Устойчивость бактерий рода Enterococcus к антибиотикам и дезинфицирующим веществам (обзор литературы)

Энтерококки – это представители нормальной микрофлоры кишечника человека и животных, однако их также выделяют из носоглотки, верхних дыхательных путей, мочеполовой системы и кожных покровов [1]. Большинство инфекций, вызванных родом Enterococcus, носят эндогенный характер и обусловлены колонизацией кожных и слизистых покровов человека и животных [2]. Энтерококки признаны как одни из наиболее распространенных причин бактериальных инфекций человека, они приобретают резистентность ко многим антибактериальным препаратам, включая ванкомицин [3]. Enterococcus faecalis более патогенный по сравнению с Enterococcus faecium, но E. faecium более устойчивый к факторам внешней среды [4]. Такие представители энтерококков, как Enterococcus durans, Enterococcus avium, Enterococcus gallinarum и Enterococcus casseliflavus, лишь в единичных случаях проявляют патогенные свойства [5]. В условиях больничных стационаров широко применяются антибактериальные препараты, что способствует приобретению у энтерококков генов устойчивости к большинству антибиотиков и факторов патогенности [4].

Отсутствие научного управления и надлежащего планирования в медицинских учреждениях приводит к чрезмерному использованию антибактериальных веществ, тем самым увеличивая количество штаммов с устойчивостью к антибиотикам [6]. Количество внеклеточных и внутриклеточных генов с устойчивостью к антибиотикам значительно увеличивается на хлорированных очистных сооружениях и в тепличных почвах с фунгицидами [7]. Более того, разбавленные и оставшиеся в окружающей среде дезинфицирующие вещества могут повысить устойчивость бактерий за счет фенотипической адаптации, генных мутаций и горизонтального переноса генов [8]. Скорость роста устойчивых к дезинфицирующим веществам бактерий растет, что значительно снижает эффективность антимикробных веществ со свойствами дезинфектантов [9]. Часто обнаруживают бактерии с множественной лекарственной устойчивостью, которые представляют серьезную угрозу для здоровья человека и самых различных экосистем. Отчеты о механизме устойчивости к дезинфицирующим веществам недостаточно полны, а сводные данные о распространении устойчивости к дезинфицирующим веществам упоминаются редко [10], поэтому необходимо помимо устойчивости к антибиотикам уделить внимание резистентности представителей рода Enterococcus к дезинфицирующим веществам. В связи с этим целью данного обзора является проанализировать литературные данные об устойчивости бактерий рода Enterococcus как к антимикробным, так и к дезинфицирующим веществам.

Устойчивость бактерий рода Enterococcus к антибиотикам

Устойчивость энтерококков к антибиотикам являются одной из основных причин внутрибольничных инфекций [11]. Устойчивость микроорганизмов к антимикробным препаратам может быть двух типов. К первому относится врожденная устойчивость, при которой гены располагаются в хромосоме. А ко второму – приобретенная, гены которой возникают из-за мутаций или появляются при обмене ДНК между бактериями [12]. При рассмотрении различных особенностей формирования устойчивости к антибиотикам можно выделить различия, существующие у штаммов энтерококков по отношению к антибактериальным химиопрепаратам различных классов.

Тетрациклины. Тетрациклины обладают бактериостатическим действием, подавляют синтез белка в бактериальной клетке на уровне рибосом, а также необратимо связывают металлы (Cu, Fe, Mg, Mn), образуя с ними хелатные соединения и ингибируя ферментные системы [13]. У энтерококков было выделено два варианта гена tet, отвечающего за защиту от действия тетрациклина. Первый вариант гена осуществляет защиту путем рибосомальной защиты, включая гены tet (M), tet (O) и tet (S), а второй провоцирует энергозависимый отток тетрациклина из клетки энтерококка и кодируется генами tet (K) и tet (L) [14]. Бактерии рода Enterococcus содержат мобильные генетические элементы, транспозоны, которые легко встраиваются в их геном или перемещаются внутри него. Энтерококки приобретают гены устойчивости к тетрациклину через эти мобильные элементы и обмениваются этими генами устойчивости с другими бактериям [15].

Аминогликозиды. Аминогликозиды действуют бактерицидно на бактериальную клетку, при этом не-обратимо связываются со специфичными рецепторами бактериальных рибосом и угнетают синтез белка [13]. Поскольку представители рода Enterococcus обладают анаэробным метаболизмом, они практически не-устойчивы к малым концентрациям аминогликозидов. Среди клинических изолятов все чаще встречаются энтерококки с генами устойчивости к аминогликозидам [16]. Существует три механизма устойчивости к данным антибиотикам: первый и второй можно объединить, так как они происходят из-за генных мутаций, а третий механизм связан с плазмидами. При первом механизме происходит изменение сайта-мишени, при втором – изменения в транспорте антибиотика, а третий происходит путем ферментативной дезактивации аминогликозидов [17]. Устойчивость к стрептомицину может быть связана с как с мутацией рибосомного белка, так и с ферментативным расщеплением последнего [16]. Устойчивость энтерококков к стрептомицину чаще всего кодируется геном ant(6)-Ia [18]. Анализ выбранных мутантов, которые проявляли повышенную устойчивость к гентамицину in vitro, показал, что нарушение усвоения гентамицина может непосредственно способствовать усилению устойчивости [19].

Макролиды. Макролиды обладают бактериостатическим действием, что проявляется в подавлении синтеза белка бактериальной клетки на уровне рибосом и связано с угнетением фермента пептидтранслоказы [13]. Существует два основных механизма, приводящих к устойчивости к макролидам: первый с помощью рибосомальной метилазы, которая кодируется геном erm, а второй – благодаря действию, опосредованному мембраносвязанным эффлюксным белком, кодирующимся генами mef (A или E) и msr (M) [20]. По литературным данным выявлена связь между генами, отвечающими за устойчивость к эритромицину (ermB) и к меди (tcrB), которая впервые была продемонстрирована на штаммах E. faecalis и E. faecium, выделенных от свиней, позже показали подобную связь у E. hirae, который был выделен из морской воды [21].

β-лактамы. β-лактамы обладают бактериостатическим действом, подавляют синтез клеточной стенки бактерий, связываясь с пенициллинсвязывающими белками, которые являются ферментами, ответственными за формирование структуры клеточной стенки [22]. Замены в геноме, которые ранее считались способствующими развитию устойчивости к ампициллину в клинических штаммах, при экспрессии плазмидным pbp5 в чувствительном к нему штамме E. faecium давали умеренные уровни устойчивости, тем самым обеспечивая прямое доказательство их влияния. Комбинации точечных мутаций, особенно Pbp5 M485A с вставкой Ser в положении 466, существенно повышают уровни устойчивости. Кроме того, была установлена корреляция между сродством очищенных рекомбинантных мутантов Pbp5 к связыванию антибиотиков с уровнями устойчивости, обеспечиваемыми этими аллелями. Дальнейший анализ показал, что хромосомно-кодируемый детерминант pbp5 может передаваться между штаммами E. faecium [23] путем конъюгации, что предполагает механизм, с помощью которого высокая устойчивость к ампициллину, обеспечиваемая мутантными аллелями pbp5, может распространяться среди клинических изолятов [24]. Подобно E. faecium, мутации в Pbp5 клинических изолятов E. faecalis могут также приводить к повышенной устойчивости к β-лактамным антибиотикам, таким как ампициллин [25].

Фторхинолоны. Фторхинолоны обладают бактерицидным действием с выраженной противомикробной активностью за счет ингибирования двух ключевых ферментов клетки, отвечающих за биосинтез и репликацию ДНК: ДНК-гиразы и топоизомеразы IV [26]. Считается, что мутации в областях, определяющих устойчивость к хинолонам gyrA, кодирующей ДНК-гиразу, и parC, кодирующей ДНК-топоизомеразу IV, системы оттока, антимикробных ферментов устойчивости и плазмид-опосредованных механизмов, способствуют устойчивости к фторхинолонам [27]. В исследовании факторы риска устойчивости к фторхинолонам при энтерококковых инфекциях мочевых путей продемонстрировали, что недавнее воздействие антибиотиков, таких как фторхинолоны, цефалоспорины широкого спектра действия и клиндамицин, в значительной степени связано с устойчивостью к фторхинолонам энтерококковых уропатогенов, включая E. faecalis и E. faecium [28].

Рифампицины. Рифампицины относятся к группе макролактамных антибиотиков, имеют бактерицидное действие, которое проявляется в подавлении синтеза РНК путем образования комплекса с ДНК-зависимой РНК-полимеразой [13]. Изучение E. faecium показало, что 78,9 % энтерококков являются резистентными к рифампицину. Большинство микроорганизмов, включая энтерококки, вырабатывают резистентность путем мутаций в гене rpoB, который кодирует β-субъединицу РНК-полимеразы, существуют и другие механизмы устойчивости к рифампицину, однако они встречаются редко [29].

Гликопептиды. Гликопептиды обладают бактерицидным действием, при котором нарушается синтез клеточной стенки [13]. У микроорганизмов существует восемь фенотипов резистентности к ванкомицину: VanA, VanB, VanC, VanD,VanE, VanL, VanM, VanN. При этом VanC считается единственным типом природной устойчивости.

Фенотип VanA является наиболее распространенным и обеспечивает высокий уровень резистентности энтерококков к ванкомицину и тей-копланину, опо-средованный транспозоном Tni546 [30]. В других литературных источниках говорится, что помимо белка VanA существует еще и белок VanH, играющий важную роль в устойчивости E. faecium [31]. Фенотипическая устойчивость VanC характерна для E. casseliflavus и E. gallinarum, которая проявляется в слабой устойчивости к ванкомицину и чувствительности к тетрациклину [32]. В целом можно отметить, что механизм резистентности энтерококков к данным антибиотикам основан на замене D-Ala-D-Ala на D-Ala-D-Lac (фенотипы VanA, VanB, VanD, VanM) или реже на D-Ala-D-Ser (фенотипы VanC, VanE, VanG, VanL, VanN). Уровень резистентности зависит от типа аминокислотной замены. D-Ala-D-Ser обеспечивает низкоуровневую резистентность, снижая аффинность к антибиотику примерно в семь раз. Устойчивость высокого уровня связана с D-Ala-D-Lac, которое уменьшает сродство с антибиотиком примерно в 1000 раз. Замена аминокислотных остатков происходит с участием нескольких ферментов, кодируемых van-опероном. В исследовании 1988 года впервые упоминаются резистентные к ванкомицину штаммы E. faecalis и E. faecium. После этого их стали выделять все чаще в различных больницах. В исследовании энтерококков госпитализированных и не госпитализированных лиц показало, что E. faecium имеет большую устойчивость к ванкомицину по сравнению с E. faecalis [33].

Влияние дезинфицирующих веществ на бактерии рода Enterococcus

Появление устойчивости бактерий рода Enterococcus к дезинфицирующим веществам стало серьезной угрозой безопасности здоровья человека. Дезинфицирующие вещества играют жизненно важную роль в обеспечении экологического благополучия и безопасности жизни; имеют потенциальное применение в медицине, очистке и распределении воды, пищевой промышленности, сельском хозяйстве и других областях [10].

Под действием дезинфицирующих веществ у бактерий снижается проницаемость бактериальной мембраны, что предотвращает их попадание в клетку [34]. Когда дезинфицирующие вещества проникают через клеточную мембрану и попадают в клетку, бактерии вызывают реакцию окислительного стресса и производят высокие уровни активных форм кислорода, оказывая синергетический эффект на дезинфицирующие вещества, бактерицидные свойства и индуцируя эффект на образование мутаций генов [35]. Как правило, бактерии активируют SOS-ответ (консервативный ответ на повреждение ДНК) для восстановления и адаптации к дезинфицирующим веществам, чтобы уменьшить собственное повреждение за счет подверженной ошибкам репарации ДНК [36]. Во время этого процесса экспрессируются различные гены. Например, активируется система оттока, и отдельные или множественные части этой системы выводят дезинфицирующие вещества из организма [37]. Мишень действия дезинфицирующего вещества также изменяется, чтобы избежать его связывания с бактериями [38]. Бактерии могут разлагать дезинфицирующие вещества за счет ферментативной активности, тем самым снижая их бактерицидную эффективность [10].

Гипохлорит натрия. Гипохлорит натрия относится к галогенам, которые подавляют синтез ДНК. В воде гипохлорит натрия ионизируется с образованием Na⁺ и гипохлорит-иона OCl⁻, который устанавливает равновесие с хлорноватистой кислотой HOCl [39]. HOCl и OCl⁻ приводят к конформационным изменениям белков и разрушают естественную структуру ферментов из-за прямой реакции или образования с ними стабильных связей N-Cl. Из-за сильной окислительной способности HOCl может окислять определенные ферменты клеток, такие как дегидрогеназы и ферменты, отвечающие за дыхание [40]. Обеззараживание питьевой воды хлором играет важную роль в предотвращении и борьбе со вспышками заболеваний, передающихся через воду, во всем мире. Гены устойчивости к антибиотикам высвобождаются из убитых антибиотикорезистентных бактерий, и культивируемые поврежденные хлором бактерии, полученные в процессе хлорирования в качестве реципиента, используются для определения их вклада в горизонтальный перенос генов устойчивости к антибиотикам во время дезинфекционной обработки [41].

Четвертичные аммонийные соединения. Соединения четвертичного аммония представляют собой катионные поверхностно-активные вещества [42]. Их химическая структура зависит от четырех алифатических или ароматических фрагментов, присоединенных к центральному атому азота. Бытовое, больничное и промышленное использование четвертичных аммонийных соединений приводит к загрязнению сточных вод. Поскольку большинство очистных сооружений предназначены для удаления основных, легкоразлагаемых органических веществ, большинство микропримесей, включая четвертичные аммонийные соединения, проходят через очистные сооружения и выбрасываются в окружающую среду [43]. У представителей рода род Enterococcus был обнаружен ген qacZ, который отвечает за толерантность к четвертичным аммонийным соединениям [44].

Хлоргексидин. Хлоргексидин – это бисбигуанидный агент, который находит широкое применение в качестве дезинфицирующего вещества для поверхностей и в качестве антисептика для местного применения [45]. Механизм действия хлоргексидина изучен плохо. Считается, что он имеет положительный заряд при нейтральном pH, притягивается к поверхности бактериальной клетки, где он может электростатически взаимодействовать с отрицательно заряженными фосфолипидами. В зависимости от концентрации хлоргексидина он может снижать текучесть бактериальной мембраны или нарушать структурную целостность мембраны, вызывая повышенную проницаемость и утечку содержимого клеток, и в итоге приводить к гибели клеток [46]. Гены chtR и chtS способствуют выработке резистентности E. faecium к хлоргексидину [47].

Заключение

Таким образом, можно отметить, что устойчивость к антибиотикам стала серьезной проблемой во всем мире. Резкое увеличение бактерий, устойчивых к антибиотикам, взывает потребность в новых эффективных дезинфицирующих веществах для подавления пролиферации и распространения патогенов в окружающей среде. Дезинфицирующие вещества играют жизненно важную роль в обеспечении экологического здоровья и безопасности жизни и имеют потенциальное применение в медицине, очистке и распределении воды, пищевой промышленности, сельскохозяйственной отрасли и других областях. В связи с этим необходимо учитывать устойчивость бактерий рода Enterococcus к антимикробным веществам при выборе не только антибиотика, но и дезинфицирующего вещества.

Конфликт интересов: авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Источник финансирования: авторы заявляют о финансировании проведенного исследования из собственных средств.