Устойчивость бактерий к антимикробным препаратам — серьезный вызов для современного здравоохранения. Систематическое злоупотребление антибиотиками в медицине и пищевой промышленности ставит под угрозу население всех стран. Необходимы решительные и безотлагательные меры глобального масштаба, иначе человечество рискует оказаться на пороге нового времени, в котором обычная и незначительная инфекция может вновь оказаться смертельной [1].

Из-за повсеместно наблюдаемой устойчивости микроорганизмов к антимикробным препаратам вариантов лечения бактериальных инфекций становится все меньше. Бактериальная резистентность сказывается на всех аспектах здоровья. Последствия инфекции, вызываемой резистентными штаммами, могут быть крайне тяжелыми.

В 2017 г. Всемирная организация здравоохранения опубликовала список устойчивых к антибиотикам «приоритетных патогенов» [2], который должен был стать ориентиром в деле разработки новых препаратов против существующих инфекций. Угрожающей становится ситуация с грамположительными бактериями Streptococcus pneumoniae, Staphylococcus aureus и Enterococcus faecium, вызывающими как внебольничные, так и госпитальные инфекции. Эти бактерии, которые в принципе являются нормальными компонентами животной и человеческой микрофлоры, обладают широким спектром вирулентных факторов, обеспечивающих успешную колонизацию хозяина и помогающих бактериям защищаться от иммунного ответа. Одним из факторов вирулентности, способствующим развитию инфекции, является способность бактерий формировать биопленки на органических (кости, сердечный клапан) и синтетических (катетеры, протезы или иные медицинские приспособления) поверхностях [3, 4, 5]. Биопленки — это оседлые (сессильные) сообщества микроорганизмов, которые прочно прикрепляются к поверхности и/или другим клеткам и встраиваются в защитный внеклеточный полимерный матрикс. В процессе формирования биопленок микроорганизмы претерпевают ряд фенотипических изменений, включая потерю подвижности, снижение скорости роста, усиление способности к адгезии и устойчивость к антибиотикам и иммунному ответу [6]. Таким образом, бактериальные биопленки могут быть ассоциированы с хроническими или рецидивирующими инфекциями. Способность формировать биопленки и быстро приобретать устойчивость к антибиотикам, наблюдаемая у некоторых штаммов S. pneumoniae, S. aureus и E. faecium, значительно сужает круг возможных вариантов лечения вызываемых ими инфекций. В связи с этим  разработка новых терапевтических подходов становится необходимостью.

Staphylococcus aureus

Золотистый стафилококк — это опасный патоген, основной возбудитель инфекций мягких тканей, а также гемоконтактных и девайс-ассоциированных инфекций у взрослых и детей. На данный момент S. aureus является самым распространенным патогеном, присутствующим в отделениях интенсивной терапии в США [7]. Кроме того, S. aureus —второй по частоте встречаемости возбудитель инфекций, регистрируемых у амбулаторных больных [8]. В то же время у 20 % населения он обитает на коже и в ноздрях, не вызывая клинических симптомов [9]. Инфицированию стафилококком способствуют нарушение целостности слизистой или кожных покровов, наличие имплантатов, хирургическое вмешательство, гемодиализ и ослабленный иммунитет. Устойчивость изолятов золотистого стафилококка к антибиотикам, в частности, к метициллину, является актуальной проблемой в современном здравоохранении, поскольку она затрудняет лечение и профилактику стафилококковых инфекций. С момента первых сообщений о метициллин-устойчивом (MRSA) штамме в 1960-х гг. количество новых случаев инфицирования этим патогеном неуклонно растет. MRSA обнаруживается почти в 50 % случаев всех нозокомиальных инфекций, вызванных золотистым стафилококком, в частности, развивающихся на прооперированных участках тела или ассоциированных с применением мочевых катетеров. Устойчивость к метициллину и прочим бета-лактамам — следствие приобретения патогеном генной кассеты mecA, которая приводит к некоторым изменениям в пенициллин-связывающих белках клеточной стенки [10]. В контексте антибиотикорезистентности большое беспокойство вызывает недавнее появление штаммов S. aureus, устойчивых к ванкомицину (VRSA) или обладающих сниженной чувствительностью к нему (VISA). За период с 2004 по 2009 гг. доля штаммов, устойчивых к метициллину, обладающих при этом сниженной чувствительностью к ванкомицину, увеличилась почти вдвое [11].

Enterococcus sp.

В последние десятилетия значительно возросла клиническая значимость энтерококков как возбудителей нозокомиальных инфекций. Энтерококк  — третий по распространенности в больничных отделениях условно-патогенный микроорганизм, на долю которого приходится около 12 % всех госпитальных инфекций [12]. При этом Enterococcus является нормальным компонентом кишечной микрофлоры человека и животных. Из всех энтерококковых штаммов, колонизирующих и инфицирующих человека, основная доля приходится на E. faecalis и E. faecium. Изоляты энтерококка часто имеют множественную устойчивость к антимикробным препаратам. Учитывая высокую способность патогена к диссеминации, особенно критичной представляется его устойчивость к ванкомицину [13]. Она наиболее типична для E. faecium и опосредуется приобретением группы генов, составляющих кластер van. Эти гены расположены на транспозоне и кодируют модификацию клеточной стенки, которая приводит к снижению сродства к ванкомицину. Важно, что изоляты штаммов энтерококка, нечувствительных к ванкомицину (VRE), являются резервуарами генов антимикробной устойчивости, которые могут передаваться другим видам, включая S. aureus. Так, штаммы стафилококка со сниженной чувствительностью к ванкомицину получили кластер van от изолятов энтерококка [14]. Примерно у 8 % пациентов, колонизированных ванкомицин-резистентным патогеном, инфекция развивается во время пребывания в больнице [15]; смертность от подобных инфекций остается высокой, варьируя от 13 до 46 % [16]. Штаммы VRE обычно ассоциируют с инфекциями брюшной полости, кожи, мягких тканей, мочевыводящих путей, крови и эндокардитами. Часто инфекцию переносят медицинские работники. Заразившись однажды, пациент может страдать от инфекции в течение всей жизни. Примерно треть известных случаев заражения энтерококками связана со штаммами, устойчивыми к ванкомицину. Поэтому эффективность терапии существующими антимикробными препаратами в данном случае является сомнительной, что выводит на первый план необходимость мер по предотвращению передачи этого патогена.

Streptococcus pneumoniae

S. pneumoniae, или пневмококк, является клинически значимым патогеном человека, ведущей причиной внебольничных пневмоний и одним из основных возбудителей бактериального менингита. Этот микроорганизм может бессимптомно обитать в носоглотке здоровых людей, но при попадании в мозг, легкие, кровоток и прочие стерильные органы может вызвать серьезные поражения, особенно у пожилых людей и маленьких детей, иммунитет которых ослаблен или не полностью сформирован. Нечувствительный к пенициллину пневмококк (PNSP) — один из самых опасных патогенов, угрожающий здоровью каждой нации [2, 17]. Рост числа изолятов PNSP с момента первоначального их обнаружения в 1960-х гг. вызывает серьезное беспокойство. Эти изоляты обычно устойчивы к бета-лактамам и возникают в результате мутаций в генах, кодирующих пенициллин-связывающий белок, за счет чего и уменьшается сродство этого белка к бета-лактамам. Кроме нечувствительных к бета-лактамам штаммов в последнее время в разных регионах мира регистрируют пневмококки, устойчивые к макролидам; они составляют до 40 % от всех пневмококковых изолятов, выделяемых у европейского населения [18] и более 70 % — от штаммов, распространенных в Азии. Устойчивость к макролидам в основном определяется изменениями на участке рибосомы, который является мишенью для антимикробных препаратов, но также может возникать из-за модификации самого препарата или механизма его доставки [19]. Устойчивость S. pneumoniae к антибиотикам развилась во многом из-за повсеместного использования антибиотиков и применения пневмококковых конъюгированных вакцин.

Энергетический метаболизм бактерии — мишень для новых антимикробных препаратов

Энергетический метаболизм привязан к клеточной мембране, которая функционирует как барьер, преобразующий энергию электрохимического градиента в чистую химическую энергию, удовлетворяющую потребностям клетки. Электрохимический градиент протон-движущей силы (ПДС) необходим всем бактериям для поддержания самых разнообразных процессов, включая синтез АТФ и доставку питательных элементов из окружающей среды для роста и метаболической активности. Более того, выработка ПДС является эволюционно консервативным процессом, который наличествовал даже у последнего общего универсального предка (LUCA) [20, 21].

Некоторые химические соединения, включая грамицидин, могут разрушать мембрану, образуя в ней поры и, как следствие, снижая электрохимический градиент. Соединения, которые называются протонофорами, могут уменьшать градиент путем специфического связывания ионов водорода, участвующих в протонофорном цикле на мембране (рисунок, слева). Существует еще одна группа химических агентов, способных уменьшать градиент: это протонофороподобные соединения, переносящие через мембрану вещества, связывающие ионы водорода (рисунок, справа), например жирные кислоты [22].

В связи с вышесказанным энергетический метаболизм бактерий может стать хорошей мишенью для новых антимикробных препаратов, стимулирующих холостые метаболические циклы, что предположительно не должно привести к развитию устойчивости, но будет эффективным в борьбе с резистентными к антибиотикам штаммами.

Соединения на основе трифенилфосфония

Четвертичные производные аммония и фосфония используются в качестве антисептиков и дезинфектантов уже не одно десятилетие [23, 24, 25, 26, 27, 28]. Недавно были разработаны вещества, имеющие в своем составе антиоксидантную группу и компонент, воздействующий на митохондрии. Примером таких соединений являются конъюгированные с трифенилом фосфония убихинон (MitoQ) [29] и пластохинон (SkQ1) [30]. В недавних работах сообщается, что эти соединения успешно уничтожают бактерии Bacillus subtilis [31, 32]. Более того, SkQ1 показал свою эффективность в борьбе против некоторых грамотрицательных бактерий (за исключением Escherichia coli) и различных грамположительных видов, включая S. aureus и Mycobacterium sp.

Механизм бактерицидного действия антибиотика SkQ1 можно объяснить способностью последнего нарушать энергетический обмен бактерии в результате протонофорного разобщения, которое приводит к резкому падению мембранного потенциала. В экспериментах in silico было обнаружено, что некоторые антибактериальные соединения, применяемые для лечения паразитарных инфекций, одновременно являются разобщителями энергетического метаболизма бактерий [33]. Более того, было показано, что триклозан, довольно распространенный антимикробный препарат широкого спектра действия, вызывает у бактерий коллапс мембранного потенциала и одновременно подавляет редуктазу еноил-ацил переносящего белка, которая является одним из ключевых участников синтеза жирных кислот у бактерий [33].

SkQ1 содержит не только эффективный антимикробный компонент, но и антиоксидантную часть, воздействующую на активные формы кислорода в митохондриях. Поэтому SkQ1 можно считать новым видом гибридного антибиотика двойного действия. Отсутствие токсичности этого вещества в дозе 1–2 µM для клеток человека и животных означает, что SkQ1 является безопасным антимикробным средством, которое, с одной стороны, уничтожает патоген, а с другой — способствует регенерации поврежденных клеток организма.

Подобные соединения могли бы применяться для лечения бактериальных инфекций, сопровождаемых формированием биопленок. На сегодняшний день нет никаких сообщений о развитии резистентности к SkQ1 и производным трифенилфосфония среди грамположительных микроорганизмов.

ВЫВОДЫ

Современный уровень знаний о механизмах развития бактериальной устойчивости к антибиотикам и о биоэнергетических процессах у бактерий позволяет предположить, что соединения на основе трифенилфосфония могут стать альтернативой в лечении инфекций, вызываемых резистентными к антибиотикам бактериями. Эти препараты олицетворяют новый подход к лечению бактериальных инфекций, который поможет победить устойчивость бактерий к антибиотикам и снизить уровень смертности от вызываемых ими инфекций.