Развитие и распространение генов резистентности к антибиотикам (ARG), являющихся генетической основой резистентных к препаратам бактериальных штаммов, носит сложный характер.
Лекарственная резистентность связана с наличием в бактериальном геноме генов, которые могут продуцировать фенотипы лекарственной резистентности. При этом разные роды, виды и штаммы могут демонстрировать различные фенотипы резистентности к антибиотикам. Распространенность, категории и механизмы резистентности ARG различаются географически и в разных участках тела. Состав кишечных ARGs зависит от многих факторов, а применение антибиотиков оказывает значительное влияние на состав микробиоты кишечника и профиль ARGs в ней. Кроме того, антибиотические препараты могут индуцировать развитие ARGs и способствовать их передаче.
Передача генов между особями, кроме отношений между родителями и потомством, является распространенным явлением и служит важным источником генетического разнообразия, которое называется горизонтальным переносом генов (ГПГ). Микробиом кишечника человека содержит большое количество ARG, которые могут быстро распространяться среди бактериальных патогенов посредством ГПГ. Влияние микробиоты кишечника и ARGs на распространенные хронические заболевания, такие как цирроз печени (ЦП), диабет и хронические заболевания почек (ХЗП), было изучено, были выделены характерные изменения ARGs при различных состояниях болезни, и наблюдается увеличение количества ARGs по мере прогрессирования заболевания.
В данном обзоре мы провели поиск в PubMed и Web of Science по таким ключевым словам, как гены резистентности к антибиотикам, хронические заболевания, микробиом кишечника и горизонтальный перенос генов. Мы обобщили результаты последних исследований, которые выявляют микробиоту кишечника и ARGs при распространенных хронических заболеваниях, таких как ЦП, диабет и ХЗП, и обсудили роль и особенности ARGs в прогрессировании соответствующих заболеваний. Эта публикация должна дать новые основания для разработки индивидуализированных методов лечения, направленных на мониторинг и управление ARGs кишечника при распространенных хронических заболеваниях.
Хронические заболевания включают, но не ограничиваются различными расстройствами, такими как диабет, сердечно-сосудистые заболевания (ССЗ), ХЗП, а также могут включать некоторые хронические инфекции. В долгосрочной клинической прогрессии пациенты с хроническими заболеваниями более уязвимы к различным инфекциям и, следовательно, чаще подвергаются воздействию различных антибиотиков. Однако, как уже говорилось выше, возникновение резистентности к антибиотикам влияет на структуру сообщества, а изменения в микробиоте кишечника, вызванные воздействием антибиотиков, связаны с некоторыми метаболическими заболеваниями.
Состояние заболеваний также может влиять на ARGs, а виды микроорганизмов, специфически связанные с определенными заболеваниями, могут быть хозяевами ARGs. Например, Escherichia coli несет несколько подтипов ARG, поэтому мониторинг ARGs в этой бактерии может помочь в прогнозировании или лечении определенных заболеваний.
Гены резистентности к антибиотикам при циррозе печени
Пациенты с циррозом подвержены инфекциям, и это может быть связано с изменениями в составе микробиоты кишечника у этих пациентов, которые делают их более восприимчивыми к колонизации антибиотикорезистентными бактериями и патогенными видами. Предыдущие исследования показали, что прогрессирующие изменения в микробиоте кишечника пациентов с циррозом сильно связаны с прогрессированием заболевания и плохим прогнозом. Обилие патогенов, экспрессирующих ARGs, увеличивается по мере прогрессирования цирроза. Таким образом, выявление и воздействие на ARGs может улучшить клинические исходы у пациентов с циррозом.
Shamsaddini et al. (2021) исследовали характерные ARGs, которые коррелируют с инфекцией и плохим исходом, в микробиоте кишечника пациентов с циррозом. Резистомы, связанные с патогенными инфекциями, такие как Enterobacteriaceae, Streptococcus spp., Enterococcus spp. и Fusobacterium spp., были более многочисленными у пациентов с циррозом, чем у здоровых контрольных групп, что привело к увеличению количества ARG, связанных с β-лактамазами, ванкомицином и хинолонами, в кишечнике пациентов с циррозом при прогрессировании заболевания. Также были выявлены ARG, связанные с печеночной энцефалопатией (ПЭ) и асцитом.
У пациентов с ПЭ по сравнению с пациентами без ПЭ наблюдалось более высокое содержание ARG, связанных с β-лактамазами, резистентностью к ванкомицину и бактериальным РНК-полимеразным связывающим белком RbpA, в то время как генов резистентности к хинолонам было меньше, чем у пациентов без ПЭ. Это исследование также показало, что асцит связан с увеличением количества Pseudomonas, Serratia и Clostridium perfringens в кишечнике. Количество ARG увеличивается в грамположительных бактериях у пациентов с циррозом, и эти ARG отличаются от тех, которые наблюдаются у пациентов с диабетом 2 типа (T2D) и ЦП. Пациенты с циррозом имели большее количество ARGs с более широким спектром резистентности. Эти ARG принадлежали к различным патогенным грамположительным и грамотрицательным бактериям (Qin et al., 2012; Shamsaddini et al., 2021).
Проспективная оценка двух групп европейских пациентов с декомпенсированным циррозом печени показала, что среди пациентов с циррозом печени часто встречаются инфекции, вызванные антибиотикорезистентными бактериями. Среди культурально-позитивных инфекций инфекции, вызванные микроорганизмами с множественной лекарственной резистентностью, составили 29% в 2011 году и 38% в 2017-2018 годах, причем наиболее распространенными бактериями с множественной лекарственной резистентностью были энтеробактерии, продуцирующие β-лактамазы ультраширокого спектра действия. Исследование также показало, что структура антибиотикорезистентности была весьма неоднородной, со значительными различиями в типах бактерий с множественной лекарственной резистентностью в разных странах и медицинских центрах (Fernandez et al., 2019). У европейских пациентов с тяжелыми заболеваниями печени бактериальные инфекции с множественной лекарственной резистентностью стали распространенной и растущей медицинской проблемой, связанной с плохим прогнозом, и предотвращение распространения резистентности к антибиотикам при циррозе имеет решающее значение.
Гены резистентности к антибиотикам при диабете
Предыдущие исследования показали, что состав микробиоты кишечника сильно связан с Т2Д и что микробиота у пациентов с Т2Д меняется в зависимости от уровня глюкозы в крови. Применение антибиотиков нарушает состав микробиоты кишечника, а их длительное использование может повысить риск развития T2D у женщин (Yuan et al., 2020). Исследование большой человеческой когорты выявило подробные профили антибиотикорезистома кишечника при различных заболеваниях, обнаружив новую ассоциацию между резистомом, микробиотой кишечника и прогрессированием T2D (Shuai et al., 2022).
Наиболее обогащенные ARGs в этой когорте включали мультилекарственные, тетрациклиновые и макролид-линкозамид-стрептографин (MLS), причем тетрациклиновый tetQ был наиболее распространенным подтипом ARGs, что больше соответствует предыдущим исследованиям (Hu et al., 2013; Shuai et al., 2022). В связи с общим изменением состава ARGs и микробиоты кишечника в группах здоровых, преддиабета и T2D был предложен новый показатель Diabetes-ARGs Score (DAS). Показатель DAS тесно связан с прогрессированием T2D, а кишечные ARGs могут быть обнаружены в более широком диапазоне видов бактерий по мере прогрессирования заболевания, что может объяснить некоторые патофизиологические механизмы, связанные с T2D.
Было обнаружено 25 ARG, связанных с T2D, и анализ геномной ассоциации выбранных ARG показал, что Vancomycin_vanX, Multidrug_emrE, MLS_ermX и Quinolone_norB положительно коррелируют с высоким риском T2D, и что обилие Quinolone_norB и β-лактамных подтипов увеличивается с прогрессированием диабета. Для этих профилей ARG были созданы генетические инструменты, и генетические предсказания также подтвердили, что более высокое обилие кишечных ARG связано с высоким риском T2D. Также было обнаружено, что изменения в резистентности к антибиотикам предшествовали изменениям в микробиоте кишечника во время прогрессирования T2D, и картина обилия ARG менялась по мере прогрессирования заболевания.
Кишечная антибиотикорезистентность также была связана с фекальными метаболитами; например, DAS и Vancomycin_vanX положительно коррелировали с L-изолейцином и L-лейцином в образцах кала (Wu H. et al., 2020; Shuai et al., 2022). Вышеизложенное подтвердило значительную связь плазменного L-изолейцина и L-лейцина с риском развития диабета в будущем, выявленную в предыдущем исследовании (Wang et al., 2011). Эти результаты показывают новые горизонты между микробиотой кишечника и прогрессированием Т2Д, которые были выявлены при изучении резистентности к антибиотикам, и эти характерные ARG могут стать мишенями для вмешательства в Т2Д в будущих исследованиях.
Гены резистентности к антибиотикам при хронических заболеваниях почек
Состав микробиоты кишечника значительно изменяется у пациентов с ХЗП, и это связано с состоянием воспаления и функцией почек у пациентов с ХЗП. Поскольку пациенты с ХЗП, особенно диализные пациенты, восприимчивы к инфекциям, они считаются резервуарами антибиотикорезистентных патогенов. Антибиотикорезистентные бактерии (АРБ), включая метициллин-резистентный Staphylococcus aureus, ванкомицин-резистентный Enterococcus spp. и несколько грамотрицательных организмов с множественной лекарственной устойчивостью, колонизируют и инфицируют пациентов с ХЗП, которым требуется диализ или трансплантация почки. Более того, повышенная резистентность к антибиотикам положительно ассоциируется с риском инфекции и смерти.
Следовательно, клиницисты должны быть знакомы с местной эпидемиологической историей, связанной с АРБ, и оставаться бдительными к появлению новых моделей резистентности. Дисбаланс микробиоты кишечника может способствовать дальнейшему ухудшению функции почек и привести даже к почечной недостаточности. На животных моделях ХЗП было продемонстрировано, что два микроорганизма, Eggerthella lenta и Fusobacterium nucleatum, могут продуцировать сывороточные уремические токсины и усугублять развитие заболевания почек.
Распространенность некоторых других патогенных бактерий, таких как Klebsiella pneumoniae, Acinetobacter, Enterobacter и Legionella, также увеличивается при ХЗП (Wang X. et al., 2020). При сравнении ХЗП и цирроза было обнаружено, что только семь ARG различаются между группами пациентов с циррозом и ХЗП, а гены β-лактамаз присутствовали в обеих группах заболеваний. Обилие генов резистентности к гликопептидам, ванкомицину, цефалоспоринам и рифамицину было выше у пациентов с циррозом, а обилие АРБ, принадлежащих к широкому спектру грамотрицательных и грамположительных патогенных микроорганизмов, также повышено у пациентов с ХЗП (Wang X. et al., 2020; Shamsaddini et al., 2021).
Обилие ARGs выше у пациентов с циррозом печени, чем у пациентов с ХЗП, и более высокое обилие ARGs связано с высоким использованием антибиотиков и повышенным обилием антибиотикорезистентных патогенов (Su et al., 2018; Shamsaddini et al., 2021). Пациенты с нарушением функции почек подвержены высокому риску инфекций, вызванных организмами с множественной лекарственной резистентностью, и дисфункция почек на момент поступления должна использоваться как сигнал для тщательного мониторинга результатов микробиологических культур в дальнейшем.
Было показано, что у пациентов с ХЗП изменяется как микробиом кишечника, так и экспрессия кишечных генов. Так, у пациентов с ХЗП характерно увеличение количества Proteobacteria на уровне филума, Enterobacteriaceae и Corynebacteriaceae на уровне семейства, Enterococcus и Clostridium на уровне рода, а экспрессия генов, связанных с метаболическим путем триметиламина (ТМА), изменяется при ХЗП. ТМА поглощается печенью и окисляется до триметиламин N-оксида (ТМАО), который в конечном итоге выводится почками. Нарушение функции почек и дисбаланс микробиоты кишечника у пациентов с ХЗП приводит к повышению уровня ТМАО в плазме крови, что повышает сердечно-сосудистый риск у пациентов с ХЗП.
Гены резистентности к антибиотикам при сердечно-сосудистых заболеваниях
Изменения в микробиоте кишечника также связаны с развитием сердечно-сосудистых заболеваний. Некоторые представители семейства Enterobacteriaceae, включая Escherichia coli, Klebsiella spp, и Enterobacter aerogenes, а также бактерии полости рта, такие как Streptococcus spp. и Lactobacillus salivarius, более многочисленны у пациентов с атеросклеротическим сердечно-сосудистым заболеванием (ССЗ), тогда как уровень бактерий, продуцирующих масляную кислоту, таких как Roseburia intestinalis и Faecalibacterium cf. prausnitzii, снижен.
Shuai et al. (2022) также заметили, что различия в резистентности к антибиотикам в кишечнике связаны с кардиометаболическим риском; индексы α-разнообразия ARG кишечника сильно коррелировали с триглицеридами и соотношением общего холестерина и холестерина липопротеинов высокой плотности (ЛПВП), но отрицательно были связаны с холестерином ЛПНП. Дальнейший анализ подтвердил, что эти корреляции не связаны с Т2Д и что более высокое α-разнообразие ARG кишечника связано с более высоким кардиометаболическим риском.
Yuan et al. (2020) предположили, что длительное употребление антибиотиков связано с будущей заболеваемостью сердечно-сосудистыми заболеваниями. Выявление новых вариантов терапии при изменении состава микробиоты кишечника может дать новое направление для будущих методов лечения. В кишечнике есть восемь видов, включая Anaerococcus hydrogenalis, Clostridium asparagiforme, Clostridium hathewayi, которые связаны с накоплением ТМА. Повышенный уровень ТМАО в плазме крови может способствовать ускорению развития хронических заболеваний, включая ССЗ, Т2Д и ЦП, посредством различных механизмов. ТМАО также способствует развитию окислительного стресса в кровеносных сосудах и дисфункции эндотелия. Следовательно, ингибирование выработки ТМАО, метаболита микробиоты кишечника, является новой стратегией лечения ряда распространенных хронических заболеваний.
Гены резистентности к антибиотикам при других хронических заболеваниях
ARGs в микробиоме кишечника могут влиять на работу мозга, и значительные изменения в микробиоте кишечника детей могут стать причиной нарушений нейроразвития. Kovtun et al. изучали распределение ARGs в микробиоме кишечника здоровых детей 3-5 лет и детей с расстройством аутистического спектра (РАС) с помощью метагеномного анализа. Они обнаружили значительные расхождения, характеризующиеся увеличением количества ARG в микробиоме кишечника детей с РАС. Гены aac(6′)-aph(2′) из Enterococcus, cepA-49 из Bacteroides (b-лактамы) и tet(40) из Megasphaera являются тремя специфическими ARGs в РАС (Kovtun et al., 2020).
Другое исследование обнаружило значительные изменения в микробиоте кишечника у пациентов с воспалительными заболеваниями кишечника (ВЗК). Повышенная численность патогенной Escherichia coli показала положительную корреляцию с несколькими ARG, такими как mdtO, mdtP, emrK и т.д., что может ускорить прогрессирование ВЗК. Что касается типов ARG, гены резистентности к бета-лактамам, фосмидомицину, мультипрепаратам и полимиксину были значительно обогащены у пациентов с болезнью Крона (БК) (Xia et al., 2021).
Duvallet et al. (2017) обнаружили, что изменения на уровне 10-15 генов среди микрофлоры кишечника могут привести к развитию и прогрессированию множества заболеваний человека. Тесная связь между ARGs и хроническими заболеваниями предполагает потенциальную ценность мониторинга и оценки микробиоты кишечника и ARGs у пациентов с хроническими заболеваниями.
Современная терапевтическая ситуация в отношении генов резистентности к антибиотикам
Рифаксимин положительно регулирует гены резистентности к антибиотикам в микробиоте кишечника. Воздействие ципрофлоксацина, амоксициллина и метронидазола в течение более 5 дней связано с заметным увеличением численности ARG (Bajaj et al., 2021). Лечение рифаксимином, напротив, положительно коррелирует с обилием полезных таксонов и отрицательно - с обилием резистома Klebsiella spp. и грамотрицательных ARG. Рифаксимин является производным рифамицина, который производится Streptomyces spp. Интересно, что резистом Streptomyces spp. увеличивается у пациентов с циррозом печени по сравнению с пациентами с диабетом или ЦП (Bass et al., 2010; Shamsaddini et al., 2021). Поощрение использования неабсорбируемых энтеральных специфических антибиотиков, таких как рифаксимин, может улучшить прогноз пациентов с циррозом.
Терапия на основе микробиоты
Микробиота кишечника признана потенциальным резервуаром для передачи генов лекарственной резистентности от симбионтов к патогенам. Терапия на основе микробиоты может уменьшить обилие ARGs и ARBs в микробиоме кишечника пациентов, снизить риск инфекций, вызванных ARBs, и уменьшить риск передачи патогенов, несущих ARGs, другим людям (Langdon et al., 2021). Для восстановления биоразнообразия микробных сообществ можно использовать пробиотики, чтобы заменить важные отсутствующие или истощенные виды или штаммы. Пробиотики влияют на резервуар ARG в микробиоте желудочно-кишечного тракта человека антибиотикозависимым образом.
Montassier et al. (2021) показали, что нарушение микробиоты кишечника антибиотиками поддерживает колонизацию пробиотиками, но пробиотики могут усиливать штаммы, несущие гены резистентности к ванкомицину, усугубляя усиление резистома в слизистой оболочке ЖКТ, и сами могут быть резервуаром для усиления резистома в кишечнике. Таким образом, потенциальная передача ARGs через пробиотики в кишечнике человека требует дальнейшей оценки.
Трансплантация фекальной микробиоты
ARG, ассоциированные с плохим исходом, могут быть использованы в качестве прогностических предикторов, а для воздействия на эти ARG могут быть разработаны новые терапевтические стратегии. Трансплантация фекальной микробиоты (FMT) является одной из таких стратегий и связана с уменьшением количества ARGs (Saha et al., 2019; Bajaj et al., 2021). Метагеномный анализ показал, что FMT может уменьшить бремя ARG как у пациентов с циррозом, так и у пациентов без цирроза, а экспрессия ARG в кишечнике была снижена у пациентов с декомпенсированным циррозом после получения капсульной или клизменной FMT. После капсульной FMT у пациентов наблюдалось снижение экспрессии ARG ванкомицина (VanH), бета-лактамазы (ACT) и рифамицина. После приема антибиотиков и клизменной FMT к 15 дню снизилось количество ARG ванкомицина и бета-лактамазы, а также уменьшилось количество генов резистентности к цефалоспориназе cepA, Enterococcus faecalis vanW, линкозамидам (включая клиндамицин) и аминокумарину. Независимо от режима дозирования FMT, в группе с декомпенсированным циррозом наблюдалось значительно меньшее количество ARGs, чем в группах до FMT и без FMT. Кроме того, в группе плацебо со временем увеличилось содержание vanH, но в группе FMT этого не было обнаружено. vanH повышает устойчивость клеточной стенки E. faecium к ванкомицину (Bajaj et al., 2021).
Таким образом, благотворное влияние FMT на снижение количества связанных с патогенами ARGs, наблюдавшееся при других заболеваниях в предыдущих исследованиях, теперь может быть распространено и на прогрессирующий цирроз печени. Мониторинг ARGs должен не только улучшить прогноз, но и позволит выбрать подходящие варианты лечения для более обильных ARGs. Однако для подтверждения того, что FMT снижает резистентность к антибиотикам у пациентов с циррозом, все еще необходимы обширные испытания. Целенаправленное вмешательство в специфические микробиомы посредством FMT также является потенциальной стратегией для лечения ЦП.
Перспективы
Количество, характеристики и функции ARGs, в совокупности называемые резистомом, представляют собой сумму всех ARGs и их предшественников в микробиоте. Следующее поколение исследований резистома обещает бороться с возникающими угрозами резистентности. Мы пришли к выводу, что состав микробиоты кишечника изменяется после антибиотикотерапии с увеличением обилия АРБ, что еще больше увеличивает обилие ARGs в кишечнике. В то время как часть АРБ в микробиоте кишечника была замещена нормальной флорой после FMT, что вызывает снижение численности ARGs.
Кроме того, индивидуальный исходный уровень микробиоты кишечника может влиять на изменения резистома. Если индивидуальный исходный уровень видового разнообразия высок, пациенты с большей вероятностью будут испытывать увеличение количества ARGs во время терапии антибиотиками. Чтобы лучше предсказать влияние отдельных антибиотиков на микробиом кишечника и резистом, необходимы дальнейшие исследования, ориентированные на индивидуальный исходный уровень микробиома кишечника. Применение антибиотиков влияет как на микробиоту кишечника, так и на ARGs, и выявление ARGs, специфичных для конкретного заболевания, должно обеспечить индивидуальные стратегии лечения антибиотиками в клинике.
Например, ген cfxA значительно обогащается в кишечнике пациентов, получающих антибиотикотерапию в течение 1 месяца, и считается потенциальным биомаркером, позволяющим отличить больных от здорового населения (Duan et al., 2020). На сегодняшний день лишь немногие исследования оценивали мониторинг и управление ARGs. Таким образом, необходимы дополнительные исследования для подтверждения эффективности лечения специфических ARGs в кишечнике при различных состояниях заболевания, а также связи между ARGs в кишечнике и метаболитами кала.
Некоторые исследования уже выявили связь между ARGs и хроническими заболеваниями печени, диабетом, ХЗП и ВЗК, но необходимы дополнительные исследования для подтверждения влияния ARGs на прогрессирование заболеваний при этих хронических состояниях и для изучения того, изменяются ли ARGs при других хронических заболеваниях, таких как хронические неврологические заболевания и хронические респираторные заболевания. Мониторинг ARGs особенно важен в управлении хроническими заболеваниями, чтобы минимизировать ущерб для основных комменсальных микроорганизмов, индивидуализированные стратегии лечения, направленные на специфические ARGs кишечника, должны стать новым направлением в будущем.
Присутствие ARGs в микробиоте кишечника лежит в основе растущего провала методов терапии смертельных бактериальных инфекций. Поскольку неправильное использование антибиотиков усугубляет производство и распространение ARGs, ограничение чрезмерного использования антибиотиков является важным инструментом для снижения резистентности к антибиотикам. Лучшее понимание ГПГ в кишечнике поможет открыть новые и эффективные вмешательства для снижения передачи ARGs. Измененная микробиота кишечника и характерные ARGs тесно связаны с развитием болезни при ряде хронических заболеваний. Необходимы дальнейшие исследования для подтверждения влияния ARGs на микробиоту кишечника у пациентов с такими заболеваниями. Новые ARGs все еще появляются, и обнаружение и нацеливание ARGs в качестве целей лечения может изменить прогноз хронических заболеваний. Стремясь уменьшить обилие кишечных ARBs и замедлить патологическое прогрессирование хронических заболеваний, индивидуализированная терапия, направленная на кишечные ARGs, требует большего внимания и дальнейших исследований.
