Projekt okładki i stron tytułowych Lidia Michalak

Ilustracja na okładce Kateryna Kon/Shutterstock

Wydawca Katarzyna Włodarczyk-Gil

Redakcja Elżbieta Nowacka-Kuźma

Korekta i skorowidz Małgorzata Nawrot

Koordynator ds. redakcji Renata Ziółkowska

Koordynator produkcji Adam Krajewski

Skład wersji elektronicznej na zlecenie PZWL Wydawnictwo Lekarskie: Michał Latusek

Zdzisław Markiewicz wykaz skrótów (część), wprowadzenie (część), rozdz. 1 i 4, polecana literatura (część)

Dorota Korsak wykaz skrótów (część), rozdz. 3 (oprócz podrozdz. 3.4.1, 3.6.3.1)

Magdalena Popowska wykaz skrótów (część), wprowadzenie (część), rozdz. 2, podrozdz. 3.4.1, 3.6.3.1, tab. 4.1 i 4.2 (część), polecana literatura (część)

https://doi.org/10.53271/2021.013

Książka, którą nabyłeś, jest dziełem twórcy i wydawcy. Prosimy, abyś przestrzegał praw, jakie im przysługują. Jej zawartość możesz udostępnić nieodpłatnie osobom bliskim lub osobiście znanym. Ale nie publikuj jej w internecie. Jeśli cytujesz jej fragmenty, nie zmieniaj ich treści i koniecznie zaznacz, czyje to dzieło. A kopiując jej część, rób to jedynie na użytek osobisty.

Szanujmy cudzą własność i prawo.

Więcej na www.legalnakultura.pl.

Polska Izba Książki

Copyright © by Wydawnictwo Naukowe PWN SA

Warszawa 2021

ISBN 978-83-01-22036-5

eBook został przygotowany na podstawie wydania papierowego z 2021r. (Wydanie I)

Warszawa 2021

Wydawnictwo Naukowe PWN SA

02-460 Warszawa, ul. Gottlieba Daimlera 2

tel. 22 69 54 321, faks 22 69 54 288

infolinia 801 33 33 88

e-mail: pwn@pwn.com.pl; reklama@pwn.pl

www.pwn.pl

Przedmowa

Dwadzieścia lat temu nakładem Wydawnictwa Naukowego PWN ukazała się książka Profesora Zbigniewa Kwiatkowskiego oraz niżej podpisanego Bakterie, antybiotyki, lekooporność, która doczekała się kilku wznowień i dodruków. Książka ta przedstawiała mechanizm działania antybiotyków, mechanizmy bakteryjnej oporności na nie oraz perspektywy walki z bakteriami chorobotwórczymi.

Obecna książka bezpośrednio nawiązuje do poprzedniej, ale porusza też, inne, dodatkowe zagadnienia. W rozdziale 1 omówiono główne grupy antybiotyków, jak i pojedyncze antybiotyki „niezrzeszone”. Ich cele w komórce bakteryjnej i sposoby w jakie są one atakowane. Przez dwadzieścia lat lekooporność bakterii szeroko się rozpowszechniła, pojawiły się liczne wielolekooporne (MDR) szczepy gatunków chorobotwórczych niosących oporność na przynajmniej jeden antybiotyk z każdej z trzech odmiennych grup leków przeciwbakteryjnych. Wyróżniono również szczepy o rozszerzonej oporności (XDR) oraz szczepy o całkowitej oporności (PDR). O powstawaniu, rozpowszechnieniu oporności i przyczynach tego zjawiska traktuje rozdział 2 tej książki, a mechanizmy oporności na poszczególne antybiotyki i grupy antybiotyków są szczegółowo opisane w rozdziale 3. W rozdziale tym znajdują się również wyjaśnienia różnych terminów związanych z opornością jak wrażliwość i tolerancja na antybiotyk, komórki przetrwałe czy minimalne stężenie hamujące lub bakteriobójcze, jak też definicje nabytej oporności. Nie zmieniło się natomiast zbyt wiele jeśli chodzi o arsenał leków wymierzonych przeciwko bakteryjnym patogenom. Koszt wykrycia bądź wynalezienia nowego antybiotyku i przeprowadzenia go przez wszystkie fazy badań klinicznych sięga od 2 do 4 miliardów dolarów a proces ten trwa średnio 10 lat, co w połączeniu z perspektywą szybkiego pojawienia się mutantów opornych na niego zniechęciło wiele firm farmaceutycznych do inwestowania w tego typu badania. Niemniej jednak, w ostatnich 20 latach kilka interesujących antybiotyków opisanych w tej książce weszło do terapii, kolejne są w fazie różnych etapów badań klinicznych, choć prawie wszystkie atakują znane, „stare” cele w komórce bakteryjnej, inne strategie walki z antybiotykoopornością, np. nowe inhibitory mechanizmów oporności są dopiero na etapie badań początkowych. W ostatnim dziesięcioleciu rozpoczęto też wiele europejskich i światowych inicjatyw naukowych aby zintensyfikować badania dotyczące zrozumienia, jak i sposobów zapobiegania powstawaniu oporności na antybiotyki, proponuje się także rozwiązania mające na celu ograniczenie jej rozpowszechniania. Te, m.in. zagadnienia, opisano w rozdziałach 2 i 4. W ostatnim, rozdziale 4 poruszono również perspektywy walki z bakteriami chorobotwórczymi w obliczu narastającej oporności oraz różnego typu podejścia do kwestii ewentualnego zastąpienia antybiotyków w razie potrzeby. W ostatnich latach, na przykład, zidentyfikowano nowe cele dla antybiotyków oraz zaprojektowano nowe leki je atakujące. To tylko jedno z wielu podejść opisanych w tej książce. Warto dodać, że proponowane rozdziały zostały napisane na podstawie aktualnych doniesień naukowych, jak również analiz i wyników badań własnych współautorek, a ich kolejność nie jest przypadkowa.

Do powstania tej książki przyczyniły się oprócz ogromnego zaangażowania, nakładu pracy i wiedzy współautorów, panie Katarzyna Drewniany, Anna Okoń i Maria Puzyna oraz Dr Krzysztof Sieradzki z CDC w Atlancie, wykonując większość zamieszczonych rycin, oraz pani Dr Jadwiga Baj, ze swoimi cennymi uwagami i sugestiami dotyczącymi Rozdziału 3. Do lepszej poprawności i jasności, tego miejscami niełatwego tekstu, mocno przyczyniły się panie Małgorzata Nawrot i Elżbieta Nowacka-Kuźma.

Zdzisław Markiewicz

Seattle, USA

Bezpłatny fragment

Przedmowa

Najważniejsze skróty stosowane w książce

Wprowadzenie

1. Cele antybiotyków w komórce bakteryjnej i sposób, w jaki są atakowane Zdzisław Markiewicz

1.1. Synteza DNA i antybiotyki hamujące jej przebieg

1.1.1. Antybiotyki hamujące biosyntezę DNA

1.1.2. Inne, poza chinolonami, antybiotyki hamujące syntezę DNA

1.2. Przebieg transkrypcji i antybiotyki hamujące syntezę RNA

1.2.1. Antybiotyki hamujące transkrypcję

1.3. Antybiotyki hamujące syntezę białek

1.3.1. Antybiotyki działające na podjednostkę 30 rybosomu

1.3.1.1. Aminoglikozydy i tetracykliny

1.3.2. Antybiotyki działające na podjednostkę 50 rybosomu

1.3.2.1. Makrolidy

1.3.2.2. Linkozamidy

1.3.2.3. Fenikole

1.3.2.4. Pleuromutyliny

1.3.2.5. Oksazolidynony

1.3.2.6. Streptograminy

1.3.2.7. Kwas fusydowy

1.3.2.8. Antybiotyki peptydowe hamujące syntezę białek

1.4. Antymetabolity przeciwbakteryjne

1.5. Budowa i biosynteza elementów osłon bakteryjnych

1.5.1. Błona cytoplazmatyczna bakterii

1.5.2. Budowa błony zewnętrznej bakterii Gram-ujemnych

1.5.3. Biosynteza fosfolipidów tworzących błony bakteryjne

1.5.4. Budowa i biosynteza lipopolisacharydu

1.5.4.1. Lipooligosacharyd błony zewnętrznej

1.5.5. Antybiotyki działające na strukturę błon bakteryjnych

1.5.5.1. Antybiotyki działające na błonę zewnętrzną

1.5.5.2. Antybiotyki działające na błonę cytoplazmatyczną

1.5.6. Budowa i biosynteza mureiny

1.5.6.1. Etapy biosyntezy mureiny

1.5.6.2. Antybiotyki oddziałujące na biosyntezę i funkcje mureiny

1.5.7. Dodatkowe polimery związane z mureiną

1.5.7.1. Kwasy tejchojowe i lipotejchojowe mureiny bakterii Gram-dodatnich

1.5.7.2. Antybiotyki hamujące syntezę kwasu tejchojowego

1.5.7.3. Kwasy uronowe i inne polimery związane z mureiną

1.5.7.4. Białka ściany bakterii Gram-dodatnich

1.5.7.5. Lipoproteiny w osłonach bakterii Gram-ujemnych

1.6. Budowa osłon Mycobacterium sp.

1.6.1. Skład ściany Mycobacterium tuberculosis

1.6.1.1. Budowa i biosynteza mureiny prątków

1.6.1.2. Budowa i synteza arabinogalaktanu

1.6.1.3. Budowa i biosynteza kwasów mikolowych

1.6.1.4. Glikolipidy w osłonach prątków

1.6.1.5. Lipoproteiny prątków

1.6.2. Antybiotyki stosowane do zwalczania Mycobacterium tuberculosis i innych prątków

2. Skąd się bierze i jak rozpowszechnia się oporność? Magdalena Popowska

2.1. Gleba i jej rola

2.2. Zanieczyszczenie gleby antybiotykami

2.2.1. Czas degradacji antybiotyków w glebie

2.3. Metody wykorzystywane do badania antybiotykooporności

2.4. Geny oporności w glebie, ich ewolucja i rozpowszechnienie

2.5. Bakterie oporne na antybiotyki

2.6. Mechanizmy rozpowszechniania AMR

2.7. Wpływ zanieczyszczeń antropogenicznych na rozpowszechnianie AMR

2.7.1. Zastosowanie antybiotyków w przemyśle drobiarskim i jego wpływ na rezystom odchodów drobiowych

2.7.2. Stosowanie antybiotyków w przemyśle bydlęcym i jego wpływ na rezystom odchodów bydlęcych

2.7.3. Stosowanie antybiotyków w przemyśle trzody chlewnej i jego wpływ na rezystom odchodów świńskich

2.7.4. Hodowla zwierząt i rolnictwo

2.7.5. Oczyszczalnie ścieków

2.7.6. Akwakultura

2.7.7. Powietrzne ARG

2.8. Rozpowszechnianie w glebie genów oporności na antybiotyki o podłożu antropogenicznym

2.8.1. Zmiany w rezystomie roślin uprawianych w glebie nawożonej obornikiem

2.8.2. Dynamika i zmienność genów oporności na antybiotyki w glebie

2.9. Strategie oczyszczania obornika i ścieków

2.9.1. Strategie obróbki obornika

2.9.1.1. Termofilne kompostowanie obornika

2.9.1.2. Fermentacja

2.9.2. Strategie oczyszczania ścieków

2.9.2.1. Reaktory oczyszczania biologicznego

2.9.2.2. Filtracja membranowa

2.9.2.3. Sztuczne tereny podmokłe – mokradła

2.10. Podsumowanie i perspektywy

3. Oporność bakterii na antybiotyki - Dorota Korsak, Magdalena Popowska

3.1. Informacje wstępne

3.1.1. Podstawowe wskaźniki oceniające skuteczność antybiotykoterapii

3.1.2. Definicje nabytej oporności – konsensus międzynarodowy

3.1.3. Przetrwanie (ang. persistence) i tolerancja (ang. tolerance)

3.1.4. Podstawowe mechanizmy oporności

3.2. Zmiany w miejscu docelowym działania leku

3.2.1. Oporność na fluorochinolony

3.2.2. Oporność na makrolidy

3.2.2.1. Modyfikacje 23S rRNA

3.2.2.1.1. Metylotransferazy Erm

3.2.2.1.2. Metylotransferazy Rlm

3.2.2.1.3. Punktowe mutacje w domenach II i V 23S rRNA

3.2.2.1.4. Zmiany w białkach rybosomowych

3.2.3. Oporność na fenikole, linkozamidy, oksazolidynony, pleuromutylinę oraz streptograminę A (PhLOPSA) związana z metylotransferazami

3.2.4. Oporność na aminoglikozydy związana z metylotransferazami

3.2.5. Oporność na linezolid

3.2.5.1. Punktowe mutacje w domenie V 23S rRNA

3.2.5.2. Zmiany w białkach rybosomowych

3.2.6. Oporność na ansamycyny (ryfamycyny)

3.2.7. Oporność na tetracykliny

3.2.7.1. Punktowe mutacje w genach kodujących 16S rRNA

3.2.7.2. Zmiany w białkach rybosomowych

3.2.8. Oporność na antybiotyki β-laktamowe wynikająca z modyfikacji białek wiążących penicylinę

3.2.8.1. Streptococcus pneumoniae

3.2.8.2. Haemophilus influenzae

3.2.8.3. Neisseria meningitidis i N. gonorrhoeae

3.2.8.4. Enterococcus faecalis i E. faecium

3.2.9. Oporność na glikopeptydy wynikająca z modyfikacji prekursora peptydoglikanu

3.2.9.1. Oporność Enterococcus spp. na glikopeptydy

3.2.9.1.2. Inne systemy Van

3.2.9.2. Oporność Staphylococcus aureus na glikopeptydy warunkowana obecnością operonu vanA

3.2.9.3. Oporność na glikopeptydy innych gatunków bakterii

3.2.10. Oporność na polimyksyny i daptomycynę

3.3. Zmiana przepuszczalności osłon bakteryjnych

3.3.1. Zmiany w budowie błony zewnętrznej bakterii Gram-ujemnych

3.3.2. Zmiany grubości warstwy peptydoglikanu

3.3.2.1. Szczepy Staphylococcus aureus o fenotypie VISA (niezawierające genu vanA)

3.3.2.2. Szczepy Staphylococcus aureus o fenotypie hetero-VISA

3.4. Oporność związana z syntezą enzymów inaktywujących lub modyfikujących cząsteczki antybiotyków

3.4.1. Oporność na β-laktamy – synteza β-laktamaz

3.4.1.1. Nazewnictwo i klasyfikacja β-laktamaz

3.4.1.1.1. Klasyfikacja molekularna według Amblera

3.4.1.1.2. Klasyfikacja β-laktamaz na podstawie ich aktywności według Busha-Jacoby’ego-Medeirosa

3.4.1.1.3. Charakterystyka wybranych β-laktamaz

3.4.2. Oporność na aminoglikozydy

3.4.2.1. Acetylotransferazy aminoglikozydów (AACs)

3.4.2.2. Fosfotransferazy aminoglikozydów (ANTs)

3.4.2.3. Nukleotydylotransferazy aminoglikozydów (APHs)

3.4.3. Oporność na fenikole

3.4.4. Oporność na makrolidy, linkozamidy i streptograminy

3.4.4.1. Esterazy makrolidów

3.4.4.2. Fosfotransferazy makrolidów

3.4.4.3. Nukleotydylotransferazy linkozamidów

3.4.4.4. Enzymy inaktywujące streptograminy

3.4.5. Oporność na fosfomycynę

3.4.6. Oporność na tetracykliny

3.5. Bakteryjne pompy oporności wielolekowej

3.5.1. Nadrodzina MFS (ang. major facilitators superfamily)

3.5.2. Nadrodzina RND (ang. resistance-nodulation-cell division)

3.5.3. Rodzina SMR (ang. small-multidrug resistance)

3.5.4. Rodzina MATE (ang. multidrug and toxic compounds extrusion)

3.5.5. Nadrodzina ABC (ang. ATP binding cassette)

3.5.6. Rodzina AbgT (ang. p-aminobenzoyl-glutamate transporter)

3.5.7. Rodzina PACE (ang. proteobacterial antimicrobial compound efflux)

3.6. Oporność wynikająca z wytworzenia alternatywnej drogi (lub enzymu) pozwalającej ominąć etap wrażliwy na lek

3.6.1. Oporność na trimetoprim

3.6.1.1. Determinanty oporności na trimetoprim kodowane w ruchomych elementach genetycznych

3.6.1.2. Chromosomowa oporność na trimetoprim

3.6.2. Oporność na sulfonamidy

3.6.2.1. Determinanty oporności na sulfonamidy kodowane w ruchomych elementach genetycznych

3.6.2.2. Chromosomowa oporność na sulfonamidy

3.6.3. Oporność na antybiotyki β-laktamowe

3.6.3.1. Oporność Staphylococcus aureus wynikająca z obecności PBP2a

3.6.3.2. Oporność Enterococccus hirae wynikająca z obecności PBP3r

3.7. Oporność wynikająca z obecności białek ochronnych

3.7.1. Białka chroniące rybosom

3.7.2. Białka chroniące gyrazę

3.8. Podsumowanie

4. Poszukiwanie nowych antybiotyków, nowych celów dla antybiotyków oraz alternatywnych sposobów zwalczania bakterii Zdzisław Markiewicz

4.1. Nowe antybiotyki

4.2. Repozycjonowanie leków

4.3. Naturalne i syntetyczne peptydy przeciwbakteryjne

4.3.1. Nanosystemy służące do transportu przeciwdrobnoustrojowych peptydów

4.4. Bakteriofagi

4.5. Lizyny fagowe

4.6. „Łamacze” bakteryjnej oporności na antybiotyki

4.6.1. Inhibitory β-laktamaz

4.6.2. Inhibitory enzymów modyfikujących aminoglikozydy

4.6.3. Inhibitory pomp

4.6.4. Permeabilizacja osłon bakterii Gram-ujemnych

4.7. Wykorzystanie receptorów w błonie zewnętrznej bakterii Gram-ujemnych

4.8. Inhibitory siły protonomotorycznej

4.9. Hybrydy antybiotykowe

4.10. Nowe cele dla antybiotyków w komórce bakteryjnej

4.10.1. Układy dwuskładnikowe

4.10.2. tRNA jako target

4.10.3. Wyczuwanie liczebności jako cel dla antybiotyków

4.10.4. Białka uczestniczące w bakteryjnym podziale komórkowym

4.11. Terapia fotodynamiczna

4.12. Probiotyki

4.13. Szczepionki

4.14. Przeciwciała monoklonalne

4.15. Immunomodulacja

Polecana literatura

Przypisy

Najważniejsze skróty stosowane w książce

3-AMA kwas aminomonobaktamowy (ang. aminomonobactamic acid)

6-APA kwas 6-aminopenicylanowy (ang. 6-aminopenicillanic acid)

7-ACA kwas 7-cefalosporanowy (ang. 7-aminocephalosporanic acid)

AACs acetylotransferazy aminoglikozydów (ang. aminoglycoside acetyltransferases)

ABC transportery (ang. ATP binding cassette transporter)

AbgT transportery p-aminobenzoilo-glutaminianu (ang. p-aminobenzoyl-glutamate transporter)

ACP białko przenoszące grupę acylową (ang. acyl carrier protein)

AHL laktony N-acylo-L-homoseryny (ang. acylhomoserine lactones)

AI sztuczna inteligencja (ang. artificial intelligence)

AG arabinogalaktan

AmpC klinicznie ważne β-laktamazy, cefalosporynazy

AMG aminoglikozydy

AMPs peptydy przeciwdrobnoustrojowe (ang. antimicrobial peptides)

AMR oporność bakterii na środki przeciwdrobnoustrojowe (ang. antimicrobial resistance)

anhMurNAc kwas 1,6-anydro-N-acetylomuraminowy (ang. 1,6-anhydro-N-acetylmuramic acid)

ANTs nukleotydylotransferazy aminoglikozydów (ang. aminoglycoside nucleotidyltransferases)

APHs fosfotransferazy aminoglikozydów (ang. aminoglycoside phosphotransferases)

ARB bakterie oporne na antybiotyki (ang. antibiotic resistant bacteria)

ARGs geny oporności na antybiotyki (ang. antibiotic resistance genes)

ASC Rada ds. Zarządzania Akwakulturą (ang. Aquaculture Stewardship Council)

ATP adenozynotrifosforan (ang. adenosine triphosphate)

BGCs biosyntetyczne klastry genowe (ang. biosynthetic gene clusters)

BLNAR Haemophilus influenzae oporny na ampicylinę, który nie wytwarza β-laktamaz (ang. β-lactamase negative, ampicillin resistant)

CATs acetylotransferazy chloramfenikolu (ang. chloramphenicol acetyltransferases)

CCCP m-chlorofenylohydrazon cyjanku karbonylu (ang. carbonyl cyanide m-chlorophenyl hydrazone)

CM błona cytoplazmatyczna (ang. cell membrane lub cytoplasmic membrane)

CMRNG oporność na penicylinę Neisse-ria gonorrhoeae warunkowana przez geny chromosomowe (ang. chromosomally mediated resistant Neisseria gonorrhoeae)

CoA koenzym A (ang. coenzyme A)

CoNS koagulazo-ujemne gronkowce (ang. coagulase-negative staphylococci)

CRISPR/Cas zgrupowane, regularnie rozproszone, krótkie, powtarzające się sekwencje palindromowe (ang. clustered regularly interspaced short palindromic repeats)

DAHAA kwas 2,6-diamino-7-hydroksyazelainowy (2,6-diamino-7-hydroxyazelaic acid)

DAP kwas diaminopimelinowy (ang. diaminopimelic acid)

DAPA kwas 2,3-diaminopropanowy (ang. 2,3-diaminopropionic acid)

DAR dialkilorezorcynole (and. dialkylresorcinols)

DHF dihydrofolian (ang. dihydrofolate)

DHFA kwas dihydrofoliowy (ang. dihydrofolic acid)

DHFR reduktaza dihydrofolianowa (ang. dihydrofolate reductase)

DHPS syntaza dihydropterynianowa (ang. dihydropteroate synthase)

DPA arabinian fosfodekaprenolu (ang. decaprenol phosphoarabinose)

DPR dekaprenylo-1-fosforyboza (ang. decaprenol-1-monophosphoribose)

eDNA DNA izolowany ze środowiska (ang. environmental DNA)

EMA Europejska Agencja Leków (ang. European Medicines Agency)

epicPCR (ang. emulsion, paired isolation and concatenation PCR)

ESBL β-laktamaza o rozszerzonym spektrum (ang. extended-spectrum beta-lactamase)

ESVAC Europejski nadzór nad weterynaryjnym spożyciem substancji przeciwbakteryjnych (ang. European Surveillance of Veterinary Antimicrobial Consumption)

FAO Organizacja Narodów Zjednoczonych ds. Wyżywienia i Rolnictwa (ang. Food and Agriculture Organization of the United Nations)

FAS syntaza kwasów tłuszczowych (ang. fatty acid synthase)

FDA Agencja Żywności i Leków (ang. Food and Drug Administration)

FtsZ mutant filamentujący wrażliwy na temperaturę Z (ang. filamenting temperature-sensitive mutant Z)

GlcNAc N-acetyloglukozamina (ang. N-acetylglucosamine)

GRAS drobnoustroje uznawane za bezpieczne (ang. generally recognized as safe)

GTP guanozyno-5’-trifosforan (ang. guanosine-5’-triphosphate)

HDPs peptydy obrony gospodarza (ang. host defense peptides)

HGT horyzontalny transfer genów (ang. horizontal gene transfer)

HMW wielkocząsteczkowe białka (ang. high molecular weight proteins)

HPR 2-heksylo-5-propylo-alkilorezorcy-nol (ang. 2-hexyl, 5-propyl resorcinol)

INH izoniazyd

JPIAMR Globalna inicjatywa wspólnego planowania w zakresie prowadzenia badań nad opornością drobnoustrojów (ang. The Joint Programming Initiative on Antimicrobial Resistance)

Kdo kwas keto-3-deoksy-D-mannooktulozonowy (ang. 2-keto-3-deoxy-D-mannooctanoic acid)

kpz kilo par zasad

LMW niskocząsteczkowe białka (ang. low molecular weight proteins)

LOS lipooligosacharyd (ang. lipooligosaccharides)

LPS lipopolisacharyd (ang. lipopolysaccharide)

LTA kwasy lipotejchojowe (ang. lipoteichoic acid)

MAC grupa prątków z rodzaju Mycobacterium (ang. mycobacterium avium complex)

MATE transportery (ang. multidrug and toxic compound extrusion)

MBC minimalne stężenie bakteriobójcze (ang. minimal bactericidal concentration)

MDO błonopochodne oligosacharydy (ang. membrane-derived oligosaccharides)

MDR oporność wielolekowa, wielolekooporność (ang. multidrug resistance)

mezo-DAP kwas mezo-diaminopimelinowy

MFC minimalne stężenie grzybobójcze (ang. minimal fungicidal concentration)

MFP peryplazmatyczne białko łączące (ang. membrane fusion protein)

MFS transportery (ang. major facilitator superfamily)

MGEs ruchome elementy genetyczne (ang. mobile genetic elements)

MIC minimalne stężenie hamujące (ang. minimal inhibitory concentration)

MLSB mechanizm oporności na makrolidy, linkozamidy i streptograminy B (ang. macrolides-lincosamides-streptogramins B)

MOM mykobakteryjna błona zewnętrzna (ang. mycobacterial outer membrane)

MPHs fosfotransferazy makrolidów (ang. macrolide phosphotransferase)

MRSA Staphylococcus aureus oporny na metycylinę (ang. methicillin-resistant Staphylococcus aureus)

MSSA Staphylococcus aureus wrażliwy na metycylinę (ang. methicillin-susceptible Staphylococcus aureus)

MurGlyc kwas N-glikolilomuraminowy

MurNAc kwas N-acetylomuraminowy (ang. N-acetylmuramic acid)

NAD dinukleotyd nikotynoamidoadeninowy (ang. nicotinamide adenine dinucleotide)

NBTIs nowe inhibitory bakteryjnych topoizomeraz (ang. novel bacterial topoisomerase inhibitors)

NGS sekwencjonowanie nowej generacji (ang. next generation sequencing)

NRPS nierybosomowe syntetazy peptydowe (ang. nonribosomal peptide synthetases)

OIE Światowa Organizacja Zdrowia Zwierząt (ang. World Organisation for Animal Health)

OM błona zewnętrzna (ang. outer membrane)

OMPTAs antybiotyki działające na błonę zewnętrzną (ang. outer membrane protein targeting antibiotics)

OPG osmoregulowane peryplazmatyczne glukany (ang. osmoregulated periplasmic glucans)

OPM białko błony zewnętrznej (ang. outer membrane protein)

OPS O-swoisty łańcuch polisacharydowy (ang. O-specific polysaccharide)

PABA kwas p-aminobenzoesowy (ang. para-aminobenzoic acid)

PACE transportery (ang. proteobacterial antimicrobial compound efflux)

PAS kwas p-aminosalicylowy (ang. para-aminosalicylic acid)

PBP białka wiążące penicylinę (ang. penicillin binding protein)

PDIM dimykocerozany ftioceroli (ang. phthiocerol dimycocerosates)

PDR całkowita oporność (ang. pandrug-resistance)

PEP fosfoenolopirogronian (ang. phosphoenolpyruvate)

PhLOPSA oporność na fenikole, linkozamidy, oksazolidynony, pleuromutylinę oraz streptograminę A (ang. resistance to Phenicols, Lincosamides, Oxazolidinones, Pleuromutilins, and Streptogramin A)

PI fosfoinozytol (ang. phosphoinositol)

PIMs mannozydy fosfatydyloinozytolu (ang. phosphatidyl-myo-inositol mannosides)

PMQR oporność na chinolony warunkowana przez plazmidy (ang. plasmid-mediated quinolone resistance)

POA kwas pirazynowy (ang. pirazinoic acid)

PPL lista globalnych priorytetowych patogenów (ang. list of global priority pathogens)

PrAMPs peptydy bogate w prolinę (ang. proline rich antimicrobial peptides)

pRpp fosfo-α-D-rybozylo-pirofosforan (ang. phosphoribosyl diphosphate)

PTC centrum peptydylotransferazowe (ang. peptidylotransferase center)

pz pary zasad

qPCR ilościowy PCR (ang. quantitative PCR)

QRDR rejon warunkujący oporność na fluorochinolony (ang. quinolone-resistance determining region)

QS wyczuwanie liczebności (ang. quorum sensing)

RF czynnik uwalniający (ang. release factor)

RLPS szorstki LPS (ang. rough LPS)

RND transportery (ang. resistance-nodulation-cell division)

RPPs białka chroniące rybosomy (ang. ribosomal protection proteins)

RRF czynnik odzyskujący rybosomu (ang. ribosome recycling factor)

SAMPs krótkie przeciwbakteryjne peptydy (ang. short antimicrobial peptides)

SCCmec gronkowcowa kaseta chromosomowa (ang. staphylococcal chromosomal casette mec)

SCWP drugorzędne polimery ściany komórkowej (ang. secondary cell wall polymers)

SEDS rodzina białek odpowiedzialnych za kształt komórki, jej wydłużenie, podział i powstawanie zarodników (ang. shape, elongation, division and sporulation)

SMAMPs peptydomimetyki (ang. synthetic mimics of AMPs)

SMR transportery (ang. small-multidrug resistance)

SSB białko wiążące jednoniciowy DNA (ang. single-strand binding protein)

TA kwasy tejchojowe (ang. teichoic acids)

TCS układy/systemy dwuskładnikowe (ang. two-component systems)

TDM trehalozo-6-6-dimikolan

THF tetrahydrofolian

THFA kwas tetrahydrofoliowy (ang. tetrahydrofolic acid)

TU kwasy tejchuronowe (ang. teichuronic acids)

UDP urydynodifosforan (ang. uridine diphosphate)

UMP urydynomonofosforan (ang. uridine monophosphate)

VBNC żywe, ale niedające się hodować (ang. viable but non culturable)

VISA Staphylococcus aureus o obniżonej wrażliwości na wankomycynę (ang. vancomycin-intermediate Staphylococcus aureus)

VRE enterokoki oporne na wankomycynę (ang. vancomycin-resistant enterococci)

VRSA Staphylococcus aureus oporny na wankomycynę (ang. vancomycin-resistant Staphylococcus aureus)

VSSA Staphylococcus aureus wrażliwy na wankomycynę (ang. vancomycin-susceptible Staphylococcus aureus)

WHO Światowa Organizacja Zdrowia (ang. World Health Organization)

WTA kwas tejchojowy związany ze ścianą (ang. wall teichoic acid)

XDR rozszerzona oporność (ang. extensive drug resistance)

Wprowadzenie

One sometimes finds what one is not looking for.

Czasami znajduje się nie to, czego się szuka.

Sir Alexander Fleming

Ludzie użytkowali antybiotyki już wieki temu, choć w sposób zupełnie nieświadomy. Okłady ze spleśniałego chleba na otwarte rany stosowano, według znanych zapisków, w Chinach, Egipcie, Grecji, Serbii i starożytnym Rzymie ponad dwa tysiące lat temu. Najstarszy zachowany dokument medyczny – tzw. papirus Ebersa zawierający ponad 700 recept na różne dolegliwości, napisany w Egipcie około roku 1500 p.n.e. – wspomina o stosowaniu spleśniałego chleba i bogatej gleby na różnego typu dolegliwości, nie tylko na rany. Najlepsza była ponoć gleba z greckiej wyspy Lemnos, ale uznanie zyskała też czerwona gleba z doliny Jordanu, z której we współczesnych czasach wyizolowano mikroorganizmy produkujące antybiotyki, jak i same antybiotyki, np. z grupy aktynomycyn. W dawnej Polsce wykorzystywano również tzw. glinki, które stosowano w przypadku wrzodów, ukąszeń, krwawień wewnętrznych, a nawet gruźlicy. Dobroczynne skutki pleśni opisał w roku 1640 John Parkinson w swojej książce Theatrum Botanicum. Z kolei przebarwienia kości i zębów w przypadku szkieletów pochodzących m.in. z Sudanu z czwartego wieku naszej ery oraz z Egiptu wskazują na przyjmowanie tetracykliny, która wiąże się do hydroksyapatytu wapnia w kościach i do szkliwa zębów. Przyjmuje się, że tetracyklina dostawała się do warzonego piwa ze służących do nakrywania kadzi fermentacyjnych mat, które przerastały produkującymi tetracyklinę bakteriami z rodzaju Streptomyces sp. Piwo to służyło nie tylko do picia, ale również, zamiast wody, do mycia lub przemywania. Obecność substancji antybiotykowych stwierdzono współcześnie w lekach stosowanych w tradycyjnej medycynie chińskiej, opartej na wielowiekowych tradycjach. Niedawno odkryto i odtworzono anglosaską recepturę sprzed ponad tysiąca lat, opisującą skład mazidła stosowanego w przypadku torbieli na powiece, która dziś zabija oporne na metycylinę gronkowce.

Pewnego rodzaju przełomem było skonstruowanie pierwszych mikroskopów zdolnych do wizualizacji drobnoustrojów. W roku 1665 Robert Hooke opisał konidia promieniowców, a w roku 1676 Antoni van Leeuwenhoek odkrył przedstawicieli królestwa Protistów i, przede wszystkim, bakterie, które nazwał animalcules, czyli „małymi zwierzątkami”. Nazwa bakterie pojawiła się po raz pierwszy w roku 1838, gdy te drobnoustroje nazwał tak Christian Gottfried Ehrenberg od greckiego słowa bakterīa oznaczającego „mały patyk”. Od tego momentu można było przypuszczać, jaki jest powód wielu schorzeń, i próbować je leczyć.

Świadome próby szukania leków przeciwbakteryjnych rozpoczęły się w XIX wieku. Przyczyniły się do tego w jakiejś mierze m.in. następujące obserwacje: w roku 1870 John Scott Burdon-Sanderson zauważył, że płyn hodowlany pokryty pleśnią nie przerastał bakteriami, w roku 1871 Joseph Lister eksperymentował z przeciwbakteryjną aktywnością Penicillium glaucum w ludzkich tkankach, w roku 1875 John Tyndall przedstawił swoje teorie na temat antybakteryjnego działania grzybów z rodzaju Penicillium, a w roku 1877 Louis Pasteur postulował, że pleśnie mogą zabijać bakterie, m.in. Bacillus anthracis. Szerzenie się syfilisu (kiły) i rzeżączki, szczególnie wśród zamożniejszych mieszczan, sprzyjało eksperymentowaniu z różnymi związkami chemicznymi – potencjalnymi lekami. Próbowano stosować metale ciężkie, jak arsen, bizmut i rtęć, lecz skutki uboczne często były gorsze niż sama choroba.

Za początek chemioterapii uważa się wprowadzenie do użytku syntetycznego proleku salwarsanu (arsfenamina), który in vivo ulega oksydacji do oksofenarsyny. Musiał być zatem przechowywany w atmosferze azotu. Wynalazcą salwarsanu był urodzony w Polsce niemiecki lekarz i badacz Paul Ehrlich. Lek ten skutecznie stosowano do zwalczania kiły, choroby zakaźnej powodowanej przez krętka bladego, Treponema pallidum. W roku 1909 lek ten nazwano preparatem 606 (Ehrlich-Hata), a w roku 1910 zaprezentowano go jako Salwarsan. W pracach nad zastosowaniem medycznym salwarsanu Paula Ehrlicha wspierał m.in. Sahachirō Hata, który w 1909 roku przetestował działanie preparatu 606 na zwierzętach i kontynuował swoje badania po powrocie do Japonii. Aż 95 lat potrzeba było, by ostatecznie rozwiązać zagadkę struktury chemicznej tego związku (ryc. I). Kolejnym lekiem na bazie arsenu powstałym w laboratorium Ehrlicha w roku 1912 był neosalwarsan (neoarsfenamina), lepiej rozpuszczalny w wodzie niż salwarsan. Miał nieco mniejszą skuteczność niż salwarsan, ale i był mniej toksyczny. Ehrlich w roku 1908 wespół z Ilją Miecznikowem otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny, a więc tuż przed odkryciem salwarsanu.

Ryc. I. Struktura chemiczna salwarsanu. W roztworze wodnym salwarsan występuje w dwóch głównych formach izocyklicznych zbudowanych z trzech lub pięciu atomów arsenu (As)

Po salwarsanie do praktyki medycznej trafił prontosil, odkryty w roku 1932 przez bakteriologa Gerharda Domagka, w laboratorium, w którym kontynuowano m.in. prace Ehrlicha nad wpływem barwników na bakterie. Prontosil to sól sodowa sulfamidochryzoidyny, barwnika (prontosil rubrum) mającego w roztworze kolor czerwonego wina. Tak jak salwarsan, jest on prolekiem. W roku 1935 wykazano, że w organizmie prontosil ulega przekształceniu do sulfanilamidu (para-aminobenzenosulfonamid). Sulfanilamid (ryc. II) dał początek wielu pochodnym sulfonamidów, które okazały się skutecznymi chemioterapeutykami stosowanymi w leczeniu m.in. zapalenia opon mózgowych, zapalenia płuc, zapalenia oskrzeli, infekcji układu moczowego, rzeżączki, posocznicy i poważnych poparzeń. Ich działanie jest bakteriostatyczne i polega na zahamowaniu aktywności reduktazy dihydrofolianowej, czyli enzymu redukującego kwas dihydrofoliowy do tetrahydrofoliowego, blokując syntezę kwasu foliowego. Ludzie, w przeciwieństwie do bakterii, nie syntetyzują kwasu foliowego, lecz otrzymują ten związek z pokarmem (s. 53).

Ryc. II. Struktura chemiczna sulfanilamidu

Dalszy rozwój badań nad sulfonamidami został w jakiejś mierze przyćmiony przez odkrycie pierwszego naturalnego antybiotyku, penicyliny, a ściślej penicyliny F. To odkrycie przypisuje się szkockiemu lekarzowi i mikrobiologowi, Aleksandrowi Flemingowi, który wcześniej wykrył lizozym – enzym występujący m.in. we łzach, ślinie i ludzkim mleku (s. 351). Tak naprawdę, do wykrycia penicyliny przyczyniło się wiele wcześniejszych obserwacji. O niektórych wspomniano wyżej. W roku 1897 Ernest Duchesne w Lyonie opublikował wyniki swoich badań, w których zaobserwował lecznicze właściwości pleśni Penicillium glaucum, lecz zostały one zignorowane przez Instytut Pasteura. Same obserwacje Duchesne’a też nie były całkiem oryginalne, gdyż korzystał on z doświadczeń chłopców stajennych, którzy posługiwali się pleśnią, by leczyć rany u koni. W roku 1920 Belgowie André Gratia i Sara Dath zaobserwowali hamowanie wzrostu Staphylococcus aureus w hodowli przez grzyba z rodziny Penicillium. I ta publikacja właściwie przeszła bez echa. Para ta również pracowała nad czynnikiem bakteriolitycznym produkowanym przez promieniowce, wówczas zaliczane do rodzaju Streptothrix. Po latach (1937) okazało się, że aktywny związek to aktynomycetyna. Z kolei w roku 1923 badacz z Instytutu Pasteura w Kostaryce, Clodomiro P. Twight, zaobserwował antybiotyczną aktywność Penicillium sp.

Jak widać, grunt pod odkrycie penicyliny, dokonane przez Fleminga w roku 1929, został bardzo dobrze przygotowany. Fleming nazwał odkryty przez siebie antybiotyk, a właściwie zespół antybiotyków produkowany przez Penicillium rubens, hamujący wzrost Staphylococcus aureus, właśnie penicyliną. Następnie spędził prawie 12 lat na próbach uzyskania tej substancji w stanie czystym, lecz współpracował z chemikami, którzy z tym zadaniem nie mogli sobie poradzić. Dopiero w roku 1938 w Oksfordzie Howard W. Florey i jego zespół, w którym m.in. pracował Ernst B. Chain, podjął skuteczną próbę wyizolowania i otrzymania stabilnego preparatu penicyliny. Pierwszą oczyszczoną penicyliną (1940) była penicylina F (ryc. III). Z naturalnych penicylin do masowego użytku weszła jedynie stosowana dożylnie penicylina G (benzylowa) oraz podawana doustnie półsyntetyczna penicylina V (fenoksymetylowa).

W latach 1941–1944 rozpoczęto w Stanach Zjednoczonych przemysłową produkcję penicyliny, która szybko znalazła zastosowanie na polu walk podczas Drugiej Wojny Światowej. W 1945 roku, za „odkrycie penicyliny i jej działanie lecznicze w różnych chorobach zakaźnych”, A. Fleming, H. Florey i E. Chain wspólnie otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie medycyny. Równie ważne jak odkrycie penicyliny było odkrycie w roku 1957 6-kwasu aminopenicylanowego 6-APA, rdzenia wszystkich penicylin (s. 98).

Ryc. III. Struktura chemiczna pierwszego odkrytego naturalnego antybiotyku, penicyliny F (2-pentenylopenicyliny)

Równocześnie z toczącymi się badaniami nad penicyliną dokonywano odkryć antybiotyków produkowanych przez bakterie glebowe, głównie z grupy Actinomycetes. Pionierem tych badań był imigrant z Ukrainy Selman Abraham Waksman, który na Uniwersytecie Rutgersa w New Jersey stworzył podwaliny badań nad antybiotykami. Pierwszym antybiotykiem wykrytym w zespole Waksmana przez René Julesa Duboisa w 1939 roku była tyrotrycyna, mieszanina antybiotyków peptydowych: gramicydyny (ryc. IV, też s. 77) i tyrocydyny. Waksman jako pierwszy podjął ukierunkowane badania przesiewowe próbek gleby w celu znalezienia nowych antybiotyków. Wprowadzenie do słownictwa tego terminu przypisuje się właśnie jemu. Według Waksmana „antybiotykiem jest każda substancja chemiczna wytworzona przez mikroorganizmy, która posiada zdolność hamowania wzrostu, a nawet zniszczenia bakterii i innych drobnoustrojów” (1941).

Ryc. IV. Struktura chemiczna gramicydyny S, cyklo(-Val-Orn-Leu-D-Phe-Pro-)2

W rzeczywistości termin antybiotyk został użyty 70 lat wcześniej przez francuskiego dermatologa Françoisa Henriego Hallopeau na określenie substancji przeciwstawiającej się rozwojowi życia. Biorąc pod uwagę pochodzenie związków o działaniu przeciwbakteryjnym, można podać dwa określenia: antybiotyk i chemioterapeutyk. Zgodnie z takim podejściem antybiotyk to związek chemiczny wytwarzany przez jakikolwiek organizm (najczęściej jednak będący drobnoustrojem), który wybiórczo działa na struktury i procesy biologiczne, hamując wzrost lub podział komórek. Nazwa ta często stosowana jest dla licznych półsyntetycznych pochodnych antybiotyków naturalnych, a także w odniesieniu do całkowicie syntetycznych analogów powstających w laboratorium jako związki naśladujące działanie antybiotyków naturalnych. Chemioterapeutyk natomiast to związek chemiczny otrzymany na drodze syntezy chemicznej, nieposiadający swojego naturalnego odpowiednika/wzorca w przyrodzie. Potocznie chemioterapeutykami nazywa się też leki przeciwnowotworowe. Współczesna definicja antybiotyku odbiega od oryginalnej: obecnie za antybiotyki uznaje się bowiem wszystkie leki antybakteryjne, w tym również syntetyczne (wytworzone przez człowieka metodami chemicznymi) chemioterapeutyki – i w tym rozumieniu będzie stosowana w niniejszej książce.

Pierwszym antybiotykiem wyizolowanym w wyniku żmudnych badań przesiewowych, a nie poniekąd przypadkiem, jak penicylina, była aktynomycyna (1940), a dwa lata później streptotrycyna. Niestety obydwa antybiotyki, mimo szerokiego spektrum aktywności przeciwbakteryjnej, były zbyt toksyczne, by można było je stosować w lecznictwie. W roku 1943 grupa Waksmana odkryła streptomycynę (ryc. V, też s. 38). Było to odkrycie przełomowe, gdyż w przeciwieństwie do penicyliny, która jest aktywna tylko wobec bakterii Gram-dodatnich, streptomycyna zabija zarówno bakterie Gram-dodatnie, jak i Gram-ujemne oraz skutecznie działa na prątki. W roku 1949 w pracowni Waksmana odkryto kolejny stosowany do dzisiaj antybiotyk aminoglikozydowy: neomycynę. Za odkrycie streptomycyny Waksman w 1952 roku otrzymał Nagrodę Nobla.

Ryc. V. Struktura chemiczna streptomycyny

W 1947 roku Paul Rufus Burkholder opublikował informację o chloramfenikolu (chloromycetynie), pierwszym przedstawicielu grupy amfenikoli. Antybiotyk ten otrzymano w tym samym mniej więcej czasie ze szczepów Streptomyces venezuelae i Streptomyces phleochromogenes var. chloromyceticus w trzech różnych laboratoriach (ryc. VI).

Dwa lata później Mildred Catherine Rebstock z firmy farmaceutycznej Parke-Davis dokonała pierwszej syntezy chemicznej chloramfenikolu i zarazem pierwszej syntezy antybiotyku w ogóle. Po chloramfenikolu zsyntetyzowano szereg pochodnych tego antybiotyku, takich jak tiamfenikol i florfenikol. Na bazie chloramfenikolu skonstruowano również antybiotyki hybrydowe (s. 379).

Ryc. VI. Struktura chemiczna chloramfenikolu

Ryc. VII. Struktura chemiczna polimyksyny E2

W tym samym roku w Japonii wykryto pierwszy antybiotyk lipopeptydowy, kolistynę (polimyksyna E), działający na obydwie błony bakterii Gram-ujemnych (ryc. VII). Antybiotyk ten wytwarzany jest przez Bacillus colistinus. Wiele lat później odkryto podobnie działający cykliczny lipopeptyd: daptomycynę. Kolistyna powoduje wiele skutków ubocznych, lecz jest wciąż stosowana jako jeden z leków ostatniej szansy u chorych z ciężkimi infekcjami wywołanymi przez bakterie oporne na antybiotyki.

W roku 1948 Benjamin Minge Duggar odkrył chlorotetracyklinę (aureomycyna), antybiotyk o szerokim spektrum działania bakteriostatycznego, działający również m.in. na pierwotniaki, mykoplazmy i riketsje. W następnych latach otrzymano gamę naturalnych i półsyntetycznych pochodnych tetracyklin.Prawie dziesięć lat później wyizolowano naturalnie występującą tetracyklinę, którą wcześniej otrzymano przez hydrogenację chlorotetracykliny (ryc. VIII).

Ryc. VIII. Struktura chemiczna pierwszego odkrytego antybiotyku z grupy tetracyklin (chlorotetracykliny)

Oprócz właściwości leczniczych tetracyklin niejako przypadkiem wykryto, że stymulują one przyrost masy ciała zwierząt hodowlanych karmionych odpadami z produkcji tych antybiotyków. Następnie wykryto oksytetracyklinę, a po niej tetracykliny drugiej generacji: doksycyklinę i minocyklinę, dostępne w lecznictwie od połowy lat sześćdziesiątych XX wieku.

Antybiotyk z grupy makrolidów, pikromycynę, wykryto w roku 1950. Związki te zbudowane są z dużego makrocyklicznego pierścienia laktonowego, zbudowanego z 14, 15 lub 16 atomów węgla, do którego przyłączone są jeden lub dwa deoksycukry (s. 42). Nie znalazł on zastosowania, ale stał się ważnym prekursorem dla syntezy kolejnych makrolidów i pochodnych. Pierwszy makrolid, który został z powodzeniem wprowadzony do praktyki medycznej, to erytromycyna, wtórny metabolit wytwarzany przez szczep Saccharopolyspora erythraea, wyizolowany przez grupę Jamesa Myrlina McGuire’a z próbki gleby pochodzącej z Filipin (ryc. IX).

Ryc. IX. Struktura chemiczna pierwszego odkrytego antybiotyku z grupy makrolidów, erytromycyny

Spośród wielu półsyntetycznych pochodnych erytromycyny wyróżnia się, wytworzona w Chorwacji, azytromycyna, która przez wiele lat była najczęściej przepisywanym antybiotykiem w Stanach Zjednoczonych. Droga od erytromycyny do azytromycyny prowadzi przez cztery etapy modyfikacji, ale już wytworzenie solitromycyny, która wciąż czeka na akceptację Amerykańskiej Agencji ds. Żywności i Leków (FDA), wymaga aż 16 etapów. Łącznie na przestrzeni lat uzyskano ponad trzysta różnych makrolidów.

Pierwszym oksazolidynonem zatwierdzonym do stosowania w medycynie był linezolid (2000), ze wskazaniem w przypadku: (a) infekcji powodowanych przez oporne na wankomycynę szczepy Enterococcus faecium, (b) odszpitalnego lub pozaszpitalnego zapalenia płuc powodowanego przez Staphylococcus aureus (gronkowca złocistego) lub Streptococcus pneumoniae (dwoinkę zapalenia płuc), (c) złożonych infekcji skórnych powodowanych przez Staphylococcus aureus, S. pyogenes lub S. agalactiae. Był to pierwszy przedstawiciel nowej klasy antybiotyków od wykrycia kwasu nalidyksowego w 1962 roku (ryc. X).

Innymi antybiotykami tej grupy są eperezolid, tedizolid i sutezolid. Tedizolid jest zatwierdzoną w roku 2014 w USA, a rok poźniej w UE, pochodną linezolidu mającą od 4 do 16 razy większą aktywność niż antybiotyk wyjściowy.

Ryc. X. Struktura chemiczna linezolidu, pierwszego zidentyfikowanego antybiotyku z grupy oksazolidynonów

W 1953 roku wykryto naturalny produkt 2-nitroimidazol, nazwany azomycyną, wytwarzany przez Nocardia mesenterica. Nie znalazł on zastosowania w lecznictwie, ale jest używany w badaniach laboratoryjnych. Związek ten stał się podstawą nowej klasy antybiotyków, nitroimidazoli. W 1962 roku poszukiwania bardziej optymalnych analogów tego związku zaowocowały odkryciem metronidazolu, skutecznego wobec bakterii beztlenowych.

Lata pięćdziesiąte XX wieku przyniosły odkrycia kilku klas nowych antybiotyków oprócz tych wspomnianych powyżej, w tym glikopeptydów, streptogramin i ansamycyn. Glikopeptydy to syntetyzowane pozarybosomowo glikozylowane cykliczne i policykliczne polipeptydy. Jednym z bardziej znanych glikopeptydów jest wankomycyna (1953), produkowana przez bakterie Amycolatopsis orientalis (wcześniej Streptomyces orientalis) i wyizolowana z gleby pochodzącej z wyspy Borneo (ryc. XI). Nazwa tego antybiotyku pochodzi od angielskiego czasownika to vanquish znaczącego „rozgromić”.

Wankomycynę na początku stosunkowo rzadko wykorzystywano w lecznictwie, ponieważ, po pierwsze – powszechnie stosowano antybiotyki β-laktamowe, a po drugie – wywoływała ona niepożądane skutki uboczne. Powróciła jednak do łask, kiedy okazało się, że działania niepożądane były spowodowane obecnością zanieczyszczeń w stosowanych preparatach, które nazywano od ich barwy „błotem z Mississippi”. Inny antybiotyk z tej grupy, teikoplaninę, wyizolowano dopiero pod koniec lat 70. XX wieku. Kolejne glikopeptydy wprowadzone do użytku to telawancyna oraz dalbawancyna, które z racji posiadania ogonów lipidowych oprócz hamowania syntezy mureiny naruszają integralność błon komórkowych. Stąd też nazywane są lipoglikopeptydami.

Ryc. XI. Struktura chemiczna wankomycyny

Streptograminy w latach 50. XX wieku izolowane były wielokrotnie od różnych promieniowców, stąd trudno powiedzieć, który z tych antybiotyków został otrzymany jako pierwszy. Unikalność tych antybiotyków polega na tym, że promieniowce wytwarzają dwa odmienne strukturalnie antybiotyki, które łącznie mają działanie synergistyczne. Wiązanie jednej z tych struktur do rybosomu ułatwia wiązanie drugiej i razem zabijają zaatakowaną bakterię. Najlepiej znanym przedstawicielem jest para chinuprystyna-dalfoprystyna (ryc. XII, też s. 48).

Ryc. XII. Struktura chemiczna leku Synercid, będącego kombinacją pary chinuprystyna-dalfoprystyna

Ryfamycyna (1953), a właściwie mieszanina kilku ryfamycyn wytwarzana przez Amycolatopsis rifamicinica, to przedstawiciel ansamycyn (s. 29). Pierwszy antybiotyk tej grupy, który otrzymał akceptację do stosowania w leczeniu, to ryfamycyna SV, pochodna ryfamycyny S (ryc. XIII).

Ryc. XIII. Pierwszy antybiotyk z obszernej grupy ryfamycyn dopuszczony do użytku w lecznictwie – ryfamycyna SV

Po niej nastąpił szereg odkryć półsyntetycznych pochodnych, począwszy od stosowanego dożylnie ryfamidu, a następnie m.in. ryfapentyny, ryfabutyny i ryfaksyminy. Antybiotyki te są stosowane np. w leczeniu biegunki podróżnych, ale co ważniejsze, w kombinacji z innymi antybiotykami wykorzystuje się je również w zwalczaniu gruźlicy, trądu i chlamydioz. Do ansamycyn należą również, mające bardzo długie alifatyczne łańcuchy węglowe, naftomycyny, streptowarycyny i ansawarycyny.

W roku 1953 odkryto D-cykloserynę (ryc. XIV) produkowaną przez Streptomyces sp. Antybiotyk ten jest cyklicznym analogiem D-alaniny i hamuje wczesny etap biosyntezy mureiny. W lekko kwaśnym pH cykloseryna hydrolizuje do hydroksyloaminy i seryny. Znajduje ona zastosowanie w leczeniu gruźlicy, w kombinacji z innymi antybiotykami.

Lata 60. XX wieku przyniosły koniec tzw. złotej ery odkryć antybiotyków. Zwieńczyło ją wykrycie w roku 1962 chinolonów, a rok później linkozamidów. Następnie nastąpiła blisko 40-letnia przerwa, podczas której powstawały półsyntetyczne i syntetyczne analogi antybiotyków już znanych. Chinolony odkryto przypadkiem podczas syntezy chlorochiny stosowanej w leczeniu malarii. Lek ten posłużył jako podstawa do zbudowania kwasu nalidyksowego (ryc. XV), po którym otrzymano trzy kolejne generacje fluorochinolonów. Jeden z wczesnych syntetycznych chinolonów, kwas oksolinowy (1968), jest nadal stosowany w leczeniu schorzeń układu moczowego.

Ryc. XIV. Wzór strukturalny D-cykloseryny

Ryc. XV. Kwas nalidyksowy; a) pierwszy syntetyczny antybiotyk z grupy chinolonów, b) kwas oksolinowy

Pierwszym antybiotykiem z grupy linkozamidów była linkomycyna, rzadko stosowana z powodu objawów ubocznych (ryc. XVI). Znacznie szersze zastosowanie ma chlorowana pochodna linkomycyny, klindamycyna, lecząca infekcje powodowane przez bakterie beztlenowe.

Ryc. XVI. Wzór strukturalny linkomycyny

Ogółem w latach 1940–1980 wykryto kilkaset różnych substancji antybiotycznych, z których niewiele znalazło praktyczne zastosowanie. Począwszy od roku 2004, liczba nowo zatwierdzonych antybiotyków lub terapii kombinowanych dramatycznie spada. Co gorsza, celami nowych antybiotyków wciąż pozostają rybosom, biosynteza mureiny oraz w procesie replikacji DNA: gyraza i topoizomeraza.

Czy można to zmienić, zwłaszcza gdy nie potrafimy hodować większości bakterii środowiskowych? Odpowiedzią na to pytanie jest niewątpliwie rozwój technik sekwencjonowania metagenomowego, w tym metagenomika funkcjonalna. Dzięki tej metodzie możemy, poprzez tworzenie bibliotek metagenomowych na bazie całkowitego DNA wyizolowanego z danego środowiska, badać funkcję nieznanych genów w komórce znanego gospodarza, co umożliwia m.in. identyfikację nowych mechanizmów oporności. W taki sposób zespół z Uniwersytetu Rockefellera odkrył w 2018 roku antybiotyk należący do rodziny N-acylowanych cyklicznych peptydów (malacydyny, s. 97), które do działania przeciwbakteryjnego wymagają wapnia. Antybiotyki te są szczególnie interesujące, ponieważ jak wykazano, poszczególni członkowie tej rodziny mają odrębne mechanizmy działania, ukierunkowane na biosyntezę ściany komórkowej lub integralność błony komórkowej. Przykładem antybiotyku z tej rodziny jest daptomycyna (s. 75).

Alternatywą dla poszukiwania nowych antybiotyków mogą być też niekonwencjonalne metody hodowli „niehodowlanych” bakterii poprzez hodowlę in situ lub przy użyciu określonych czynników wzrostu. Tak odkryto w 2015 roku, z wykorzystaniem specjalnego systemu CTC-iChip, szczep bakterii wytwarzający nowy antybiotyk, teiksobaktynę, która hamuje syntezę ściany komórkowej bakterii (s. 136, 346). Antybiotyk ten okazał się skuteczny wobec lekoopornych prątków gruźlicy, gronkowca złocistego opornego na metycylinę (MRSA), opornych na wankomycynę enterokoków (VRE) oraz wobec praktycznie wszystkich patogenów – zarówno Gram-dodatnich, jak i Gram-ujemnych. W wyniku przeprowadzonych badań naukowcy z Northeastern University w Bostonie otrzymali w sumie 25 potencjalnych antybiotyków, które wymagają dalszych badań. Innym podejściem jest poszukiwanie tzw. alternatywnych sposobów zwalczania bakterii opartych np. na bakteriofagach, bakteriocynach lub lizynach fagowych czy nanocząstkach metali, a także stosowanie działań prewencyjnych, jakimi są szczepienia (s. 402).

Wspomniano wyżej, że do dziś stosowane antybiotyki działają na te same cele w komórce bakteryjnej, dlatego uważa się, że szansą na tworzenie nowych leków przeciwbakteryjnych jest poszukiwanie nowych celów ich działania. Przykładem antybiotyku działającego na nowy cel w komórce bakteryjnej jest opisana w 2006 roku platensymycyna wytwarzana przez Streptomyces platensis. Związek ten jest „inhibitorem FabF” – działa poprzez hamowanie syntaz β-ketoacylowych I/II (FabF/B) biorących udział w wytwarzaniu kwasów tłuszczowych o długich łańcuchach, które są niezbędne do budowy błon komórkowych bakterii. Antybiotyk jest skuteczny wobec bakterii Gram-dodatnich.

Zupełnie nowym podejściem jest wykorzystanie sztucznej inteligencji i tzw. głębokiego uczenia maszynowego do przeszukiwania dużych baz danych związków chemicznych i typowania związków o potencjalnej aktywności bakteriobójczej lub bakteriostatycznej. W 2020 roku opublikowano wyniki badań, w których „wyedukowana” w ten sposób sieć neuronowa wytypowała nowy, potencjalny antybiotyk nazwany halicyną. Jego aktywność antybiotyczna polega na wiązaniu w komórce bakterii jonów żelaza, powodując tym samym upośledzoną regulację kwasowości środowiska wewnętrznego drobnoustroju. W badaniach wykazano działanie bakteriobójcze tego związku przeciwko Mycobacterium tuberculosis, Clostridioides difficile i Acinetobacter baumannii oraz przeciwko szczepom Enterobacteriaceae opornym na karbapenemy (s. 342). Z przetestowanych milionów cząsteczek zidentyfikowano jeszcze kilka związków przeciwbakteryjnych, które są strukturalnie odległe od znanych antybiotyków. Dodatkowo, stworzony model sieci neuronowej bada również bezpieczeństwo substancji wobec ludzkiej komórki. Najbardziej zaskakujący jest czas trwania poszukiwań. Tylko trzy dni zajęło poddanej nauce sztucznej inteligencji przeszukanie tak ogromnej puli związków.

Jeszcze w latach 80. XX wieku dominował pogląd, że całkowicie opanowaliśmy problem zakażeń bakteryjnych. Przecież mieliśmy do dyspozycji tak wiele klas antybiotyków i chemioterapeutyków działających na różne cele w komórce bakteryjnej. Dopiero kiedy w kolejnym dziesięcioleciu okazało się, że istnieją infekcje, w tym choroby zakaźne, spowodowane przez szczepy bakterii wielolekooporne lub wręcz oporne na wszystkie dostępne antybiotyki, rozpoczęła się międzynarodowa dyskusja, czy i w jaki sposób możemy zahamować zjawisko rozpowszechniania oporności na antybiotyki.

Warto się w tym miejscu zastanowić, dlaczego doszło do rozpowszechnienia antybiotykooporności na taką skalę (s. 125). Zapewne obecne antybiotyki mogłyby nam służyć dalej, gdyby nie ich nadużywanie i niewłaściwe stosowanie zarówno w medycynie, weterynarii, jak i w rolnictwie, akwakulturze, hodowli zwierząt czy w przemyśle, które doprowadziło do rozpowszechnienia antybiotykooporności. Przestrzegał przed tym sam Aleksander Fleming na wykładzie wygłoszonym podczas ceremonii wręczenia Nagrody Nobla (11 grudnia 1945): „Mogą nadejść czasy, gdy penicylina będzie mogła być kupiona przez każdego w sklepie. Istnieje więc niebezpieczeństwo, że nieświadomy [...] człowiek będzie ją przyjmował w zbyt niskiej dawce i drobnoustroje poddawane nieodpowiednim dawkom leku staną się oporne”. Obecnie notowane warianty oporności wśród szczepów klinicznych, weterynaryjnych i środowiskowych wskazują na stan krytyczny, o czym alarmują nie tylko naukowcy, ale też różne organizacje europejskie i światowe, m.in.: Światowa Organizacja Zdrowia (ang. WHO, World Health Organization), Komisja Europejska (KE), Europejskie Centrum Profilaktyki i Kontroli Zakażeń (ang. ECDC, European Centre for Disease Prevention and Control), czy Amerykańskie Centrum Profilaktyki i Kontroli Zakażeń (ang. CDC, Centers for Disease Control and Prevention).

Narastanie i rozpowszechnianie oporności wśród bakterii zostało uznane za najpoważniejszy problem zdrowia publicznego krajów Unii Europejskiej. W wyniku prac Komisji Europejskiej zatwierdzono wymagania dla krajów członkowskich (dokument Communication From the Commission on A Community Strategy Against Antimicrobial Resistance[1]). Są to:

• monitorowanie rozpowszechniania się oporności na antybiotyki i nadzorowanie ich zużycia

• racjonalizacja stosowania antybiotyków (standardy zapobiegania, diagnostyki i leczenia zakażeń)

• zwiększanie wiedzy profesjonalistów, decydentów i społeczeństwa o konsekwencjach niewłaściwego stosowania antybiotyków

• współpraca z innymi krajami Unii oraz organizacjami międzynarodowymi (wymiana informacji i doświadczeń)

• wspieranie działania i programów badawczych nastawionych na poszukiwanie nowych leków przeciwbakteryjnych.

W roku 2008 wspomniane wyżej organizacje opracowały wspólnie holistyczne podejście „Jedno zdrowie” oraz zalecenie dotyczące planu działania dla zdrowia na świecie (s. 182). W opublikowanym w kwietniu raporcie WHO z 2014 roku pt. Oporność drobnoustrojów na antybiotyki: raport podsumowujący monitorowanie antybiotykooporności na świecie w 2014 r. (ang. Antimicrobial resistance: global report on surveillance 2014) podkreślono, że problem antybiotykooporności zagraża osiągnięciom współczesnej medycyny: „stajemy się świadkami ery postantybiotykowej, kiedy ponownie banalne infekcje mogą prowadzić do śmierci”. Wnioski z tego raportu posłużyły jako podstawa do opracowania i ogłoszenia przez WHO w 2015 roku podczas Światowego Zgromadzenia Zdrowia Światowego planu działania w zakresie antybiotykooporności (ang. Global action plan on antibiotic resistance, 2015). Plan ten został też zaakceptowany przez Zgromadzenie Generalne Narodów Zjednoczonych, tworzone przez 193 kraje członkowskie (21 września 2016). Problem antybiotykooporności był również jednym z tematów szczytu G20, który odbył się nieco wcześniej (4–5 września 2016).

W roku 2017 kraje Unii Europejskiej ustaliły plan działania przeciwko oporności na środki przeciwdrobnoustrojowe zgodny z podejściem „Jedno zdrowie” pt. Działania UE w zakresie oporności na środki przeciwdrobnoustrojowe (ang. EU Action on Antimicrobial Resistance, 2017). Oprócz wcześniej wymienionych strategicznych celów zgodnych z wymaganiami Komisji Europejskiej wymieniono:

• racjonalizację stosowania antybiotyków w medycynie i weterynarii

• stworzenie odpowiednich zasobów sprzyjających inwestycjom uwzględniającym potrzeby wszystkich krajów w zakresie opracowywania nowych leków, narzędzi diagnostycznych, szczepień i innych.

W tym samym roku, po raz pierwszy w historii, Światowa Organizacja Zdrowia opublikowała listę 12 priorytetowych patogenów opornych na antybiotyki, które stanowią największe zagrożenie dla zdrowia ludzkiego i przeciwko którym są pilnie potrzebne nowe antybiotyki (s. 144).

Obecnie mamy bardzo szczegółową wiedzę na temat mechanizmów oporności na antybiotyki i chemioterapeutyki, jakimi dysponują dane gatunki czy rodzaje bakterii. Wiemy, jakie geny odpowiadają za dany mechanizm i gdzie w genomie bakteryjnym są zlokalizowane (s. 187). Znamy też doskonale wszystkie kluczowe dla komórki bakteryjnej procesy i potrafimy wyznaczyć nowe cele dla nowych środków przeciwbakteryjnych. Wiele ośrodków naukowych prowadzi takie badania, lecz ich wyniki nie znajdują zainteresowania wśród firm farmaceutycznych, które drastycznie ograniczyły fundusze na poszukiwanie nowych leków przeciwbakteryjnych. Obecnie szacunkowy koszt pełnego cyklu od wytypowania potencjalnej substancji o aktywności przeciwbakteryjnej do wprowadzenia jej na rynek jako antybiotyku wynosi od 2 do 4 mld dolarów.

W Europie, zgodnie z wytycznymi Komisji Europejskiej z 2001 roku, wdrożono Międzynarodowy Program Ochrony Antybiotyków, w Polsce od 2004 roku znany jako Narodowy (NPOA)[2]. Głównymi celami programu są: „zapobieganie lekooporności drobnoustrojów oraz wprowadzenie w polskich szpitalach polityki antybiotykowej, która sprawi, że ich stosowanie będzie bardziej racjonalne. Ważnym elementem programu jest też edukacja i promocja zasad stosowania antybiotyków, nie tylko wśród profesjonalistów, ale całego społeczeństwa”.

Naukowcy, jak również wiele organizacji, m.in. Światowa Organizacja Zdrowia, wymieniają najważniejsze przyczyny rozpowszechnienia antybiotykooporności, do których należą:

• nadużywanie i niewłaściwe stosowanie tych leków w medycynie, a głównie: leczenie antybiotykami zakażeń wirusowych, tj. przeziębienia, grypy czy zapalenia oskrzeli, stosowanie niezgodne z zarejestrowanymi wskazaniami (przykłady to: zbyt niskie dawki, terapia trwa zbyt krótko bądź zbyt długo, terapia nie zmienia się na celowaną wraz z dostępnością wyniku badania mikrobiologicznego, lub też stosowane są antybiotyki o szerokim spektrum działania)

• nadużywanie i niewłaściwe stosowanie poza medycyną, czyli: stosowanie tych samych klas antybiotyków w weterynarii zarówno w terapii, jak i w profilaktyce, wykorzystywanie antybiotyków w hodowli zwierząt jako stymulatorów wzrostu (zakaz stosowania antybiotykowych stymulatorów wzrostu w żywieniu zwierząt hodowlanych został wprowadzony w krajach Unii Europejskiej dopiero Rozporządzeniem Parlamentu Europejskiego i Rady Nr 1831/2003 z dnia 22 sierpnia 2003 roku, nie obowiązuje on jednak w krajach reszty świata), używanie antybiotyków w produkcji rolnej i hodowli ryb oraz dodawanie ich do farb i fug.

To właśnie niekontrolowane stosowanie przez ponad 50 lat olbrzymich ilości leków przeciwdrobnoustrojowych w produkcji zwierząt i roślin doprowadziło do rozpowszechnienia, w wyniku wszechobecnej i utrzymującej się presji selekcyjnej, istniejących już mechanizmów oporności, jak i tych nowo powstałych.

1. Cele antybiotyków w komórce bakteryjnej i sposób, w jaki są atakowane

Corpora non agunt, nisi fixata.

Ciała (leki) nie zadziałają jeśli nie zostaną związane.

Paul Ehrlich (twórca chemioterapii)

Antybiotyki w ujęciu zaprezentowanym w tej książce to produkty metabolizmu wtórnego, wytwarzane głównie przez bakterie i niektóre grzyby. Działają one na bakterie, hamując ich wzrost i replikację lub wprost je zabijając. Jednak w miarę rozwoju badań nad antybiotykami oraz poszukiwania nowych, zaczęto modyfikować znane związki oraz syntetyzować nowe, działające w podobny sposób lub na podobne cele w komórce bakteryjnej. Wszystkie te związki są antybiotykami. Pod względem chemizmu antybiotyki stanowią grupę bardzo silnie zróżnicowanych związków chemicznych. Ich klasyfikacja najczęściej oparta jest zatem na podobieństwie budowy chemicznej. Tutaj, zamiast klasyfikacji antybiotyków na grupy oparte na wspólnym schemacie budowy chemicznej, przedstawione zostaną grupy antybiotyków, jak i indywidualne antybiotyki, charakteryzujące się tym samym ogólnym celem działania (targetem) w komórce bakteryjnej, choć szczegółowe cele mogą być odmienne (ryc. 1.1). Głównymi grupami antybiotyków działających na komórkę bakteryjną są:

• antybiotyki działające na poziomie bakteryjnego chromosomu oraz na replikację DNA

• antybiotyki hamujące proces powstawania RNA, czyli transkrypcję

• antybiotyki wpływające na proces powstawania białka na matrycy mRNA, to jest na translację

• antymetabolity hamujące przebieg procesów metabolicznych na zasadzie analogów strukturalnych

• antybiotyki działające na integralność oraz biosyntezę elementów osłon komórkowych.

Ryc. 1.1. Cele reprezentatywnych antybiotyków w komórce bakteryjnej, objaśnienia w tekście

1.1. Synteza DNA i antybiotyki hamujące jej przebieg

Kwasy nukleinowe pozornie wydają się mało skomplikowanym polimerem, gdyż składają się tylko z czterech powtarzających się elementów – (a) nukleotydów, zbudowanych z reszty cukrowej – deoksyrybozy w przypadku DNA lub rybozy w cząsteczce RNA, połączonej (b) wiązaniem N-glikozydowym z (c) zasadą azotową, purymidynową lub purynową, oraz (d) reszty kwasu ortofosforowego. Pochodne nukleotydów pełnią funkcję przenośników energii w komórce bądź mogą być koenzymami różnych enzymów. Kolejne trójki nukleotydów, zwane kodonami, pełnią rolę jednostek informacji i odpowiadają różnym aminokwasom. Dany kodon koduje zawsze ten sam aminokwas, choć ten sam aminokwas może być determinowany przez kilka kodonów, np. leucyna kodowana jest przez aż sześć różnych. Ten sposób zapisu w DNA informacji o kolejności aminokwasów w syntetyzowanym białku nazywany jest kodem genetycznym.

Kod ten musi być powielony bardzo wiernie, gdyż wszelkie odchylenia prowadzą do powstania białek o zmienionej sekwencji aminokwasowej. DNA w komórce złożony jest z dwóch helikalnie nawiniętych na siebie komplementarnych łańcuchów (nici) polinukleotydowych. Rozdzielenie dwuniciowej struktury pozwala na dobudowanie (doreplikowanie) do każdej z nici nowego, komplementarnego łańcucha polinukleotydowego. Taki typ replikacji nazywa się semikonserwatywnym, a łańcuch, do którego dobudowywany jest uzupełniający, nazywany jest matrycą. Replikacja DNA u bakterii rozpoczyna się w miejscu specyficznej sekwencji długości około 250 zasad, rozpoznawanej przez białka inicjatorowe, przede wszystkim DnaA. Z kolei do DNA przyłącza się helikaza (DnaB), której pomaga w tym białko Dnac. Dwie helikazy umiejscawiają się na przeciwległych niciach DNA, rozwijając dwuniciową strukturę, dzięki wykorzystaniu energii z ATP. Za nimi lokują się dwie cząsteczki prymazy i dwie cząsteczki polimerazy.

Jak widać, w replikacji DNA w komórkach bakterii, np. Escherichia coli, udział bierze kilka współpracujących białek. W widełkach replikacyjnych współpracujące białka to helikaza (DnaB), prymaza (DnaG), gyraza, tetrameryczne białko wiążące jednoniciowy DNA (ang. ssb, single-stranded binding protein) oraz holoenzym polimeraza DNA III. Ten zespół białek nosi nazwę replisomu (ryc. 1.2), w którym helikaza z prymazą tworzą podkompleks prymosomu.

Polimeraza DNA III z kolei składa się z trzech podkompleksów: (a) rdzenia αεθ, który obejmuje polimerazę 5′−3′ oraz aktywność korektorską 3′−5′, (b) zacisku ślizgowego β_2 (ang. sliding clamp), który chroni polimerazę przed łatwym odpadaniem od matrycy oraz (c) elementu (τ/γ)3δδ′ψχ ustawiającego zacisk (ang. clamp loader). Ten ostatni nie tylko przenosi zacisk β_2 o kształcie pierścienia na DNA, lecz także nadzoruje uorganizowanie widełek replikacyjnych, wchodząc w interakcje z rdzeniem, helikazą i ssb. Rola tego ostatniego białka polega na stabilizacji jednoniciowej formy DNA. W równoczesnej replikacji dwóch pierwotnych nici DNA biorą udział przynajmniej dwa rdzenie z trzech, które mogą wiązać element otwierający zatrzask. Białko ssb nie tylko chroni jednoniciowy DNA, ale i wchodzi w interakcje z białkami uczestniczącymi w replikacji i naprawie DNA oraz rekombinacji. Rozwijająca aktywność helikazy powoduje powstawanie superskrętów DNA, i tu ważną rolę odgrywają enzymy gyraza i topizomeraza IV. Gyraza poprzedza widełki replikacyjne, wprowadzając równoważące negatywne superskręty. Wykazano, że w dowolnym momencie cyklu komórkowego z chromosomem związanych jest co najmniej 300 reszt gyrazy. Podobną rolę w kontrolowaniu stopnia superskręcenia bakteryjnego DNA odgrywa topoizomeraza IV. Po bardziej szczegółowy opis, szczególnie etapu inicjacji, odsyłamy Czytelnika do literatury uzupełniającej.

Ponieważ genom E. coli, jak i innych organizmów, zbudowany jest z dwóch nici o przeciwległej orientacji, a polimeraza III syntetyzuje DNA wyłącznie w kierunku 5′−3′, jedynie nić wiodąca może być syntetyzowana w sposób ciągły, podczas gdy nić opóźniona powstaje we fragmentach długości 1000–2000 nukleotydów, zwanych fragmentami Okazakiego. Każdy fragment Okazakiego zaczyna się od startera RNA syntetyzowanego przez prymazę DnaG, do którego polimeraza III dobudowuje łańcuch DNA. DnaG syntetyzuje prymery bardzo niewydajnie i wymaga do pełnej aktywności ssb, helikazy DnaB i m.in. białek inicjatorowych DnaA, DnaB oraz białka wspomagającego helikazę DnaC.

Ryc. 1.2. Schematyczne przedstawienie replisomu. Gyraza usuwa superskręty wprowadzone przez helikazę podczas rozwijania dwóch nici. Helikaza razem z prymazą tworzą primery RNA dla nieciągłej syntezy DNA na nici opóźnionej. Każda z nici replikowana jest przez polimerazę DNA związaną z egzonukleazą i zaciskiem. Obie polimerazy są połączone za pośrednictwem podjednostki τ ustawiacza zacisku, który również wiąże się do helikazy. Ustawiacz zacisku przenosi zacisk na primery RNA stworzone przez prymazę. Tetramery ssb opłaszczają jednoniciowy DNA na nici opóźnionej, gdy polimeraza I i ligaza usuwają primer RNA i zamykają cięcia (za zgodą: Santos J.A., Lamers M.H. Novel Antibiotics Targeting Bacterial Replicative DNA Polymerases. Antibiotics 2020; 9, 776, https://doi.org/10.3390/antibiotics9110776)

1.1.1. Antybiotyki hamujące biosyntezę DNA

Jak widać nawet z pobieżnego opisu przebiegu replikacji genomu bakteryjnego, w procesie tym uczestniczy wiele elementów. Jednakże głównym celem antybiotyków hamujących replikację DNA najczęściej stosowanych w lecznictwie są topoizomerazy, inaktywowane przez antybiotyki chinolonowe.

• Pierwszym wykrytym antybiotykiem tej grupy był kwas nalidyksowy (ryc. XV, s. 13), który słabo penetruje do tkanek i ma ograniczone zastosowanie, również dlatego, że jego spektrum aktywności obejmuje głównie bakterie Gram-ujemne. W latach 80. XX wieku do użytku wprowadzono antybiotyki chinolonowe, charakteryzujące się obecnością fluoru w pozycji 6 pierścienia chinolowego.

• Do drugiej (II) generacji tych antybiotyków należą np. norfloksacyna, cyprofloksacyna i enoksacyna (klasa I) oraz lomefloksacyna i ofloksacyna (klasa II).

• Kolejna generacja (III) obejmuje np. lewofloksacynę, sparfloksacynę i grepafloksacynę (ryc. 1.3).

• Czwarta (IV) generacja antybiotyków chinolonowych to np. klinafloksacyna, gatifloksacyna i moksyfloksacyna. Chinolony czwartej generacji inaktywują zarówno gyrazę, jak i topoizomerazę IV, co zmniejsza prawdopodobieństwo powstawania mutantów opornych na te antybiotyki.

Ryc. 1.3. Struktura chemiczna norfloksacyny, antybiotyku II generacji chinolonów oraz sparfloksacyny, antybiotyku III generacji

Każda kolejna generacja wykazuje zwiększone działanie bakteriobójcze wobec bakterii Gram-ujemnych przy stosunkowo podobnej aktywności wobec bakterii Gram-dodatnich. Gyraza jest głównym enzymem odpowiedzialnym za regulowanie superskręcenia DNA i usuwania napięcia torsyjnego związanego z replikacją i transkrypcją DNA. Topoizomeraza IV w tych procesach ma mniejsze znaczenie: jej udział sprowadza się głównie do usuwania napięć w DNA powstających w trakcie replikacji oraz do dekatenacji siostrzanych chromosomów po replikacji. By to przeprowadzić, topoizomerazy generują czasowe dwuniciowe cięcia przesunięte względem siebie w obu niciach DNA, przenoszą odcinek DNA przez wytworzoną przerwę i ponownie katalizują łączenie przeciętego DNA. By zachować integralność kwasu nukleinowego podczas tego procesu, gyraza czy topoizomeraza IV tworzą wiązania kowalencyjne między resztami tyrozyny w centrum aktywnym enzymu i końcami 5′ w miejscu przecięcia DNA, z powstaniem przejściowych kompleksów.

Gyraza składa się z dwóch identycznych łańcuchów białkowych o masie 105 Da (GyrA_2) i dwóch o masie 95Da (GyrB_2), kodowanych odpowiednio przez geny gyrA i gyrB. Cięcia w DNA katalizowane są przez podjednostkę GyrA (ryc. 1.4). Reakcja ta wymaga hydrolizy ATP, którą przeprowadza podjednostka B. Jak wspomniano, topoizomerazy wprowadzają dwuniciowe cięcia do bakteryjnego genomu. Ta aktywność, niezbędna do prawidłowego funkcjonowania komórki, potencjalnie jednak może prowadzić do fragmentacji genomu. Chinolony w istocie czynią to, zabijając komórki przez zwiększenie liczby kompleksów topoizomeraza-DNA w miejscach przeciętego DNA. Antybiotyki te zatem przeprowadzają topoizomerazy w komórkowe toksyny, dlatego są czasami nazywane truciznami topoizomeraz.

Ryc. 1.4. Schemat ilustrujący aktywność gyrazy. Cykl katalityczny gyrazy. Związanie dwóch reszt ATP przez gyrazę powoduje dimeryzację domen ATPazowych podjednostek GyrB i przechwycenie przenoszonego segmentu T (ang. transported) DNA w jamie między podjednostkami GyrB. Następnie enzym wprowadza dwuniciowe cięcie w segmencie G (furtka, ang. gate) DNA, przez które segment T zostaje przeniesiony. Po przeniesieniu segmentu T gyraza zamyka cięcia w segmencie G, a segment T zostaje uwolniony z kompleksu. Tym procesom towarzyszy hydroliza dwóch reszt ATP oraz wprowadzenie dwóch ujemnych superskrętów do matrycy DNA (za zgodą: Stracy M., Wollman A.J.M. et al. 2019. Single-molecule imaging of DNA gyrase activity in living Escherichia coli. Nucleic Acids Res. 10; 47(1): 210–220; doi: 10.1093/nar/gky1143)

Ryc. 1.5. Wzór strukturalny gyramidu

Chinolony wiążą się w sposób niekowalencyjny do interfazy enzym-DNA w miejscu cięcia/przyszłej ligacji. Cząsteczki antybiotyku wiążą się do białka i interkalują do DNA w obu miejscach przecięcia. W wyniku interkalacji chinolony uniemożliwiają niezbędny proces ligacji, stabilizując kompleks z DNA z udziałem niekatalitycznego jonu Mg2+, który wchodzi w interakcję z E88 oraz S84 w domenie GyrA. Chinolony wiążą się do targetu z różną efektywnością w przypadku różnych gatunków bakterii. Ogólnie uznaje się, że u bakterii Gram-ujemnych głównym celem antybiotyku jest gyraza. Ponadto, ponieważ gyraza poprzedza widełki replikacyjne usuwając pozytywne superskrety zapewniając tym samym niezakłócony przebieg transkrypcji, a topoizomeraza IV podąża za nimi, przypuszcza się, że interakcja między chinolonami a gyrazą powoduje szybsze zahamowanie procesu replikacji.

1.1.2. Inne, poza chinolonami, antybiotyki hamujące syntezę DNA

Replikację DNA hamuje szereg innych antybiotyków, jak np. aminokumaryny, które hamują aktywność gyrazy i topoizomerazy IV, ale w sposób odmienny od chinolonów. Wiążą się ściśle do podjednostki GyrB gyrazy, konkurując z wiązaniem ATP, a zatem hamują jej zależną od ATP aktywność superskręcania DNA. Ich ograniczona aktywność w przypadku bakterii Gram-ujemnych oraz cytotoksyczność sprawiły, że jedynie nowobiocyna z tej grupy antybiotyków została zaakceptowana do użytku w przypadku infekcji u ludzi. Podobnie, do miejsca ATP na podjednostce GyrB gyrazy wiąże się aminokumaryna kumermycyna, z tym że jedna cząsteczka kumermycyny przesłania dwa miejsca wiązania ATP. Inna grupa antybiotyków hamujących aktywność gyrazy i wpływających na topologię DNA to gyramidy (ryc. 1.5), których działanie na bakterie jest bakteriostatyczne. Komórki Escherichia coli potraktowane gyramidami mają skondensowane chromosomy, co blokuje replikację i uniemożliwia ich segregację. Są one inhibitorami gyrazy, nie wpływając na aktywność topoizomerazy IV. Mechanizm aktywności gyramid jest nie do końca wyjaśniony, ale na pewno odmienny od aktywności innych inhibitorów gyrazy.

Gyraza jest jednym z najbardziej badanych celów dla ewentualnych inhibitorów i nowa grupa inhibitorów, nazwana NBTIs (ang. novel bacterial topoisomerase inhibitors), wydaje się mieć spore szanse na zastosowanie w praktyce medycznej. Przykładem NBTIs jest gepotydacyna, lek z nowej klasy aminopiperydyn, która tworzy trójskładnikowy kompleks gyraza-DNA-NBTI oraz, w przeciwieństwie do fluorochinolonów, stabilizuje jedynie jednoniciowe cięcia w DNA wprowadzone przez gyrazę. Antybiotyki typu NBTI mają asymetryczną budowę, w której wyróżnia się interkalującą z DNA lewą stronę (LHS) oraz wiążącą gyrazę prawą stronę (RHS), połączone linkerem. Domena gyrazy wiążąca RHS znajduje się pomiędzy dwiema podjednostkami GyrA i charakteryzuje się występowaniem bardziej hydrofobowych aminokwasów: Ala_68, Gly_72, Met_75 i Met_121. Obecnie (2021) gepotydacyna znajduje się w trzeciej fazie badań klinicznych. Inny nowy lek, zoliflodacyna (ryc. 1.6), o bakteriobójczym działaniu, wiąże się do gyrazy w innym miejscu niż fluorochinolony i MTBIs. Jest to lek zupełnie nowej klasy antybiotyków, spiropirymidynotrionów. Został on warunkowo zatwierdzony do leczenia rzeżączki, w tym powodowanej przez wielooporne szczepy Neisseria gonorrheae. Jego mechanizm działania jest podobny do tego, które prezentują fluorochinolony, lecz w przeciwieństwie do tych ostatnich, wiązanie odbywa się bez udziału jonów magnezu. Mutanty oporne na chinolony są wrażliwe na działanie gepotydacyny i zoliflodacyny.

Ryc. 1.6. Wzór strukturalny zoliflodacyny, nowego leku z klasy spiropirymidynotrionów

Dość istotną rolę w lecznictwie pełnią nitrofurany, uzyskiwane na drodze syntezy chemicznej. Ich struktura zawiera szkielet furanu z przyłączoną grupą nitrową (nitrofuran). Takie związki, jak furagin i nitrofurantoina (ryc. 1.7), stosowane są głównie w infekcjach dróg moczowych. Furazydyna ma działanie antybakteryjne, poza tym ma również zastosowanie jako środek zwalczający pierwotniaki. Z kolei difurazon stosowany jest jako dodatek do pasz zwierzęcych. Nitrofurany oddziałują na wiele układów enzymatycznych w komórkach bakteryjnych, ale przede wszystkim uszkadzają DNA. W komórce bakteryjnej nitrofurany ulegają redukcji do związków o zdecydowanie większej aktywności niż związek wyjściowy. Jest to związane z aktywnością flawoprotein, konkretnie reduktaz nitrofuranowych. Redukują one nitrofurany do reaktywnych związków pośrednich, jak wolne rodniki i pochodne N-nitrozowe, które przeprowadzają atak nukleofilowy na DNA, naruszając ciągłość jego nici, hamują translację mRNA na etapie łączenia kodonu z antykodonem, atakują białka rybosomu, wpływają np. na procesy oddechowe i metabolizm pirogronianu wewnątrz komórki. Enzymy biorące udział w tych procesach są wrażliwe na tlen, zatem nitrofurany wykazują największą aktywność w warunkach beztlenowych.

Ryc. 1.7. Struktura chemiczna leku z grupy nitrofuranów, nitrofurantoiny

Innym antybiotykiem hamującym aktywność DNA jest metronidazol z grupy nitroimidazoli. Działanie metronidazolu i innych pochodnych 5-nitroimidazolu polega na redukcji grup nitrowych, prowadzącej do powstania reaktywnych rodników cytotoksycznych. Te zredukowane formy, powstające przy współudziale ferrodoksyny, są włączane do nici DNA, które ulegają destabilizacji, stając się bardziej podatnymi na zerwanie. To zaś prowadzi do śmierci komórki. Metronidazol jest selektywnie toksyczny dla bakterii beztlenowych, ale może również oddziaływać na komórki ludzkie, szczególnie przy dłuższym stosowaniu (ryc. 1.8).

Nowym lekiem z tej grupy antybiotyków, zatwierdzonym do użytku w 2019 roku i mającym status leku sierocego, jest pretomanid do leczenia opornej gruźlicy w połączeniu z linezolidem i bedakiliną. Pretomanid jednak ma inny mechanizm działania, gdyż hamuje on syntezę kwasu mikolowego, zabijając prątki na skutek zahamowania syntezy ściany bakteryjnej. W warunkach beztlenowych pretomanid działa jako trucizna łańcucha oddechowego, hamując syntezę białka.

Ryc. 1.8. Wzór strukturalny metronidazolu

Przypisy

[1] European Commission. Communication From the Commission on A Community Strategy Against Antimicrobial Resistance. Brussels, 20.06.2001, COM(2001) 333 final, vol. 1

[2] http://antybiotyki.edu.pl