Li, X. Z., Livermore, D. M. & Nikaido, H. (
). Role of efflux pump(s) in intrinsic resistance of Pseudomonas aeruginosa-resistance to tetracycline, chloramphenicol, and norfloxacin.
,
-41.
Lin, J., Michel, L. O. & Zhang, Q. (
). Cme ABC functioneert als een multidrug efflux systeem in Campylobacter jejuni.
,
-31.
Pumbwe, L. & Piddock, L. J. V. (
). Identification and characterisation of CmeB, a Campylobacter jejuni multidrug efflux pump.
,
-9.
Poole, K. (
). Efflux-gemedieerde resistentie tegen fluoroquinolonen bij Gram-negatieve bacteriën.
,
-41.
>
Gill, M. J., Brenwald, N. P. & Wise, R. (
). Identification of an efflux pump gene pmrA, associated with fluoroquinolone resistance in Streptococcus pneumoniae.
,
-9.
>
Nikaido, H. (
). Preventing drug access to targets: cell surface permeability barriers and active efflux in bacteria.
,
-33.
Kaatz, G. W. & Seo, S. M. (
). Induceerbare NorA-gemedieerde multidrug resistentie in Staphylococcus aureus.
,
-5.
>
Adewoye, L., Sutherland, A., Srikumar, R. & Poole, K. (
). De MexR repressor van het mexAB-oprM multidrug efflux operon in Pseudomonas aeruginosa: karakterisering van mutaties die de activiteit in gevaar brengen.
,
-12.
Wang, H., Dzink-Fox, J. L., Chen, M. J. & Levy, S. B. (
). Genetische karakterisering van zeer fluorochinolon-resistente klinische Escherichia coli-stammen uit China: rol van acrR-mutaties.
,
-21.
Webber, M. A. & Piddock, L. J. V. (
). Absence of mutations in marRAB or soxRS in acrB-overexpressing fluoroquinolone-resistant clinical and veterinary isolates of Escherichia coli.
,
-2.
Alekshun, M. N. & Levy, S. B. (
). Regeling van chromosomaal gemedieerde meervoudige antibioticaresistentie: het mar regulon.
,
-75.
>
Pomposiello, P. J. & Demple, B. (
). Identification of SoxS-regulated genes in Salmonella enterica serovar typhimurium.
,
-9.
Chuanchuen, R., Beinlich, K., Hoang, T. T., Becher, A., Karkhoff-Schweizer, R. R. & Schweizer, H. P. (
). Kruisresistentie tussen triclosan en antibiotica in Pseudomonas aeruginosa wordt gemedieerd door multidrug efflux pompen: blootstelling van een vatbare mutantstam aan triclosan selecteert nfxB-mutanten die MexCD-OprJ overexpresseren.
,
-32.
Fraise, A. P. (
). Misbruik van biociden en antimicrobiële resistentie – een reden tot bezorgdheid?
,
-2.
Gilbert, P., McBain, A. J. & Bloomfield, S. F. (
). Biocide abuse and antimicrobial resistance: being clear about the issues.
,
-9.
Fraise, A. P. (
). Reply.
,
-40.
Levy, S. B. (
). Antibacteriële huishoudproducten: reden tot bezorgdheid.
,
-5.
>
Kern, W. V., Oethinger, M., Jellen-Ritter, A. S. & Levy, S. B. (
). Niet-doel genmutaties bij de ontwikkeling van fluoroquinolonresistentie in Escherichia coli.
,
-20.
>
Cohen, S. P., McMurry, L. M., Hooper, D. C., Wolfson, J. S. & Levy, S. B. (
). Kruisresistentie tegen fluoroquinolonen in meervoudig antibiotica-resistente (Mar) Escherichia coli geselecteerd door tetracycline of chlooramfenicol: verminderde geneesmiddelenaccumulatie geassocieerd met membraanveranderingen in aanvulling op OmpF reductie.
,
-25.
Lee, A., Mao, W., Warren, M. S., Mistry, A. S., Hoshino, K., Okumura, R. et al. (
). Interactie tussen efflux pompen kan zowel additieve als multiplicatieve effecten hebben op geneesmiddelenresistentie.
,
-50.
>
Ma, D., Alberti, M., Lynch, C., Nikaido, H. & Hearst, J. E. (
). De lokale repressor AcrR speelt een modulerende rol in de regulatie van acrAB-genen van Escherichia coli door globale stresssignalen.
,
-12.
Rand, J. D., Danby, S. G., Greenway, D. L. A. & England, R. R. (
). Verhoogde expressie van de multidrug efflux genen acrAB treedt op tijdens trage groei van Escherichia coli.
,
-5.
Sanchez, P., Ruiz-Diez, B., Campanario, E., Navas, A., Martinez, J. I. & Baquero, F. (
). Hyperexpressie van pompen in nalB en nfxB mutanten van Pseudomonas aeruginosa vermindert virulentie in het Caenorhabditis elegans nematode model. In Program and Abstracts of the Forty-first Interscience Conference on Antimicrobial Agents and Chemotherapy, Chicago, IL, USA, 2001. Abstract C1-650. American Society for Microbiology, Washington, DC, USA.
Markham, P. N. (
). Inhibition of the emergence of ciprofloxacin resistance in Streptococcus pneumoniae by the multidrug efflux inhibitor reserpine.
,
-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.
,
-8.
>
Oethinger, M., Kern, W. V., Jellen-Ritter, A. S., McMurry, L. M. & Levy, S. B. (
). Ineffectiveness of topoisomerase mutations in mediating clinically significant fluoroquinolone resistance in Escherichia coli in the absence of the AcrAB efflux pump.
,
-3.
Paulsen, I. T., Chen, J., Nelson, K. E. & Saier, M. H. (
). Comparative genomics of microbial drug efflux systems.
,
-50.
>
Poole, K. (
). Efflux-gemedieerde resistentie tegen fluorochinolonen bij Gram-positieve bacteriën en de mycobacteriën.
,
-9.
>
Leave a Reply