Obrázek 1.

Klíčové nálezy a data antibiotik. Highlights of the Streptomyces.

(0.39MB).

Mechanismus účinku antibiotik

Molekulární základ tohoto účinku je dobře znám a hlavní cíle jsou dobře známy. Jsou klasifikovány podle interakce antibiotik zaměřené na základní buněčné funkce, což je základní princip inhibice růstu bakterií.17 Jedná se o složitý proces, který začíná fyzikální interakcí molekuly a jejích specifických cílů a zahrnuje biochemické, molekulární a strukturální změny, které působí na více buněčných cílů, např: 1) replikaci DNA, 2) syntézu RNA, 3) syntézu buněčné stěny a 4) syntézu bílkovin (obr. 2).

Obr. 2. Mechanismus účinku některých antibiotik.

Schematické znázornění cíle a mechanismu účinku některých antibiotik.

(0,26 MB).

Replikace DNA

DNA gyráza (topoizomeráza) řídí topologii DNA katalýzou štěpení a vazbou DNA. Tato reakce je důležitá pro syntézu DNA a transkripci mRNA a komplex – chinolonová topoizomeráza – štěpení DNA brání replikaci, což vede ke smrti bakterií.18-20

Syntéza RNA

RNA polymeráza závislá na DNA zprostředkovává proces transkripce a je hlavním regulátorem genové exprese u prokaryot. Tento enzymatický proces je nezbytný pro růst buněk, což z něj činí atraktivní cíl pro antibiotika. Jedním z příkladů je rifamycin, který inhibuje syntézu RNA pomocí stabilního spojení s vysokou afinitou k β-podjednotce v kanálu RNA/DNA, odděluje aktivní místo tím, že inhibuje zahájení transkripce a blokuje cestu růstu ribonukleotidového řetězce.18-20

Syntéza buněčné stěny

Bakteriální buněčná stěna se skládá z peptidoglykanu, který pomáhá udržovat osmotický tlak a propůjčuje schopnost přežívat v různých prostředích. Biosyntéza peptidoglykanu zahrnuje tři fáze: první fáze probíhá v cytoplazmě, kde se syntetizují nízkomolekulární prekurzory. Ve druhé fázi je syntéza buněčné stěny katalyzována enzymy vázanými na membránu a ve třetí fázi působí antibiotikum tak, že zabraňuje syntéze β-laktamů a polymeraci glykanů enzymy buněčné stěny, které působí na transpetidády.18-20

Syntéza proteinů

Proces translace mRNA probíhá ve třech fázích: iniciace, elongace a terminace za účasti cytoplazmatických ribozomů a dalších komponent. Ribozom se skládá ze dvou podjednotek (50S a 30S), které jsou cílem hlavního antibiotika, jež inhibuje syntézu proteinů. Makrolidy působí tak, že blokují podjednotku 50S, čímž zabraňují tvorbě peptidového řetězce: tetracyklin v podjednotce 30S působí tak, že blokuje přístup aminoacyl tRNA-ribosom; spektinomycin narušuje stabilitu vazby peptidyl-tRNA na ribosom; streptomycin, kanamycin a gentamicin působí v 16S rRNA, která je součástí podjednotky 30S ribosomu.18-20

Cytoplazmatická membrána

Cytoplazmatická membrána působí jako difuzní bariéra pro vodu, ionty a živiny. Transportní systémy jsou tvořeny především lipidy, proteiny a lipoproteiny. Daptomycin se vkládá do cytoplazmatické membrány bakterií způsobem závislým na vápníku, vytváří iontové kanály a spouští uvolňování intracelulárního draslíku. Několik antibiotik může způsobit narušení membrány. Tyto látky lze rozdělit na kationtové, aniontové a neutrální látky. Nejznámějšími sloučeninami jsou polymyxin B a kolistemetát (polymyxin E). Polymyxiny nejsou široce používány, protože jsou toxické pro ledviny a nervový systém.18-20 Nejnovější antibiotikum uvedené na trh v roce 2006 společností Merck (platensimycin) má jiný mechanismus účinku než předchozí, protože působí inhibicí beta-ketoacyl syntázy I / II (FabF / B), což jsou klíčové enzymy při produkci mastných kyselin, které jsou nezbytné pro bakteriální buněčnou membránu.13

Rezistence

Podle Nikaida20 se ročně vyrobí 100 000 tun antibiotik, která se používají v zemědělství, potravinářství a zdravotnictví. Jejich používání ovlivňuje populace bakterií a vyvolává rezistenci vůči antibiotikům. Tato rezistence může být způsobena genetickými změnami, jako je mutace nebo získání genů rezistence horizontálním přenosem, k němuž nejčastěji dochází u organismů různé taxonomie.21,22 Mutace mohou způsobit změny v místě účinku léčiva a bránit působení antibiotika.23 Většina genů rezistence se nachází ve stejném klastru jako gen pro biosyntézu antibiotik.24 V přírodě je hlavní funkcí antibiotik inhibice konkurentů, kteří jsou chemickou modifikací (hydrolýzou) a změnami v místě účinku a propustnosti membrán vedeni k inaktivaci těchto látek.25 Studie provedená se Streptomyces z městské půdy ukázala, že většina kmenů je rezistentní k více antibiotikům, což naznačuje, že tyto geny jsou v tomto prostředí časté.20 Mnoho genů rezistence se nachází na plazmidech (plazmid A), které mohou být předány konjugací na citlivý kmen; tyto plazmidy jsou stabilní a mohou exprimovat gen rezistence.26 Citlivost k určitému antibiotiku může být ovlivněna fyziologickým stavem bakterií a koncentrací antibiotika; to lze pozorovat v biofilmech prostřednictvím mechanismu známého jako tvorba persisterů – malé subpopulace bakterií přežívají smrtelnou koncentraci antibiotika bez specifických mechanismů rezistence, ačkoli tento mechanismus nevytváří rezistenci vysoké úrovně.27

Mikroorganismy rostoucí v biofilmu jsou spojovány s chronickými a opakovanými lidskými infekcemi a jsou rezistentní vůči antimikrobiálním látkám.28 Šíření rezistentních kmenů nesouvisí pouze s užíváním antibiotik, ale také s migrací lidí, kteří šíří rezistentní kmeny mezi lidi v odlehlých komunitách, kde je užívání antibiotik velmi omezené.24 Vzhledem k obtížnému získávání nových antibiotik provedl farmaceutický průmysl změny stávajících antibiotik; tato polosyntetika jsou účinnější a méně náchylná k inaktivaci enzymy, které způsobují rezistenci. Tento postup se stal strategií pro současná antibiotika používaná v současnosti a je znám jako druhá, třetí a čtvrtá generace antibiotik.29,30

Genom a nová antibiotika

Díky dostupnosti genomů velkého počtu patogenů byly stovky genů vyhodnoceny jako cíle pro nová antibiotika. Gen je uznán za nezbytný, pokud bakterie nemůže přežít, pokud je gen neaktivní, a může se stát cílem, pokud malá molekula může změnit jeho aktivitu.31 Genetická analýza ukázala, že gen může kódovat funkci, která je důležitá u jedné bakterie, ale ne u jiné.32 Bylo zjištěno, že 167 genů je nezbytných pro růst bakterií a jsou potenciálními cíli pro nová antibiotika.33,34 Společnost GlaxoSmithKline provedla studie s antibiotikem GKS299423 působícím na topoizomerázu II, aby zabránila vzniku rezistence bakterií.35

Použití

Světová poptávka po antibakteriálních látkách (antibiotikách) neustále roste. Od svého objevu ve 20. století antibiotika podstatně snížila hrozbu infekčních onemocnění. Používání těchto „zázračných léků“ spolu se zlepšením hygienických podmínek, bydlení, potravin a nástupem masových očkovacích programů vedlo k dramatickému poklesu úmrtí na nemoci, které byly dříve velmi rozšířené a často smrtelné. V průběhu let antibiotika zachránila životy a zmírnila utrpení milionů lidí. Tím, že udržela pod kontrolou mnoho závažných infekčních onemocnění, přispěla tato léčiva také k prodloužení průměrné délky života v druhé polovině 20. století.

Zvyšující se rezistence patogenních organismů, která vede k těžkým formám infekcí, jež se obtížně léčí, situaci dále zkomplikovala, jako v případě karbapenem rezistentní Klebsiella pneumoniae,36,37 a dalších mikroorganismů.38 Infekce způsobené rezistentními bakteriemi nereagují na léčbu, což vede k prodloužení nemoci a většímu riziku úmrtí. Selhání léčby také vede k dlouhým obdobím infekčnosti s vysokou mírou rezistence, což zvyšuje počet infikovaných osob kolujících v komunitě a vystavuje tak populaci riziku nákazy multirezistentním kmenem.39

Jakmile se bakterie stanou rezistentními vůči antibiotikům první generace, musí se léčba změnit na léky druhé nebo třetí generace, které jsou často mnohem dražší a někdy toxické. Například léky potřebné k léčbě multirezistentních forem Streptococcus pneumoniae, Staphylococcus aureus, Klebsiella pneumoniae a Mycobacterium tuberculosis mohou stát stokrát více než léky první generace používané k léčbě nerezistentních forem. Nejvíce znepokojující je skutečnost, že se zvýšila rezistence prakticky vůči všem antibiotikům.

Přestože farmaceutický průmysl zintenzivnil úsilí o vývoj nových léků, které by nahradily ty používané, současné trendy naznačují, že některé infekce nebudou mít v příštích deseti letech žádnou účinnou léčbu. Používání antibiotik je rozhodujícím faktorem při selekci rezistence.40,41 Paradoxně může hrát nedostatečné používání v důsledku nedostatečného přístupu a nedostatečné léčby stejně důležitou roli jako nadužívání. Z těchto důvodů je správné používání prioritní, aby se zabránilo vzniku a šíření bakteriální rezistence. Hlavními příčinami nevhodného užívání antibiotik jsou faktory související s pacientem. Mnoho pacientů se například domnívá, že nové a drahé léky jsou účinnější než starší léky.

Kromě toho, že toto vnímání způsobuje zbytečné výdaje, podporuje selekci rezistence vůči těmto novým lékům, stejně jako vůči starším lékům v jejich skupině.42 Dalším důležitým faktorem, který přispívá k rezistenci, je samoléčba antibiotiky, protože pacienti nemusí užívat dostatečné množství léku. V mnoha rozvojových zemích se antibiotika kupují v jednorázových dávkách a užívají se pouze do doby, než se pacient cítí lépe, což může nastat dříve, než je bakterie zlikvidována.43

Lékaři mohou být tlačeni k předepisování antibiotik, aby splnili očekávání pacientů, a to i v případě, že neexistují vhodné indikace, nebo vlivem výrobců. Někteří lékaři mají tendenci předepisovat antibiotika k léčbě virových infekcí, čímž se stávají neúčinnými proti jiným infekcím. V některých kulturních kontextech jsou antibiotika podávaná injekčně považována za účinnější než perorální přípravky. Nemocnice jsou kritickou součástí celosvětového problému antimikrobiální rezistence.14,44 Kombinace vysoce citlivých pacientů, pacientů se závažnými infekcemi a intenzivního a dlouhodobého užívání antibiotik vedla ke vzniku vysoce rezistentních nozokomiálních infekcí, které se obtížně kontrolují, což činí eradikaci patogenu nákladnou.

V září 2001 Světová zdravotnická organizace (WHO) zahájila první globální strategii boje proti závažným problémům způsobeným vznikem a šířením antimikrobiální rezistence. Strategie známá jako Globální strategie WHO pro omezení antimikrobiální rezistence45 uznává, že antimikrobiální rezistence je globální problém, který je třeba řešit ve všech zemích. Žádný stát, jakkoli efektivní, nemůže uzavřít své hranice před rezistentními bakteriemi, proto je nutná řádná kontrola na všech místech. Velká část odpovědnosti leží na vládách jednotlivých zemí, přičemž strategie a zvláštní pozornost je věnována zásahům, které zahrnují zavedení právních předpisů a politik upravujících vývoj, udělování licencí, distribuci a prodej antibiotik.46

Nalezení nových antibiotik účinných proti rezistenci bakterií není nemožné, ale je to složitá a náročná oblast výzkumu. Je to také oblast, na kterou se farmaceutický průmysl v posledních letech primárně nezaměřuje, protože antibiotika obecně představují relativně nízkou návratnost investic a na tento nezájem mají vliv i vysoké nároky na vývoj léků.

Přes očekávané trendy růstu celosvětového trhu s antibiotiky je jejich dlouhodobý úspěch ovlivněn především dvěma hlavními faktory – rezistencí a generickou konkurencí. Rezistence vůči antibiotikům si vynucuje snížení jejich používání. Nárůst rezistence vůči antibiotikům ztěžuje léčení infekcí. Velkou nevýhodou je, že průmysl obtížně hledá nová antibiotika – ta, která se používají, se zpravidla průběžně upravují za účelem výroby nových forem. Navzdory výhodám, které mají velké společnosti při vývoji nových antibiotik: a) dobře definované cíle, b) účinně zavedený způsob výzkumu, c) biomarkery pro monitorování, d) sofistikované nástroje pro studium dávkování a e) rychlejší schválení regulačními orgány, daly přednost jiným nemocem, protože návratnost investic do antibiotik je nízká, přestože představují trh v hodnotě 45 miliard dolarů, druhý po lécích na kardiovaskulární problémy a centrální nervový systém.47 Dalším problémem je konkurence generických léčiv za mnohem nižší ceny.48 V některých případech velké společnosti přenesly odpovědnost za vývoj nových antibiotik na malé podniky, například daptomycinu, který vyvinula společnost Cubist a licenci na něj získala společnost Lilly.49

Perspektivy

Navzdory tomuto scénáři si některé společnosti vytvořily společenské postavení a odpovědnost za zachování vývoje nových antibiotik. Příkladem je potenciál takových partnerství v boji proti tuberkulóze (TBC). TBC odolná vůči více lékům dnes ročně postihuje půl milionu lidí, její léčba trvá dva roky, vyléčí se pouze v polovině případů a vyskytuje se především v oblastech s nízkým indexem lidského rozvoje.

Pro urychlení vývoje nových léčebných postupů zkoumá významná spolupráce, TB Alliance, kreativní mechanismy financování a podpory závěrečné fáze klinických zkoušek. Další důležitou akcí je sběr mikroorganismů v různých prostředích, například v mořském prostředí, za účelem izolace nových látek; tyto studie dosáhly důležitých výsledků při hodnocení těchto aktinomycet prostředí.30,50 Další iniciativou je Amazonské biotechnologické centrum – CBA, které studuje mikroorganismy v amazonské oblasti, protože tato oblast s vysokou rozmanitostí mikroorganismů má schopnost produkovat nová antibiotika; vynikajících výsledků bylo dosaženo hlavně pokud jde o Mycobacterium tuberculosis.

Stále je třeba regulovat používání antibiotik, aby byly farmaceutické společnosti motivovány investovat do vývoje nových antibiotik. Hlavní výzva zůstává na regulační úrovni, aby bylo nalezeno řešení, které zajistí komerční životaschopnost vývoje antibiotik. Fúze těchto společností má bezprostřední dopad, protože snižuje počet konkurenčních výzkumných a vývojových skupin; takové změny často způsobují strategické přehodnocení terapeutických oblastí výzkumu a vývoje, kdy vývoj nových antibiotik musí konkurovat jiným oblastem, které mohou být komerčně atraktivnější.

Na rozdíl od prvního antibiotika, u kterého nebyl znám molekulární způsob účinku až do jeho uvedení na trh, se vyvinuly technologie (funkční genomika), které umožňují vyhodnotit interakci mezi mechanismem účinku cílového antibiotika a vývojem specifické rezistence bakterií.51,52 Navzdory projektům sekvenování patogenních organismů a studiu nových cílů bylo dosaženo jen malého úspěchu.53,54 Z technického hlediska budou úspěšné ty společnosti, které se budou i nadále věnovat výzkumu nových antibiotik s využitím nových technologií; výzvy jsou velké, ale nikoli nepřekonatelné.

Konflikt zájmů

Všichni autoři prohlašují, že nejsou ve střetu zájmů.