Importanța pompelor de eflux în rezistența bacteriană la antibiotice

Pompele de eflux sunt proteine de transport implicate în extruzia substraturilor toxice (inclusiv aproape toate clasele de antibiotice relevante din punct de vedere clinic) din interiorul celulelor în mediul extern. Aceste proteine se găsesc atât la bacteriile Gram-pozitive, cât și la cele -negative, precum și la organismele eucariote.1 Pompele pot fi specifice pentru un substrat sau pot transporta o serie de compuși diferiți din punct de vedere structural (inclusiv antibiotice din mai multe clase); astfel de pompe pot fi asociate cu rezistența multiplă la medicamente (MDR). În regnul procariot există cinci familii majore de transportatori de eflux:2 MF (facilitator major), MATE (eflux multidrog și toxic), RND (rezistență-nodulare-diviziune), SMR (rezistență multidrog mică) și ABC (casetă de legare a ATP). Toate aceste sisteme utilizează forța motrice a protonilor ca sursă de energie,3 cu excepția familiei ABC, care utilizează hidroliza ATP pentru a conduce exportul de substraturi. Progresele recente în tehnologia ADN și apariția erei genomice au dus la identificarea a numeroși membri noi ai familiilor de mai sus, iar caracterul omniprezent al pompelor de eflux este remarcabil. Transportatorii care evacuează substraturi multiple, inclusiv antibiotice, nu au evoluat ca răspuns la stresul erei antibioticelor. Toate genomurile bacteriene studiate conțin mai multe pompe de eflux diferite; acest lucru indică originea lor ancestrală. S-a estimat că ∼5-10% din toate genele bacteriene sunt implicate în transport, iar o mare parte dintre acestea codifică pompe de eflux.2,4

Există o anumită dezbatere cu privire la rolul fiziologic „normal” al transportatorilor de eflux, deoarece bacteriile sensibile la antibiotice, precum și cele rezistente, poartă și exprimă aceste gene. În multe cazuri, genele pompelor de eflux fac parte dintr-un operon, cu o genă regulatoare care controlează expresia. O expresie crescută este asociată cu rezistența la substraturi, de exemplu, rezistența la sărurile biliare și la unele antibiotice la Escherichia coli este mediată de supraexprimarea acrAB.5 Deși genele care codifică pompele de eflux pot fi găsite pe plasmide, transportarea genelor pompei de eflux pe cromozom conferă bacteriei un mecanism intrinsec care permite supraviețuirea într-un mediu ostil (de exemplu, prezența antibioticelor), astfel încât bacteriile mutante care supraexprimă genele pompei de eflux pot fi selectate fără achiziționarea de material genetic nou. Este probabil ca aceste pompe să fi apărut pentru ca substanțele nocive să poată fi transportate în afara bacteriei, permițând astfel supraviețuirea. Într-adevăr, în prezent se acceptă pe scară largă faptul că „rezistența intrinsecă” a bacteriilor Gram-negative la anumite antibiotice în raport cu bacteriile Gram-pozitive este rezultatul activității sistemelor de eflux.6 Sistemele de eflux care contribuie la rezistența la antibiotice au fost descrise la o serie de bacterii importante din punct de vedere clinic, inclusiv Campylobacter jejuni (CmeABC7,8), E. coli (AcrAB-TolC, AcrEF-TolC, EmrB, EmrD9), Pseudomonas aeruginosa (MexAB-OprM, MexCD-OprJ, MexEF-OprN și MexXY-OprM9), Streptococcus pneumoniae (PmrA10), Salmonella typhimurium (AcrB11) și Staphylococcus aureus (NorA12). Toate aceste sisteme fac eflux de fluorochinolone, iar pompele RND (CmeB, AcrB și pompele Mex) exportă, de asemenea, mai multe antibiotice.

Supraexprimarea pompelor de eflux poate rezulta din mutații în cadrul genelor represoare locale13-15 sau poate rezulta din activarea unui regulon reglementat de un regulator transcripțional global, cum ar fi MarA sau SoxS de la E. coli.16,17 Gama largă de substraturi a sistemelor de eflux este un motiv de îngrijorare, deoarece adesea supraexprimarea unei pompe va duce la rezistența la antibiotice din mai multe clase, precum și la unii coloranți, detergenți și dezinfectanți (inclusiv la unele biocide utilizate în mod obișnuit). Rezistența încrucișată este, de asemenea, o problemă; expunerea la orice agent care aparține profilului de substrat al unei pompe ar favoriza supraexprimarea acelei pompe și, prin urmare, rezistența încrucișată la toate celelalte substraturi ale pompei. Acestea pot include antibiotice relevante din punct de vedere clinic. Un exemplu în acest sens este prezentat din nou în cazul sistemului MexAB din P. aeruginosa; mutanții care supraproduc MexAB sunt mai puțin susceptibili, dacă nu chiar complet rezistenți la o serie de antibiotice (fluorochinolone, β-lactame, cloramfenicol și trimetoprim), dar și la triclosan, un biocid de uz casnic utilizat în mod obișnuit.18 Posibila utilizare abuzivă a biocidelor și posibila selectare a bacteriilor rezistente încrucișate la antibiotice a fost recent dezbătută în această revistă și în alte părți.19-22 Supraexprimarea unei pompe de eflux de rezistență multidroguri nu conferă, de multe ori, de una singură, o rezistență de nivel înalt, semnificativă din punct de vedere clinic, la antibiotice. Cu toate acestea, astfel de bacterii sunt mai bine echipate pentru a supraviețui presiunii antibiotice și pentru a dezvolta alte mutații în genele care codifică situsurile țintă ale antibioticelor.23 S-a demonstrat că tulpinile de E. coli rezistente la fluorochinolone sunt selectate de 1 000 de ori mai ușor din mar mutanți decât bacteriile de tip sălbatic24 , iar E. coli foarte rezistente la fluorochinolone conțin mutații în genele care codifică enzimele topoizomerazei țintă și prezintă o acumulare redusă și un eflux crescut (reglaj negativ al porinei și supraexprimarea pompei de eflux).14,15 Au fost observate, de asemenea, creșteri adiționale ale CMI ale antibioticelor după supraexprimarea concomitentă a mai multor pompe din clase diferite, ceea ce a dus, de asemenea, la E. coli foarte rezistent.25

S-a demonstrat că expresia sistemelor Mex de la P. aeruginosa și a sistemului de eflux acrAB de la E. coli este mai mare atunci când bacteriile sunt stresate, de exemplu, creșterea într-un mediu sărac în nutrienți, creșterea până la faza staționară sau șoc osmotic; aceste condiții neospitaliere pot fi relevante pentru situația din cadrul unei infecții.26,27 Supraexprimarea nereglementată a pompelor de eflux este potențial dezavantajoasă pentru bacterie, deoarece nu numai că vor fi exportate substraturi toxice, ci și nutrienți și intermediari metabolici pot fi pierduți. Lucrările cu P. aeruginosa au sugerat că mutanții care supraexprimă pompele Mex sunt mai puțin capabili să reziste la stresul de mediu și sunt mai puțin virulenți decât omologii lor de tip sălbatic28 . Cu toate acestea, mutanții și izolatele clinice care supraexprimă pompele de eflux sunt stabile și sunt izolate în mod obișnuit; este posibil ca astfel de mutanți să acumuleze mutații compensatorii care să le permită să se dezvolte la fel de bine ca și bacteriile de tip sălbatic.

Recent, utilizarea inhibitorilor de pompe de eflux a fost investigată pentru a îmbunătăți și potența activitatea antibioticelor exportate. O astfel de strategie a fost utilizată pentru a dezvolta inhibitori care reduc impactul pompelor de eflux asupra activității fluorochinolonelor. Deoarece multe pompe de eflux posedă o omologie structurală semnificativă, se speră că un compus inhibitor va fi activ împotriva unei serii de pompe de la diferite specii bacteriene. Majoritatea cercetărilor s-au concentrat asupra pompelor de eflux P. aeruginosa Mex și asupra inhibitorilor acestora. Un astfel de inhibitor a redus valorile CMI ale fluorochinolonelor atât pentru tulpinile sensibile, cât și pentru cele rezistente.2 În plus, frecvența selecției tulpinilor rezistente la fluorochinolone a fost, de asemenea, mai mică în prezența inhibitorului, ceea ce sugerează că efluxul poate fi important în selecția rezistenței la fluorochinolone. Observații similare au fost făcute pentru S. pneumoniae și S. aureus.29,30 S-a descris, de asemenea, necesitatea unui sistem de eflux intact pentru a permite dezvoltarea mutațiilor topoizomerazei și, în consecință, a rezistenței la fluorochinolone la E. coli.31 Legătura dintre efluxul activ și mutațiile în genele care codifică proteinele de la locul țintă sugerează că utilizarea unor astfel de inhibitori, în asociere cu antibioticele substrat, poate fi utilă prin creșterea atât a activității, cât și a gamei de specii pentru care un medicament poate fi eficient. Proiectarea de noi medicamente și modificarea moleculelor existente ar trebui, de asemenea, să se realizeze în prezent ținând cont de pompele de eflux. Modificările structurale care reduc capacitatea unui antibiotic de a fi efluzionat fără a-i compromite activitatea pot duce la dezvoltarea unor compuși mai puternici, cu siguranță „efluxabilitatea” medicamentelor trebuie să fie acum luată în considerare, pe măsură ce agenții sunt dezvoltați în ceea ce privește eficacitatea lor generală și probabilitatea de dezvoltare a rezistenței.

În concluzie, există tot mai multe dovezi că rolul pompelor de eflux în rezistența la antibiotice la bacterii este semnificativ. Deși este posibil ca rezistența la nivel înalt să nu apară doar ca urmare a pompelor de eflux MDR, asocierea supraexpresiei acestor gene în rândul izolatelor clinice foarte rezistente nu poate fi ignorată. Rezistența intrinsecă la antibiotice a anumitor specii se poate datora, de asemenea, în mare măsură, pompelor de eflux. Selecția mutanților de eflux prin biocidele întâlnite în mediul înconjurător reprezintă o preocupare potențială; sunt necesare mai multe lucrări pentru a cuantifica riscul, dacă există, al unui astfel de proces. Creșterile sinergice ale rezistenței observate în cazul supraexprimării sistemului (sistemelor) de eflux, precum și mutațiile situsului țintă pot duce la bacterii foarte rezistente care sunt greu de tratat. Efectul pompelor de eflux trebuie luat în considerare în proiectarea viitoarelor antibiotice, iar rolul inhibitorilor trebuie evaluat pentru a maximiza eficacitatea antibioticelor actuale și viitoare.

Pentru cei interesați, există o serie de articole de sinteză excelente care se concentrează pe pompele de eflux.2,3,9,11,32,33

.