Бета-лактамазы

Бета-лактамазы — это группа ферментов (класс гидролаз), которые катализируют гидролиз бета-лактамного кольца в молекулах антибиотиков, что приводит к потере их антибактериальной активности. Бета-лактамазы являются основным механизмом устойчивости бактерий к бета-лактамным антибиотикам (пенициллинам, цефалоспоринам, карбапенемам, монобактамам). Широкое распространение генов, кодирующих эти ферменты, среди патогенных бактерий представляет серьёзную проблему для клинической медицины, ограничивая эффективность антибиотикотерапии.

История открытия и изучения

Первое описание фермента, разрушающего пенициллин, относится к 1940 году, когда британские учёные Эрнст Чейн и Эдвард Абрахам обнаружили его в культуре кишечной палочки (Escherichia coli). В 1944 году этот фермент был выделен из грамположительной бактерии Bacillus cereus и получил название пенициллиназа. В 1940-е годы, ещё до широкого внедрения пенициллина в клиническую практику, было установлено, что некоторые штаммы стафилококка (Staphylococcus aureus) способны его инактивировать. Это стало первым задокументированным случаем приобретённой антибиотикорезистентности.

В 1960-х годах, после внедрения в клинику полусинтетических пенициллинов (метициллина, оксациллина), были обнаружены первые бета-лактамазы расширенного спектра (БЛРС) у грамотрицательных бактерий. В 1980-х годах появились данные о распространении БЛРС среди семейства Enterobacteriaceae, что привело к глобальному кризису антибиотикорезистентности. В 1990-е годы были открыты карбапенемазы — ферменты, способные гидролизовать карбапенемы, которые считались антибиотиками «последней надежды». К началу XXI века бета-лактамазы стали самой распространённой группой ферментов, ответственных за устойчивость к бета-лактамным антибиотикам.

Классификация

Существует несколько систем классификации бета-лактамаз, основанных на их молекулярной структуре, биохимических свойствах (субстратной специфичности) и ингибиторной чувствительности.

Молекулярная классификация (по Амблеру)

Наиболее распространённая классификация, предложенная Р. Амблером в 1980 году, делит бета-лактамазы на четыре класса (A, B, C, D) на основе аминокислотной последовательности и механизма действия.

• Класс A (сериновые бета-лактамазы). Наиболее многочисленный и разнообразный класс. Включает пенициллиназы (например, TEM-1, SHV-1), бета-лактамазы расширенного спектра (БЛРС, например, CTX-M), а также некоторые карбапенемазы (например, KPC — Klebsiella pneumoniae карбапенемаза). Ферменты класса A чувствительны к ингибиторам бета-лактамаз (клавулановой кислоте, сульбактаму, тазобактаму), за исключением карбапенемаз типа KPC, которые могут быть частично устойчивы к ингибиторам.
• Класс B (металло-бета-лактамазы, МБЛ). Для каталитической активности требуют ионы цинка (Zn²⁺). Отличаются широким спектром гидролизуемых субстратов, включая карбапенемы, и устойчивостью к большинству клинически используемых ингибиторов бета-лактамаз (за исключением некоторых новых ингибиторов, таких как авибактам). К этому классу относятся ферменты NDM-1 (New Delhi metallo-β-lactamase), IMP, VIM.
• Класс C (цефалоспориназы, AmpC). Сериновые ферменты, которые в основном гидролизуют цефалоспорины, особенно цефамицины (цефокситин, цефотетан). Часто кодируются хромосомными генами, но могут приобретаться и плазмидами. Устойчивы к ингибиторам бета-лактамаз первого поколения (клавуланату), но чувствительны к некоторым новым ингибиторам (например, авибактаму).
• Класс D (оксациллиназы, OXA). Сериновые ферменты, отличающиеся способностью гидролизовать оксациллин и клоксациллин. Включают множество вариантов, в том числе карбапенемазы (например, OXA-48, OXA-23). Чувствительность к ингибиторам варьирует; некоторые OXA-карбапенемазы устойчивы к клавуланату.

Функциональная классификация (по Бушу-Якоби-Медерос)

Эта классификация (1995, пересмотрена в 2010 году) основана на субстратной специфичности и ингибиторном профиле. Она делит бета-лактамазы на несколько групп (1, 2, 3), которые далее подразделяются на подгруппы. Например, группа 1 включает цефалоспориназы (AmpC), группа 2 — пенициллиназы и БЛРС, группа 3 — металло-бета-лактамазы.

Механизм действия

Бета-лактамазы гидролизуют бета-лактамное кольцо — четырёхчленный циклический амид, который является ключевым элементом структуры бета-лактамных антибиотиков. У сериновых бета-лактамаз (классы A, C, D) в активном центре находится остаток серина, который атакует карбонильную группу бета-лактамного кольца, образуя ацил-ферментный комплекс. Затем вода гидролизует этот комплекс, высвобождая инактивированный антибиотик (с раскрытым кольцом) и регенерируя фермент. У металло-бета-лактамаз (класс B) в активном центре находятся ионы цинка, которые активируют молекулу воды для нуклеофильной атаки на бета-лактамное кольцо.

Распространение и клиническое значение

Гены, кодирующие бета-лактамазы, могут находиться в бактериальной хромосоме или на мобильных генетических элементах (плазмидах, транспозонах, интегронах). Плазмидная локализация обеспечивает быстрый горизонтальный перенос генов резистентности между разными видами и родами бактерий, в том числе между комменсальными и патогенными штаммами.

Наибольшее клиническое значение имеют следующие группы бета-лактамаз:

• Бета-лактамазы расширенного спектра (БЛРС). Гидролизуют пенициллины, цефалоспорины I–IV поколений и монобактамы (азтреонам). Наиболее распространённые БЛРС — CTX-M, TEM, SHV. Штаммы, продуцирующие БЛРС, часто устойчивы также к другим классам антибиотиков (аминогликозидам, фторхинолонам), что создаёт трудности в лечении.
• Карбапенемазы. Ферменты, способные гидролизовать карбапенемы (имипенем, меропенем, эртапенем). К ним относятся KPC (класс A), NDM, VIM, IMP (класс B), OXA-48 (класс D). Бактерии, продуцирующие карбапенемазы, часто вызывают внутрибольничные инфекции, которые трудно поддаются лечению. В России и странах СНГ широко распространены карбапенемазы типа OXA-48 и NDM-1.
• Цефалоспориназы AmpC. Часто встречаются у Enterobacter cloacae, Serratia marcescens, Pseudomonas aeruginosa. Могут быть конститутивно экспрессированы или индуцироваться в присутствии некоторых цефалоспоринов.

Методы детекции

Для выявления продукции бета-лактамаз в клинической микробиологии используются следующие методы:

• Фенотипические методы:
• Диско-диффузионный метод с использованием дисков, содержащих антибиотики и ингибиторы бета-лактамаз (например, комбинация цефотаксима с клавулановой кислотой для выявления БЛРС).
• Метод двойных дисков (синергизм между дисками с цефалоспоринами и дисками с ингибитором).
• Метод E-теста (градиент концентрации антибиотика с ингибитором и без него).
• Модифицированный тест Ходжа (для выявления карбапенемаз).
• Молекулярно-генетические методы:
• Полимеразная цепная реакция (ПЦР) с праймерами, специфичными к генам бета-лактамаз (например, blaCTX-M, blaKPC, blaNDM).
• Секвенирование для идентификации конкретных аллелей.
• Масс-спектрометрия (MALDI-TOF) для прямого обнаружения гидролиза антибиотика.

Борьба с бета-лактамазами

Для преодоления устойчивости, обусловленной бета-лактамазами, разработаны несколько стратегий:

• Ингибиторы бета-лактамаз. Вещества, которые связываются с ферментом и блокируют его активность. Применяются в комбинации с бета-лактамными антибиотиками. Классические ингибиторы (клавулановая кислота, сульбактам, тазобактам) эффективны против большинства сериновых бета-лактамаз классов A и D, но не действуют на металло-бета-лактамазы и некоторые карбапенемазы. Новые ингибиторы (авибактам, ваксобактам, релебактам) обладают более широким спектром активности, включая некоторые карбапенемазы.
• Синтез новых бета-лактамных антибиотиков, устойчивых к гидролизу (например, цефтазидим-авибактам, цефтолозан-тазобактам, имипенем-циластатин-релебактам).
• Разработка антибиотиков других классов, не являющихся субстратами для бета-лактамаз (например, тигециклин, колистин).

Источники

1. Bush, K., & Jacoby, G. A. (2010). Updated functional classification of β-lactamases. Antimicrobial agents and chemotherapy, 54(3), 969-976.
2. Ambler, R. P. (1980). The structure of β-lactamases. Philosophical Transactions of the Royal Society of London. B, Biological Sciences, 289(1036), 321-331.
3. Queenan, A. M., & Bush, K. (2007). Carbapenemases: the versatile β-lactamases. Clinical microbiology reviews, 20(3), 440-458.
4. Nordmann, P., Naas, T., & Poirel, L. (2011). Global spread of carbapenemase-producing Enterobacteriaceae. Emerging infectious diseases, 17(10), 1791.
5. Livermore, D. M. (1995). β-Lactamases in laboratory and clinical resistance. Clinical microbiology reviews, 8(4), 557-584.
6. Справочник по антимикробной терапии под редакцией Л. С. Страчунского, Ю. Б. Белоусова, С. Н. Козлова. — М.: Боргес, 2002.