β-лактамы являются наиболее часто назначаемыми антибиотиками как в стационарных, так и в амбулаторных условиях.
Этот обширный класс, включающий пенициллины, цефалоспорины, карбапенемы и монобактамы, включает как антибиотики первой линии для многих амбулаторных случаев, так и препараты, предназначенные для случаев, когда другие схемы лечения оказались безуспешными. Однако, как и в случае со многими другими антибиотиками, устойчивость к β-лактамам стала распространенным эволюционным следствием их применения. Следует отметить неуклонно растущую частоту резистентных инфекций, вызываемых грамотрицательными Enterobacteriaceae. Резистентность при этих инфекциях ассоциируется с более высокой смертностью, отставанием в проведении эффективной терапии и более высокими затратами на здравоохранение. В связи с сокращением числа новых антибиотиков, обусловленным рядом экономических и научных факторов, максимальное повышение эффективности существующих антибиотиков является ключевым фактором для минимизации последствий резистентности.
Одна из стратегий усиления действия существующих антибиотиков против резистентных бактерий заключается в сочетании их с адъювантами, которые могут подавлять механизм резистентности. Устойчивость к β-лактамам у грамотрицательных бактерий в основном опосредована ферментами β-лактамазами (Bla), которые гидролизуют β-лактамное кольцо и инактивируют антибиотик. Ингибиторы Bla могут связываться с активным сайтом фермента, предотвращая гидролитическую активность и восстанавливая чувствительность к антибиотикам. Они используются в комбинации с β-лактамами с момента открытия клавулановой кислоты в 1970-х годах. С тех пор были разработаны ингибиторы с активностью против разнообразных классов β-лактамов, такие как недавно одобренный дурлобактам.
Хотя ингибиторы Bla позволяют проводить клиническое лечение резистентных популяций, использование комбинаций β-лактамов и ингибиторов Bla, как и многих других антибиотиков, носит эмпирический характер. Диагностика распространенных инфекционных заболеваний часто проводится по симптомам, а не по возбудителю инфекции; когда диагностируются конкретные бактерии, это может быть сделано только на видовом уровне; а когда проводится скрининг устойчивости к антибиотикам, он обычно проводится только с конечным измерением временной точки или с использованием одного генного маркера резистентности, что скрывает динамику, влияющую на ход лечения.
В рецептуре наиболее значимые различия между агентами, выполняющими примерно одну и ту же функцию, такими как различные ингибиторы Bla - клавулановая кислота, сульбактам и тазобактам, - заключаются, по-видимому, в их фармакокинетическом сходстве с β-лактамами, с которыми они сочетаются. Такое совместное применение, являющееся следствием нормативной базы для комбинированных препаратов, также ограничивает гибкость дозирования двух компонентов (антибиотика и ингибитора Bla). Все эти реалии приводят к применению унифицированного подхода к назначению антибиотиков.
Однако не все штаммы одинаковы. Например, в предыдущей работе мы продемонстрировали, как признаки на уровне отдельных клеток и кооперативной популяции, позволяющие бактериям выживать после лечения антибиотиками, по-разному влияют на динамику популяции после лечения, и что клинические изоляты различаются по этим признакам. Понимая, как эти различия влияют на результаты лечения, мы сможем лучше оптимизировать терапию с учетом ситуаций и целей, которые в настоящее время недостаточно хорошо учитываются.
Особенно важной задачей является минимизация отбора на резистентность. Однако динамика отбора при лечении β-лактамами, когда присутствуют как резистентные (продуцирующие Bla), так и чувствительные штаммы, может быть сложной. В дополнение к частной выгоде от снижения чувствительности к антибиотикам для клетки-продуцента, чувствительные клетки частично защищены за счет деградации антибиотика резистентными клетками, что превращает производство Bla в «общественное преимущество». Клетки, не участвующие в этом сотрудничестве, могут эксплуатировать своих Bla-продуцирующих соседей, получая выгоду, но не внося свой вклад, что позволяет обеим субпопуляциям выживать после терапии.
Использование ингибитора Bla может изменить направление отбора, уменьшив эту защиту. Так, было обнаружено, что добавление ингибитора Bla вместе с β-лактамом увеличивает долю резистентных клеток в смешанной популяции, что позволяет предположить, что использование ингибиторов Bla может способствовать распространению резистентности к β-лактамам. Однако в другом исследовании было показано, что штаммы, отобранные при высоком соотношении ингибитора и антибиотика, впоследствии оказывались более чувствительными к антибиотику, чем штаммы, отобранные при низком соотношении ингибитора и антибиотика, что позволяет предположить, что Bla-ингибиторы могут снижать отбор на резистентность. Этот кажущийся парадокс подчеркивает необходимость понимания факторов, определяющих динамику отбора бактерий, реагирующих на комбинированное лечение β-лактамами/ингибиторами Bla.
В данной работе мы демонстрируем как динамика уничтожения бактерий β-лактамами и ингибиторами Bla различается у разных штаммов. Затем мы используем количественное моделирование для изучения динамики отбора смешанной популяции чувствительных и резистентных бактерий, реагирующих на комбинированное лечение. Мы показываем, как свойства дозы и штамма влияют на динамику отбора, и разрабатываем упрощенный критерий для ее прогнозирования. Используя сконструированные штаммы и клинические изоляты, мы показываем, что результат комбинированного лечения комбинациями β-лактамов и ингибиторов Bla в целом зависит от степени, в которой резистентность является частной, а не совместной, и показываем, как фенотипическая количественная оценка клональных штаммов может предсказать силу частного преимущества и последующую динамику отбора.
Наш анализ также подчеркивает важность внутриклеточного ингибирования Bla. Существующие рекомендации не делают различий между комбинациями с разными ингибиторами Bla: например, амоксициллин/клавуланат и ампициллин/сульбактам, имеющие в своем составе β-лактамные компоненты с похожими спектрами активности, могут использоваться взаимозаменяемо. Однако наши результаты свидетельствуют о необходимости учитывать проницаемость ингибитора, которая зависит как от бактерии-мишени, так и от конкретного ингибитора, при выборе между эквивалентными в других отношениях препаратами.
При рецидивирующих инфекциях можно даже рассмотреть возможность сочетания более эффективных антибиотиков с комбинациями антибиотик-ингибитор с более проницаемыми ингибиторами. Этот нетрадиционный метод получения различных пар антибиотик-ингибитор в некоторых случаях был успешным в качестве спасительной терапии и позволяет предположить, что одобрение регуляторами комбинаций, в которых наиболее проницаемые из существующих ингибиторов сочетаются с различными антибиотиками, может открыть больше возможностей для успешного лечения. Необходимо также разработать адъюванты, повышающие проникновение ингибитора. Уже было показано, что пермеабилизирующие адъюванты повышают активность различных антибиотиков и даже Bla-ингибиторов; наша работа позволяет предположить, что они также могут повысить способность этих ингибиторов подавлять резистентность.
Принятие решений в клинике часто носит эмпирический и сложный характер. Вместе с усовершенствованием быстрой диагностики на уровне штаммов базы данных штаммов с регистрацией их ключевых параметров позволят разработать алгоритмы, которые смогут давать оптимальные рекомендации по лечению в момент постановки диагноза, а не после длительного периода, в течение которого патоген характеризуется. Такой все более персонализированный подход в конечном итоге позволит принимать более обоснованные клинические решения, учитывающие как потребности конкретного пациента, так и необходимость общества бороться с антибиотикорезистентностью.
