Methicillin-resistant staphylococcus aureus
Patofizjologia i mechanizm
Methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA) to Gram-dodatnie bakterie oporne na antybiotyki beta-laktamowe, głównie dzięki nabyciu genu mecA kodującego białko PBP2a o niskim powinowactwie do tych leków. Gen ten znajduje się na mobilnym elemencie genetycznym SCCmec, którego różne typy determinują profil oporności na antybiotyki, w tym aminoglikozydy, makrolidy i tetracykliny. MRSA wykazuje heterogenną oporność na meticylinę, gdzie subpopulacje bakterii o wysokiej oporności są selekcjonowane pod wpływem antybiotyków. Oprócz PBP2a, mechanizmy oporności obejmują produkcję β-laktamazy BlaZ, alternatywny mechanizm podziału komórkowego umożliwiający replikację w obecności antybiotyków oraz tworzenie biofilmu, który utrudnia penetrację leków i sprzyja przetrwaniu bakterii. MRSA posiada także liczne czynniki wirulencji, takie jak toksyny (TSST-1, enterotoksyna B, leukocydyna PVL) oraz białka powierzchniowe MSCRAMMs, które ułatwiają adhezję i inwazję tkanek gospodarza, a także mechanizmy unikania odpowiedzi immunologicznej, np. produkcję antyfagocytarnej kapsułki i przekształcanie neutrofilowych pułapek zewnątrzkomórkowych (NETs) w toksyczną dla makrofagów 2-deoksyadenozynę.
- Mechanizm oporności MRSA
- Podstawowy mechanizm oporności na beta-laktamy
- Szczegółowe mechanizmy oporności
- Rola SCCmec w oporności MRSA
- Mechanizmy patogenezy MRSA
- Adhezja i kolonizacja
- Unikanie odpowiedzi immunologicznej
- Produkcja toksyn i czynników wirulencji
- Różnice między CA-MRSA i HA-MRSA
- Genetyczne adaptacje i ewolucja MRSA
- Nowe mechanizmy oporności i perspektywy leczenia
- Niedawno odkryte mechanizmy oporności
- Tworzenie biofilmu jako mechanizm oporności
- Nowe strategie terapeutyczne
- Wyniki badań nad fitozwiązkami przeciwko MRSA
- Podsumowanie i przyszłe kierunki badań
Mechanizm oporności MRSA
Methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA) to grupa bakterii Gram-dodatnich, które są genetycznie odmienne od innych szczepów Staphylococcus aureus. MRSA odpowiada za wiele trudnych do leczenia infekcji i stanowi jedno z największych zagrożeń w opiece zdrowotnej na całym świecie. W 2019 roku infekcje MRSA były odpowiedzialne za ponad 100 000 zgonów związanych z opornością na antybiotyki.1 Pojawienie się szczepów MRSA od lat 60. XX wieku, ich rozprzestrzenianie się na całym świecie i stawanie się główną przyczyną zakażeń bakteryjnych zarówno w środowisku szpitalnym, jak i pozaszpitalnym, wymaga głębokiego zrozumienia mechanizmów patogenezy tych bakterii.2
Podstawowy mechanizm oporności na beta-laktamy
Głównym mechanizmem oporności MRSA na antybiotyki jest nabycie genu mecA, który koduje białko wiążące penicylinę 2a (PBP2a) o znacznie niższym powinowactwie do antybiotyków beta-laktamowych.34 Białko to pozwala na kontynuację biosyntezy ściany komórkowej, która jest celem działania antybiotyków beta-laktamowych, nawet w obecności wysokich stężeń tych antybiotyków.5 Gen mecA znajduje się na mobilnym elemencie genetycznym nazywanym Staphylococcal Cassette Chromosome mec (SCCmec), którego ekspresja jest kontrolowana przez ścieżkę transdukcji sygnału proteolitycznego składającą się z białka czujnikowego (MecR1) i represora (MecI).6
W normalnych warunkach, antybiotyki beta-laktamowe wiążą się z białkami wiążącymi penicylinę (PBP) znajdującymi się w błonie komórkowej bakterii, które pełnią kluczową funkcję w syntezie ściany komórkowej.7 Wiązanie antybiotyku z PBP uniemożliwia im pełnienie swojej podstawowej roli i prowadzi do śmierci komórki bakteryjnej. Jednak w przypadku MRSA, PBP2a ma znacznie zmniejszone powinowactwo do większości antybiotyków beta-laktamowych i może kontynuować niezbędne sieciowanie łańcuchów peptydoglikanu w obecności tych antybiotyków.8
Szczegółowe mechanizmy oporności
MRSA wykazuje złożony wzorzec oporności na antybiotyki beta-laktamowe, określany jako oporność heterogenna. W populacji MRSA większość bakterii wykazuje stosunkowo niską oporność na meticylinę, ale pewna subpopulacja komórek wykazuje bardzo wysoką oporność.9 Ekspozycja takiej heterogennej populacji komórek MRSA na antybiotyki beta-laktamowe selekcjonuje komórki o wyższej oporności, co ostatecznie prowadzi do powstania homogennej populacji MRSA, która jest całkowicie odporna na wysokie stężenia beta-laktamów.10
Oprócz podstawowego mechanizmu oporności poprzez PBP2a, MRSA wykorzystuje również inne strategie, w tym:
- Produkcję β-laktamazy (BlaZ), która hydrolizuje wiązanie amidowe w czteroczłonowym pierścieniu β-laktamowym w dwuetapowym cyklu reakcji acylacji-deacylacji, chroniąc PBP przed inaktywacją11
- Wykorzystanie alternatywnego mechanizmu podziału komórkowego, który pozwala na replikację nawet w obecności antybiotyków – jest to niedawno odkryty mechanizm niezbędny dla oporności MRSA12
- Aktywację odpowiedzi na stres ścisły (stringent stress response), która jest konieczna do ekspresji wysokiego poziomu oporności13
- Tworzenie biofilmu, który utrudnia penetrację antybiotyków i umożliwia przetrwanie bakterii w środowisku z antybiotykami14
Rola SCCmec w oporności MRSA
Element SCCmec jest charakterystyczny dla MRSA i zawiera powtórzenia bezpośrednie z sekwencją miejsca integracji (ISS) rozpoznawaną przez rekombinazy kasety chromosomowej (ccr).15 Różne genotypy SCCmec nadają różne cechy mikrobiologiczne, takie jak różne wskaźniki oporności na antybiotyki.16 Te różnice można wyjaśnić różnicami w dostosowaniu związanymi z noszeniem dużego lub małego plazmidu SCCmec.17
Oporność na wszystkie środki terapeutyczne, β-laktamy, w szczepach MRSA była związana z przenoszalnym materiałem genomowym w genomie bakteryjnym zwanym SCCmec.18 W różnych typach SCCmec, geny mecA i mecC wraz z innymi genami oporności nadają oporność na inne klasy antybiotyków, takie jak aminoglikozydy, makrolidy, linkozamidy, streptograminy B i tetracykliny.19
Mechanizmy patogenezy MRSA
Staphylococcus aureus jest wszechstronnym patogenem zdolnym do wywoływania szerokiego zakresu chorób u ludzi. Arsenał czynników wirulencji S. aureus jest rozległy, przy czym zarówno produkty strukturalne, jak i wydzielane odgrywają rolę w patogenezie infekcji.20 Niektóre szczepy MRSA zawierają czynniki lub tło genetyczne, które mogą zwiększać ich wirulencję lub umożliwiać im wywoływanie określonych zespołów klinicznych.21
Adhezja i kolonizacja
Przy ustanawianiu infekcji, S. aureus posiada liczne białka powierzchniowe, zwane mikrobialnymi składnikami powierzchniowymi rozpoznającymi adhezyjne cząsteczki macierzy (MSCRAMMs), które pośredniczą w przyleganiu do tkanek gospodarza.22 Różne szczepy S. aureus mogą mieć różne konstelacje MSCRAMMs i w ten sposób mogą być predysponowane do wywoływania określonych rodzajów infekcji.23
Po przyleganiu do tkanek gospodarza lub materiałów protetycznych, S. aureus jest w stanie rosnąć i utrzymywać się na różne sposoby. Może tworzyć biofilmy (śluz) na powierzchniach gospodarza i sztucznych materiałach, umożliwiając mu przetrwanie poprzez unikanie obrony gospodarza i działania przeciwdrobnoustrojowego.24 Zdolność do tworzenia i przebywania w biofilmach jest jednym z powodów, dla których zakażenia urządzeń protetycznych mogą być tak trudne do zwalczenia bez usunięcia urządzenia.25
Unikanie odpowiedzi immunologicznej
S. aureus posiada wiele cech, które pomagają mu unikać układu odpornościowego gospodarza podczas infekcji. Jego główną obroną jest produkcja antyfagocytarnej mikrokapsułki.26 Podczas infekcji S. aureus produkuje liczne enzymy, takie jak proteazy, lipazy i elastazy, które umożliwiają mu inwazję i niszczenie tkanek gospodarza oraz przerzutowanie do innych miejsc.27
Odkryto również, że MRSA przekształca neutrofilowe pułapki zewnątrzkomórkowe (NETs) w 2-deoksyadenozyna (dAdo), cząsteczkę toksyczną dla makrofagów. To skutecznie przekształca NETs w broń przeciwko układowi odpornościowemu.28 Ten mechanizm wyjaśnia, dlaczego miejsca zakażenia S. aureus często charakteryzują się brakiem makrofagów.29
Produkcja toksyn i czynników wirulencji
MRSA i S. aureus produkują kilka toksyn zaangażowanych w antagonizowanie układu odpornościowego gospodarza i pośredniczenie w chorobie:30
- Toksyna zespołu szoku toksycznego 1 (TSST-1) – superantygen wiążący MHC II i receptory komórek T, aktywujący do 20% obwodowych komórek T31
- Enterotoksyna gronkowcowa B – inny superantygen działający podobnie jak TSST-1, wykazujący niezwykłą odporność na ciepło i kwasy32
- Leukocydyna Panton-Valentine (PVL) – toksyna tworząca pory w błonach leukocytów, powodująca ich pękanie; związana z tworzeniem ropni i ciężkim martwiczym zapaleniem płuc33
- α-toksyna – atakująca leukocyty i płytki krwi34
- Moduliny rozpuszczalne w fenolu (PSMs) – produkowane przez większość gronkowców i odgrywające rolę w wirulencji35
Ekspresja wielu czynników wirulencji gronkowcowych odgrywa kluczową rolę w patogenezie. Regulator genu akcesoryjnego (agr) jest systemem quorum sensing, który odgrywa decydującą rolę w regulacji wirulencji gronkowcowej.36
Różnice między CA-MRSA i HA-MRSA
MRSA można podzielić na MRSA związany z opieką zdrowotną (HA-MRSA) i MRSA związany ze społecznością (CA-MRSA), dwie genotypowo odmienne grupy bakterii, które obierają za cel różne, ale nakładające się populacje i powodują różne choroby.37
Co ciekawe, gdy HA-MRSA zostanie usunięty ze środowiska opieki zdrowotnej, rzadko powoduje choroby u osób bez predysponujących warunków. Sugerowano zatem, że HA-MRSA reprezentuje mniej odporne szczepy S. aureus, które mogłyby przetrwać tylko w środowiskach, gdzie konkurencja bakteryjna jest ograniczona przez presję antybiotykową.38
Szczepy CA-MRSA były odpowiedzialne za dramatyczny wzrost częstości występowania infekcji, szczególnie skóry i tkanek miękkich, oraz były przyczyną wielu niezwykle ciężkich infekcji, takich jak martwicze zapalenie płuc, martwicze zapalenie powięzi i zapalenie mięśni.39 Zmiana objawów klinicznych S. aureus skłoniła do spekulacji, że infekcje CA-MRSA odzwierciedlają infekcję bardziej zjadliwymi szczepami.40
Genetyczne adaptacje i ewolucja MRSA
Naukowcy odkryli, że MRSA przeszedł powtarzające się mutacje w genie sarZ, regulatorze transkrypcyjnym odpowiedzialnym za regulację ekspresji genów wirulencji, prowadząc do zwiększonej ciężkości zakażeń krwi w modelach mysich.41 Mutacje w sarZ spowodowały zwiększoną ekspresję i produkcję białka powierzchniowego ClfB, które okazało się kluczowe dla patogenezy izolatów USA300 z zakażeń krwi.42
Innym elementem zwiększającym wirulencję CA-MRSA jest element kataboliczny argininy mobilnej typu I (ACME), który posiada wiele właściwości czyniących go równie atrakcyjnym kandydatem do wyjaśnienia sukcesu szczepów USA300.43 ACME jest czynnikiem wirulencji obecnym w wielu szczepach MRSA, ale nie rozpowszechnionym w MSSA.44
Rozwój oporności na antybiotyki w gronkowcach jest ułatwiony przez mobilne elementy genetyczne (MGEs). Na przykład, S. aureus uzyskał oporność na wankomycynę i meticylinę poprzez nabycie operonu VanA od enterokoków i kasety chromosomowej zawierającej mecA.45
Nowe mechanizmy oporności i perspektywy leczenia
Niedawno odkryte mechanizmy oporności
Badacze z Uniwersytetu w Sheffield odkryli, że MRSA wykorzystuje podwójny mechanizm obronny przeciwko antybiotykom. Oprócz już znanego mechanizmu opartego na PBP2a, MRSA wyewoluował alternatywny mechanizm podziału komórkowego, który pozwala mu na replikację nawet w obecności antybiotyków.46 Ten nowo odkryty mechanizm jest niezbędny dla oporności MRSA i stanowi drugą linię obrony patogenu.47
Innym istotnym odkryciem jest rola receptora BlaR1 w bakteriach MRSA, który wykrywa antybiotyki beta-laktamowe w swoim otoczeniu bakteryjnym i oddziałuje z represorem beta-laktamowym Blal, aby pośredniczyć w oporności.48 Naukowcy ujawnili strukturę i szczegóły molekularne działania BlaR1 na poziomie atomowym, co może prowadzić do opracowania nowych leków hamujących tę interakcję.49
Badania wykazały również, że zwiększona ekspresja PBP4 może uzupełniać oporność związaną z mecA w S. aureus i prowadzić do zwiększonej oporności na beta-laktamy.50 Jednakże szczepy mające zwiększoną ekspresję PBP4 są mniej wirulentne w porównaniu z dzikimi szczepami, co sugeruje, że oporność na beta-laktamy zapośredniczona przez PBP4 prawdopodobnie odbywa się kosztem wirulencji.51
Tworzenie biofilmu jako mechanizm oporności
Tworzenie biofilmu, szczególnie na implantach medycznych, takich jak cewniki, jest innym ważnym mechanizmem wirulencji dla MRSA.52 Biofilm S. aureus jest osadzony w warstwie śluzu glikokaliksowego i może składać się z kwasów tejchojowych, białek gospodarza, pozakomórkowego DNA (eDNA) i czasami antygenu międzykomórkowego polisacharydowego (PIA).53
Biofilmy S. aureus wykazują również wysoką oporność na odpowiedź immunologiczną gospodarza.54 Badania nad rozwojem biofilmu wykazały związek ze zmianami w ekspresji genów.55 Mechanizm oporności związany z biofilmem jest bardzo złożony i wynika głównie z tego, że komponenty w biofilmach zmniejszają przepuszczalność antybiotyków, bakterie w biofilmach zmniejszają tempo wzrostu, aby uniknąć stymulacji antybiotykami, a w biofilmach występują pewne specyficzne geny oporności.56
Nowe strategie terapeutyczne
Rosnąca oporność MRSA wymaga nowych podejść terapeutycznych. Badania wskazują na kilka obiecujących kierunków:
- Inhibitory ukierunkowane na nowo odkryty alternatywny mechanizm podziału komórkowego MRSA57
- Leki celujące w interakcję między BlaR1 a Blal, aby zachować działanie antybiotyków beta-laktamowych58
- Wykorzystanie toksyny lizostafiny, która może celować w ścianę komórkową superbakterii MRSA i powodować ich zniszczenie59
- Terapeutyczne środki ukierunkowane na konkretne mechanizmy wirulencji MRSA, które będą miały przewagę nad antybiotykami o szerokim spektrum działania, ponieważ nie będą wpływać na korzystne bakterie60
- β-defensyna 3, która może hamować wzrost bakterii poprzez regulację odpowiedzi zapalnej i immunologicznej w infekcji biofilmu opornego na leki wywołanej przez MRSA61
- Opracowanie szczepionek przeciwko MRSA, które mogłyby stać się skutecznym środkiem zapobiegawczym62
Wyniki badań nad fitozwiązkami przeciwko MRSA
Badania wykazały skuteczność niektórych związków roślinnych przeciwko MRSA. Na przykład cynnamaldehyd hamuje tworzenie biofilmu MRSA w sposób zależny od stężenia, prawdopodobnie poprzez mechanizm zmniejszania żywotności bakterii.63 Inny potencjalny mechanizm, poprzez który cynnamaldehyd wywołuje efekt letalny, to hamowanie aktywności ATPazy.64
Ekstrakty z Rheum palmatum, A. lappa i P. suffructicosa wykazują różnorodne działania przeciwko MRSA, takie jak zakłócanie ściany komórkowej i błony, zakłócanie nukleoidów i indukowanie zmian morfologicznych przypominających pseudowielokomórkowe struktury w MRSA.65 Antybakteryjny wpływ ekstraktów roślinnych obserwowano wewnątrz komórek bakteryjnych, co potwierdzono kondensacją nukleoidu w cytoplazmie.66
Podsumowanie i przyszłe kierunki badań
Patogeny MRSA stanowią poważne zagrożenie zarówno w środowiskach medycznych, jak i społecznych, gdzie szybko się rozprzestrzeniają.67 Główna oporność S. aureus na meticylinę wynika z ekspresji białka wiążącego penicylinę 2a (PBP2a), które czyni go niewrażliwym na działanie antybiotyków β-laktamowych, w tym meticyliny.68
Złożoność mechanizmów oporności i wirulencji MRSA wymaga dalszych badań. Stały rozwój MRSA, charakteryzujący się pojawianiem się nowych szczepów epidemicznych, powoduje ciągłe zmiany klonów epidemicznych.69 Ponieważ mechanizm oporności MRSA jest bardzo złożony, ważne jest wyjaśnienie tych mechanizmów na poziomie molekularnym w celu leczenia chorób zakaźnych.70
Przyszłe badania powinny skupić się na:
- Określeniu, jak MRSA jest w stanie rosnąć i dzielić się w obecności antybiotyków przy użyciu nowo odkrytego mechanizmu71
- Badaniu dodatkowych linii MRSA i adaptacji w infekcjach wrażliwymi na meticylinę S. aureus (MSSA)72
- Opracowaniu inhibitorów, które mogą celować w nową strategię przetrwania MRSA73
- Lepszym zrozumieniu czynników przyczyniających się do wirulencji MRSA, co może ostatecznie pomóc w odkryciu nowych podejść do leczenia74
Zrozumienie dynamiki kolonizacji, dróg transmisji, czynników ryzyka progresji do infekcji i warunków sprzyjających pojawieniu się oporności umożliwi optymalizację strategii skutecznej kontroli MRSA.75 Analizowanie mechanizmu oporności MRSA może pomóc w badaniu nowych leków przeciwzakaźnych i złagodzić ewolucję MRSA.76
Kolejne rozdziały
Zapraszamy do dalszego czytania naszego leksykonu.
Wybierz kolejny rozdział z menu poniżej, aby otworzyć nową podstronę kompedium wiedzy i uzyskać szczegółowe informację o leku, substancji lub chorobie.