Газета «Новости медицины и фармации» 19(227) 2007

В настоящее время бета-лактамные антибиотики являются наиболее часто применяемыми препаратами для лечения бактериальных инфекций, однако их эффективность может снижаться вследствие возникновения к ним устойчивости, наиболее частым механизмом развития которой является продукция бета-лактамаз. Для преодоления данного специфического механизма резистентности были синтезированы ингибиторы бета-лактамаз, способные подавлять активность широкого ряда бета-лактмаз, вырабатываемых грамположительными, грамотрицательными и анаэробными патогенами. В данной статье будут рассмотрены механизм действия и спектр активности одного из наиболее часто применяемых ингибиторозащищенных бета-лактамов — амоксициллин/клавуланата.

Семейство бета-лактамных антибиотиков включает четыре основные группы антимикробных препаратов: пенициллины, цефалоспорины, монобактамы и карбапенемы.

Бета-лактамные антибиотики действуют на клетку бактерии двумя основными путями. Во-первых, они встраиваются в стенку бактериальной клетки и подавляют активность фермента транспептидазы, участвующего в завершающем этапе построения стенки бактерии. Во-вторых, они связываются с пенициллинсвязывающими белками (ПСБ), которые в норме подавляют гидролазы бактериальной клетки и таким образом высвобождают эти гидролазы, что приводит к лизису бактериальной стенки. Для борьбы с этими основными механизмами действия бета-лактамов бактерии приобрели способность вырабатывать специальные ферменты бета-лактамазы, способные гидролизировать бета-лактамное кольцо, а также изменять тип строения ПСБ [1].

Синтез бета-лактамаз кодируется или хромосомами (конститутивный тип), например Pseudomonas aeruginosa, или плазмидами (индуцибельный тип), например Aeromonas hydrophila и Staphylococcus aureus. Плазмиды могут передаваться от одной бактерии к другой, способствуя быстрому распространению резистентности.

Механизм действия бета-лактамаз

Бета-лактамазные ферменты разрушают бета-лактамное кольцо двумя основными механизмами. Первый механизм, присущий лактамазам классов А, С и D (деление на классы проводится в зависимости от последовательности аминокислот в структуре фермента), заключается в связывании с субстратом благодаря наличию специального гибкого активного участка (рис. 1). Происходит необратимое связывание с углеродом карбонильной группы бета-лактамного кольца и нарушение его целостности, что переводит антибиотик в неактивное состояние и попутно обеспечивает регенерацию бета-лактамазы. Эти классы бета-лактамаз активны в отношении многих пенициллинов, цефалоспоринов и монобактамов. Второй механизм присущ менее распространенной группе бета-лактамаз, которые относятся к классу В. Ферменты этого класса называются также металло-бета-лактамазами, поскольку содержат подвижный двухвалентный ион металла, чаще всего ион цинка, который способен связываться с карбонильной группой большинства пенициллинов, цефалоспоринов и карбапенемов, но не монобактамов [1].

Классификация бета-лактамаз

Начиная с 60-х годов XX века предлагалось несколько классификаций бета-лактамаз, исходя из их биохимических и функциональных особенностей и различий в молекулярном строении (табл. 1) [3–5].

Большинство клинически значимых бета-лактамаз принадлежат к классам А и С. В частности, класс А включает хромосомные бета-лактамазы Klebsiella spp., Citrobacter diversus, Proteus vulgaris и большинство Bacteroides spp., а также практически все плазмидные бета-лактамазы. Класс С содержит хромосомные цефалоспориназы AmpС, класс В — ферменты ОХА, которые широко распространены в плазмидах Enterobacteriaceae. Класс В содержит, как уже упоминалось ранее, несколько бета-лактамаз, имеющих ион цинка [3].

Хромосомные бета-лактамазы присутствовали в бактериях изначально, еще до создания антибиотиков (АБ): они принимают участие в метаболизме микробной клетки, а также защищают бактерии от бета-лактамаз, вырабатываемых в природных условиях грибками. Однако в настоящее время основным фактором отбора штаммов — продуцентов бета-лактамаз является использование бета-лактамных АБ, которые способствуют искусственному отбору бактерий по следующим направлениям: 1) продуцирование большего количества бета-лактамаз; 2) наличие дополнительных бета-лактамаз, кодируемых плазмидами; 3) мутация имеющихся бета-лактамаз с расширением их спектра активности. Такой искусственный отбор благоприятствовал селекции целых видов или отдельных штаммов бактерий — продуцентов бета-лактамаз, причем процесс отбора с выработкой новых бета-лактамаз происходил параллельно созданию новых антибактериальных препаратов, целью которого являлось наличие устойчивости к бета-лактамазам. Преодоление данного механизма резистентности бактерий осуществлялось по двум направлениям: химическая модификация антибиотиков и комбинирование бета-лактамов с ингибиторами бета-лактамаз.

Первым возбудителем, приобретшим способность продуцировать бета-лактамазы, стали стафилококки: если в 1944 году бензилпенициллин был активен в отношении 95 % штаммов Staphylococcus aureus, всего 5 % штаммов вырабатывали бета-лактамазы и были к нему устойчивы, то через 5 лет удельный вес бета-лактамазопродуцирующих штаммов возрос до 50 %, а спустя годы — до 90 % за счет передачи генов и селекции устойчивых штаммов. Создание в 60-е годы XX века метициллина и оксациллина, устойчивых к стафилококковым бета-лактамазам и до сих пор сохраняющих свою клиническую эффективность в отношении метициллиночувствительных штаммов, может служить примером подхода, направленного на химическую модификацию АБ [6].

Впоследствии проблемы устойчивости к АБ, обусловленной продукцией бета-лактамаз, затронули в большей степени грамотрицательные палочки, что связано в значительной мере с разработкой новых АБ (табл. 2) [3]. Некоторые грамотрицательные бактерии имели природную устойчивость к бета-лактамам вследствие продукции большого количества хромосомных бета-лактамаз: Klebsiellа spp. устойчива к аминопенициллинам (ампициллин, амоксициллин) и карбоксипенициллинам (карбенициллин и тикарциллин). Однако по мере внедрения бета-лактамных АБ, активных в отношении грамотрицательной флоры, клиническое значение приобрели микроорганизмы, имеющие приобретенную устойчивость за счет синтеза индуцибельных бета-лактамаз класса А (P.vulgaris, C.diversus) и индуцибельных бета-лактамаз AmpC (Enterobacter spp., Citrobacter freundii, Morganella morganii, Providencia spp., Serratia spp., Pseudomonas aeruginosa), что обеспечило им устойчивость к аминопенициллинам и цефалоспоринам I поколения. Наиболее клинически важным следствием применения бета-лактамов, активных в отношении грамотрицательной флоры, явилось распространение плазмидных бета-лактамаз, преимущественно ТЕМ-1, среди видов, исходно чувствительных к этим АБ. В настоящее время до 60 % штаммов Enterobacteriaceae продуцируют этот тип бета-лактамаз, частота которого превышает частоту всех остальных типов (ТЕМ-2, SHV-1, OXA-1) более чем в 10 раз. С середины 70-х годов бета-лактамаза ТЕМ-1 распространилась и на другие грамотрицательные палочки, псевдомонады и Vibrio cholerae . Этот тип фермента остается единственным представителем плазмидных бета-лактамаз у гонококков, обнаруживаясь у 1–40 % его штаммов. Этот же фермент продуцируют 2–40 % штаммов Haemophilus influenzae в зависимости от географического региона и капсулярного типа, причем его частота превышает частоту другого типа бета-лактамазы данного микроорганизма (ROB-1) в 10 раз. И только у псевдомонад и Moraxella catarrhalis ТЕМ-1 теряет свое первенство, уступая его PSE-1 и PSE-4 у псевдомонад и BRO-1, BRO-2 у М.сatarrhalis. В настоящее время свыше 80 % штаммов М.сatarrhalis продуцируют бета-лактамазы. Все вышеперечисленные бета-лактамазы (TEM-1, TEM-2, SHV-1, PSE-1, PSE-4, BRO-1, BRO-2) принадлежат к классу А, обеспечивая сходный уровень устойчивости к амино-, карбокси-, уреидо- и пиперазинпенициллинам, а также цефалоспоринам I поколения [7].

После создания новых поколений цефалоспоринов устойчивость к ним появилась у Enterobacte r spp., C.freundii, Serratia spp., M.morganii, P.aeruginosa вследствие усиленного синтеза (гиперпродукции) бета-лактамаз AmpC, причем частота таких штаммов в некоторых странах Европы достигает 70 %. Позднее этот фермент был выявлен у E.coli и Klebsiella spp.

В середине 80-х годов XX века были выявлены бета-лактамазы расширенного спектра (БЛРС), большинство из которых появилось вследствие мутаций ферментов типа TEM-1, TEM-2, SHV-1. Чаще всего эти бета-лактамазы встречаются у Klebsiella spp. [8].

Карбапенемы обладают наибольшей среди всех бета-лактамов устойчивостью ко всем плазмидным бета-лактамазам классов А, С и D. Однако в настоящее время отмечается выработка новых бета-лактамаз, преимущественно класса С, способных инактивировать карбапенемы. Из них наибольшее значение имеют ферменты, вырабатываемые Stenotrophomonas maltophilia, и широкое использование карбапенемов может способствовать дальнейшей селекции этого штамма. Также опасения вызывает появление у Enterobacteriaceae, P.aeruginisa, Serratia marcescens, K.рneumoniae плазмидного фермента класса В (IMP-1), который обеспечивает устойчивость ко всем бета-лактамным антибиотикам, кроме монобактамов [9].

Наиболее эффективной стратегией, направленной на преодоление специфического механизма резистентности, обусловленного продукцией бета-лактамаз, в настоящий момент является использование ингибиторозащищенных бета-лактамов. Их широкий спектр активности обусловлен способностью ингибиторов инактивировать широкий круг бета-лактамаз, вырабатываемых грамположительными, грамотрицательными и анаэробными микроорганизмами.

И хотя они не являются надежным средством в отношении бета-лактамаз расширенного спектра, их применение вместо цефалоспоринов способствует снижению селекции продуцентов этого типа бета-лактамаз.

Ингибиторы бета-лактамаз представляют собой бета-лактамные структуры, которые необратимо связываются с ферментами, сами при этом разрушаясь, вследствие чего они получили название суицидных ингибиторов. В настоящее время клиническое значение имеют три таких ингибитора: клавулановая кислота (клавуланат) и два производных пенициллановой кислоты — сульбактам и тазобактам.

Все ингибиторы бета-лактамаз инактивируют большинство бета-лактамаз класса А, особенно хромосомные ферменты Bacteroides spp., C.diversus, Klebsiella spp., P.vulgaris, стафилококковые пенициллиназы, а также бета-лактамазы TEM и SHV — классические и расширенного спектра (табл. 3) [3]. Однако активность клавуланата и тазобактама в отношении ТЕМ-ферментов почти в 10 раз превосходит активность сульбактама. Клавуланат и производные пенициллановой кислоты также активны в отношении некоторых бета-лактамаз класса D, активность в отношении класса С у них низкая или отсутствует.

Клавуланат был первым ингибитором бета-лактамаз, получившим клиническое применение. Он высокоактивен в отношении бета-лактамаз класса А, особенно хромосомных бета-лактамаз Bacteroides spp., C.diversus, Klebsiella spp., P.vulgaris, P.mirabilis, Moraxella catarrharalis, стафилококковых пенициллиназ, а также бета-лактамаз TEM и SHV, которые часто вырабатываются представителями семейства Enterobacteriaceae, Haemophilus influenzae, Neisseria gonorrhoeae. Хотя наблюдается рост устойчивости, обусловленной продукцией бета-лактамаз, большинство клинически значимых бета-лактамаз сохраняет свою чувствительность к клавуланату (табл. 2) [3].

Клавуланат также проявляет собственную антибактериальную активность в отношении грамположительных и грамотрицательных бактерий, а также анаэробов, причем механизм этой активности не связан с ингибированием бета-лактамаз (табл. 4) [10]. Наименьшую активность клавуланат проявляет в отношении Pseudomonas aeruinоsa и энтерококков, более выраженную — в отношении Enterobacteriaceae и H.influenzae, наибольшую — в отношении Bacteroides fragilis и других анаэробов, M.catarrhalis, стафилококков и стрептококков. Клавуланат также проявляет активность в отношении Neisseria spp. и демонстрирует хорошую активность в отношении таких атипичных бактерий, как Chlamydia spp. и Legionella spp. [10].

Активность клавуланата исследовалась в комбинации с другими антимикробными препаратами, включая тикарциллин и пенициллин, однако поскольку амоксициллин/клавуланат является наиболее часто применяемой комбинацией, большинство исследований изучало активность клавуланата именно в комбинации с амоксициллином.

С клинической точки зрения интерес представляет антипневмококковая активность амоксициллин/клавуланата, поскольку наблюдаемый в некоторых регионах рост резистентности Staphylococcus pneumoniae вызывает серьезные опасения. Исследования in vitro показали, что клавуланат может повышать антипневомококковую активность бета-лактамных антибиотиков благодаря дополнительному связыванию с ПСБ. Например, добавление клавуланата снижает минимальную подавляющую концентрацию (МПК) пенициллина на 1/3, а пенициллинустойчивые штаммы пневмококка в его присутствии изменяют форму и объем микробных клеток. Таким образом, дополнительное связывание с ПСБ придает амоксициллин/клавуланату более выраженную по сравнению с амоксициллином антипневмококковую активность [10].

Клавуланат также имеет высокую активность in vitro в отношении Legionella pneumophila, причем синергизм между клавауланатом и амоксициллином в отношении этого патогена обусловлен не столько бета-лактамазной активностью клавуланата (легионелла продуцирует бета-лактамазы с низкой активностью), сколько дополнительным связыванием клавуланата и амоксициллина с ПСБ. Благодаря более выраженной по сравнению с пенициллинами способности проникать внутрь клетки клавуланат значительно эффективнее амоксициллина действует на внутриклеточно расположенные Legionella pneumophila [10].

Клавуланат также обладает способностью значительно, на 70–80 %, уменьшать внутриклеточный пул Chlamydia trachomatis. Активность клавуланата в отношении атипичных возбудителей, выявленная in vitro , нашла свое подтверждение и in vivo на экспериментальных моделях пневмонии у мышей, вызванной Chlamydia trachomatis и Legionella pneumophila, причем при легионеллезной пневмонии активность амоксициллин/клавуланата была сопоставима с активностью эритромицина и доксициклина.

Также имеются данные о более высокой активности амоксициллин/клавуланата по сравнению с амоксициллином в отношении штаммов периодонтальной флоры (Actinobacillus actinomycetemcomitans и Enterococcus faecalis) и E.coli, не продуцирующих бета-лактамазы.

Клиническая эффективность антибиотика зависит не только от собственно антимикробных свойств препарата, но и от его взаимодействия с факторами иммунной защиты макроорганизма. Результаты исследований in vitro продемонстрировали усиление защитных свойств макроорганизма за счет повышения захвата микроорганизмов полиморфноядерными клетками и последующей гибели возбудителя, а также усиление хемотаксиса и адгезии полиморфноядерных клеток. Положительное влияние амоксициллин/клавуланата на иммунный ответ макроорганизма может оказывать положительное влияние и на клинический исход пневмококковых инфекций, при которых полиморфноядерные клетки являются первой линией защиты [10].

Положительным свойством клавуланата является независимость его эффективности от рН среды. Кроме того, амоксициллин/клавуланат (АМО/К) сочетает свойства ингибитора бета-лактамаз, хорошую биодоступность и широкий спектр антимикробной активности амоксициллина, что делает его на сегодняшний день единственным представителем ингибиторозащищенных пенициллинов, приемлемых для пероральной терапии. Наличие формы для парентерального введения делает его оптимальным препаратом среди всех ингибиторзащищенных пенициллинов для ступенчатой терапии.