Біологічні науки/ 6. Мікробіологія

О. В. Крисенко, Т. В. Скляр, А. І. Вінніков, О.А. Ісаков, Є.В. Духновська

Дніпропетровський національний університет ім. Олеся Гончара, Україна

Характеристика бактеріальних β-лактамаз

Природна здатність до продукції β-лактамаз характерна для багатьох видів мікроорганізмів. Однак найбільшу значимість останнім часом здобуває широке поширення кодованих плазмідами β-лактамаз, що є факторами вторинної (придбаної) резистентності у початково чутливих мікроорганізмів [1, 2].

Відповідно до визначення Комітету з номенклатури Міжнародного біохімічного товариства, β-лактамази класифікуються як «ферменти, що здійснюють гідроліз амідів, амідинів і інших C-N зв'язків ..., виділені на підставі субстрату - ... циклічних амідів» [5]. Термін «β-лактамази» є, таким чином, функціональним і поєднує різні бактеріальні ферменти, здатні розщеплювати β-лактамні антибіотики, що містять у своїй структурі циклічний амідний зв'язок.

Більшість відомих β-лактамаз проявляє виражену структурну гомологію з пеніцилінзв’язуючими білками (ПЗБ), що свідчить про еволюційний взаємозв'язок між ферментами цих груп [2, 3]. Подібно ПЗБ β-лактамази, що містять залишок серина в активному центрі, взаємодіють із β-лактамними антибіотиками з утворенням ефірного комплексу. Однак у випадку β-лактамаз цей комплекс швидко розщеплюється з вивільненням нативного ферменту й інактивованої молекули субстрату.

З моменту відкриття β-лактамаз в 1940 р., коли E.P. Abraham і E. Chain описали процес інактивації пеніциліну в безклітковому екстракті культури кишкової палички, і дотепер різними дослідниками виявлено не менш 300 ферментів, що відрізняються структурно й функціонально, здатних здійснювати гідроліз β-лактамного кільця. За винятком декількох видів клінічно значимих мікроорганізмів, серед яких слід зазначити Streptococcus pneumoniae і Helicobacter pylori, β-лактамази зустрічаються в переважної більшості бактеріальних збудників інфекцій [4].

Найважливішими властивостями β-лактамаз, що визначають їхню різноманітність, є:

· субстратна специфічність (здатність до переважного гідролізу β-лактамів визначених груп – пеніцилінів, цефалоспоринів, монобактамів, карбапенемів);

· чутливість до дії інгібіторів;

· локалізація генів, що кодують (хромосомна або плазмідна) і характер їхньої експресії (конститутивний або індуцибельний) [5].

Перераховані функціональні особливості стали основою створення різних систем класифікації β-лактамаз. Актуальність диференціації ферментів, переважно гідролізуючих пеніциліни (пеніциліиназ) або цефалоспорини (цефалоспориназ), уперше відзначили P.С. Fleming і співавт. в 1963 р.. Система класифікації, запропонована T. Sawai і співавт. в 1968 р., передбачала використання імунних сироваток як додатковий критерій диференціації пеніциліназ, цефалоспориназ і ферментів із широким субстратним спектром.

M.H. Richmond і R.B. Sykes розділили всі відомі на початку 70-х років β-лактамази грамнегативних мікроорганізмів на 5 груп з обліком субстратного спектра, чутливості до інгібіторів і частково локалізації генів, що кодують. В 1976 р. R. B. Sykes і M. Matthew розширили цю класифікацію, підкресливши роль плазмідних β-лактамаз, які могли бути диференційовані на підставі даних ізоелектричного фокусування. У функціональній схемі S. Mitsuhashi і M. Inoue (1981) була виділена додаткова група «цефуроксим-гідролізуючих» ферментів [6]. Паралельно з розвитком функціональних підходів у класифікації R. Ambler в 1980 р. використовував результати порівняння первинної структури β-лактамаз для опису молекулярних класів: серинових ферментів (клас A), включаючи пеніциліиназу Staphylococcus aureus, і метало-β-лактамаз (клас B) Bacillus cereus [7].

Прообразом сучасної класифікації стала запропонована K. Bush в 1989 р. система поділу β-лактамаз на 3 основні групи, у якій уперше почата спроба провести кореляцію між функціональними особливостями (спектром активності, чутливістю до інгібіторів) і молекулярною структурою ферментів, що продукуються різними видами мікроорганізмів. Ця система була уточнена й доповнена в 1995 р. K. Bush, G. Jacoby і A. Medeiros з урахуванням нових ферментів, описаних у ентеробактерій, і в цей час прийнята більшістю дослідників [8].

Група перша у функціональній класифікації K. Bush, G. Jacoby і A. Medeiros включає ферменти грамнегативних бактерій, що відповідають молекулярному класу С. Кращими субстратами для них є цефалоспорини. Клавуланова кислота, сульбактам і тазобактам володіють незначною інгібуючою активністю у відношенні β-лактамаз даного типу [4].

Цефалоспоринази, як правило, кодуються хромосомою й поширені серед багатьох видів родини Enterobacteriaceae, а також у окремих неферментуючих грамнегативних мікроорганізмів, включаючи Pseudomonas aeruginosa [7, 10, 11].

Друга група є найбільш великою й поєднує ферменти, що відносяться до молекулярних класів A і D. На підставі субстратних розходжень β-лактамази, що входять у цю групу, розділені на 8 функціональних категорій.

Перша категорія (група 2а) включає в основному плазмідні пеніцилінази грампозитивних мікроорганізмів Staphylococcus spp. і Bacillus spp. Стафілококові β-лактамази ефективно руйнують природні й напівсинтетичні пеніциліни, крім групи оксациліна, їхня функція пригнічується інгібіторами – клавулановою кислотою, сульбактамом і тазобактамом.

До другої категорії (група 2b) відносяться найпоширеніші серед штамів E. coli, Proteus mirabilis і K. pneumoniae плазмідні β-лактамази TEM-1, TEM-2 і SHV-1. Кращими субстратами для них є пеніциліни, включаючи ампіцилін, амоксицилін, тикарцилін і карбеницилін. Цефалоспорини I покоління й цефоперазон розщеплюються ферментами даної групи з меншою ефективністю. Тому TEM-1, TEM-2 і SHV-1 часто описують як пеніцилінази широкого спектра.

Третя група (2be) поєднує більше 80 похідних TEM-1, TEM-2 і SHV-1, відомих як β-лактамази розширеного спектра ( extended-spectrum β-lactamases - ESBL), які мають здатність розщеплювати цефалоспорини III-IV поколінь і монобактами поряд з ранніми цефалоспоринами й пеніциліинами.

Крім того, до цієї ж функціональної групи можуть бути віднесені плазмідні цефотаксимази Toho-1, CTX-M-1 - CTX-M-16, що належать до молекулярного класу A і що проявляють найбільш виражену гомологію із хромосомними β-лактамазами, Klebsiella oxytoca, Proteus vulgaris і Citrobacter diversus. У тої ж час в Східній Європі описане поширення клонально-родинних штамів Salmonella typhimurium, продукуючих фермент СТХ-М4. Відповідно до останніх молекулярно-епідеміологічних досліджень, проведених у різних географічних зонах, спостерігається досить чіткий характер поширення БЛРС СТХ-типу.

Серед різних представників третьої категорії відзначається виражена субстратна перевага до окремих цефалоспоринів розширеного спектру, наприклад цефтазидиму або цефотаксиму, однак продукція переважної більшості ESBL може викликати резистентність до всіх оксиіміно-β-лактамів. Карбапенеми й цефаміцини не входять у спектр антибіотиків, що руйнуються ESBL. Ферменти цієї групи також проявляють чутливість до інгібіторів.

Четверта категорія (2br), уперше виділена в системі класифікації K. Bush, G. Jacoby і A. Medeiros, представлена в основному похідними TEM β-лактамаз, відмінною рисою яких є стійкість до інгібіторів. Більшість інгибіторорезистентних TEM (IRT) ферментів, а також єдина β-лактамаза SHV-типу (SHV-10), що входити в четверту категорію, виявлені в клінічних штамів E.coli.

П’ята категорія (2c) об`єднує карбеніцилінази грамнегативних бактерій, що належать до молекулярного класу A. Ферменти PSE-1, PSE-3 і PSE-4, що відносяться до цієї групи, мають більш високу швидкість гідролізу карбеніциліна, чим бензилпеніциліина, і придушуються клавулановою кислотою. Подібні властивості проявляють також β-лактамази BRO-1 і BRO-2 Moraxella catarrhalis і β-лактамаза SAR-1 Vibrio cholerae.

Оксацилінази – шоста категорія (2d) – OXA-1 – OXA-9, OXA-10 (PSE-2) і OXA-11 найбільше ефективно розщеплюють клоксацилін і оксацилін. Їхня активність слабко придушується інгібіторами, внаслідок чого оксацилінази можуть викликати стійкість ентеробактерій до амоксициліну/клавуланової кислоти.

Сьома категорія (2e) включає цефалоспоринази, що характеризуються активністю у відношенні оксиіміноцефалоспоринів і високою чутливістю до клавуланової кислоти. Представниками цієї групи ферментів є індуцибельні хромосомні β-лактамази (цефуроксимази) P.vulgaris і C.diversus, а також хромосомні β-лактамази Bacteroides spp. і L2 Stenotrophomonas maltophilia.

Рідкі β-лактамази молекулярного класу A (2f), які гідролізують карбапенеми і які проявляють чутливість до клавуланату NMC-A, Imi-1 Enterobacter cloacae і Sme-1 Serratia marcescens, об'єднані в восьму категорію [9].

β-лактамази, що містять цинк відносяться до молекулярного класу B і функціональної групи 3, виявляють гідролітичну активність у відношенні гнітючої більшості β-лактамів, включаючи карбапенеми, не активні у відношенні монобактамів (азтреонама). Ці ферменти не чутливі до інгібіторів серинових β-лактамаз (клавуланат, сульбактам, тазобактам). Особливе значення має продукція придбаних метало-β-лактамаз у грамнегативних бактерій. За останнє десятиріччя було описано 6 генетичних груп придбаних MBL: VIM, IMP, SPM,GIM, SIM і AIM. Найбільш широке поширення одержали ферменти VIM- і IMP-типів. На сьогоднішній день охарактеризовано 18 варіантів VIM і 23 фермент IMP-Типу. Ці ферменти виявлені в багатьох країнах, але найбільше часто зустрічаються в Європі й Південно-Східній Азії. Гени придбаних MBL, за винятком SPM, звичайно входять до складу інтегронів. У свою чергу, плазмідна локалізація багатьох інтегронів, що несе гени MBL, забезпечує можливість їхнього поширення між різними видами мікроорганізмів [7].

Таким чином наведені дані свідчать про значну актуальність проблеми поширення β-лактамаз і їх ролі у виникненні та розповсюдженості стійкості у бактерій до β-лактамних антибіотиків.

Список літератури:

1. Сазыкин Ю. О. П. С. Навашин Современные проблемы комбинированной антибиотикотерапии // Антибиотики и химиотерапия. ‑ 1993. – Т. 38, № 4–5 . – С. 22-28.

2. Сидоренко С. В. Бета-лактамазы расширенного спектра: клиническое значение и методы детекции // Инфекции и антимикробная терапия. ‑ 2002. ‑ Т. 4, № 6.

3. Эйдельштейн М. В. Бета-лактамазы аэробных грамотрицательных бактерий: характеристика, основне принципы классификации, современные методы выявления и типирования. // Клиническая микробиология и антимикробная химиотерапия. – 2001. ‑ № 3. – С. 223-242.

4. Эйдельштейн М. В. Динамика распространенности и чувствительности БЛРС продуцирующих штаммов энтеробактерий к различным антимикробным препаратам в ОРИТ России /М. В. Эйдельштейн, Л. С. Страчунский // Клиническая микробиология и антимикробная химиотерапия. ‑ 2005. – Т. 7, № 4. – С. 323–336.

5. Страчунский Л. С. β-лактамаз расширенного спектра действия – быстро растущая и плохо осознаваемая угроза // Клиническая микробиология и химиотерапия . ‑ 2005 . – Т. 7, № 1. – С. 92–96.

6. Bush K. Functional classification scheme for β-lactamases and its correlation with molecular structure / K. Bush, G. Jacoby, A. Medeiros // Antimicrob Agents Chemother. ‑ 1990. ‑ Vol. 10. ‑ № 40. – P. 40–46.

7. Bush K. The evolution of β-lactamases. Antibiotic Resistance / К. Bush // Antimicrob Agents Chemother. – 1995. – Vol. 8, № 39. – P. 84.

8. А. Г. Березин, О. М. Ромашов, С. В. Яковлев, С. В. Сидоренко Характеристика и клиническое значение бета-лактамаз расширенного спектра / А. Г. Березин, О. М. Ромашов, С. В. Яковлев, С. В. Сидоренко // Антибиотики и химиотерапия. ‑ 2003. – Т. 48, № 7. – С. 18–23.

9. Rasmussen B. A. Carbapenem-hydrolyzing β-lactamases / В.А. Rasmussen, К. Bush // Antimicrob Agents Chemother. – 1997. – Vol. 12, № 45. – P. 32–35.