Резистентность Pseudomonas aeruginosa к антимикробным препаратам: клинические последствия, современные тенденции резистентности и инновации в терапии (аннотация)Резистентность Pseudomonas aeruginosa к антимикробным препаратам: клинические последствия, современные тенденции резистентности и инновации в терапии
Распространенное присутствие P. aeruginosa в нозокомиальных условиях не ограничивается ее ролью колонизатора биотических и абиотических поверхностей, но распространяется и на ее способность образовывать биопленки на медицинских устройствах, имплантатах и инструментах, повышая тем самым риск инфекций у госпитализированных пациентов.
Кроме того, серьезную озабоченность вызывает способность P. aeruginosa к развитию множественной лекарственной резистентности (MDR), поскольку этот микроорганизм противостоит широкому спектру классов антибиотиков, включая аминогликозиды (амикацин, гентамицин и тобрамицин), фторхинолоны (ципрофлоксацин, офлоксацин и норфлоксацин), карбапенемы и тетрациклины.
Помимо клинического воздействия, P. aeruginosa распространяет свое господство на сферу экологической микробиологии. Вездесущая бактерия, обитающая в окружающей среде, преодолевает различные экологические ниши с удивительной адаптивностью, чему способствует геном, характеризующийся пластичностью и высокой пищевой универсальностью. В этом генетическом разнообразии заложен обширный спектр врожденных и приобретенных механизмов резистентности, которые в совокупности способствуют впечатляющей способности бактерий противостоять антимикробным препаратам.
Понимание сложности механизмов резистентности и их взаимодействия в популяции P. aeruginosa имеет первостепенное значение для разработки целевых терапевтических вмешательств, особенно в контексте штаммов с MDR. Наше исследование мира P. aeruginosa позволит прояснить адаптивные стратегии, которые обуславливают ее устойчивость в клинических условиях и окружающей среде. В этом стремлении к знаниям наша задача - организовать всеобъемлющее обобщение текущей эпидемиологической ситуации, связанной с Pseudomonas aeruginosa, изучить широко распространенную проблему резистентности к противомикробным препаратам и лежащие в ее основе механизмы, а также создать путь для открытия альтернативных противомикробных средств, направленных на эту бактерию.
Патогенность и антимикробная резистентность Pseudomonas aeruginosa
Клинические последствия инфекций, вызванных P. aeruginosa, очень велики, особенно среди уязвимых групп населения, таких как критически больные пациенты, люди с ослабленным иммунитетом, а также очень молодые и пожилые люди. Она считается четвертым по частоте нозокомиальным патогеном и одной из опасных для жизни бактерий, демонстрирующих высокий уровень смертности среди пациентов с ослабленным иммунитетом. Влияние P. aeruginosa и ее значимость были признаны уже давно. Однако серьезности ситуации добавляет тревожный всплеск доли резистентных изолятов P. aeruginosa в последние годы.
По данным исследований, проведенных в Китае, распространенность инфекций, связанных с P. aeruginosa, в третичных медицинских учреждениях составила 28,7% и по частоте выделения она занимает второе место после Acinetobacter baumannii. По данным другого обсервационного исследования, P. aeruginosa составляет 16,2% инфекций у пациентов отделений интенсивной терапии и является причиной 23% всех инфекций, перенесенных в отделениях интенсивной терапии, причем наиболее частым местом заражения P. aeruginosa является респираторный источник.
Резистентность к таким ключевым антибиотикам, как карбапенемы, хинолоны и цефалоспорины 3-го поколения, значительно возросла. В 2006 году был выделен особый пан-резистентный штамм P. aeruginosa (PDR), который оказался резистентным практически ко всем доступным антимикробным препаратам, включая цефепим, цефтазидим, имипенем, меропенем, пиперациллин-тазобактам, ципрофлоксацин и левофлоксацин. Появление "неустранимых" инфекционных агентов предвещает серьезные последствия эры антибиотикорезистентности, что подчеркивают многочисленные организации общественного здравоохранения.
Многочисленные исследования, проведенные в последующие годы, продолжали демонстрировать профиль резистентности P. aeruginosa. Показатели резистентности к различным антимикробным препаратам, включая цефепим, пиперациллин, ципрофлоксацин, левофлоксацин, гентамицин и амикацин, демонстрировали тревожные тенденции. Восточные и южные районы Европы, особенно Германия, Венгрия и Словакия, сообщали о высоком проценте резистентности P. aeruginosa. К 2015 году также возросла резистентность к цефалоспоринам третьего и четвертого поколений, таким как цефтазидим и цефепим.
В исследовании 2016 года было отмечено участие P. aeruginosa в нозокомиальных инфекциях, среди которых преобладали ИМП. О глобальном масштабе проблемы резистентности P. aeruginosa свидетельствуют исследования, проведенные в Индии, где были получены данные о показателях лекарственной резистентности к различным антибиотикам, отражающие тревожную тенденцию к росту. Чувствительность штаммов P. aeruginosa к колистину, одному из антибиотиков последнего резерва, оставалась относительно высокой, в то время как чувствительность к другим широко используемым противопсевдомонадным препаратам снижалась.
Распространенность штаммов с MDR еще больше усложнила возможности лечения, и были отмечены высокие уровни резистентности к таким антибиотикам, как хинолоны и аминогликозиды. Согласно ежегодному отчету Европейского центра профилактики и контроля заболеваний, 18,7% всех изолятов P. aeruginosa были резистентны к карбапенемам, а 13,4% были устойчивы к трем и более классам антимикробных препаратов. Кроме того, сообщения из ветеринарной медицины и сельского хозяйства указывают на ситуацию, когда резистентность наблюдается даже к карбапенемам, считающимся одними из самых мощных антибиотиков. Учитывая продолжающееся развитие резистентности к антимикробным препаратам у штаммов P. aeruginosa, все острее встает вопрос о разработке инновационных вариантов терапии. Появление и широкое распространение штаммов PDR подчеркивает серьезность этой проблемы.
Своей удивительной вирулентностью Pseudomonas aeruginosa обязана внушительному набору факторов, которые позволяют ей инициировать и поддерживать инфекции, особенно у людей с ослабленным иммунитетом. Эти факторы вирулентности формируют когерентность патогенности, усиливая способность бактерии колонизировать, инвазировать и персистировать в тканях хозяина. При более детальном рассмотрении этих факторов раскрываются сложные механизмы, с помощью которых P. aeruginosa наносит ущерб.
Альгинат и образование биопленок: у пациентов с хроническими респираторными инфекциями P. aeruginosa вырабатывает уникальный экзополисахарид, известный как альгинат. Этот полисахарид служит адгезивом, позволяя бактерии прилипать к поверхностям, и обеспечивает защиту от негостеприимных условий окружающей среды. P. aeruginosa также выделяет альгинат-лиазу - фермент, способный расщеплять альгинат на более короткие олигосахаридные единицы. Это динамическое взаимодействие между производством и расщеплением альгината играет ключевую роль в патогенности P. aeruginosa.
Адгезия и подвижность: P. aeruginosa инициирует инфекцию путем связывания с ганглиозидами на эпителиальных поверхностях хозяина. Этому взаимодействию способствуют липополисахариды (ЛПС) и бактериальные адгезины, включая пили IV типа и жгутики. Пили типа IV служат для обеспечения адгезии и облегчения "дергающейся подвижности". Эта уникальная форма движения позволяет бактерии преодолевать поверхности клеток хозяина, значительно усиливая развитие биопленок - критический аспект патогенности P. aeruginosa.
Система секреции III типа (T3SS): прикрепляясь к клеткам хозяина, P. aeruginosa активирует свою систему секреции III типа, создавая канал, через который цитотоксические эффекторные белки попадают в цитозоль клетки хозяина. При этом вырабатываются четыре типа токсинов: ExoS, ExoT, ExoU и ExoY. Эти токсины обладают различными способностями, такими как активность протеиназ GTP, активность ADP-рибозил трансферазы (ADPRT), активность аденилатциклазы и даже расщепление мембранных фосфолипидов, что наблюдается у ExoU, обладающего мощной активностью фосфолипазы A2 (PLA2). Эти токсины в совокупности вызывают воспаление и нарушают функции клеток хозяина.
Экзотоксин А: P. aeruginosa выделяет экзотоксин А - ADPRT, который нарушает синтез белка, ингибируя фактор элонгации 2 (EF2) хозяина. Это нарушение приводит к гибели клеток, что еще больше усиливает патогенные эффекты.
Липазы и фосфолипазы: липазы и фосфолипазы, продуцируемые P. aeruginosa, способствуют патогенности, растворяя липиды поверхностно-активных веществ и фосфолипиды мембран клеток хозяина. Это разрушительное действие нарушает целостность клетки хозяина, способствуя бактериальной инвазии.
Пиоцианин и пиовердин: сине-зеленый пигмент пиоцианин играет ключевую роль в патогенности, вызывая окислительный стресс в клетках хозяина. Он разрушает каталазу и электронно-транспортную систему хозяина, подавляя фагоцитоз. Пиовердин также нарушает электронно-транспортные пути хозяина и систему окислительно-восстановительного цикла, ухудшая работу иммунной системы.
Система секреции VI типа (T6SS): состоящая из вариантов H1, H2 и H3, T6SS повышает выживаемость и вирулентность P. aeruginosa. H1-T6SS играет роль в антимикробной активности, в то время как H2 и H3-T6SS обеспечивают взаимодействие как с прокариотическими, так и с эукариотическими клетками.
Эластазы: два типа эластаз, LasA и LasB, вносят свой вклад в патогенез P. aeruginosa. LasA гидролизует пента-глициновый мостик, имеющий решающее значение для стабилизации пептидогликана в клеточной стенке. LasB, напротив, отвечает за опсонизацию белков A и D легочного сурфактанта.
Понимание генетического сходства и распространения клонов P. aeruginosa имеет первостепенное значение как для локального инфекционного контроля, так и для глобального надзора за общественным здравоохранением. Для оценки генетического родства между штаммами P. aeruginosa применялись различные методы, отличающиеся по стоимости, трудоемкости и дискриминационной способности. Эти методы служат важнейшими инструментами не только для борьбы с локальными вспышками, но и для выявления успешных международных клонов.
Традиционные методы, такие как серотипирование и фаговое типирование, основаны на различной чувствительности изолятов к стандартным бактериофагам, хотя и менее дискриминационны, ценны для управления локальными вспышками. Пиоциновое типирование предполагает характеристику штаммов на основе их восприимчивости к пиоцинам - антибактериальным белкам, вырабатываемым P. aeruginosa. Этот метод обладает умеренной дискриминационной способностью. Молекулярные методы, такие как импульсно-полевой гель-электрофорез, полевой инверсионный гель-электрофорез и полимеразная цепная реакция со случайной амплификацией полиморфной ДНК, обеспечивают более высокую дискриминационную способность и часто используются при расследовании локальных вспышек.
Олигонуклеотидные микрочипы позволяют одновременно анализировать множество генов, обеспечивая более полную характеристику штаммов. Кроме того, мультилокусное типирование последовательностей (MLST) включает в себя секвенирование определенных генов для выявления генетических различий между изолятами. Оно обеспечивает стандартизированную номенклатуру для сравнения штаммов. Полногеномное секвенирование (WGS) обладает высочайшей дискриминационной способностью и стало золотым стандартом в идентификации международных клонов. Оно позволяет провести комплексный анализ всей генетической структуры микроорганизма.
В настоящее время глобальную угрозу представляют три основных международных клона MDR: ST111, ST175 и ST235. ST111 (серотип O12) и ST235 (серотип O11) продемонстрировали широкое распространение на всех континентах, в то время как ST175 (серотип O4) в основном ограничивается европейскими странами, особенно Испанией и Францией. Клоны ST235 особенно примечательны своей высокой вирулентностью, обусловленной наличием ExoU, мощного цитотоксина. Эти изоляты представляют собой серьезную терапевтическую проблему, поскольку обладают множественной лекарственной резистентностью.
WGS позволила классифицировать изоляты P. aeruginosa на три различных резистотипа: PAO1, PA14 и PA7. PAO1 и PA14 характеризуются наличием T3SS и соответствующих эффекторных токсинов, ExoS (PAO1) и ExoU (PA14). В отличие от них, PA7 не имеет T3SS и использует систему секреции VI типа для выделения экзолизина ExlA, повреждающего клетки окружающих тканей. Интересно, что носительство гена exoU в изолятах P. aeruginosa было связано с резистентностью к аминогликозидам и фторхинолонам, что указывает на возможную связь между вирулентностью и резистентностью к антибиотикам.
Виды резистентности у Pseudomonas aeruginosa
Pseudomonas aeruginosa использует целый спектр механизмов резистентности, бросающих вызов традиционным методам антибиотикотерапии. Внутренняя резистентность, основополагающий признак, закодированный в геноме, включает такие факторы, как низкая проницаемость внешней мембраны, эффлюксные насосы типа Mex и β-лактамаза AmpC. Эти элементы в совокупности создают базальный уровень резистентности, присутствующий у всех штаммов.
Приобретенная резистентность включает мутации, влияющие на мишени антибиотиков, а также приобретение модифицирующих ферментов или плазмид резистентности. Такая приспособляемость позволяет бактерии быстро эволюционировать, подрывая эффективность обычных антибиотиков. Интересно, что P. aeruginosa демонстрирует механизмы адаптивной резистентности, динамично реагируя на стимулы окружающей среды. Эта особенность позволяет бактериям изменять свой профиль резистентности в зависимости от факторов хозяина и сигнальных молекул, что еще больше усложняет стратегии лечения. Взаимодействие этих механизмов резистентности способствует развитию штаммов с MDR, представляющих серьезную угрозу для здоровья населения. Прояснение сложностей этих механизмов необходимо для разработки инновационных методов лечения, способных эффективно бороться с растущими проблемами, связанными с инфекциями, вызываемыми P. aeruginosa.
Инновационные методы лечения резистентности Pseudomonas aeruginosa
Для борьбы с инфекциями P. aeruginosa медицинские работники обычно используют восемь категорий антимикробных препаратов. К ним относятся аминогликозиды (включая гентамицин, амикацин, нетилмицин и тобрамицин), карбапенемы (такие как имипенем, меропенем и дорипенем), цефалоспорины (в частности, цефтазидим и цефепим), фторхинолоны (такие как ципрофлоксацин и левофлоксацин), пенициллины в сочетании с ингибиторами β-лактамаз (включая тикарциллин-клавулановую кислоту и пиперациллин-тазобактам), монобактамы (представленные азтреонамом), фосфоновые кислоты (особенно фосфомицин) и полимиксины (включающие колистин и полимиксин В). Примечательно, что цефтазидим-авибактам и цефтолозан-тазобактам получили одобрение FDA США и доступны для клинического применения. Кроме того, цефидерокол и имипенем-циластатин/релебактам в настоящее время находятся на стадии разработки.
Magiorakos et al. установили критерии классификации штаммов P. aeruginosa на основе их профилей резистентности. Согласно этим критериям, штаммы считаются MDR, если они демонстрируют нечувствительность хотя бы к одному препарату из трех или более категорий антимикробных препаратов. Штаммы классифицируются как штаммы с широкой лекарственной устойчивостью (XDR), если они демонстрируют невосприимчивость хотя бы к одному препарату во всех категориях, кроме двух или менее. И наконец, штаммы классифицируются как панрезистентные (PDR), если они демонстрируют невосприимчивость ко всем перечисленным противомикробным препаратам.
Чрезмерное и неправильное использование антибиотиков вызывает все большую озабоченность в сфере общественного здравоохранения. Такое злоупотребление не только приводит к ненужным побочным эффектам, но и способствует развитию лекарственно-устойчивых бактерий. Проблема усугубляется медленным и ограниченным прогрессом в разработке новых антибиотиков. В результате за последнее десятилетие произошло заметное смещение акцента в сторону инновационных подходов к борьбе с инфекциями, вызванными P. aeruginosa. Эти новые стратегии могут работать как самостоятельно, так и в сочетании с традиционными методами лечения, предлагая разнообразный набор инструментов для борьбы с этими инфекциями.
Природные биоактивные соединения
Природные биоактивные соединения (ПБС) - это метаболиты, происходящие из растений, которые обладают антиоксидантными, противоопухолевыми, противовоспалительными и противомикробными функциями. Исследователи во всем мире активно изучают новые антимикробные средства для борьбы с инфекциями, вызванными P. aeruginosa. В этих исследованиях используются передовые молекулярные методы и тщательный скрининг лекарственных препаратов, чтобы изучить потенциал ПБС в борьбе с P. aeruginosa. Эти ПБС показали перспективность в ингибировании системы кворум сенсинга (QS) P. aeruginosa, тем самым снижая факторы вирулентности и предотвращая образование биопленок - ключевого защитного механизма P. aeruginosa.
Флавоноиды, группа соединений, содержащихся в растениях, играют двойную роль в этом контексте. Они действуют как антиоксиданты для системы хозяина, способствуя общему здоровью без токсичности. Однако при попадании в организм патогенных микробов они также действуют как прооксиданты, вызывая образование реактивных форм кислорода, которые вызывают окислительный стресс у бактерий. Исследователи разработали ингибитор под названием мета-бром-тиолактон (mBTL), направленный на LasR и RhlR, ключевые компоненты системы QS у P. aeruginosa. Этот ингибитор продемонстрировал эффективность как в лабораторных условиях, так и in vivo. Кроме того, флавоноиды были исследованы на предмет их ингибирующего действия на формирование биопленки P. aeruginosa, что указывает на их потенциальную способность нарушать систему QS. Некоторые флавоноиды со специфическими структурными особенностями, такими как дигидроксильные группы в кольце A флавонов, были идентифицированы как ингибиторы LasR и RhlR. В качестве примера можно привести байкалеин, нарингенин и кверцетин. Эти флавоноиды действуют аллостерически, снижая сродство связывания LasR и RhlR с регуляторными промоторами.
Нарингенин, уникальный ингибитор QS, полученный из природного источника, содержится в растительных флавоноидах. Механизм его действия заключается в снижении выработки QS-регулируемых факторов вирулентности у P. aeruginosa путем прямого связывания с LasR, конкурируя таким образом с N-(3-оксо-додеканоил)-l-гомосерин-лактоном (HSL), который активирует LasR. Следовательно, этот ингибитор QS может эффективно нарушать QS-ответы только при введении в ранней фазе экспоненциального роста, что позволяет нарингенину конкурировать с несвязанным HSL за связывание с LasR. Стоит отметить, что нарингенин наиболее подходит для воздействия на популяции P. aeruginosa при низкой плотности клеток. Этот сценарий не всегда совпадает с ситуацией при клинической инфекции, где плотность бактерий, как правило, выше. Чтобы полностью использовать потенциал ингибирования QS, необходимо разработать ингибиторы, способные воздействовать на QS-сигнализацию P. aeruginosa вне зависимости от плотности бактерий или статуса QS.
Фенолы, в частности 2,4-ди-терт-бутилфенол (2,4-ДБФ), получаемый из Daldinia eschscholtzii, эндофитного гриба, обладают значительным потенциалом в борьбе с инфекциями P. aeruginosa. Это соединение играет важную роль в снижении секреции пиоцианина и хитиназы. Кроме того, 2,4-DBP эффективно подавляет экспрессию генов, связанных с QS у P. aeruginosa, таких как lasI, lasR, rhII и rhIR.
Гинкголиевая кислота - это ПБС, содержащийся в лекарственных растениях, которые являются богатыми источниками различных биоактивных соединений, известных своими антимикробными, противовирусными, противоопухолевыми и другими полезными свойствами. В исследовании, проведенном Tahrioui et al. (2020), изучались противовирусные свойства гинкголевой кислоты в отношении ее воздействия на P. aeruginosa в моделях инфицирования C. elegans и было установлено, что гинкголевая кислота ингибирует образование пиоцианина у P. aeruginosa. Более того, гинкголевая кислота также влияет на механические свойства клеточной мембраны P. aeruginosa, модулируя SigX, внецитоплазматический σ-фактор. SigX играет роль в реакции на стресс клеточной стенки, способствуя поддержанию целостности клеточной оболочки и взаимодействуя со специфическими соединениями, связанными с оболочкой, включая гинкголевую и гидрогинкголевую кислоты. Воздействие гинкголевой кислоты на P. aeruginosa приводит к значительному снижению экспрессии SigX и связанных с ним генов, таких как accA, accB и fabY, которые участвуют в биосинтезе жирных кислот.
Различные другие ПБС, например итаконимиды, действуют на сигнальные пути и проявляют способность подавлять экспрессию генов, связанных с QS, тем самым снижая патогенность P. aeruginosa. Кроме того, такие соединения, как N-ацил циклопентамин, лактон фермента SsoPox и N-ацил гомосерин лактоназа, оказались мощными ингибиторами QS. Такие вещества, как куркумин и кумарин, обладают двойным действием - против факторов вирулентности и формирования биопленки, а нарингенин, глиптин и таксифолин демонстрируют потенциал для снижения экспрессии генов, связанных с QS. Эти данные подчеркивают богатый потенциал природных соединений в борьбе с инфекциями P. aeruginosa посредством многосторонних механизмов.
Терапия бактериофагами
В качестве альтернативы антибиотикам широко изучается использование фагов для борьбы с инфекциями P. aeruginosa. В настоящее время существует 137 различных фагов, предназначенных для борьбы с представителями рода Pseudomonas. В многочисленных исследованиях in vitro и in vivo изучалась эффективность фагов против хронических инфекций P. aeruginosa. Фаговая терапия имеет заметное преимущество перед антибиотикотерапией благодаря своей эффективности против биопленок P. aeruginosa.
Недавнее исследование показало, что фаг PELP20 эффективно уничтожает штамм P. aeruginosa LESB65, выделенный от пациентов с муковисцидозом (МВ), в модели искусственной биопленки in vitro. Кроме того, он значительно усилил бактериальный клиренс в мышиной модели хронической легочной инфекции, вызванной P. aeruginosa. Важно отметить, что предварительная обработка катетеров с гидрогелевым покрытием фагом M4 существенно снижала образование биопленок P. aeruginosa.
Еще одно преимущество фаговой терапии заключается в возможности генной инженерии фагов в качестве средств доставки антимикробных препаратов, что повышает эффективность лечения. За последнее десятилетие исследователи испытали генно-инженерные фаги в отношении P. aeruginosa. Например, фаг Pf3 был генетически модифицирован в нелитический, не реплицирующийся фаг Pf3R путем замены гена экспортного белка на ген эндонуклеазы рестрикции BglII. Pf3R эффективно убивал P. aeruginosa PAO1 in vitro, аналогично литическому фагу Pf3, при этом значительно снижая выделение эндотоксина. Более того, выживаемость мышей, обработанных Pf3R, была выше, чем у мышей, обработанных Pf3, что, вероятно, объясняется снижением уровня эндотоксинов и уменьшением воспалительной реакции хозяина.
Альтернативная стратегия фаговой терапии предполагает использование фагов для влияния на эволюцию резистентности к антибиотикам, способствуя развитию резистентности к фагам и одновременно восстанавливая чувствительность к антибиотикам. В качестве примера можно привести литический бактериофаг OMKO1 из семейства Myoviridae, который использует в качестве рецептор-связывающего сайта бактериальные системы мультилекарственного эффлюкса MexAB и MexXY, в частности OprM. Селекция на устойчивость к атаке фага OMKO1 вызывает эволюционный компромисс у P. aeruginosa с MDR. Этот компромисс приводит к модификации механизма эффлюксного насоса, что, в свою очередь, повышает чувствительность бактерий к различным антибиотикам, включая ципрофлоксацин, тетрациклин, цефтазидим и эритромицин - четыре препарата, представляющие разные классы антибиотиков. Фаговая терапия становится возможной, когда рецептор, связывающий бактериофаг, связан как с резистентностью к антибиотикам, так и с резистентностью к фагам. Преимущество такого подхода заключается в использовании двух различных и противоположных механизмов борьбы с бактериальными инфекциями.
Несмотря на доказанную эффективность фагов против бактериальных инфекций in vitro и на животных моделях, количество клинических испытаний фаговой терапии остается ограниченным. В первую очередь это связано с опасениями по поводу клиренса фагов после лечения, примесей в фаговых препаратах, плохой стабильности фаговых препаратов, а также с отсутствием детальных знаний о механизмах действия фагов и возможности бактериальной резистентности к фагам. Клинические испытания, в которых изучалось применение фагов против инфекций, вызванных P. aeruginosa, у пациентов с венозными язвами на ногах, ожоговыми ранами и отитом, не выявили никаких побочных эффектов.
Фаговые эндолизины
Среди недавно появившихся альтернативных антибактериальных средств, изучаемых в настоящее время, - фаговые литические антимикробные пептиды (AMPs). Это бактериальные пептидогликан-деградирующие ферменты, вырабатываемые бактериофагами и вызывающие мгновенную гибель клеток. Эндолизины - это литические ферменты, вырабатываемые на поздней фазе цикла репликации литического бактериофага и направленные на разрушение клеточных стенок бактерий для высвобождения потомства.
Использование эндолизинов в качестве антимикробных агентов против P. aeruginosa представляет собой перспективное направление борьбы с этой живучей бактерией. Однако развертывание эндолизиновой терапии против P. aeruginosa не так просто, в первую очередь из-за защитной внешней мембраны, которая ограждает бактериальную клетку от атаки лизинов. Внешняя мембрана грамотрицательных бактерий, в том числе P. aeruginosa, состоит из фосфолипидов и липополисахаридов. Молекулы ЛПС удерживаются вместе фосфатными связями, что делает их трудноразрушимыми. Чтобы эндолизины могли получить доступ к пептидогликановой клеточной стенке и эффективно воздействовать на P. aeruginosa, исследователи применяют креативные стратегии. Один из таких методов заключается в использовании этилендиаминтетрауксусной кислоты (ЭДТА) для пермеабилизации мембраны грамотрицательных клеток. ЭДТА - это хелатирующий агент, который удаляет двухвалентные катионы, необходимые для стабилизации внешней мембраны, из мест их связывания. Это нарушает целостность мембраны, делая ее уязвимой для атаки эндолизинов.
Пермеабилизация наружной мембраны может быть достигнута и механическими средствами, например, высоким гидростатическим давлением. Высокое гидростатическое давление используется для сенсибилизации грамотрицательных бактерий, включая P. aeruginosa, к таким молекулам, как бактериоцины и антимикробные пептиды, путем оптимизации параметров давления и времени.
Другой подход заключается в сочетании эндолизинов с такими компонентами, как антимикробные пептиды, которые способствуют проникновению в пептидогликановый слой. Такая стратегия повышает способность эндолизинов достигать своей цели внутри бактериальной клетки. В случае с P. aeruginosa терапия эндолизином оказалась многообещающей. В 2017 году исследователи выделили эндолизин, полученный из фага, под названием LysPA26, который проявил мощную литическую активность против штаммов P. aeruginosa с MDR. Примечательно, что этот эндолизин обеспечивал снижение численности бактерий до четырех log-единиц всего за 30 минут. Кроме того, LysPA26 продемонстрировал стабильность при изменении pH и температуры. Примечательно, что этот эндолизин обладает широким спектром активности, эффективно воздействуя на другие грамотрицательные бактерии, такие как Klebsiella pneumoniae, Acinetobacter baumannii и Escherichia coli.
Успех LysPA26 подчеркивает потенциал эндолизиновой терапии в борьбе с инфекциями MDR P. aeruginosa. Его избирательное воздействие на грамотрицательные бактерии без использования антибиотиков обещает стать основным терапевтическим методом в будущем. В настоящее время недостаточно данных о безопасности эндолизинов. Также не хватает информации о фармакокинетике и фармакодинамике эндолизинов как возможных лекарственных средств. Необходимо изучить клеточную токсичность и клеточно-проникающие свойства эндолизинов, вырабатываемых фагами, прежде чем применять их в качестве терапевтических препаратов для людей. Исследования in vivo ограничиваются топическими моделями, а при системном введении возникают некоторые опасения, связанные с коротким периодом полураспада, иммуногенностью и высвобождением провоспалительных компонентов при бактериолизе, которые необходимо устранить до начала дальнейших разработок.
Разработка вакцин
В настоящее время разрабатываются различные типы вакцин для усиления иммунного ответа против различных элементов, участвующих в инфекционном процессе. Эти вакцины часто направлены на компоненты бактериальной поверхности, такие как Opr, и различные полисахариды, включая ЛПС, мукоидный экзополисахарид и О-полисахариды. Кроме того, они фокусируются на структурах, критически важных для адгезии и движения P. aeruginosa, таких как жгутики и пили, а также на некоторых факторах вирулентности, таких как TTSS, экзотоксин A или протеазы.
Разработка эффективных вакцин против P. aeruginosa представляет собой сложную задачу из-за значительной вариабельности видов Pseudomonas, сложности инфекционного процесса и запутанного взаимодействия между патогеном и иммунным ответом хозяина. В ходе исследований фаз I, II и III некоторые кандидаты в вакцины оказались неспособными обеспечить широкий охват против различных штаммов P. aeruginosa или продемонстрировали низкую иммуногенность или проблемы с безопасностью.
В настоящее время ведутся исследования по разработке новых вакцин против P. aeruginosa. Например, новая вакцина против P. aeruginosa под названием PcrV28-294-OprI25-83-Hcp11-162 (POH) была оценена на предмет ее защитной эффективности. Эта вакцина содержит такие компоненты, как PcrV, OprI и жизненно важную часть системы секреции VI типа - Hcp1. Исследования показали, что вакцинация POH значительно стимулировала Т-клеточный ответ, пролиферацию и защищала мышей от клинических штаммов P. aeruginosa. Разработка мультивалентных вакцин также изучается в качестве потенциального средства защиты от инфекций P. aeruginosa в будущем. Кроме того, усилия были направлены на создание вакцин, направленных на известные факторы вирулентности, ответственные за уклонение от иммунного ответа хозяина.
Различные составы экстрактов ЛПС проходили клинические испытания с 1970 года, в том числе Pseudogen, и хотя он показал определенный успех в снижении смертности и сепсиса у пациентов с ожогами, он не продемонстрировал клинической эффективности и не показал снижения колонизации у пациентов с МВ. Еще одним успешным кандидатом стал препарат Aerugen, состоящий из компонента ЛПС, О-полисахарида из восьми серотипов P. aeruginosa и экзотоксина А. Он показал благоприятные результаты у пациентов с МВ.
Одним из перспективных подходов является использование антигенов ЛПС и олигополисахаридов (ОПС), конъюгированных с наночастицами полимолочно-гликолевой кислоты (ПЛГА), в качестве нановакцин. Эти нановакцины продемонстрировали потенциал стимулирования как клеточного, так и гуморального иммунного ответа против инфекций, вызванных P. aeruginosa. Кроме того, нановакцины, содержащие антигены из бактериальных лизатов P. aeruginosa и мембранные антигены из двухслойных мембранных везикул, продемонстрировали эффективность в предотвращении инфекций, вызванных лекарственно-устойчивыми штаммами P. aeruginosa.
Альгинат, вносящий значительный вклад в патогенез P. aeruginosa, также изучается в качестве мишени для терапевтических вакцин. Тетрасахарид маннуроновой кислоты, являющийся эпитопом антигена, был использован для выработки иммунитета против P. aeruginosa у мышей. Гибридные белки, состоящие из полноразмерного V-антигена (PcrV) и С-концевого домена экзофермента S (ExoS) из P. aeruginosa, а также адъюванты, такие как квасцы и монофосфорильный липид А, рассматривались в качестве кандидатов на вакцины для защиты от инфекций мочевыводящих путей, вызванных P. aeruginosa. Цельноклеточные вакцины, инактивированные рентгеновским облучением, содержащие нуклеиновые кислоты и 8-гидроксигуанозин, продемонстрировали гуморальный и врожденный иммунный ответ, что привело к снижению уровня инфекции в мышиных моделях.
Кроме того, была изучена концепция многоцелевых антигенов. Были разработаны тройные антигены для стимуляции защитных и нейтрализующих антител против нескольких патогенов, включая P. aeruginosa. Эти антигены сочетают эпитопы различных видов бактерий и способны обеспечить защиту широкого спектра действия.
Вакцины представляют собой перспективную стратегию профилактики инфекций, вызванных P. aeruginosa, и снижения их последствий. Они могут вызывать защитные реакции при активной или пассивной иммунизации и, в некоторых случаях, могут даже вступать в перекрестную реакцию для защиты от родственных патогенов. Несмотря на то, что в настоящее время не существует эффективной вакцины для клинического применения, исследования, проводившиеся в течение последних 50 лет, разработка гликоконъюгатных вакцин, методов белковой инженерии и инновационных белков-носителей открыли новые возможности для создания эффективных вакцин против P. aeruginosa. Достигнут прогресс в доклинических исследованиях, включая открытие антигенов, использование адъювантов и новых систем доставки, однако богатство факторов вирулентности, большой размер генома и высокая адаптивность, а также изменение фенотипов при острых и хронических инфекциях - все это создает проблемы для разработки вакцин.
Производство моноклональных антител
Моноклональные антитела (mAbs) стали ценной стратегией борьбы с инфекциями P. aeruginosa, особенно для пациентов из группы высокого риска, которым не помогают вакцины или традиционные антибиотики. mAbs представляют собой альтернативный способ лечения, непосредственно воздействуя на P. aeruginosa и обеспечивая немедленную защиту. Они могут быть особенно эффективны при использовании вместе с профилактическими вакцинами.
Одним из важных направлений применения mAbs является их способность бороться с резистентностью к противомикробным препаратам в биопленках, где обитают бактерии. Эти антитела были разработаны для разрушения защитных биопленок, что делает P. aeruginosa и ее сопатогены уязвимыми для последующего лечения антибиотиками. Кроме того, mAbs, нацеленные на специфические эпитопы, такие как белки DNABII или пили IV типа, показали перспективность в разрушении биопленок, образуемых P. aeruginosa и родственными патогенами.
Иммуноглобулины желтка куриного яйца, известные как антитела IgY, привлекли особое внимание к пассивной иммунизации благодаря своим уникальным свойствам. Антитела IgY не вступают в перекрестную реакцию с IgG млекопитающих и не активируют систему комплемента. Они обеспечивают высокий выход антиген-специфической продукции, не вызывая резистентности, и могут легко вводиться людям. Например, IgY-антитела, выращенные против транслоцирующего T3SS белка PcrV из P. aeruginosa, продемонстрировали усиленное уничтожение бактерий и снижение инвазии в мышиных моделях острой пневмонии и ожоговых ран. Более того, был отмечен синергетический эффект при сочетании анти-P. aeruginosa IgY с бета-лактамными антибиотиками, что позволяет говорить о потенциальной комбинированной терапии инфекций MDR P. aeruginosa.
В тяжелых случаях пневмонии, вызванной P. aeruginosa, mAbs можно сочетать с антибиотиками для повышения терапевтической эффективности. Моноклональные антитела с ДНК-доставкой (DMAbs), полученные in vivo, эффективно защищают мышей от летальной пневмонии, вызванной агрессивными штаммами P. aeruginosa. Эти антитела не только уменьшали бактериальную колонизацию, но и действовали синергично с широко используемыми антибиотиками, такими как меропенем. Важно, что они продемонстрировали стабильность и перспективны для лечения пациентов с высоким риском, в том числе с хроническими заболеваниями и инфекциями, рефрактерными к антибиотикам широкого спектра действия.
Однако важно признать, что терапевтические моноклональные антитела имеют свои ограничения. Например, некоторые mAbs, такие как MEDI3902, не доказали своей эффективности в борьбе с нозокомиальной пневмонией P. aeruginosa в клинических испытаниях. Кроме того, иммуногенность и защитная эффективность могут варьироваться в зависимости от типа антитела и дозировки. Например, IgY-антитела могут защищать от одних моделей инфекций, но не от других, в зависимости от дозы и конкретной мишени. Современные исследования направлены на использование mAbs для профилактики инфекций у пациентов с высоким риском и модулирования вирулентности, а не только для уничтожения бактерий. На разных стадиях разработки и клинических испытаний находится несколько mAbs, направленных на различные аспекты инфекций P. aeruginosa, такие как системы секреции белков и экзополисахариды. Эти mAbs перспективны в качестве дополнительных стратегий лечения инфекций P. aeruginosa, особенно в условиях реанимации.
Наночастицы
Наночастицы стали перспективным направлением в борьбе с P. aeruginosa. Эти миниатюрные частицы, размер которых обычно не превышает 100 нанометров, привлекли значительное внимание благодаря своему потенциалу в лечении инфекций, вызванных P. aeruginosa. Их миниатюрный размер и высокое отношение площади поверхности к массе делают их идеальными кандидатами для широкого спектра химических, биологических и биомедицинских применений.
Одним из ключевых преимуществ наночастиц является их способность проникать через защитные барьеры бактериальных клеток. P. aeruginosa обладает внешней мембраной, богатой ЛПС, что создает грозную защиту. Однако исследователи разработали методы преодоления этого барьера, позволяющие наночастицам проникать в клеточную стенку бактерий. Один из методов заключается в использовании EDTA, хелатирующего агента, который удаляет двухвалентные катионы, стабилизирующие внешнюю мембрану. В результате мембрана становится уязвимой для атаки наночастиц, что позволяет им эффективно воздействовать на P. aeruginosa и бороться с ней.
Другой подход предполагает разработку наночастиц для переноса антимикробных агентов непосредственно к цели. Например, пористые кремниевые наночастицы были разработаны для переноса новых антимикробных пептидов, соединенных с синтетическими бактериальными токсинами. Эти наночастицы продемонстрировали способность повышать выживаемость и очищать организм от бактерий в мышиных моделях легочных инфекций, вызванных P. aeruginosa. Кроме того, наночастицы могут служить носителями для антибиотиков, значительно повышая их эффективность.
Наночастицы серебра в сочетании с такими антибиотиками, как ампициллин, демонстрируют повышенную скорость уничтожения ампициллин-резистентных изолятов P. aeruginosa in vitro. Наночастицы серебра, в частности, показали замечательные перспективы в качестве антимикробных агентов против P. aeruginosa. Они высвобождают ионы серебра, которые нарушают важнейшие ферментные системы бактерий, включая синтез ДНК, что приводит к гибели бактериальных клеток. Примечательно, что наночастицы серебра продемонстрировали значительное антимикробное действие на клинические штаммы P. aeruginosa, эффективно уничтожая бактерию и подавляя ее рост в лабораторных условиях.
Кроме того, они демонстрируют низкую цитотоксичность по отношению к клеткам млекопитающих, что очень важно для потенциального клинического применения. Наночастицы также используются в качестве систем доставки антигенов, что является экономически эффективным подходом к разработке вакцин. Однако важно понимать, что использование наночастиц сопряжено с определенными трудностями. Их реакционная способность, обусловленная высокой площадью поверхности, может привести к непредвиденным реакциям в организме человека. Наночастицы также могут мигрировать в отдаленные органы, потенциально вызывая системную токсичность. Вдыхание наночастиц было связано с воспалением легких и потенциальными сердечно-сосудистыми эффектами, что делает их использование для лечения бактериальных легочных инфекций предметом тщательного рассмотрения. Чтобы продвинуться в этой области, будущие исследования должны быть направлены на выбор материала, размера наночастиц и вводимых доз для оптимизации их терапевтической эффективности при минимизации потенциальных рисков в клинической практике.
Заключение и будущие перспективы
Борьба с резистентностью Pseudomonas aeruginosa представляет собой сложную задачу, которая побуждает к поиску инновационных терапевтических путей. Будущие направления исследований и лечения сосредоточены на современных адъювантах и комбинированной терапии. Хотя инновационные методы лечения имеют преимущества перед используемыми антибиотиками, некоторые ограничения все еще сохраняются. В частности, мы считаем эндолизины или энзибиотики более эффективными в борьбе с бактериальной резистентностью. Проблема проникновения через внешнюю мембрану P. aeruginosa решается с помощью предложенных решений. Объединение с антимикробными пептидами повышает эффективность эндолизинов, воздействуя на клеточную стенку и внутреннюю мембрану бактерии. Введение эндолизинов с пермеабилизаторами облегчает прохождение через мембрану, оптимизируя антимикробный эффект.
Перспективным направлением будущего является прецизионная медицина, использующая геномное профилирование для индивидуального лечения. Антибиограммы в режиме реального времени помогают врачам принимать решения, основанные на профилях резистентности конкретных штаммов. Такой персонализированный подход оптимизирует результаты лечения и ограничивает ненужное применение антибиотиков. Подчеркивается потенциал фаговой терапии, биотехнологий и синтетических антимикробных пептидов в борьбе с инфекциями P. aeruginosa. Бактериофаги предлагают целенаправленные решения, при этом ведутся исследования по выявлению и разработке фагов с широким спектром активности. Биотехнологические достижения позволяют синтетическим пептидам эффективно разрушать бактериальную резистентность.
В заключение следует отметить, что лечение инфекций, вызванных P. aeruginosa, остается сложной задачей. Адаптивность этого патогена и механизмы резистентности к антибиотикам, приводящие к появлению штаммов с множественной лекарственной резистентностью, препятствуют традиционным методам лечения. Образование биопленок и персистирующие клетки способствуют постоянным инфекциям, особенно при таких заболеваниях, как муковисцидоз. Достижения в области антибиотиков и методов доставки препаратов постоянно сталкиваются с проблемами, связанными со способностью P. aeruginosa развивать новые механизмы резистентности. Глобальное злоупотребление антибиотиками усиливает потребность в альтернативных методах лечения. Неантибиотические стратегии, включая ингибирование кворумного зондирования, фаговую терапию и наночастицы, многообещающи, но сталкиваются с трудностями при внедрении. Многогранная борьба требует сочетания инновационных стратегий с традиционными антибиотиками. Комбинированные методы лечения, особенно для пациентов с ослабленным иммунитетом, имеют большой потенциал.
