Антибиотики. Методичка по антибиотикам. Нечаева О. В., Швиденко И. Г., Шуб Г. М
 Скачать 0.53 Mb.
|
|
Нечаева О.В., Швиденко И.Г., Шуб Г.М. Антибиотики 2 В методическом пособии рассмотрена история создания антибиотиков, представлена современная классификация, механизмы действия наиболее популярных групп препаратов, подробно описаны механизмы устойчивости микроорганизмов к различным антибиотикам и методы определения чувствительности бактерий к антимикробным препаратам. В заключительном разделе содержаться тесты для самоконтроля. 3 Список используемых сокращений АБП – антибактериальные препараты АМФ – аминогликозидмодифицирующие ферменты БЛРС – β-лактамазы расширенного спектра ВОЗ – Всемирная организация здравоохранения ЛПС – липополисахарид МЛС группа – макролиды, линкозамиды и стрептограминовые антибиотики МПК – минимальная подавляющая концентрация ПСБ – пенициллинсвязывающие белки MRSA – метициллинрезистентные Staphylococcus aureus VRE – ванкомицинрезистентные энтерококки VRSA – ванкомицинрезистентные Staphylococcus aureus 4 История создания химиотерапевтических препаратов и антибиотиков Крупнейшим достижением медицины ХХ века является открытие антимикробных лекарственных препаратов, используемых для лечения инфекционных заболеваний. Первые антибиотики были выделены еще до того, как стала известной их способность угнетать рост микроорганизмов. Так, в 1860 был получен в кристаллической форме синий пигмент пиоцианин, вырабатываемый бактериями рода Pseudomonas, но его антибиотические свойства были обнаружены лишь через много лет. В 1896 из культуры плесени удалось кристаллизовать еще одно химическое вещество такого рода, получившее название микофеноловая кислота. Родоначальником научно обоснованной химиотерапии явился немецкий исследователь, лауреат Нобелевской премии Пауль Эрлих (1854-1915). Он установил, что химические вещества, содержащие мышьяк, губительно действуют на спирохеты и трипаносомы. После долгих испытаний в 1907 г. им был получен первый химиотерапевтический препарат, который получил название «сальварсан» и успешно использовался для лечения сифилиса. В 1935 г. другой немецкий химик Г. Домагк (1885-1964) обнаружил среди анилиновых красителей вещество пронтозил, или красный стрептоцид, дававший хороший клинический эффект при лечении стрептококковой, гонококковой и менингококковой инфекции. За это открытие Г. Домагк был удостоен Нобелевской премии. Позднее было выяснено, что в организме происходит распад пронтозила с образованием сульфаниламида, обладающего антибактериальной активностью как in vitro, так и in vivo. Среди первых исследователей, занявшихся целенаправленным поиском антибиотиков, был Р. Дюбо. Проведенные им и его сотрудниками эксперименты привели к открытию антибиотиков, вырабатываемых некоторыми почвенными бактериями, их выделению в чистом виде и использованию в клинической практике. В 1939 Дюбо получил тиротрицин – комплекс антибиотиков, 5 состоящий из грамицидина и тироцидина; это явилось стимулом для других ученых, которые обнаружили еще более важные для клиники антибиотики. Первый антибиотик – пенициллин – был открыт английским микробиологом Александром Флемингом (1881-1955) в 1928 г. Он обнаружил, что при росте стафилококков на плотной питательной среде вокруг колоний плесневого гриба образуются зоны задержки роста. Приготовленный им фильтрат из плесневого гриба Penicillum notanum задерживал рост различных бактерий и не вызывал гибель лабораторных животных. Однако А. Флеминг не смог очистить активное вещество от примесей. Дальнейшая разработка пенициллина была связана с работой, так называемой Оксфордской группы, во главе которой стояли Говард Флори (1898- 1968) и Эрнст Чейн (1906-1979), которые получили пенициллин в кристаллическом виде. Чейн занимался выделением пенициллина, а Флори - испытанием его на животных. В результате был получен малотоксичный и эффективный пенициллин. 12 февраля 1941 года пенициллин был впервые применен для лечения человека. Промышленный выпуск препарата был налажен только в 1943 году в США, куда Флори передал технологию получения нового лекарства. В 1945 году за создание пенициллина три ученых Флеминг, Флори и Чейн были удостоены Нобелевской премии. Первый отечественный пенициллин (крустозин) был получен З.В. Ермольевой и Т.И. Балезиной с сотрудниками в 1942 г. из гриба P. crustosum. Этот штамм оказался продуктивнее английских и американских. К 1944 г в СССР было налажено промышленное производство пенициллина. После 1940 г было получено множество клинически важных антибиотиков, в их числе бацитрацин, хлорамфеникол (левомицетин), хлортетрациклин, окситетрациклин, амфотерицин В, циклосерин, эритромицин, гризеофульвин, канамицин, неомицин, нистатин, полимиксин, ванкомицин, виомицин, цефалоспорины, ампициллин, карбенициллин, аминогликозиды, стрептомицин, гентамицин. В настоящее время открывают все новые и новые антибиотики. 6 Однако поиск новых антибиотиков - процесс длительный, кропотливый и дорогостоящий. Термин «антибиотик» (от греч. «анти» - против, «биос» - жизнь) впервые был предложен американским микробиологом С.А. Ваксманом в 1942 г, получивший в 1952 году Нобелевскую премию за открытие стрептомицина. Этим термином он обозначил «химические вещества, образуемые микроорганизмами, которые обладают способностью подавлять рост или даже разрушать бактерии и другие микроорганизмы». Однако З.В. Ермольева дала более широкое толкование этому понятию: «антибиотики – это вещества природного происхождения, обладающие выраженной биологической активностью. Они могут быть получены из микробов, растений, животных тканей и синтетическим путем». Таким образом, в науке возникло и стало развиваться новое направление – учение об антибиотиках. Требования, предъявляемые к антибиотикам Все используемые на сегодняшний день или находящиеся в стадии апробации химиотерапевтические средства должны отвечать следующим требованиям: 1. высокая избирательность антимикробного эффекта в дозах, нетоксичных для организма; 2. отсутствие кумулятивного эффекта при сохранении стабильности внутри макроорганизма; 3. сохранение антимикробного эффекта в жидкостях организма и тканях, отсутствие или низкий уровень инактивации белками сыворотки крови, тканевыми энзимами; 4. хорошее всасывание, распределение и выведение препарата, обеспечивающие терапевтические концентрации в крови, тканях и жидкостях организма, которые должны быстро достигаться и поддерживаться в течении длительного периода; при этом особое значение 7 имеет создание высоких концентраций в моче, желчи, кале, очагах поражения; 5. удобная лекарственная форма для различных возрастных групп и локализации процесса, обеспечивающая максимальный эффект и стабильность в обычных условиях хранения. Классификация антибиотиков По происхождению антибиотики можно разделить на пять групп: 1. Антибиотики, образуемые грибами и лишайниками. Грибы и лишайники являются продуцентами активных антибиотиков. Например, в культуральной жидкости грибов Penicillium notatum содержится пенициллин, Cephalosporium acremonium – цефалоспорин. 2. Антибиотики, образуемые актиномицетами. Эти препараты получили наиболее широкое применение в медицинской практике. Из культуральных жидкостей некоторых актиномицетов были выделены следующие антибиотики: стрептомицин, неомицин, канамицин, хлортетрациклин, хлорамфеникол, эритромицин, леворин, новобиоцин, рифамицин, нистатин, гентамицин. 3. Антибиотики, выделенные из бактерий. Эта группа антибиотиков немногочисленна и имеет меньшее практическое значение, так как их эффективность значительно ниже, чем антибиотиков грибкового и актиномицетного происхождения. К ним относятся грамицидин, колицин, пиоцианин, субтилин, полимиксины и др. Продуценты таких антибиотиков – бактерии-сапрофиты с ярко выраженной биохимической активностью. Однако большинство этих препаратов токсичны при парентеральном введении, поэтому в основном их применяют местно. 4. Антибиотики животного происхождения. К этой группе препаратов относятся биологически активные вещества, выделяемые животными тканями. Эти вещества обладают не только антибиотическим действием, но и активизируют защитные силы макроорганизма, что позволяет 8 применять их как для лечения, так и для профилактики ряда заболеваний. К ним относятся эритрин, содержащийся в эритроцитах различных животных, экмолин, полученный из тканей рыб, лизоцим – полисахарид, выделенный из яичного белка, слюны. 5. Антибиотики растительного происхождения. Многие растения выделяют ряд биологически активных веществ – фитонцидов, которые способствуют защите растений от возбудителей различных заболеваний. Фитонциды открыты Б.П. Токиным в 1928 г. Наибольшими антибиотическими свойствами обладают фитонциды лука, чеснока, хрена, горчицы, алоэ, плодов можжевельника, почек березы, листьев черемухи, листьев эвкалипта и некоторых других растений. Они подавляют жизнедеятельность сарцин, стафилококков, стрептококков, кишечной палочки, протея и ряда других микроорганизмов. Некоторые фитонциды выделены в чистом виде. Например, аллицин, полученнный из чеснока, подавляет рост грамположительных и грамотрицательных бактерий, а рафанин выделенный из семян редиски, действует на грамположительные и грамотрицательные бактерии в разведении 1:100. Из зверобоя пронзеннолистного получен иманин, который применяется для лечения инфицированных ран и тяжелых ожогов. По антимикробному спектру все антибиотики разделяют на две группы: узкого и широкого спектра действия. К антибиотикам узкого спектра относятся препараты, действующие только на определенную группу микроорганизмов. Например, бензипенициллин оказывает губительное действие только на гноеродные кокки, некоторые грамположительные бактерии и спирохеты. Сюда же относятся полиеновые антибиотики (нистатин, леворин, амфотерицин В), обладающие антимикробным действием только в отношении некоторых грибов и простейших. Антибиотики с широким спектром действия обладают антибактериальной активностью в отношении многих грамположительных и грамотрицательных бактерий. К ним относятся цефалоспорины третьего 9 поколения, тетрациклины, левомицитин, аминогликозиды, макролиды, рифампицин. По характеру действия на микроорганизмы антибиотики делятся на бактерицидные, приводящие к гибели микробной клетки (пенициллины, цефалоспорины, аминогликозиды, полипептиды), и бактериостатические, которые задерживают рост и размножение возбудителей (тетерациклины, макролиды, левомицетин и др.). Общим для всех антибиотиков является то, что они влияют на микроорганизмы в фазе активного роста и размножения. Это связано с тем, что антибиотики вмешиваются в метаболизм клеток и никогда не повреждают готовые структуры покоящихся форм. Этим можно объяснить их опережающее воздействие на патогенные бактерии при относительно слабом влиянии на нормальную микрофлору. Патогенетически значимая колонизация требует от возбудителей быстрого размножения и усиленной метаболической активности. Это повышает уязвимость микроорганизмов для антимикробных агентов. Лишь длительное применение антибиотиков, поддерживающих их действующую концентрацию в организме, создает угрозу умеренно и малоактивным бактериям. Поэтому антибиотики менее эффективны при хронических, чем при острых инфекциях. По механизму действия на микроорганизмы их можно разделить на несколько основных групп (рис. 1): 1. Антибиотики, ингибирующие синтез клеточной стенки (муреина) – β-лактамы (пенициллины, цефалоспорины, монобактамы и карбапенемы), гликопептиды. 2. Антибиотики, нарушающие функционирование цитоплазматической мембраны (полипептиды, полиены). 3. Антибиотики, подавляющие белковый синтез (тетрациклины, хлорамфеникол (левомицетин), аминогликозиды, макролиды, линкозамиды и стрептограминовые антибиотики (МЛС группа)) 10 4. Антибиотики, избирательно подавляющие синтез нуклеиновых кислот (рифампицин). Получение антибиотиков Существует три основных способа получения антибиотиков: 1. Биологический синтез. Таким образом получают природные антибиотики – натуральные продукты ферментации, когда в оптимальных условиях культивируются микробы-продуценты, которые выделяют антибиотики в процессе своей жизнедеятельности. 2. Биосинтез с последующей химической модификацией. Так создаются полусинтетические антибиотики. Сначала путем биосинтеза получаются природные антибиотики, а затем его первоначальная молекула видоизменяется путем химической модификации, например, присоединяются определенные радикалы, в результате чего улучшается противомикробные и фармакологические характеристики препарата. 3. Химический синтез. Таким образом получают синтетические аналоги природных антибиотиков, например, хлорамфеникол/левомицетин. Это вещества, которые имеют такую же структуру, как и природные антибиотики, но их молекулы синтезированы химически. В настоящее время широкое применения нашли антибиотики, полученные биосинтетическим путем. Путем направленного синтеза создаются полусинтетические аналоги естественных антибиотиков, в которых сохраняются их основные свойства в сочетании с дополнительными: устойчивость к действию микробных ферментов, продуцируемых резистентными штаммами, расширение спектра действия микроорганизмов. , а естественных антибиотиков с новыми. Особенности строения клеточной стенки грамотрицательных бактерий У грамотрицательных бактерий клеточная стенка ограничена двумя мембранами: наружной и внутренней (цитоплазматической). Наружная мембрана защищает клетку от литических ферментов, ингибиторов, многих антибиотиков, солей желчных кислот и др., и в то же время обеспечивает обмен 11 с окружающей средой питательными веществами и продуктами метаболизма. В связи с этим она устроена так, что является эффективным барьером для липофильных и достаточно высокомолекулярных соединений (обычно превышающих 600 Da) и проницаема для низкомолекулярных гидрофильных веществ. Особенности строения клеточной стенки грамотрицательных бактерий представлены на рис. 3. В состав клеточной стенки грамотрицательных бактерий входит липополисахарид (ЛПС), который составляет внешний слой наружной мембраны. Молекула ЛПС состоит из трех частей: липида А, олигосахаридного остова и О-специфического полисахарида. Синтез этих частей происходит раздельно на плазматической мембране, затем происходит их соединение, перенос к наружной мембране и включение в нее. Наружная мембрана грамотрицательных бактерий содержит ряд белков. Одни из них представляют собой порины, такие как OmpC, OmpF и PhoE в случае E.coli, которые олигомеризуются, образуя в мембране каналы (поры) для транспорта ионов и мелких молекул. Аналогичные пориновые белки описаны у Salmonella, Neisseria, Haemophillus, Pseudomonas, и Rhodobacter capsulatis. Количество и тип порина может изменяться с изменением условий окружающей среды, таким образом бактериальная клетка регулирует проницаемость наружной мембраны в ответ на внешний стимул. Порины - необычные мембранные белки: они имеют аминокислотный состав более полярный, чем водорастворимые белки; не содержат протяженных гидрофобных участков в полипептидной цепи, которые обычно присутствуют в интегральных белках плазматических мембран; и имеют бета-складчатую структуру в противоположность альфа-спиральной структуре большинства других мембранных белков. Несмотря на низкую степень гомологии первичной последовательности поринов из разных бактерий, их пространственные структуры подобны. 12 Молекула порина состоит из трех идентичных мономеров, т.е. является тримером. Каждый мономер представляет собой цилиндр, образованный 16-18 антипараллельными бета-тяжами, который окружает водонаполненный канал. Петли, соединяющие бета-тяжи, которые расположены со стороны периплазмы, очень короткие и содержат полярные остатки, в то время, как более длинные внешние петли богаты заряженными аминокислотами и свернуты в более сложные структуры. Доступ в канал с внешней стороны ограничен одной из наружных петель, которая погружена в пору, ограничивая ее размер и образуя сужение, “глазок”. Таким образом, канал имеет широкие вход и выход и узкую центральную часть. Заряженные остатки, локализованные в области “глазка”, сильно влияют на ион-селективность и проницаемость канала. Каналы, образованные поринами, могут переключаться между открытым и закрытым состояниями. Три канала в тримере открываются высоко кооперативным образом. Они достаточно пластичны: могут существовать в двух и более конфигурациях. В настоящее время не известно, какие участки молекулы порина ответственны за динамические свойства каналов. Порины иммуногенны, они являются протективными антигенами. В этом качестве порины обладают рядом преимуществ перед традиционно применяемыми липополисахаридами: они являются видоспецифическими антигенами, иммунный ответ к ним носит Т-зависимый характер, они не токсичны. Эти обстоятельства в последние годы привели к созданию на основе поринов эффективных препаратов для защиты от ряда инфекций. Порины синтезируются на полисомах на внутренней стороне плазматической мембраны в виде белков-предшественников, которые затем переносятся через плазматическую мембрану секреторной системой (Sec) с участием белка SecB в качестве шеперона (белка-помощника), после чего с участием сигнальной пептидазы I превращаются в зрелые порины. Правильную ориентацию поринов в наружной мембране обеспечивают внутренние сигналы прекращения переноса. В результате этот белок пронизывает наружную мембрану в виде многочисленных петель, и 13 антипараллельные β-цепи в составе его молекулы образуют в мембране структуры наподобие бочонка. Поры в наружной мембране служат для специфичного транспорта в клетку растворенных веществ, таких как фосфат (белок PhoE у E.coli, белок PhoР у Pseudomonas), глюкоза (белок PhoD у Pseudomonas) или мальтоза (белок LamB у E.coli), либо для менее специфичного транспорта мелких молекул (белки OmpC и OmpF у E.coli). Первые белки названы специфическими поринами, вторые – общими поринами. Синтез поринов коррелирует с синтезом ЛПС. Включение поринов в наружную мембрану происходит в тесной ассоциации с ЛПС и сопровождается образованием поры. По-видимому, ЛПС важен для синтеза и функции поринов. |