В развитие резистентности вовлечено множество сложных биохимических и физиологических процессов и зачастую отсутствует фундаментальное понимание этих процессов.
Одной из сложностей является влияние сублетальных доз антибиотиков на развитие резистентности и селекцию. В ряде исследований и обзоров описывается и обсуждается мутагенный эффект низких концентраций антибиотиков на бактерии и предполагается, что сублетальные дозы антибиотиков могут способствовать селекции на резистентность путем стимулирования гомологичной рекомбинации, горизонтального переноса генов и индукции SOS-ответа. Было показано, что воздействие сублетальных концентраций антимикробных препаратов также приводит к увеличению числа персистирующих клеток и к обогащению популяции генами резистентности.
Бактерии могут подвергаться воздействию субингибирующих уровней антибиотиков в различных условиях. К ним относятся градиенты концентраций, обусловленные пространственными различиями в организме человека, выделение неабсорбированных антибиотиков в естественную среду и немедицинское использование антибиотиков, например, в сельском хозяйстве или через сточные воды фармацевтических предприятий.
Хинолоны - это мощный класс синтетических антибактериальных препаратов, которые воздействуют на ДНК-гиразу и ДНК-топоизомеразу IV (топо IV). Фторхинолоны (ФХ) - наиболее успешный класс бактериальных топоизомеразных антибактериальных препаратов,однако это привело к росту резистентности, включая регуляцию эффлюксных насосов, резистентности на основе плазмид или мутации в генах гиразы или топо IV. Такая широкая распространенность резистентности привела к пересмотру правил использования хинолонов, а также к тому, что ВОЗ отнесла ФХ к категории «критически важных противомикробных препаратов».
Хотя рост устойчивости к ФХ хорошо задокументирован, есть также свидетельства того, что воздействие субингибиторных уровней хинолонов может привести к резистентности к нехинолоновым антибиотикам, включая множественную лекарственную резистентность. Исследования резистентности у сельскохозяйственных животных, получавших хинолоны, выявили множественную лекарственную устойчивость. Например, 77% изолятов Escherichia coli от доношенных молочных телят, которых лечили энрофлоксацином от диареи и респираторных заболеваний, показали резистентность к трем или более антимикробным препаратам. Исследование влияния энрофлоксацина на комменсальные популяции E. coli у здоровых кур показало, что увеличилось количество изолятов, устойчивых к доксициклину и амоксициллину, а также к энрофлоксацину. Это нашло отражение в исследованиях, изучавших влияние энрофлоксацина на E. coli от кур и индеек. После лечения E. coli от цыплят приобрела множественную лекарственную резистентность, в то время как изоляты от индеек были резистентны к β-лактамам, несмотря на отсутствие воздействия β-лактамов. Однако в этих исследованиях не анализировались механизмы резистентности, поэтому возможно, что полученные результаты не отражают описанную здесь резистентность, вызванную хинолонами.
Непосредственное воздействие на культуры бактерий хинолонами показало схожие результаты. В одном из исследований было показано повышение резистентности чувствительных к хинолонам метициллин-резистентных Staphylococcus aureus к нафциллину при воздействии субингибиторных доз ципрофлоксацина или левофлоксацина. В другой работе было показано, что воздействие норфлоксацина на E. coli MG1655 привело к повышению устойчивости к канамицину и ампициллину, причем авторы предположили, что механизм этой резистентности связан с усилением мутагенеза в результате окислительного стресса, вызванного хинолоном.
Еще одна работа показала, что воздействие на бактериальные культуры сублетальных уровней хинолонов увеличивает частоту мутаций и рекомбинации. В некоторых из этих исследований были обнаружены одноточечные мутации в определенных генах, которые могли бы придать устойчивость к рифампину или триметоприму, что еще больше указывает на возможность возникновения антибиотикорезистентности, индуцированной хинолонами (ФХAR). Причину увеличения числа мутаций связывают с индукцией SOS-ответа (основного бактериального ответа на повреждение ДНК) и одновременным угнетением полимераз, подверженных ошибкам.
При повреждении ДНК рекомбиназа RecA стимулирует автоокисление LexA, что приводит к репрессии SOS-оперона. Это активирует транскрипцию нескольких генов, таких как подверженные ошибкам полимеразы dinB, polB и umuDC, которые «склонны» к мутациям при репарации ДНК. Было показано, что хинолоны активируют SOS-ответ, предположительно за счет образования и высвобождения разрывов ДНК. В результате этого и предположения, что индукция SOS включает активацию транскрипции полимераз, предрасположенных к ошибкам, несколько групп исследовали, вызываются ли мутации, вызванные хинолонами, этими полимеразами. Однако, хотя некоторые из этих мутаций были связаны с SOS-активируемыми полимеразами, вызывающими ошибки, было показано, что другие не зависят от SOS-ответа.
Несмотря на наличие доказательств наличия ФХAR и способности хинолонов влиять на частоту мутаций, недостаточно хорошо изучено, как различные хинолоны приводят к ФХAR и какие мутации связаны с этой индуцированной резистентностью. Потенциально эти результаты имеют важные последствия, поскольку воздействие на бактерии субингибиторных уровней хинолонов может оказать значительное влияние на общую резистентность к антибиотикам в обществе. Используя E. coli в качестве модели, мы попытались ответить на вопрос, как и какой тип резистентности индуцируется сублетальным воздействием хинолонов, а также какую роль SOS-ответ может играть в индукции ФХAR.
Мы провели исследование, используя различные соединения и бактерии, несущие мутацию резистентности к хинолонам в гиразе, мутации, влияющие на SOS-ответ, и мутации в полимеразах, предрасположенных к ошибкам. Природа мутаций устойчивости к антибиотикам была определена с помощью полногеномного секвенирования. Воздействие низких уровней большинства протестированных хинолонов привело к мутациям, обеспечивающим резистентность к хлорамфениколу, ампициллину, канамицину и тетрациклину. Мутации включали точечные мутации и делеции и в основном могли быть соотнесены с фенотипом резистентности. ФХAR зависела от ДНК-гиразы и включала SOS-ответ, но не зависела от полимераз с ошибками.
Среди протестированных хинолонов только моксифлоксацин не проявил значительного эффекта ФХAR. Мы предполагаем, что отсутствие ФХAR у моксифлоксацина может быть связано с тем, что он действует по другому механизму. Помимо опасений по поводу резистентности к другим соединениям, ФХAR представляет собой дополнительную проблему, связанную с использованием хинолоновых антибактериальных препаратов.
