Конгресс «Лекарства и жизнь» «Новые» фторхинолоны и резистентность к антибиотикам

Предлагаем вашему вниманию доклад профессора С. В. Сидоренко (Государственный научный центр по антибиотикам, Москва, РФ) в котором рассмотрена важнейшая проблема терапии инфекционных заболеваний — формирование лекарственной резистентности к антибактериальным препаратам.

Антибактериальная терапия и проблема резистентности

В основе избирательного действия антибактериальных препаратов лежит специфичное связывание с мишенями, уникальными для бактерий и отсутствующими у человека и животных. Известны два основных механизма селективного воздействия антибактериальных препаратов: подавление активности специфических ферментов (β-лактамы ингибируют карбоксипептидазы, фторхинолоны — топоизомеразы) и связывание с уникальными структурными элементами (например, макролиды связываются с рибосомами, не являясь прямыми ферментативными ингибиторами). Согласно последним открытиям современной геномики (изучение нуклеотидных последовательностей), у эукариотических геномов есть небольшой перекрест с генами грамотрицательных и грамположительных бактерий. Следовательно, антибактериальные препараты должны действовать на процессы, кодирующиеся генами, которые не являются общими для эукариотов и бактерий. Это и будет гарантией высокой специфичности и значительной эффективности препарата.

Антибиотикорезистентность может быть микробиологической (сохранение жизнеспособности штаммов при концентрации препаратов, подавляющей основную популяцию данного микроорганизма) или клинической (отсутствие клинического эффекта при лечении инфекционных болезней). Следует четко дифференцировать природную и приобретенную резистентность. Истинная природная резистентность представляет собой крайне редкий феномен и на сегодняшний день единственным примером ее является отсутствие мишеней к β-лактамам у микоплазм. В остальных случаях мы имеем дело с относительной резистентностью, которая проявляется снижением сродства к антибиотикам у определенных микроорганизмов и может быть преодолена повышением концентрации препарата (хотя иногда такую концентрацию невозможно создать в организме животных или человека). Эта резистентность достаточно легко прогнозируется.

Приобретенная резистентность выявляется у части штаммов. Она всегда относительна и непредсказуема.

Формирование антибактериальной устойчивости — естественная способность микроорганизмов. Поэтому полное предотвращение и элиминация устойчивости к антибактериальным препаратам в принципе невозможны. Стратегия борьбы с резистентностью должна быть направлена на сдерживание формирования и сосуществования устойчивых микробов. Как бы мы не оптимизировали схемы терапии, абсолютного устранения резистентности достичь нереально.

Ведущими биохимическими механизмами являются три способа формирования резистентности:

• ферментативная инактивация, модификация мишеней действия и активное выведение антибиотика;
• снижение проницаемости внешних структур бактериальной клетки;
• защита мишеней действия (недавно открытый механизм формирования резистентности, ранее описанный только для некоторых тетрациклинов и не столь давно выявленный по отношению к фторхинолонам).

Антибиотики разных классов могут быть подвержены различной комбинации этих трех ведущих способов образования устойчивости к ним.

Фторхинолоны — место их в клинической практике

Когда появились первые хинолоны, никто не ожидал, что их ждет такое блестящее будущее: из небольшой группы препаратов, использовавшихся для лечения инфекций мочевыводящих путей, они превратились в один из доминирующих классов антибиотиков.

На сегодняшний день фторхинолоны остаются незаменимыми по отношению к респираторным инфекциям (это касается прежде всего «новых» фторхинолонов), не теряют своего значения и «старые» фторхинолоны в лечении инфекций мочеполовых путей. Надо учесть, что в России и Украине получила распространение классификация фторхинолонов по поколениям, которая не является признанной в мире. К сожалению, классификации этой группы препаратов, которая учитывала бы и химическую структуру, и механизм действия, и особенности клинического применения, до сих пор создать не удается. Поэтому используются и такие неприемлемые термины, как «старые» и «новые» фторхинолоны.

К «старым» фторхинолонам относятся эноксацин, офлоксацин, ципрофлоксацин, норфлоксацин, налидиксовая кислота и другие препараты. К «новым» — моксифлоксацин, клинафлоксацин, гемифлоксацин, спарфлоксацин, гатифлоксацин, активные и в отношении анаэробов. Однако многие из вновь разработанных препаратов (грепафлоксацин, тровафлоксацин, тосуфлоксацин) были быстро отозваны с рынка вследствие развития тяжелых нежелательных реакций.

Традиционными показаниями к применению «старых» фторхинолонов остаются внебольничные инфекции мочевой системы, кишечные инфекции и частично — инфекции, передающиеся половым путем. К применению этой группы препаратов для лечения госпитальных инфекций сейчас относятся сдержанно, поскольку со временем слишком высокой оказалась резистентность к ним. Но такая терапия еще не утратила своего значения. «Старые» фторхинолоны для лечения респираторных инфекций не применяются, хотя по отношению к атипичным возбудителям (микоплазмам и хламидиям) у этой группы препаратов несколько вариабельная, но приемлемая активность. Типичные же респираторные возбудители — Moraxella catarrhalis, Haemophilus influenzaе — достаточно активно угнетаются этими антибиотиками. Учитывая также хорошее внутриклеточное проникновение, «старые» фторхинолоны могли бы рассматриваться как потенциальные респираторные антибиотики, если бы не S. pneumoniae, на который данные препараты практически не действуют. А тот факт, что при всех внебольничных инфекциях дыхательных путей ведущим патогеном остается S. pneumoniae, стал главной причиной невозможности применения «старых» фторхинолонов для лечения респираторных инфекций.

Особенности формирования резистентности к фторхинолонам

Если рассматривать антибактериальные препараты, не имеющие аналогов в живой природе, примером которых являются фторхинолоны, то генетической информации, кодирующей природную резистентность против этих препаратов, не существует в природе. Источник антибактериальной устойчивости — мутации в генах-мишенях. Из возможных механизмов развития устойчивости для фторхинолонов наиболее актуальны модификация мишеней действия и активное выведение препарата из бактериальной клетки. Важно отметить, что эти механизмы очень редко мобилизуются на плазмиды и другие переносчики генетической информации между бактериями. Как правило, они имеют стационарную хромосомную локализацию, поэтому быстрого распространения устойчивости между различными бактериальными клетками не происходит. Мишенями действия фторхинолоновых препаратов являются два фермента класса топоизомераз в бактериальной клетке — ДНК-гиразы (топоизомеразы II) и топоизомеразы IV. Эти ферменты выполняют строго определенные функции в процессе формирования пространственной структуры молекулы ДНК при ее репликации: ДНК-гираза катализирует расплетение (отрицательную суперспирализацию) нитей ДНК, а топоизомераза IV участвует в разъединении (декатенации) ковалентно-замкнутых кольцевых молекул ДНК. Ингибирование этих ферментов нарушает процессы роста и деления бактериальной клетки, что приводит к ее гибели. Каждый из этих ферментов состоит из четырех субъединиц; ДНК-гираза — из двух gyrА и двух gyrB субъединиц (соответствующие гены — gyrА и gyrB); топоизомераза IV — из субъединиц parC и parE (соответствующие гены — parC и parE). Гены обоих ферментов локализованы на бактериальной хромосоме.

Для действия хинолонов необходимо образование тройного комплекса ДНК — фермент — хинолон. Участок полипептидной цепи ДНК-гиразы или топоизомеразы IV, в котором происходит связывание хинолона и фермента, получил название хинолонового кармана.

В механизме действия хинолонов в отношении грамположительных и грамотрицательных микроорганизмов имеются некоторые особенности. Основной мишенью действия хинолонов у грамотрицательных микроорганизмов является ДНК-гираза (топоизомераза IV имеет меньшее значение), у грамположительных — наоборот. Большинство нефторированных и фторированных хинолонов обладают большим сродством к ДНК-гиразе, с чем и связана их преимущественная активность в отношении грамотрицательных микроорганизмов. Причем, степень аффинности (сродство) к ДНК-гиразе, а значит, и антибактериальная активность против грамотрицательных бактерий у всех препаратов этой группы примерно одинаковая. Однако ряд «новых» фторхинолонов обладают высокой активностью в отношении грамположительных микроорганизмов, что, вероятно, объясняется их повышенным сродством к топоизомеразе IV. Точного механизма действия выяснить не удается, так как полученные данные противоречивы. По результатам одних исследований, моксифлоксацин, гемифлоксацин, спарфлоксацин, гатифлоксацин обладают активностью по отношению к ДНК-гиразе, по результатам других, — к топоизомеразе IV, есть также предположения, что активность их, особенно моксифлоксацина и гемифлоксацина, распространяется на оба фермента.

Основой формирования резистентности к хинолонам являются аминокислотные замены на участке между 67 и 106 аминокислотными остатками (особенно — в 83 положении) в области хинолонового кармана чувствительных ферментов, приводящие к снижению их аффинности к хинолонам. Возникновение аминокислотных замен связано с мутациями в генах gyrA, gyrB, parC и parE, а соответствующие области генов gyrA, gyrB, parC и parE называют областями, определяющими устойчивость к хинолонам (QRDR — quinolone resistance determining region). Высокий уровень резистентности возникает вследствие сочетания нескольких мутаций в одной клетке. В зависимости от того, в какой точке хинолонового кармана произошла аминокислотная замена, наблюдают выраженное в той или иной степени повышение МПК. При некоторых из описанных мутаций МПК повышается в 2-4 раза, при других — более чем в 100 раз. Обычно единичные мутации приводят к незначительному (в 2-4 раза) повышению МПК. Высокий уровень устойчивости обычно связан с двумя и более мутациями в одном или нескольких генах. Основное практическое значение имеют мутации в генах gyrA и parC.

Закономерности перекрестной резистентности микроорганизмов к отдельным хинолонам представляются достаточно простыми в сравнении с антибиотиками других классов. Поскольку повышение уровня и спектра активности каждой новой генерации хинолонов связано с повышением их сродства к чувствительным ферментам, то развитие резистентности также носит ступенчатый характер.

Единичные мутации приводят к клинически значимой резистентности либо только к налидиксовой кислоте, либо к налидиксовой кислоте и норфлоксацину. Накопление мутаций обусловливает распространение устойчивости на пефлоксацин и далее на группу ципрофлоксацина, офлоксацина и ломефлоксацина (диссоциация чувствительности между этими препаратами крайне редка). Несколько лучше работает левофлоксацин (МПК ниже на одно разведение, чем у предыдущей группы препаратов). Далее следует группа «новых» фторхинолонов, к которым еще более чувствительны микроорганизмы. Наиболее чувствительны бактериальные клетки к моксифлоксацину, что и отражено в самой низкой МПК по сравнению с другими хинолонами. По активности в отношении пневмококка моксифлоксацин (Авелокс^®, Bayer AG) превосходит другие фторхинолоны (за исключением ситафлоксацина и гемифлоксацина): он в 2 раза активнее спарфлоксацина и гатифлоксацина, в 4-8 раз — левофлоксацина, в 8 раз — ципрофлоксацина и офлоксацина.

Имеет также значение, в каких генах происходят мутации и какие ферменты ингибируются антибактериальными препаратами. Если у E.coli происходит замена аминокислотных остатков субъединицы gyrA (фермента ДНК-гиразы) в 81 положении хинолонового кармана, то МПК всех фторхинолонов увеличивается в 8 раз, если в 83 положении той же субъединицы — в 32 раза, а если имеет место сочетание мутаций в 83 и 87 положениях gyrA и в 80 положении parC, МПК повышается более чем в 4000 раз. Для пневмококка характерно такое же ступенчатое повышение устойчивости в зависимости от количества мутаций в генах, кодирующих аминокислотную цепочку хинолонового кармана, но различие состоит в том, что минимальные изменения МПК начинаются при мутациях в генах parC и parE, то есть кодирующих аминокислотную последовательность топоизомеразы IV. Это имеет важное практическое значение, поскольку «старые» и «новые» фторхинолоны обладают разной активностью по отношению к топоизомеразе IV. Следовательно, при формировании устойчивости грамотрицательных бактерий к «старым» фторхинолонам не имеет смысла назначать «новые» препараты этой группы, поскольку их действие на ДНК-гиразу не превышает таковое у «старых», а для грамотрицательной флоры имеет значение именно воздействие хинолонов на ДНК-гиразу. При возникновении же устойчивости «старых» фторхинолонов к грамположительным микроорганизмам обоснованным является назначение «новых» фторхинолонов, поскольку здесь доминирует ингибирование топоизомеразы IV, по отношению к которой у «новых» фторхинолонов выраженная активность, в отличие от «старых».

Следовательно, моксифлоксацин и подобные ему препараты (например, спарфлоксацин, который на сегодняшний день в Украине не выпускается) являются наиболее активными по отношению к грамположительным микроорганизмам. Среди этих возбудителей инфекции возможно сохранение чувствительности к новым препаратам (спарфлоксацин и другие) при устойчивости к другим хинолонам. Следует подчеркнуть, что до сих пор неизвестны достоверные случаи устойчивости к моксифлоксацину при чуствительности к более ранним хинолонам.

Пути преодоления антибиотикорезистентности

Благодаря таким открытиям клиницисты получили реальную возможность прогнозировать эффективность антибактериальной терапии. Для антибиотиков разных групп фармакокинетические параметры, достоверно предсказывающие бактериологическую эффективность (эрадикацию возбудителя более чем в 80% случаев), оказались различными. Биологический смысл этих параметров проиллюстрирован на рис.

Расчеты показывают, что если интервал времени T(С>МПК) более 40%, то эффективными по отношению к микроорганизму будут β-лактамы и макролидные антибиотики, поскольку они являются препаратами, эффект которых зависит от интервала времени между введениями очередных доз антибиотика, в течение которого их концентрация превышает МПК. Для фторхинолонов предиктором эффективности является отношение AUC/МПК, которое для грамотрицательных инфекций должно быть больше 100-125, для пневмококков достаточно AUC/МПК >25-30.

Описанные представления позволили по-новому подойти к выбору антибиотиков для лечения инфекций дыхательных путей и оценить данные о распространении антибиотикорезистентности.

Мутации, приводящие к устойчивости к фторхинолонам, возникают спонтанно. Но если воздействовать на бактерию концентрацией антибиотика ниже МПК, то устойчивые мутанты подавляются, потому что «дикие» штаммы более жизнеспособны и побеждают в конкурентной борьбе. При воздействии антибактериальным препаратом, концентрацией в 2-4 раза выше, МПК-чувствительные штаммы погибают, и происходит селекция устойчивости. При очень высоких концентрациях гибнут даже устойчивые мутанты. Очевидно, есть концентрации, которые могут полностью предотвратить селекцию устойчивости (Mutation prevention concentration, MPC), и надо стремиться к режимам дозирования, которые могли бы полностью обеспечить MPC в крови. Следовательно, селекция устойчивости происходит в диапазоне концентраций антибиотика в крови между МПК и MPC («окно селекции мутации»).

Недавно была опубликована работа Zinner at al., AAC (2003), где in vitro моделировалось внутривенное введение моксифлоксацина. По отношению к пневмококку МПК для моксифлоксацина составляла чуть менее 0,1 мкг/л, MPC — 0,7-0,8 мкг/л. Устойчивые штаммы пневмококков появлялись только лишь в области «окна селекции мутации», для концентраций же ниже МПК и выше МРС устойчивых штаммов не формировалось. Это говорит о двух возможных режимах дозирования с целью предотвращения мутаций и селекции устойчивых штаммов. Максимальная селекция мутации происходила при AUC/МПК, равной 38, при AUC/МПК, равной 100, селекция мутации прекращается. Стандартным режимом дозирования является применение моксифлоксацина 400 мг, который обеспечивает AUC/МПК, равной 270. Следовательно, такая концентрация дает не только выраженный терапевтический эффект, но и предотвращение селекции мутации, поскольку находится за пределами «окна селекции мутации».

Хорошие микробиологические характеристики моксифлоксацина сочетаются с благоприятной фармакокинетикой и фармакодинамикой этого препарата: длительный период полувыведения, обеспечивающий однократный прием, высокие концентрации в тканях бронхов и легких делают этот препарат незаменимым при лечении респираторных инфекций. Учитывая преобладающий спектр микрофлоры при инфекциях дыхательных путей (S. pneumoniae, Moraxella catarrhalis, Haemophilus influenzaе, а также атипичные возбудители — хламидии и микоплазмы), моксифлоксацин является препаратом выбора при лечении респираторных инфекций. Кроме того, моксифлоксацин высоко эффективен по отношению к Staph. aureus, Enterobacteriaceae spp., особенно — к полирезистентным их штаммам. Важнейшее значение имеют оптимальные показатели AUC/МПК при стандартном режиме дозирования препарата, которые обеспечивают отсутствие селекции мутаций, что является значительным вкладом в борьбу с предотвращением формирования лекарственной устойчивости у бактерий.