Przełom w walce z opornością na antybiotyki: leki na zgagę jako nowa nadzieja

Czym grozi oporność na antybiotyki?

Oporność bakterii na antybiotyki stanowi jeden z najpoważniejszych problemów współczesnej medycyny, szczególnie w przypadku patogenów z grupy ESKAPE (Klebsiella pneumoniae, Enterococcus faecium, Pseudomonas aeruginosa, Staphylococcus aureus, Acinetobacter baumannii i Enterobacter spp). Te wielolekooporne drobnoustroje są odpowiedzialne za poważne zakażenia szpitalne i pozaszpitalne na całym świecie. Acinetobacter baumannii jest powszechnym patogenem oportunistycznym, szczególnie niebezpiecznym w przypadku oparzeń, gdzie infekcje mogą prowadzić do śmierci pacjenta. Klebsiella pneumoniae, która u zdrowych osób może bytować w nosie, gardle, jelitach i na skórze, u pacjentów z obniżoną odpornością może wywoływać zakażenia układu moczowego, ran, zapalenie płuc oraz inne infekcje tkanek miękkich.

Pseudomonas aeruginosa, często występujący w normalnej florze zdrowych osób, może działać jako patogen oportunistyczny, powodując różne choroby, w tym zakażenia oparzeń, układu moczowego, posocznicę i infekcje dróg oddechowych. Escherichia coli jest jedną z najczęstszych bakterii związanych z zakażeniami układu moczowego, ale odgrywa również istotną rolę w pozaszpitalnych infekcjach, takich jak zapalenie żołądka i jelit, zapalenie opon mózgowych czy posocznica. Oporność tych bakterii na antybiotyki stała się poważnym problemem zdrowia publicznego, zwłaszcza wobec spowolnionego tempa opracowywania nowych środków przeciwdrobnoustrojowych.

Antybiotyki β-laktamowe, w tym karbapenemy, pozostają najważniejszą grupą leków w leczeniu potencjalnie śmiertelnych infekcji bakteryjnych. Jednak ich skuteczność jest coraz bardziej zagrożona przez rosnącą liczbę mikroorganizmów opornych na te leki. Najczęstszym mechanizmem oporności na β-laktamy jest wytwarzanie β-laktamaz, enzymów hydrolizujących kluczowy pierścień β-laktamowy. Szczególnie niebezpieczne są metallo-β-laktamazy (MBL), które należą do klasy B β-laktamaz i wymagają jednego lub dwóch jonów cynku do aktywności katalitycznej. MBL hydrolizują praktycznie wszystkie znane antybiotyki β-laktamowe (z wyjątkiem monobaktamów) i nie reagują na żadne inhibitory β-laktamaz serynowych, co czyni je wyjątkowo groźnymi.

Jednym z podstawowych mechanizmów obecnych podejść do leczenia oporności na antybiotyki jest stosowanie inhibitorów MBL. Strategia ta polega na wykorzystaniu związków, które mogą przyłączać się do miejsca aktywnego enzymu, zapobiegając hydrolizie antybiotyku. “Jednym z podstawowych mechanizmów obecnych podejść do leczenia oporności na antybiotyki jest stosowanie inhibitorów MBL. Powszechną strategią zwiększania skuteczności antybiotyków β-laktamowych jest stosowanie inhibitorów metallo-β-laktamaz, czyli związków, które mogą przyłączać się do miejsca aktywnego enzymu” – piszą autorzy badania.

Czy inhibitory pompy protonowej mogą stać się kluczem do zwalczania MBL?

Inhibitory pompy protonowej (PPI), takie jak omeprazol i pantoprazol, działają poprzez trwałe przyłączanie się do pomp protonowych w żołądku, zmniejszając ilość wytwarzanego kwasu żołądkowego. Wykazują one szeroki zakres właściwości biologicznych i przeciwdrobnoustrojowych, w tym zdolność do zwalczania Helicobacter pylori in vitro. Co istotne, omeprazol i pantoprazol wykazują aktywność chelatującą jony metali, co sugeruje ich potencjalne zastosowanie jako inhibitorów MBL poprzez chelatację kofaktora cynkowego tych enzymów. Czy te powszechnie stosowane leki mogłyby stać się nową bronią w walce z opornymi na karbapenemy bakteriami?

W badaniu przeprowadzonym na 160 izolatach klinicznych, w tym Klebsiella pneumoniae, Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa i Acinetobacter baumannii, naukowcy ocenili wrażliwość bakterii na różne klasy środków przeciwdrobnoustrojowych, ze szczególnym uwzględnieniem oporności na karbapenemy. Izolaty pochodziły z różnych materiałów klinicznych, w tym ropy, moczu, plwociny, krwi i cewników moczowych. W badaniu wykorzystano szereg metod laboratoryjnych, w tym testy wrażliwości na antybiotyki metodą dyfuzji krążkowej zgodnie z wytycznymi CLSI, test synergii z EDTA do fenotypowego wykrywania produkcji MBL oraz PCR do detekcji genów MBL (bla_NDM, bla_IMP, bla_VIM).

Wykazano wysoki wskaźnik wielolekooporności, szczególnie wśród izolatów Acinetobacter baumannii, a następnie Klebsiella pneumoniae, Pseudomonas aeruginosa i Escherichia coli. Oporność na imipenem wahała się od 12% do 100% badanych izolatów. Przy użyciu testu synergii z EDTA badacze zidentyfikowali izolaty produkujące MBL, a następnie potwierdzili obecność genów kodujących te enzymy za pomocą PCR. Najczęściej wykrywanym genem był bla_NDM, podczas gdy gen bla_IMP występował najrzadziej. Szczególnie wysoki odsetek produkcji MBL stwierdzono w przypadku Acinetobacter baumannii (70%), podczas gdy u Escherichia coli był on najniższy (33%).

Czy omeprazol i pantoprazol wzmacniają działanie karbapenemów?

Kluczowym aspektem badania było określenie wpływu omeprazolu i pantoprazolu na aktywność MBL i wrażliwość bakterii na meropenem. Aby upewnić się, że sub-MIC (1/4 MIC) testowanych leków nie wpływa na wzrost bakterii, oceniono żywotność komórek w obecności tych stężeń. Nie zaobserwowano istotnej różnicy w absorbancji między kontrolnymi a leczonymi izolatami, co potwierdziło, że wszelkie efekty inhibicji MBL nie wynikają z zakłócenia wzrostu komórek.

Wyniki badania wykazały, że połączenie sub-MIC omeprazolu i pantoprazolu z meropenemem znacząco zmniejszyło MIC meropenemu (2-32-krotnie dla omeprazolu i 2-16-krotnie dla pantoprazolu), co wskazuje na synergistyczne działanie tych leków. “Omeprazol był bardziej aktywny niż pantoprazol” – podkreślają badacze. W przypadku Klebsiella pneumoniae i Pseudomonas aeruginosa MIC meropenemu zostało zmniejszone 2-16-krotnie dla omeprazolu i 2-8-krotnie dla pantoprazolu. U Escherichia coli MIC meropenemu zmniejszyło się 32-krotnie dla omeprazolu i 8-krotnie dla pantoprazolu, a u Acinetobacter baumannii 2-32-krotnie dla omeprazolu i 2-8-krotnie dla pantoprazolu.

Test inhibicji karbapenemazy z pantoprazolem i omeprazolem wykazał znaczące zahamowanie hydrolizy meropenemu. W przypadku izolatów Acinetobacter baumannii pantoprazol hamował hydrolizę meropenemu w zakresie 53-91%, podczas gdy omeprazol wykazywał inhibicję na poziomie 56-94%. W przypadku izolatów Pseudomonas aeruginosa omeprazol hamował hydrolizę w zakresie 34-96%, a pantoprazol w zakresie 56-94%. Dla izolatów K. pneumoniae omeprazol wykazywał inhibicję w zakresie 40-84%, a pantoprazol 47-78%. W przypadku izolatów Escherichia coli omeprazol hamował hydrolizę w zakresie 50-70%, a pantoprazol 50-63%.

Jak działają inhibitory MBL na poziomie molekularnym?

Aby lepiej zrozumieć mechanizm działania inhibitorów, przeprowadzono qRT-PCR w celu oceny wpływu omeprazolu i pantoprazolu na poziom ekspresji genów MBL. Wyniki wykazały, że oba leki znacząco zmniejszały ekspresję genów bla_NDM i bla_VIM, przy czym omeprazol silniej obniżał ekspresję tych genów u Klebsiella pneumoniae, podczas gdy pantoprazol był bardziej skuteczny w zmniejszaniu ekspresji bla_VIM u Pseudomonas aeruginosa. Oba leki podobnie obniżały ekspresję bla_NDM i bla_VIM u A. baumannii oraz bla_NDM u E. coli.

Badania dokowania molekularnego potwierdziły potencjalne silne oddziaływanie między pantoprazolem i omeprazolem a jonami cynku w miejscu aktywnym enzymu metallo-β-laktamazy. Wykorzystując struktury krystaliczne K. pneumoniae NDM-1 metallo-beta-laktamazy (PDB: 5NBK), P. aeruginosa IMP-13 metallo-beta-laktamazy (PDB: 6S0H) i E. coli NDM-5 metallo-beta-laktamazy (PDB: 4TZE), badacze przeprowadzili dokładną analizę interakcji między lekami a enzymami. Dla A. baumannii NDM-1 metallo-beta-laktamazy (Uniprot Entry: F8UNN7_ACIBA), która nie ma rozwiązanej struktury krystalicznej, wykorzystano modelowanie homologiczne SWISS-MODEL.

Wyniki energetyczne dokowania dla omeprazolu były niższe niż dla pantoprazolu, co wskazuje na wyższe powinowactwo wiązania omeprazolu i koreluje z wynikami in vitro. W przypadku K. pneumoniae NDM-1 metallo-beta-laktamazy, omeprazol i pantoprazol wykazywały rozsądną energię wiązania (S score = -8,71 Kcal/mol, -8,08 Kcal/mol, odpowiednio) i liczne interakcje z resztami aminokwasowymi. Pierścień pirydynylowy i grupa sulfinylowa omeprazolu tworzyły interakcje jonowe z jednym z dwóch jonów cynku w miejscu aktywnym, podczas gdy pierścień pirydynylowy tworzył wiązanie wodorowe z Asp124. Podobne interakcje zaobserwowano w przypadku pantoprazolu.

W miejscu aktywnym P. aeruginosa IMP-13 metallo-beta-laktamazy, omeprazol i pantoprazol wykazywały liczne interakcje z wynikami energetycznymi odpowiednio -11,71 i -10,76 Kcal/mol. Pierścień pirydynylowy omeprazolu wykazywał interakcję jonową z jednym z dwóch jonów metalu cynku, podczas gdy grupa sulfinylowa tworzyła dwa wiązania wodorowe zarówno z Lys161, jak i Asn167. Podobne interakcje zaobserwowano w przypadku pantoprazolu.

W miejscu aktywnym E. coli NDM-5 metallo-beta-laktamazy, omeprazol wykazywał wynik energetyczny -9,70 Kcal/mol. Pierścień benzimidazolowy i grupa sulfinylowa tworzyły wiązania wodorowe z Lys211. Dodatkowo, pierścień pirydynylowy omeprazolu wykazywał interakcję jonową z jonami cynku i wiązanie wodorowe z Asp124. W przypadku pantoprazolu wynik energetyczny wynosił -8,71 Kcal/mol, lek wykazywał takie same interakcje wiążące jak omeprazol, dodatkowo występowała dodatkowa interakcja jonowa między grupą sulfinylową a jonem metalu cynku.

W miejscu aktywnym A. baumannii NDM-1 metallo-beta-laktamazy, podstawnik metoksylowy wykazywał wiązanie wodorowe z Gln123, podobnie jak interakcja grupy pirydynylowej z Asn220. Pierścień benzimidazolowy wykazywał interakcję jonową z jonem metalu cynku. W przypadku pantoprazolu, grupa sulfinylowa miała interakcje wodorowe i jonowe odpowiednio z Lys211 i jonem metalu cynku. Pierścień benzimidazolowy miał interakcję jonową z jonem metalu cynku.

Oba leki stabilizowały się w miejscu aktywnym metallo-β-laktamaz K. pneumoniae, P. aeruginosa, E. coli i A. baumannii poprzez liczne interakcje z jonami cynku i resztami aminokwasowymi. Te interakcje są w dużej mierze zachowane między oboma lekami i białkami metallo-β-laktamazy pochodzącymi z różnych bakterii, co sugeruje, że omeprazol i pantoprazol mogłyby być skutecznymi inhibitorami przeciwko metallo-β-laktamazom z różnych patogenów.

Czy nowe strategie łączone mogą pokonać oporność na karbapenemy?

Oporność na karbapenemy wśród bakterii produkujących metallo-β-laktamazy stanowi poważny problem kliniczny, ponieważ bakterie te są zwykle oporne na większość dostępnych środków przeciwdrobnoustrojowych. Jak zauważają autorzy: “Ta powszechna oporność poważnie ogranicza możliwości terapeutyczne, pozostawiając niewiele opcji skutecznego leczenia”. Obecnie dostępne terapie obejmują niewielką liczbę antybiotyków, takich jak tygecyklina i polimyksyny, które mają swoje ograniczenia i działania niepożądane.

Tygecyklina, antybiotyk o szerokim spektrum działania z klasy tetracyklin, nie jest idealnym wyborem w leczeniu zakażeń wywołanych przez oporne na karbapenemy szczepy K. pneumoniae ze względu na niskie stężenia w układzie krążenia, oddechowym i moczowym. “Dlatego nie jest uważana za lek z wyboru w leczeniu zakażeń układu moczowego, zapalenia płuc i bakteriemii” – podkreślają autorzy. Z kolei stosowanie polimyksyny B, antybiotyku polipeptydowego, jest ograniczone z powodu jej nefrotoksycznych działań niepożądanych.

Inne podejścia terapeutyczne opierają się na kombinacji β-laktamów i inhibitorów β-laktamaz. Na przykład imipenem, cilastatyna i relebaktam (IMI-REL) zostały zatwierdzone do leczenia złożonych zakażeń układu moczowego. Relebaktam, jako inhibitor β-laktamaz, skutecznie hamuje różne β-laktamazy, w tym karbapenemazy klasy A i C. Podobnie waborbaktam, inhibitor β-laktamaz serynowych, w połączeniu z meropenemem wykazuje skuteczność przeciwko Enterobacteriaceae produkującym karbapenemazy serynowe, ale jest nieaktywny wobec karbapenemaz klasy B lub D.

Jakie są kliniczne perspektywy stosowania inhibitorów MBL?

W kontekście tych ograniczeń, odkrycie potencjału omeprazolu i pantoprazolu jako inhibitorów MBL nabiera szczególnego znaczenia. Wcześniejsze badania zidentyfikowały inne inhibitory MBL, takie jak kaptopryl, który był używany do zwiększenia wrażliwości opornych na karbapenemy K. pneumoniae (CRKP) produkujących metallo-β-laktamazę (MBL) na leki przeciwdrobnoustrojowe poprzez odwrócenie oporności na leki. W innym badaniu, kwas jabłkowy, kwas cytrynowy, kwas askorbinowy i ciprofloksacyna w połączeniu z imipenemem lub meropenemem wykazywały synergię przeciwko metallo-β-laktamazom. Ich aktywność może wynikać z chelatacji metalu w miejscu aktywnym karbapenemaz.

Szczególnie obiecujące wydają się wyniki dotyczące omeprazolu, który konsekwentnie wykazywał wyższą aktywność inhibicyjną niż pantoprazol w większości testowanych szczepów bakteryjnych. Warto zauważyć, że skuteczność tych inhibitorów różniła się w zależności od gatunku bakterii i specyficznego genu MBL, co wskazuje na potrzebę indywidualizacji podejścia terapeutycznego w zależności od czynnika etiologicznego zakażenia.

Jakie są potencjalne korzyści kliniczne z takiego podejścia? Przede wszystkim, kombinacja meropenemu z omeprazolem lub pantoprazolem mogłaby przywrócić skuteczność karbapenemu przeciwko bakteriom, które w innym przypadku byłyby oporne na ten antybiotyk. Mogłoby to rozszerzyć opcje terapeutyczne dla pacjentów z ciężkimi infekcjami wywołanymi przez bakterie oporne na karbapenemy, dla których obecnie dostępne są bardzo ograniczone możliwości leczenia.

Ponadto, wykorzystanie już zatwierdzonych leków jako inhibitorów MBL mogłoby przyspieszyć proces wprowadzania nowych strategii terapeutycznych do praktyki klinicznej. W przeciwieństwie do opracowywania całkowicie nowych antybiotyków lub inhibitorów, które wymagają długotrwałych badań klinicznych i procesu zatwierdzania, repozycjonowanie istniejących leków może być szybszą ścieżką do wprowadzenia nowych terapii.

Warto jednak zauważyć, że badanie to ma pewne ograniczenia. Wszystkie eksperymenty były przeprowadzone in vitro, a skuteczność i bezpieczeństwo kombinacji meropenemu z omeprazolem lub pantoprazolem w warunkach klinicznych wymagają dalszych badań. Konieczne będzie również określenie optymalnych dawek i schematów dawkowania, które zapewniłyby skuteczną inhibicję MBL bez zwiększania ryzyka działań niepożądanych.

Niemniej jednak, wyniki te otwierają fascynujące perspektywy wykorzystania inhibitorów pompy protonowej jako adiuwantów w terapii antybiotykowej. Czy w przyszłości będziemy rutynowo łączyć omeprazol lub pantoprazol z karbapenemami w leczeniu infekcji wywołanych przez bakterie oporne na karbapenemy? Czas pokaże, ale obecne badanie stanowi ważny krok w kierunku opracowania nowych strategii walki z rosnącym problemem oporności na antybiotyki.

Badanie to podkreśla również znaczenie multidyscyplinarnego podejścia do problemu oporności na antybiotyki, łącząc techniki mikrobiologii, biologii molekularnej i modelowania komputerowego w celu identyfikacji i charakteryzacji potencjalnych inhibitorów MBL. Takie kompleksowe podejście może być kluczem do opracowania skutecznych strategii przeciwdziałania rosnącemu zagrożeniu ze strony bakterii opornych na antybiotyki.

Podsumowanie

Oporność bakterii na antybiotyki, szczególnie w przypadku patogenów z grupy ESKAPE, stanowi jedno z największych wyzwań współczesnej medycyny. Badania wykazały, że powszechnie stosowane inhibitory pompy protonowej (PPI) – omeprazol i pantoprazol – mogą skutecznie hamować działanie metallo-β-laktamaz (MBL), enzymów odpowiedzialnych za oporność bakterii na antybiotyki β-laktamowe. W testach na 160 izolatach klinicznych, połączenie tych leków z meropenemem znacząco zwiększyło skuteczność antybiotykoterapii, zmniejszając MIC meropenemu nawet 32-krotnie. Omeprazol wykazał się wyższą skutecznością niż pantoprazol w większości przypadków. Badania molekularne potwierdziły, że mechanizm działania PPI polega na chelatacji jonów cynku w miejscu aktywnym MBL oraz zmniejszeniu ekspresji genów kodujących te enzymy. To odkrycie może stanowić przełom w walce z opornością na antybiotyki, oferując nowe możliwości terapeutyczne poprzez wykorzystanie już zatwierdzonych i bezpiecznych leków.