Czym jest heterooporność i dlaczego budzi niepokój?
W najnowszych badaniach naukowych odkryto istotny mechanizm heterooporności Staphylococcus aureus na ciprofloksacynę, co może mieć kluczowe znaczenie dla skuteczności terapii przeciwbakteryjnych. Heterooporność to zjawisko, w którym niewielka część populacji bakteryjnej wykazuje oporność na antybiotyk, mimo że główna populacja pozostaje wrażliwa, co stanowi poważne wyzwanie w ocenie skuteczności terapeutycznej i może prowadzić do niepowodzenia leczenia.
S. aureus jest jednym z najlepiej znanych patogenów oportunistycznych, powodzącym infekcje u ludzi i zwierząt – od stosunkowo łagodnych zakażeń skóry i tkanek miękkich po poważne, zagrażające życiu choroby, takie jak bakteriemia, infekcyjne zapalenie wsierdzia, zapalenie szpiku kostnego i zapalenie płuc. W 2019 roku S. aureus, należący do grupy patogenów ESKAPE, zajął drugie miejsce wśród głównych patogenów związanych z opornością na leki. Zakażenia MRSA (methicillin-resistant S. aureus) powodują wyższą zachorowalność i śmiertelność niż zakażenia MSSA (methicillin-sensitive S. aureus). W 2019 roku MRSA spowodował ponad 100 000 zgonów z powodu oporności na środki przeciwdrobnoustrojowe.
- Heterooporność to zjawisko, w którym mała część populacji bakterii jest oporna na antybiotyk, podczas gdy główna populacja pozostaje wrażliwa
- S. aureus powoduje szereg poważnych infekcji – od zakażeń skóry po zagrażające życiu bakteriemie
- W 2019 roku szczepy MRSA spowodowały ponad 100 000 zgonów związanych z opornością na antybiotyki
- Standardowe testy wrażliwości mogą nie wykrywać opornych subpopulacji, co prowadzi do niepowodzeń w leczeniu
Jakie mechanizmy kryją się za heteroopornością?
Badacze zidentyfikowali szczep kliniczny S. aureus GD18\_SA\_529, który mimo niskiego minimalnego stężenia hamującego (MIC = 0,125 mg/L) dla ciprofloksacyny, wykazywał zdolność tworzenia subpopulacji mogących rosnąć przy stężeniach 8-krotnie wyższych (1 mg/L). Wyizolowana subpopulacja oporna (nazwana 529\_HR) charakteryzowała się stabilnym fenotypem oporności oraz wolniejszym tempem wzrostu w porównaniu do szczepu macierzystego, co może przyczyniać się do przetrwałych, nawracających infekcji. Podobne zjawisko wolniejszego wzrostu obserwowano wcześniej w przypadku szczepów S. aureus heteroopornych na wankomycynę oraz w przypadku Acinetobacter baumannii wykazującego heterooporność na kolistynę.
Co ciekawe, analiza całego genomu nie wykazała mutacji w genach zwykle związanych z opornością na fluorochinolony, takich jak gyrA czy parC. Zamiast tego, badanie transkryptomu ujawniło dwa kluczowe mechanizmy odpowiedzialne za heterooporność: nadekspresję genu mepA kodującego pompę wypompowującą antybiotyk oraz obniżoną ekspresję genów związanych z utrzymaniem potencjału błonowego (qoxA, qoxB, qoxC, qoxD, mprF). Pomiar potencjału błonowego bezpośrednio potwierdził, że w subpopulacji opornej był on dziewięciokrotnie niższy niż w szczepie macierzystym.
Wiele badań wskazuje, że pompy wypompowujące z rodziny MATE, w tym mepA, są związane z opornością na ciprofloksacynę. Badacze przeanalizowali potencjalną rolę mepA w mechanizmie heterooporności S. aureus na ciprofloksacynę i odkryli, że poziom ekspresji mepA w heteroopornej subpopulacji był znacząco wyższy niż w szczepach rodzicielskich, co sugeruje, że zwiększona ekspresja mepA może być przyczyną heterooporności.
Szczególnie istotne z perspektywy klinicznej okazało się zastosowanie limonenu – naturalnego związku będącego inhibitorem pompy MepA. Limonen jest metabolitem wtórnym w fitochemii, występującym w składzie olejków eterycznych roślin aromatycznych, takich jak Micrantha i estragon. W obecności limonenu w stężeniu 640 mg/L, MIC ciprofloksacyny dla opornej subpopulacji zmniejszył się z 1 mg/L do 0,06 mg/L, przywracając wrażliwość na poziomie porównywalnym do szczepu macierzystego. Limonen znacząco zmniejszył także frakcję przeżywających bakterii w populacji heteroopornej, choć nie eliminował całkowicie fenotypu heterooporności.
- Zidentyfikowano dwa główne mechanizmy heterooporności:
\- Nadekspresja genu mepA (pompa wypompowująca antybiotyk)
\- Obniżona ekspresja genów odpowiedzialnych za potencjał błonowy - Limonen (naturalny związek występujący w olejkach eterycznych) może działać jako inhibitor pompy MepA i przywracać wrażliwość bakterii na ciprofloksacynę
- Oporne subpopulacje charakteryzują się wolniejszym tempem wzrostu, co może przyczyniać się do przetrwałych infekcji
Jakie wyzwania stoją przed klinicystami?
Dodatkowo, wiele doniesień wiąże zmiany potencjału błonowego z opornością na antybiotyki. W badaniu stwierdzono, że potencjał błonowy w 529\_HR był niższy niż w 529, co prawdopodobnie było spowodowane obniżoną regulacją genów związanych z potencjałem błonowym w 529\_HR. W S. aureus mutacje w tych genach zmniejszają potencjał błonowy i śmiertelne działanie gentamycyny. Subklony heterooporności mogą wytwarzać fenotypy heterooporności poprzez zmniejszenie potencjału błonowego i aktywności metabolicznej, co sugeruje, że zmniejszony potencjał błonowy również przyczynia się do heterooporności.
Wyniki te wskazują na złożony mechanizm heterooporności S. aureus na ciprofloksacynę, obejmujący zarówno aktywne usuwanie antybiotyku przez pompy wypompowujące, jak i zmiany w potencjale błonowym, które mogą zmniejszać wnikanie leku do komórki bakteryjnej. Jest to pierwsze doniesienie o heterooporności S. aureus na ciprofloksacynę w Chinach, co podkreśla konieczność uwzględnienia tego zjawiska w diagnostyce i leczeniu zakażeń wywołanych przez ten patogen.
Dla klinicystów odkrycie to ma istotne implikacje praktyczne. Standardowe testy wrażliwości na antybiotyki mogą nie wykrywać subpopulacji opornych, co może prowadzić do błędnej oceny skuteczności terapeutycznej. Heterooporność stanowi poważne wyzwanie dla oceny efektów terapeutycznych antybiotyków na bakterie chorobotwórcze, a wykrywane klinicznie minimalne stężenia hamujące czasami nie hamują wzrostu patogenu, co prowadzi do niepowodzenia leczenia i zagraża bezpieczeństwu współczesnej medycyny. Heterooporność może być również pośrednim etapem w kierunku rozwoju oporności.
Ponadto, identyfikacja limonenu jako potencjalnego inhibitora heterooporności otwiera możliwości terapii kombinowanej, która mogłaby przezwyciężyć mechanizmy oporności i poprawić skuteczność leczenia ciprofloksacyną. Badanie to podkreśla również znaczenie analizy transkryptomu i badania mechanizmów metabolicznych w zrozumieniu oporności bakteryjnej, wykraczając poza tradycyjne podejście skoncentrowane wyłącznie na mutacjach genetycznych. Zmniejszony potencjał błonowy i nadekspresja pomp wypompowujących mogą stanowić istotne cele dla nowych strategii terapeutycznych mających na celu przezwyciężenie oporności bakteryjnej.
Dalsze badania nad mechanizmami heterooporności oraz opracowanie skutecznych metod jej wykrywania w warunkach klinicznych będą kluczowe dla optymalizacji terapii przeciwbakteryjnych i ograniczenia rozprzestrzeniania się oporności na antybiotyki wśród patogenów takich jak S. aureus.
Podsumowanie
Badania naukowe ujawniły istotny mechanizm heterooporności Staphylococcus aureus na ciprofloksacynę, który polega na występowaniu opornych subpopulacji bakterii w obrębie wrażliwej populacji głównej. Kluczowe odkrycia wskazują na dwa główne mechanizmy odpowiedzialne za to zjawisko: nadekspresję genu mepA kodującego pompę wypompowującą antybiotyk oraz obniżoną ekspresję genów związanych z utrzymaniem potencjału błonowego. Istotnym elementem badań było zidentyfikowanie limonenu jako potencjalnego inhibitora pompy MepA, który może przywracać wrażliwość bakterii na antybiotyk. Heterooporność stanowi poważne wyzwanie diagnostyczne, gdyż standardowe testy wrażliwości mogą nie wykrywać opornych subpopulacji, co prowadzi do niepowodzeń w leczeniu. Zjawisko to jest szczególnie niepokojące w kontekście S. aureus, patogenu odpowiedzialnego za poważne infekcje i wysoką śmiertelność, zwłaszcza w przypadku szczepów MRSA.
Bibliografia
Li Mengyuan, Jian Qianting, Ye Xinyi, Jing Mou, Wu Jia’en, Wu Zhihong, Ruan Yali, Long Xiaoling, Zhang Rongmin, Ren Hao, Sun Jian, Liu Yahong, Liao Xiaoping and Lian Xinlei. Mechanisms of
