Scientific journal
Modern problems of science and education
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,931

MOLECULAR GENETIC DETERMINANTS OF RESISTANCE TO N. GONORRHOEAE ß-LACTAM ANTIMICROBIALS, INCLUDING CEPHALOSPORINS BROAD-SPECTRUM

Gerasimova N.A. 1 Evstigneeva N.P. 1 Zilberberg N.V. 1
1 Ural Scientific Research Institute of Dermatology and Immunopathology
Проведен анализ данных научной литературы о взаимосвязи мутаций: однонуклеотидных полиморфизмов (SNP) в генах PenA, PonA, PenB, MTRR, PilQ, blaТЕМ-1, FtsX, а также мозаичной структуры гена PenA с развитием устойчивости N. gonorrhoeae к ß-лактамным антимикробным препаратам, в том числе современным действующим препаратам первой линии антимикробной монотерапии - цефалоспоринам широкого спектра действия. Применение молекулярно-генетических методов детекции мутаций резистентности имеет важное значение для усиления классического наблюдения за антимикробной резистентностью (АМР), особенно при низкой доступности культуральных методов. Изучение значимых генетических детерминант N. gonorrhoeae, с доказанным влиянием на развитие резистентности, важно для мониторинга резистентности в популяции клинических штаммов N. gonorrhoeae к цефалоспоринам широкого спектра действия.
The analysis of the scientific literature on the relationship of mutations: single-nucleotide polymorphisms (SNP) in genes PenA, PonA, PenB, MTRR, PilQ, blaТЕМ-1, FtsX, and the mosaic PenA gene structure with the development of resistance to N. gonorrhoeae ß-lactam antimicrobials, including modern existing drugs first-line antimicrobial monotherapy - cephalosporins broad-spectrum. The use of molecular genetic methods for the detection of resistance mutations is important for strengthening the classic surveillance of antimicrobial resistance (AMR), especially in low accessibility of cultural methods. Study important genetic determinant of N. gonorrhoeae, with proven impact on the development of resistance is important for monitoring resistance in a population of clinical strains of N. gonorrhoeae to extended-spectrum cephalosporins.
n. gonorrhoeae
genetic determinants of resistance
extended-spectrum cephalosporins

Гонококковая инфекция является проблемой общественного здравоохранения в глобальном масштабе в связи с широким распространением [49], патогенным влиянием, частым субклиническим течением, развившейся устойчивостью ко всем антимикробным препаратам (АМП), рекомендованным ранее для эмпирической монотерапии первой линии, включая цефалоспорины широкого спектра действия (ESCs, extended-spectrum cephalosporins) [3; 4; 34; 39; 42]. Основными средствами управления гонококковой инфекцией на сегодняшний день остаются эффективная диагностика, лечение и профилактика. Обновленные современные европейские рекомендации по диагностике и лечению гонококковой инфекции у взрослых (2012) [38], подготовленные по поручению Европейского отделения Международного союза по борьбе с инфекциями, передаваемыми половым путем (IUSTI-Europe), Европейской академии дерматологии и венерологии (EADV); Европейского форума дерматологии (EDF); Союза европейских медицинских специалистов (UEMS); Европейского центра по контролю и профилактике заболеваний (ECDC) и Европейского бюро ВОЗ (WHO-Europe), содержат расширенные показания для обследования на N. gonorrhoeae, рекомендации антибактериальной терапии неосложненной инфекции с неизвестной чувствительностью двумя АМП (цефтриаксон 500 мг и азитромицин 2 г). Важны определение и информирование о случаях неудач рекомендованной схемы лечения, идентификация и проверка резистентных штаммов N. gonorrhoeae, поскольку недолеченная инфекция имеет решающее значение в распространении цефалоспорин-резистентных и полирезистентных штаммов N. gonorrhoeae. Для эффективного выявления и контроля излеченности, в том числе резистентных штаммов N. gonorrhoeae, необходима оптимизация диагностики. В настоящее время все шире применяются возможности молекулярно-биологических методов (широкий спектр клинического материала, некультивируемые образцы (моча), высокая чувствительность, специфичность [3; 12; 13; 15; 17; 44; 48]. Важное значение для усиления наблюдения за антимикробной резистентностью гонококковой инфекции, особенно при низкой доступности определения фенотипических проявлений резистентности, имеют генотипирование, анализ детерминант антимикробной резистентности N. gonorrhoeae [6; 41]. Механизмы устойчивости гонококков к АМП полностью не изучены, но накоплены сведения о генетических мутациях, влияющих на повышение минимальной ингибирующей концентрации (МИК) и, как следствие, на устойчивость к АМП [1; 27; 35; 45; 48].

Пенициллины и цефалоспорины (β-лактамные АМП) ингибируют образование сшивок пептидогликана в клеточной стенке бактерий путем связывания β-лактамного кольца с пенициллин-связывающим белком - ферментом транспептидазой или PBP (Penicillin-binding proteins), что приводит к бактерицидной активности АМП [35]. В составе клеточной стенки N. gonorrhoeae выделены три основных пенициллин-связывающих белка: PBP1 (молекулярная масса - 87000), PBP2 (59000), PBP3 (44000). В формировании устойчивости N. gonorrhoeae к β-лактамным АМП в большей степени участвует PBP2 [3]. Значимость мутаций определяется близостью к активным сайтам фермента, влиянием на вторичную и третичную структуру при сохранении активности фермента и, как следствие, снижением сродства транспептидазы к АМП [40; 45-47]. Мутации в консервативных участках гена PenA уменьшают восприимчивость к пенициллину в 6-8 раз; наиболее значима – инсерция аспартата Asp345a. Мутации, расположенные на С-терминальном конце транспептидазы F504L, A510V(T), A516G, P551S(L) в различных комбинациях, осуществляют молекулярный механизм уменьшения скорости связывания АМП, препятствуют конформационным изменениям белка PBP2 [31; 45; 47]. Детерминанты резистентности N. gonorrhoeae к β-лактамным АМП представлены в таблице.

Детерминанты резистентности N. gonorrhoeae к β-лактамным антибиотикам 

Гены

Белок/ механизм

Влияние на МИК

Пенициллины

Цефалоспорины

Pen A Немозаичные аллели

PBP2 /снижение восприимчивости к АМП

Вставка Asp345 и

4-8 сопутствующие мутации карбоксильной области PBP2 увеличивают МИК в 6-8 раз

SNP A501V(T)

G542S, P551S(L)

увеличивают МИК

Pen A Мозаичные аллели

PBP2 /снижение восприимчивости к АМП

До 70 изменений аминокислот (АК)

увеличивают МИК

До70 изменений АК A311V, I312M, V316T(P), T483S, A501P(V), N512Y G545S

увеличивают МИК

PonA

РВР1/снижение восприимчивости пенициллина

SNP L421P/ увеличивает МИК в 3-4 раза

Большинство штаммов имеют мутацию L421P, на МИК не влияет

mtrR

Эффлюксный насос MtrCDE/ повышение оттока АМП из клетки

G45D

увеличивает МИК

Увеличивает МИК

PenB

 

 

PorB1b/

снижение притока АМП

 

SNP G120K(D)/A121D;

фенотип PenB проявляется только у штаммов с MTRR

SNP G120K(D)/A121D;

фенотип PenB проявляется только у штаммов с MTRR

PilQ

Порообразующий секретин/уменьшение притока АМП

SNP Е666К обнаружен только в лабораторных условиях

На МИК не влияет

FtsX

Мало изучен/ увеличение МИК АМП

Увеличивает МИК в 3-6 раз

Увеличивает МИК

blaТЕМ -1

blaТЕМ-135

плазмиды

Фермент β-лактамаза/ гидролиз β-лактамного кольца пенициллинов

Устойчивость

На МИК не влияет

Устойчивость к цефалоспоринам связана с мозаичными генами PenA, которые возникли в естественных условиях от синантропных видов Neisseria путем горизонтального переноса фрагментов или целых генов PenA [5; 11; 12; 18; 20; 28; 33; 35; 36; 43]. Мутации G545S, I312M, V316T в белке PBP2 ограниченно влияют на МИК цефалоспоринов, но повышают устойчивость при наличии дополнительных мутаций в мозаике PenА аллели, используя механизм эпистаза, подавления других неаллельных генов [36; 43]. Для штаммов N. gonorrhoeae с широкой лекарственной устойчивостью подтверждено влияние мутаций A311V, V316P, T483S в PBP2 [37]; а также мутации A501P [8; 41].

РonA1 аллель, которая кодирует мутацию Leu421Pro в белке PBP1, снижает скорость связывания пенициллина в 3-4 раза по сравнению с диким типом РonA [32]. Универсальной детерминантой устойчивости к АМП являются мутации в гене mtrR (multiple transferrable resistance Regulator), приводящие к избыточной экспрессии системы эффлюкса, увеличению экспорта из клетки АМП [10; 22; 24; 41; 43; 50]. Вся система оттока работает только в сочетании со снижением проницаемости канала PorB1b наружной мембраны [19; 24; 25; 28; 43; 50]. Мутация E666K в гене PilQ в сочетании с изменениями в генах PenА, mtrR, и РenB повышает устойчивость к пенициллину [16]. Неизвестная детерминанта фактор Х (ftsX) может увеличивать МИК пенициллина в 3-6 раз [24; 36; 43] и влиять на МИК цефалоспоринов [50]. Штаммы N. gonorrhoeae, обладающие высоким уровнем устойчивости к пенициллину, содержат плазмиды с геном blaТЕМ-1, который кодирует фермент β-лактамазу, переводя АМП в неактивное состояние [21]. Опасность появления β-лактамаз широкого спектра действия, учитывая скорость распространения плазмидных детерминант устойчивости, ограничивается относительной консервативностью генетического материала плазмид. Однако всего один однонуклеотидный полиморфизм может привести к способности ферментов гидролизовать цефалоспорины, как, например, SNP в аллели гена blaТЕМ-135, дополнительно увеличивает МИК ампициллина [21; 23]. Для грамотрицательных бактерий описаны более 170 разновидностей β-лактамаз широкого спектра действия [29; 31; 32]. У штаммов, развивших в лабораторных условиях устойчивость к цефтриаксону, была зафиксирована перекрестная резистентность к пенициллину и цефуроксиму; выявлена повышенная скорость метаболизма (оттока) за счет избыточной экспрессии генов, кодирующих АВС-транспортеры FarB, Tfq, Hfq и ExbB, снижение импорта веществ за счет подавления генов pilM, pilN и pilQ, а также дефекты приспособленности - медленный рост колоний [14].

Изучение значимых генетических детерминант N. gonorrhoeae, с доказанным влиянием на развитие резистентности, и поиск новых мутаций важны как для научных исследований, так для эпидемиологического надзора и мониторинга резистентности в популяции клинических штаммов N. gonorrhoeae к АМП [2; 15; 45].