Rezistence k antibiotikům – včera, dnes a zítra…

Rezistence bakterií k antibiotikům

Rezistence bakterií k antibiotikům může být buď primární, přirozená, nebo sekundární, získaná.

 Primární rezistence je charakteristická pro daný bakteriální druh či rod, není závislá na předchozí expozici antibiotiku a není vázána na horizontální genetický přenos. Mezi nejčastější příčiny patří nepřítomnost vazebných struktur pro dané antibiotikum, např. mykoplazmata nemají buněčnou stěnu, tudíž ani betalaktamová ani gly

kopeptidová antibiotika nelze použít, protože se nemají kde navázat a co inhibovat [11]. Příklady přirozené rezistence gramnegativních fermentujících tyčinek jsou souhrnně uvedeny v tabulce 1 [12].

Mechanismy rezistence se dají shrnout do jednotlivých skupin, přičemž rezistence vůči některé skupině antibiotik

 může být dána i více mechanismy. Mezi hlavní mechanismy rezistence patří snížený průnik antibiotika do buňky, modifikace vazebného místa, inaktivace molekuly antibiotika, změna metabolické dráhy či aktivní eflux [13] (tab. 2).

Zatímco gramnegativní bakterie dokážou využít každý z těchto mechanismů, jsou možnosti grampozitivních bakterií limitované, především proto, že nemají lipopolysacharidovou membránu a ani potřebné spektrum efluxních pump [14]. Přesto i zde existují výjimky potvrzující pravidlo a např. grampozitivní Staphylococcus aureus dokáže využít všechny zmíněné mechanismy vůči různým skupinám antibiotik (tab. 3).

Na příkladu S. aureus lze snadno demonstrovat schopnost bakterií rychle se přizpůsobit podmínkám zevního prostředí a vybudovat si různé obranné mechanismy. V roce 1942, tedy dva roky po uvedení penicilinu na trh, byl prokázán první nemocniční kmen S. aureus rezistentní k penicilinu, později byly tyto kmeny zaznamenány i v komunitě a v šedesátých letech bylo již téměř 80 % všech kmenů rezistentních k penicilinu. Proto bylo na trh uvedeno penicilináza rezistentní antibiotikum meticilin, avšak v roce 1961, dva roky po jeho uvedení, byl izolován první kmen, který vykazoval rezistenci k meticilinu v důsledku získání genu mecA, jenž modifikuje vazebné místo pro betalaktamová antibiotika. Během následujících desetiletí se po 

celém světě rozšířily různé klony tzv. nemocničních multirezistentních kmenů meticilin rezistentních S. aureus (hospital associated methicillin resistant Staphylococcus aureus, HA MRSA), které jsou rezistentní nejenk meticilinu, ale také zároveň k makrolidům, linkosamidům, gentamicinu a fluorovaným chinolonům. V roce 1993 se objevil první tzv. komunitní virulentní kmen S. aureus (community associated methicillin resistant Staphylococcus aureus, CA MRSA) charakterizovaný produkcí Pantonova‒Valentinova leukocidinu. Kmen byl izolován od domorodého pa­cien­ta v Západní Austrálii, který nikdy předtím nebyl hospitalizovaný a neměl žádné predisponující faktory rozvoje infekce MRSA [15]. Tento kmen byl rezistentní pouze k meticilinu.

Kmeny CA MRSA a HA MRSA se liší jak fenotypově, tak genotypově, na rozdíl od nemocničních izolátů jsou CA MRSA většinou dobře citlivé k non betalaktamovým antibiotikům. Klony CA MRSA se již začaly šířit po světě, jejich prevalence je naštěstí stále nízká, přesto má vzrůstající tendenci. V posledních letech však začínají CA MRSA nahrazovat HA MRSA v některých zdravotnických zařízeních ve Spojených státech amerických a na Tchaj wanu [16].

Stále se zvyšující rezistence je problémem celosvětovým, ne pouze České republiky, avšak jednotlivé země se liší jak v četnosti, tak ve spektru výskytu jednotlivých patogenů. V Evropě je dlouhodobě pozorován signifikantní vzestup rezistence u bakterií z řádu Enterobacterales (především Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae) k cefalosporinům třetí generace, nejčastěji v důsledku produkce širokospektrých betalaktamáz, dále k fluorovaným chinolonům a aminoglykosidům. V případě K. pneumoniae je patrný signifikantní nárůst výskytu tzv. multirezistentních kmenů, tj. kmenů rezistentních ke třem a více různým skupinám antibiotik, kdy např. v České republice v roce 2015 bylo 41,5 % kmenů K. pneumoniae izolovaných z hemokultur multirezistentních, na Slovensku dokonce 59,6 % [17].

V praxi to znamená, že se používají stále „silnější“ antibiotika, která byla dříve řazena mezi tzv. rezervní. Pacienti s infekcí vyvolanou rezistentní bakterií musejí být často hospitalizováni a léčeni intravenózně podávanými antibiotiky pouze proto, že perorální formy jsou již neúčinné. Lékem volby na infekce způsobené multirezistentními kmeny se tak staly karbapenemy, avšak bakterie záhy zareagovaly vyselektováním karbapenem rezistentních kmenů a tyto jsou te­ra­peu­tic­ky velmi těžko ovlivnitelné. U některých bývá zachována citlivost již pouze ke kolistinu či tigecyklinu, ale některé jsou už panrezistentní, tj. nejsou laboratorně citlivé k žádnému stávajícímu antibiotiku. Velmi vysoký podíl karbapenem rezistentních kmenů K. pneumoniae je dlouhodobě pozorován v Řecku a Itálii, kde v roce 2015 byla míra rezistence ke karbapenemům 62,7 %, resp. 35,7 % [17].

Betalaktamová antibiotika

Podíváme li se na rezistenci ze strany antibiotik, jistě jednou z nejdůležitějších a nejpoužívanějších skupin antibiotik jsou právě betalaktamová antibiotika, kam patří peniciliny, cefalosporiny a karbapenemy. Přispívají k tomu jejich relativně vysoká účinnost, výborný průnik, minimální nežádoucí účinky a v neposlední řadě nízká cena. Toto samozřejmě vede k tomu, že bakterie si záhy začaly vůči nim vytvářet rezistenci. Jsou též jedinou skupinou antibiotik, u nichž jsme schopni alespoň jeden z mechanismů rezistence částečně překonat.

Nejčastějším mechanismem rezistence bakterií k betalaktamům je produkce enzymů ‒ betalaktamáz, které dovedou tato antibiotika hydrolyzovat [18]. Po několik desetiletí se tak pátrá po molekulách schopných betalaktamázy inhibovat. V dnešní době je na trhu několik kombinací betalaktamů s tzv. inhibitory betalaktamáz a nové inhibitory jsou vyvíjeny, ale zdá se, že cesta k panbetalaktamázovému inhibitoru bude ještě dlouhá.

Rezistence k betalaktamům

Bakterie mají několik mechanismů ochrany proti betalaktamovým antibiotikům. Jak již bylo zmíněno, nejčastějším z nich je produkce betalaktamáz (viz dále). Kromě toho však mohou nastat změny v aktivním místě proteinů vázajících penicilin (penicillin binding protein, PBP), což snižuje afinitu k betalaktamovým antibiotikům a vede také k rezistenci k nim. Dalším způsobem obrany může být snížená exprese proteinů vnější membrány (outer membrane proteins, OMP). Některé z těchto proteinů (například poriny) umožňují betalaktamům přístup k vnitřní membráně a tím k PBP, které jsou cílovým místem jejich mechanismu účinku. Pokud geny pro OMP obsahují bodové mutace, výsledné proteiny mají sníženou, nebo žádnou funkci, a to vede k poklesu permeability pro betalaktamy. V neposlední řadě pak k rezistenci mohou přispívat efluxní pumpy, díky nimž jsou bakterie schopné exportovat antibiotika z buňky do okolního prostoru [19].

Betalaktamázy

Betalaktamázy jsou enzymy produkované bakteriemi, které pomocí hydrolýzy betalaktamového kruhu inaktivují antibakteriální účinky betalaktamových antibiotik, tedy penicilinů, cefalosporinů a karbapenemů. K datu 2. května 2019 bylo identifikováno více než 4 300 různých betalaktamáz [20]. Vzhledem k obrovskému počtu různých typů enzymů byla snaha zavést jejich klasifikaci. V současnosti se používají dvě: a) strukturální Amblerova klasifikace, b) funkční klasifikace dle Bushové‒Jacobyho‒Medeirose (tab. 4) [21,22].

Betalaktamázy Amblerovy třídy A jsou nejčastěji produkovány bakteriemi řádu Enterobacterales a obecně platí, že jsou in vitro inhibovatelné základními betalaktamázovými inhibitory (beta lactamase inhibitor, BLI) klavulanátem, sulbaktamem a tazobaktamem. Výjimkou jsou serinové karbapenemázy, které mají kromě hydrolytických vlastností širokospektrých betalaktamáz (extended spectrum beta lactamase, ESBL) navíc ještě schopnost hydrolyzovat karbapenemy.

Betalaktamázy Amblerovy třídy B neboli metalobetalaktamázy (MBL) charakterizuje přítomnost atomu zinku v aktivním místě. Tyto enzymy nejsou inhibovatelné běžnými BLI a stávají se tak zásadním problémem. Ve vývoji jsou kombinace betalaktamů s inhibitory betalaktamáz (beta lactam/beta lactamase inhibitor combination, BLIC), které slibují inhibici těchto enzymů.

Betalaktamázy Amblerovy třídy C jsou produkovány gramnegativními bakteriemi a jsou většinou zprostředkovány chromozomálně; tato skupina obsahuje enzymy AmpC. Jejich produkce je inducibilní, exprese genu většinou nastane až po kontaktu s některými antibiotiky či inhibitory betalaktamáz. Takové kmeny mohou při testování citlivosti k antibiotikům in vitro vykazovat citlivost k cefalosporinům. Hyperprodukce AmpC typicky vede k rezistenci k širokospektrým cefalosporinům, v kombinaci s jinými mechanismy rezistence (např. změny v porinových kanálech) dokonce k rezistenci ke karbapenemům.

Betalaktamázy Amblerovy třídy D zahrnují enzymy typu OXA, převážně ESBL a karbapenemázy. Na rozdíl od ESBL skupiny A a karbapenemáz jiných skupin produkuje enzymy třídy D primárně Pseudomonas aeruginosa a Acinetobacter baumannii [21].

Inhibitory betalaktamáz a jejich kombinace s antibiotiky

S nárůstem počtu kmenů produkujících betalaktamázy se zvyšovala potřeba látky schopné aktivitu těchto enzymů inhibovat. Kombinace inhibitorů betalaktamáz s betalaktamy jsou shrnuty v tabulce 5 [23,24].

„Klasické“ betalaktamové inhibitory betalaktamáz

První BLI – kyselina klavulanová (klavulanát) – se objevila v roce 1972 jako vedlejší produkt Streptomyces clavuligerus, následována sulbaktamem (1978) a tazobaktamem (1984). Tyto molekuly jsou betalaktamové struktury, ale jejich antibiotický efekt je téměř nulový [21]. Užitečné jsou v kombinaci s betalaktamovými antibiotiky, kdy se ireverzibilně vážou na betalaktamázy a ochraňují tak samotné antibiotikum před inaktivací. Tyto BLI inhibují převážně enzymy třídy A, mají nízký efekt na enzymy třídy C a D, a vůbec neinhibují MBL (třída B) [25]. Klavulanát je součástí nejpoužívanějšího přípravku, který spojuje betalaktam s inhibitorem betalaktamázy (amoxicilin/kyselina klavulanová). Sulbaktam má nezanedbatelný účinek proti Acinetobacter species a k dostání je v kombinaci s ampicilinem [26]. Tazobaktam má podobnou strukturu jako sulbaktam a byl původně vyvinut pro kombinaci s piperacilinem, ale ukázalo se, že výhodná je i jeho novější kombinace s ceftolozanem.

Ceftolozan/tazobaktam

Ceftolozan je v současné době nejsilnějším betalaktamovým antibiotikem s účinkem na Pseudomonas aeruginosa. Díky své aktivitě proti AmpC, poruchám porinových kanálů i efluxním pumpám účinkuje většinou i proti kmenům P. aeruginosa běžně rezistentním na antipseudomonádová antibiotika, jako jsou ceftazidim a karbapenemy [27,28]. Kombinace s tazobaktamem rozšiřuje spektrum ceftolozanu na kmeny Enterobacterales produkující ESBL. Jeho základní indikace jsou intraabdominální infekce a komplikované infekce urogenitálního traktu. Tato kombinace klasického inhibitoru s cefalosporinem 3. generace byla schválena v roce 2014 a v současné době je dostupná i na českém trhu. Přehled základního dávkování viz tabulku 6 [29].

Inhibitory betalaktamáz nové generace

Infekce, které způsobují kmeny necitlivé ke kombinacím s klasickým BLI z důvodu produkce enzymů, se v posledních dvou desetiletích stávají závažným problémem. Výzkum se tedy opět obrátil směrem k BLI, ale bylo nutné vyvinout molekuly nové, schopné překonat slabiny klasických BLI. Objevily se tak BLI nové generace, diazabicyklooktany (DABCO), které mimikují betalaktamové BLI, ale jsou strukturálně odlišné. Mohou tak uniknout běžným mechanismům rezistence účinným proti klasickým BLI. Navíc mají mnohem širší spektrum inhibičního potenciálu a vyšší vazebnou kapacitu v porovnání s klavulanátem.

Avibaktam vznikl jako první DABCO. Nejenže dokáže inhibovat většinu betalaktamáz Amblerovy třídy A, včetně karbapenemáz typu KPC (Klebsiella pneumoniae carbapenemases), ale je účinný i proti betalaktamázám třídy C a některým třídy D, včetně OXA 48 [30‒32]. Oproti klasickým BLI se avibaktam na betalaktamázu váže reverzibilně a po acetylaci enzymu je uvolněn nezměněný, což ho činí velmi stabilním vůči hydrolýze betalaktamázami [33]. Navíc se ukázalo, že stačí pouze 1‒5 molekul avibaktamu k inhibici betalaktamázy, oproti počtu více než 50 molekul u tazobaktamu či klavulanátu [32]. Na trhu je v současnosti v přípravku kombinován s ceftazidimem a ve vývoji jsou jeho kombinace s ceftarolinem a aztreonamem; spolu s aztreonamem slibuje aktivitu proti všem třídám betalaktamáz včetně MBL.

Ceftazidim/avibaktam

Ceftazidim je antibiotikum s širokým gramnegativním spekt­rem zahrnujícím Enterobacterales a P. aeruginosa. Bohužel je snadno inhibován ESBL a karbapenemázami. S přidáním avibaktamu se ceftazidimu obnoví aktivita proti multirezistentním kmenům produkujícím betalaktamázy třídy A, C a D (včetně většiny kmenů produkujících OXA 48) [34]. Tento přípravek byl schválen v roce 2014 pro tyto indikace: intraabdominální infekce, komplikované infekce urogenitálního traktu a pneumonie spojené s nemocniční péčí, včetně ventilátorové pneumonie. Navíc je ještě schválen pro infekce způsobené gramnegativními aerobními mikroorganismy u pacientů s omezenými možnostmi léčby [35]. Tento přípravek je také dostupný na českém trhu, základní dávkování viz tabulku 6.

Relebaktam je BLI skupiny DABCO ve vývoji. Strukturou je podobný avibaktamu a zkoumá se jeho synergie s imipenemem a jejich efekt proti různým ESBL i KPC.

Zidebaktam je další DABCO nacházející se ve vývoji. Má vysokou afinitu k PBP a výrazně zvyšuje efektivitu cefepimu proti serinovým betalaktamázám (ESBL, KPC) [36].

Nacubaktam je nejnovějším BLI typu DABCO a bylo zjištěno, že velmi dobře doplňuje betalaktamová antibiotika (meropenem) vzhledem ke své vysoké afinitě k PBP [37].

Při hledání vhodného inhibitoru betalaktamáz se ukázalo, že deriváty kyseliny boronové by mohly mít ideální vlastnosti. Struktura boronátů se velmi podobá intermediární formě molekuly betalaktamu, která vzniká při napadení betalaktamázou těsně před hydrolýzou (otevřením betalaktamového kruhu). Tato intermediární forma se vyskytuje při hydrolýze serinových betalaktamáz i MBL, což by potenciálně mohlo znamenat inhibici všech tříd betalaktamáz, a tedy vznik panbetalaktamázového inhibitoru.

Vaborbaktam je prvním cyklickým boronátem. Nevykazuje žádnou antibiotickou aktivitu, ale silně potencuje aktivitu meropenemu proti KPC, ESBL a AmpC [38].

Meropenem/vaborbaktam

Tato kombinace byla v roce 2018 schválena pro následující indikace: komplikované infekce urogenitálního traktu, intraabdominální infekce, pneumonie spojené s nemocniční péčí včetně ventilátorové pneumonie a infekce krevního řečiště (pokud je ve spojení s výše uvedenými infekcemi) [23]. Základní dávkování viz tabulku 6.

VNRX 5133 je novým boronátovým BLI, který slibuje aktivitu proti všem třídám betalaktamáz, včetně MBL. Testuje se v kombinaci s cefepimem [38].

Závěr

Antibiotika jsou určena k léčbě infekcí vyvolaných bakteriálními původci. V případě jiné než bakteriální etiologie antibiotika účinná nejsou a jejich podávání nevede k úzdravě pacienta, ale může ho naopak dokonce významně poškodit. Tento fakt lze snadno vysvětlit. Antibiotika si nedokážou „vybrat“ špatné bakterie, které onemocnění vyvolávají, ale působí na všechny přítomné bakteriální buňky, které jsou vůči nim vnímavé. Vzhledem k tomu, že velká část infekcí je endogenního původu, v konečném důsledku antibiotika aktivně působí i vůči bakteriím, jež jsou součástí přirozené mikrobioty našeho těla. Nejenže se antibiotický tlak spolupodílí na selekci rezistentních kmenů bakterií, ale především na ovlivnění křehkého ekosystému mikrobioty lidského těla. Následkem toho vznikají další infekční komplikace. Na druhou stranu je třeba si uvědomit, že antibiotika jsou zcela nenahraditelným přírodním dědictvím a povinností každého z nás by měla být snaha o zachování jejich účinnosti. Řešením není vývoj nových molekul s antimikrobní účinností, protože to problém pouze oddálí. Je třeba úplně změnit chápání a přístup k antibiotické léčbě.

Jestliže nedojde k zásadní změně uvažování o používání antibiotik, resp. nepřestanou se nadužívat, bude rezistence dále zcela nekontrolovaně narůstat a infekce vyvolané těmito rezistentními bakteriemi budou čím dál častěji příčinou úmrtí. Již nyní každý rok zemře jenom v Evropě 33 000 lidí na infekce vyvolané rezistentními bakteriemi, celosvětově je to kolem 700 000 úmrtí, z toho 230 000 úmrtí na tuberkulózu vyvolanou multirezistentními kmeny Mycobacterium tuberculosis. Nedojde li k žádné změně, odhaduje se, že na tyto infekce zemře v roce 2050 až 10 milionů lidí, což bude vyšší počet úmrtí než na onkologická či kardiovaskulární onemocnění. Ekonomické dopady nekontrolovaného nárůstu bakteriální rezistence jsou srovnatelné s dopady globální finanční krize v letech 2008‒2009 [39].