Streptomyces
A Streptomyces a Gram-pozitív baktériumok nemzetségébe tartozik, amely különböző környezetben, a gombákhoz hasonló fonalas formában növekszik. A Streptomyces morfológiai differenciálódása magában foglalja egy hifaréteg kialakulását, amely spóralánccá differenciálódhat. Ez a folyamat egyedülálló a Gram-pozitívok között, mivel speciális és összehangolt anyagcserét igényel. A Streptomyces legérdekesebb tulajdonsága, hogy képes bioaktív másodlagos metabolitokat, például gombaellenes, vírusellenes, tumorellenes, vérnyomáscsökkentő és főként antibiotikumokat és immunszuppresszív szereket termelni.1-3 A nemzetség másik jellemzője a komplex többsejtű fejlődés, amelyben a csírázó spóráik hifákat alkotnak, többmagvú légi micéliummal, amely szabályos időközönként szeptákat képez, létrehozva a magnélküli spórák láncolatát.4
Amikor a spóra kedvező hőmérsékleti, tápanyag- és nedvességtartalmú körülményeket talál, kialakul a csíracső és kifejlődik a hifa. Ezt követi a léghifa, és egy stádiumkészlet elindítja a különböző folyamatok, például a növekedés és a sejtciklus megszervezését. Az sporogén sejt 50 vagy több kromoszóma-kópiát tartalmazhat; a kromoszómák sorrendje, elhelyezkedése és szegregációja a sporuláció során lineáris, amelyben legalább két rendszer (ParAB és FtsK) vesz részt, amelyek az apikális sejtek differenciálódásához és spóraláncokká szeptálódásához vezetnek. A S. coelicolorban számos más, a léghifák sporulációjához nélkülözhetetlen gént jelentettek, például a whiG, whiH, whiI, whiA, whiB és whiD géneket. A spórák jelenlétének magyarázata a Streptomycesben valószínűleg az, hogy ezek a töredékek micéliumszerűen jelentek meg szelekciós nyomás alatt, ami magában foglalhatta a növényeken és gerinctelen állatokon kívüli, vagy szélsőséges környezetben való túlélés szükségességét.
A spórák túlélési képességét ezekben az ellenséges környezetekben a spórákban egyes fajoknál jelen lévő pigment és aroma fokozhatta,5 ami serkenti a sejtfejlődést és a másodlagos metabolitok termelését.6 Egy másik fontos pont a hifa csúcsa, amelyet a legfontosabb régiónak tartanak, ahol membránfehérjék és lipidek szekretálódhatnak, különösen a növekedés apikális területén.7 Egyes Streptomyceseknél a másodlagos anyagcsere és a differenciálódás összefügghet.8,9 Filogenetikai szempontból a Streptomycesek az Actinobacteria csoportba tartoznak, amely a Gram-pozitívok csoportja, amelynek genetikai anyaga (DNS) GC-gazdag (70%), szemben más baktériumokkal, mint például az Escherichia coli (50%). A Streptomyces-nek tulajdonított nagy jelentőség részben azért van, mert ezek az egyik legnépesebb és legsokoldalúbb talajmikroorganizmusok, tekintettel nagy metabolittermelő képességükre és biotranszformációs folyamataikra, a lignocellulóz és a kitin lebontására való képességükre, valamint a szerves anyagok biológiai körforgásában betöltött alapvető szerepükre.10 A Streptomyces két faját különösen jól tanulmányozták: S. griseus, az első Streptomyces, amelyet antibiotikum – streptomicin – ipari előállítására használtak, és S. coelicolor, a genetikai vizsgálatokban legszélesebb körben használt S. coelicolor. Különböző törzseket szekvenáltak és genomjukat feltérképezték (1. táblázat).
Streptomyces a rendelkezésre álló genomszekvenciájukkal.
| Organizmus | GenBank | Méret | % CG | Protein | Importance | ||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| S. celicolor | AL645882.2 | 9.05Mb | 72.0 | 7.825 | Genetikai vizsgálatok | Bentley et al.10 | |
| S. avermitilis | BA000030.3 | 9.11Mb | 70.7 | 7.583 | Antibiotikum (Avermictin) | Omura et al.1 | |
| S. griseus | AP009493.1 | 8.54Mb | 72.2 | 7.138 | Antibiotikum (Streptomicin) | Ohnishi et al.4 | |
| S. bingchenggensis | CP002047 | 11,93Mb | 70,8 | 10.023 | Antihelmintikum (Milbemicin) | Wang et al.13 | |
| S. scabiei | FN554889.1 | 10Mb | 8.746 | Phytopatogén | Bignell et al.14 | ||
| S. cattleya | NC_016111 | 8.1Mb | Antibiotikumok és fluorometabolitok | Barbe et al.15 |
A S. coelicolor genomja például nagyszámú szekretált fehérjét (819) kódol, köztük 60 proteázt, 13 kitinázt/kitozanázt, nyolc cellulázt/endoglükanázt, három amilázt és két paktatoliázt. A Streptomycesek a szerves anyagok kezdeti lebontásában is fontosak, főként a szaprofita fajok.11
A legtöbb antibiotikum termelése fajspecifikus, és ezek a másodlagos metabolitok azért fontosak, hogy a Streptomyces spp. versenyezni tudjon más mikroorganizmusokkal, amelyekkel kapcsolatba kerülhetnek, vagy akár ugyanazon nemzetségen belül is. Egy másik fontos antibiotikum-termeléssel járó folyamat a Streptomyces és a növények közötti szimbiózis, mivel az antibiotikum védi a növényt a kórokozókkal szemben, a növényi exudátum pedig lehetővé teszi a Streptomyces fejlődését.12 Az irodalmi adatok arra utalnak, hogy egyes antibiotikumok jelzőmolekulaként keletkeztek, amelyek képesek olyan változásokat indukálni egyes gének expressziójában, amelyek nem stresszválaszhoz kapcsolódnak.11
Antibiotikumok
Az antibiotikumok felfedezésének sikere és az előállításuk folyamatában elért fejlődés ellenére a fertőző betegségek még mindig a második vezető halálozási ok világszerte, és a bakteriális fertőzések évente mintegy 17 millió halálesetet okoznak, amelyek főként a gyermekeket és az időseket érintik. A Streptomycesből származó antibiotikumok története a streptothricin 1942-es felfedezésével kezdődött, majd két évvel később a streptomicin felfedezésével a tudósok fokozták az antibiotikumok keresését a nemzetségen belül. Ma az antibiotikumok 80%-a a Streptomyces nemzetségből származik, az aktinomiciták a legfontosabbak.16 Ez látható az 1. ábrán.
Az antibiotikumok legfontosabb megállapításai és időpontjai. Highlights of the Streptomyces.
Az antibiotikumok hatásmechanizmusa
A hatás molekuláris alapjai jól ismertek és a fő célpontok is jól ismertek. Az antibiotikumok alapvető sejtfunkciókat célzó kölcsönhatása, a baktériumok növekedésének gátlásának alapelve alapján osztályozzák őket.17 Ez egy összetett folyamat, amely a molekula és a specifikus célpontok fizikai kölcsönhatásával kezdődik, és biokémiai, molekuláris és szerkezeti változásokat foglal magában, többféle sejtcélpontra hatva, mint például: 1) DNS-replikáció, 2) RNS-szintézis, 3) sejtfalszintézis és 4) fehérjeszintézis (2. ábra).
Egyes antibiotikumok célpontjának és hatásmechanizmusának sematikus ábrázolása.
DNS-replikáció
A DNS-giráz (topoizomeráz) a DNS topológiáját a hasítási minta és a DNS-kötés katalizálásával szabályozza. Ez a reakció fontos a DNS-szintézis és az mRNS-átírás szempontjából, és a komplex-kinolon topoizomeráz-DNS hasítás megakadályozza a replikációt, ami a baktérium halálához vezet.18-20
RNS-szintézis
A DNS-függő RNS-polimeráz közvetíti az átírási folyamatot, és a prokarióták génexpressziójának fő szabályozója. Az enzimatikus folyamat elengedhetetlen a sejtnövekedéshez, ami az antibiotikumok vonzó célpontjává teszi. Ilyen például a rifamicin, amely az RNS szintézisét úgy gátolja, hogy az RNS/DNS-csatorna β-alegységéhez nagy affinitású, stabil kapcsolatot létesít, az aktív centrumot elválasztva gátolja az átírás megindulását és blokkolja a ribonukleotidlánc növekedésének útját.18-20
Cellfalszintézis
A baktériumok sejtfala peptidoglikánból áll, amely segít fenntartani az ozmotikus nyomást, ami a különböző környezetekben való túlélés képességét adja. A peptidoglikán bioszintézis három szakaszból áll: az első szakasz a citoplazmában zajlik, ahol alacsony molekulatömegű prekurzorok szintetizálódnak. A második szakaszban a sejtfal szintézisét membránhoz kötött enzimek katalizálják; a harmadik szakaszban pedig az antibiotikum a β-laktámok és a sejtfal enzimek glikánszintézisének polimerizációját megakadályozva, a transzpetidákra hatva hat.18-20
Proteinszintézis
Az mRNS transzlációs folyamata három fázisban zajlik: iniciáció, elongáció és termináció, amelyben a citoplazmatikus riboszómák és más komponensek vesznek részt. A riboszóma két alegységből (50S és 30S) áll, amelyek a fehérjeszintézist gátló fő antibiotikum célpontjai. A makrolidok az 50S alegység blokkolásával hatnak, megakadályozva a peptidlánc kialakulását: a 30S alegységben a tetraciklin az aminoacil-tRNS-riboszóma hozzáférésének blokkolásával hat; a spektinomicin a riboszómához kötődő peptidil-tRNS stabilitását zavarja; a sztreptomicin, kanamicin és gentamicin pedig a 30S riboszóma alegység részét képező 16S rRNS-ben hat.18-20
Citoplazmatikus membrán
A citoplazmatikus membrán diffúziós gátként működik a víz, az ionok és a tápanyagok számára. A transzportrendszerek elsősorban lipidekből, fehérjékből és lipoproteinekből állnak. A daptomicin kalciumfüggő módon beépül a baktériumok citoplazmamembránjába, ioncsatornákat képezve, kiváltva az intracelluláris kálium felszabadulását. Több antibiotikum is képes a membrán megbontását okozni. Ezek a szerek kationos, anionos és semleges szerekre oszthatók. A legismertebb vegyületek a polymyxin B és a colistemethate (polymyxin E). A polymyxineket nem használják széles körben, mert toxikusak a vesére és az idegrendszerre.18-20 A Merck által 2006-ban bevezetett legújabb antibiotikum (platensimycin) hatásmechanizmusa eltér a korábbiaktól, mivel a béta-ketoacil-szintáz I/II (FabF/B) gátlásával hat, amelyek a baktérium sejtmembránhoz szükséges zsírsavak termelésében kulcsfontosságú enzimek.13
Rezisztencia
Nikaido20 szerint évente 100 000 tonna antibiotikumot állítanak elő, amelyet a mezőgazdaságban, az élelmiszeriparban és az egészségügyben használnak. Használatuk hatással van a baktériumok populációira, antibiotikum-rezisztenciát indukálva. Ez a rezisztencia genetikai változások, például mutáció vagy a rezisztenciagének horizontális átvitel útján történő megszerzése miatt alakulhat ki, ami leggyakrabban különböző rendszertanú szervezetekben fordul elő.21,22 A mutációk változásokat okozhatnak a gyógyszer hatásának helyén, akadályozva az antibiotikum hatását.23 A legtöbb rezisztenciagén ugyanabban a klaszterben található, mint az antibiotikum bioszintézisének génje.24 A természetben az antibiotikumok fő funkciója a versenytársak gátlása, amelyek kémiai módosítással (hidrolízis), valamint a hatás helyének és a membrán áteresztőképességének megváltozásával inaktiválják ezeket a vegyületeket.25 Egy városi talajból származó Streptomycesekkel végzett vizsgálat kimutatta, hogy a legtöbb törzs több antibiotikummal szemben is rezisztens, ami arra utal, hogy ezek a gének gyakoriak ebben a környezetben.20 Sok rezisztenciagén plazmidokon (plazmid A) található, amelyek konjugációval átadhatók egy fogékony törzsnek; ezek a plazmidok stabilak és képesek kifejezni a rezisztenciagént.26 Az adott antibiotikummal szembeni fogékonyságot befolyásolhatja a baktérium fiziológiai állapota és az antibiotikum koncentrációja; ez a biofilmekben a perziszterképződésnek nevezett mechanizmuson keresztül figyelhető meg – a baktériumok kis alpopulációi túlélik a halálos antibiotikum-koncentrációt specifikus rezisztencia mechanizmusok nélkül, bár ez a mechanizmus nem eredményez magas szintű rezisztenciát.27
A biofilmben növekvő mikroorganizmusok krónikus és visszatérő emberi fertőzésekhez kapcsolódnak, és rezisztensek az antimikrobiális szerekkel szemben.28 A rezisztens törzsek terjedése nemcsak az antibiotikum-használattal függ össze, hanem az emberek migrációjával is, akik a rezisztens törzseket szétszórják az emberek között olyan távoli közösségekben, ahol az antibiotikumok használata nagyon korlátozott.24 Az új antibiotikumok beszerzésének nehézségei miatt a gyógyszeripar módosította a meglévő antibiotikumokat; ezek a félszintetikus szerek hatékonyabbak és kevésbé érzékenyek a rezisztenciát okozó enzimek inaktiválására. Ez a gyakorlat vált a ma használt jelenlegi antibiotikumok stratégiájává, és az antibiotikumok második, harmadik és negyedik generációjaként ismert.29,30
Genom és új antibiotikumok
Mivel számos kórokozó genomja rendelkezésre áll, több száz gént értékeltek ki új antibiotikumok célpontjaként. Egy gént akkor ismerünk el esszenciálisnak, ha a baktérium nem tud életben maradni, amíg a gén inaktív, és akkor válhat célponttá, ha egy kis molekula képes megváltoztatni az aktivitását.31 A genetikai elemzés kimutatta, hogy egy gén kódolhat olyan funkciót, amely az egyik baktériumban fontos, de egy másikban nem.32 167 génről állapították meg, hogy a baktériumok növekedéséhez nélkülözhetetlen, és ezek potenciális célpontjai az új antibiotikumoknak.33,34 A GlaxoSmithKline vizsgálatokat végzett a topoizomeráz II-re ható GKS299423 antibiotikummal, hogy megakadályozza a baktériumok rezisztencia kialakulását.35
Használat
A világ antibakteriális szerek (antibiotikumok) iránti igénye folyamatosan nő. A 20. századi felfedezésük óta az antibiotikumok jelentősen csökkentették a fertőző betegségek veszélyét. Ezeknek a “csodaszereknek” a használata, a higiénia, a lakhatás és az élelmezés javulásával, valamint a tömeges immunizációs programok megjelenésével együtt, az egykor széles körben elterjedt és gyakran halálos kimenetelű betegségekből eredő halálesetek számának drámai csökkenéséhez vezetett. Az évek során az antibiotikumok életeket mentettek meg és milliók szenvedését enyhítették. Azáltal, hogy számos súlyos fertőző betegséget kordában tartottak, ezek a gyógyszerek hozzájárultak a várható élettartam növekedéséhez is a 20. század második felében.
A kórokozó organizmusok növekvő rezisztenciája, amely a fertőzések nehezen kezelhető, súlyos formáihoz vezet, tovább bonyolította a helyzetet, mint például a karbapenem-rezisztens Klebsiella pneumoniae,36,37 és más mikroorganizmusok esetében.38 A rezisztens baktériumok által okozott fertőzések nem reagálnak a kezelésre, ami elhúzódó betegséget és nagyobb halálozási kockázatot eredményez. A kezelés sikertelensége hosszú ideig tartó, magas rezisztenciaaránnyal járó fertőzőképességhez is vezet, ami növeli a közösségben keringő fertőzöttek számát, és így a lakosságot kiteszi a multidrog-rezisztens törzs megbetegedésének kockázatának.39
Amint a baktériumok rezisztenssé válnak az első generációs antibiotikumokkal szemben, a kezelést második vagy harmadik generációs gyógyszerekre kell átállítani, amelyek gyakran sokkal drágábbak és néha mérgezőek. Például a multirezisztens Streptococcus pneumoniae, Staphylococcus aureus, Klebsiella pneumoniae és Mycobacterium tuberculosis kezeléséhez szükséges gyógyszer százszor többe kerülhet, mint a nem rezisztens formák kezelésére használt első generációs gyógyszerek. A legaggasztóbb az, hogy gyakorlatilag minden antibiotikummal szemben nőtt a rezisztencia.
Noha a gyógyszeripar fokozta erőfeszítéseit a jelenleg használt gyógyszerek helyettesítésére szolgáló új gyógyszerek kifejlesztésére, a jelenlegi tendenciák arra utalnak, hogy egyes fertőzésekre a következő tíz éven belül nem lesz hatékony terápia. Az antibiotikumok használata a kritikus tényező a rezisztencia szelekciójában.40,41 Paradox módon a hozzáférés hiánya és a nem megfelelő kezelés miatti alulhasználat ugyanolyan fontos szerepet játszhat, mint a túlhasználat. Ezen okok miatt a megfelelő használat prioritást élvez a bakteriális rezisztencia kialakulásának és terjedésének megelőzése érdekében. Az antibiotikumok nem megfelelő használatának fő okai a betegekkel kapcsolatos tényezők. Például sok beteg azt hiszi, hogy az új és drága gyógyszerek hatékonyabbak, mint a régebbi gyógyszerek.
Amellett, hogy felesleges kiadásokat okoz, ez a felfogás elősegíti a rezisztencia kialakulását ezekkel az új gyógyszerekkel, valamint az osztályukba tartozó régebbi gyógyszerekkel szemben.42 Az antibiotikumokkal való öngyógyítás egy másik fontos tényező, amely hozzájárul a rezisztenciához, mivel a betegek esetleg nem megfelelő mennyiségű gyógyszert vesznek be. Sok fejlődő országban az antibiotikumokat egyszeri adagokban vásárolják meg, és csak addig szedik, amíg a beteg jobban nem érzi magát, ami előfordulhat, mielőtt a baktérium eltávolításra kerülne.43
Az orvosokra nyomást gyakorolhatnak, hogy a betegek elvárásainak megfelelően írjanak fel antibiotikumokat, még a megfelelő indikációk hiányában is, vagy a gyártók befolyása miatt. Egyes orvosok hajlamosak arra, hogy antibiotikumokat írjanak fel vírusfertőzések gyógyítására, ezáltal hatástalanná téve azokat más fertőzésekkel szemben. Egyes kulturális kontextusokban az injekció formájában beadott antibiotikumokat hatékonyabbnak tartják, mint a szájon át szedett készítményeket. A kórházak világszerte az antimikrobiális rezisztencia problémájának kritikus összetevői.14,44 A rendkívül fogékony betegek, a súlyos fertőzésekben szenvedő betegek, valamint az antibiotikumok intenzív és hosszan tartó használata együttesen magas rezisztenciájú nosocomiális fertőzéseket eredményezett, amelyek nehezen ellenőrizhetők, így a kórokozó felszámolása költséges.
2001 szeptemberében az Egészségügyi Világszervezet (WHO) elindította az első globális stratégiát az antimikrobiális rezisztencia megjelenése és terjedése által okozott súlyos problémák leküzdésére. A WHO Globális Stratégia az antimikrobiális rezisztencia megfékezésére45 néven ismert stratégia elismeri, hogy az antimikrobiális rezisztencia globális probléma, amellyel minden országban foglalkozni kell. Egyetlen nemzet sem tudja lezárni a határait a rezisztens baktériumok elől, bármilyen hatékony is, ezért mindenhol megfelelő ellenőrzésre van szükség. A felelősség nagy része a nemzeti kormányokat terheli, a stratégia és különös figyelmet fordít az olyan beavatkozásokra, amelyek az antibiotikumok fejlesztését, engedélyezését, forgalmazását és értékesítését szabályozó jogszabályok és politikák bevezetését foglalják magukban.46
A baktériumok rezisztenciája ellen hatékony új antibiotikumok megtalálása nem lehetetlen, de ez egy összetett és kihívásokkal teli kutatási terület. Ez egy olyan terület is, amely az elmúlt években nem állt a gyógyszeripar elsődleges fókuszában, mivel az antibiotikumok általában viszonylag alacsony megtérülést jelentenek, és a gyógyszerfejlesztés magas követelményei is befolyásolják az érdeklődés hiányát.
Az antibiotikumok globális piacának várható növekedési tendenciái ellenére hosszú távú sikerüket elsősorban két fő tényező befolyásolja: a rezisztencia és a generikus verseny. Az antibiotikum-rezisztencia a felhasználás csökkentését kényszeríti ki. Az antibiotikum-rezisztencia növekedése megnehezíti a fertőzések gyógyítását. Nagy hátrányt jelent, hogy az ipar nehezen talál új antibiotikumokat – a használatban lévőket általában folyamatosan módosítják, hogy új formákat állítsanak elő. Annak ellenére, hogy a nagyvállalatoknak előnyeik vannak az új antibiotikumok kifejlesztésében: a) jól meghatározott célpontok, b) hatékonyan kialakított kutatási mód, c) biomarkerek a nyomon követéshez, d) kifinomult eszközök az adagolás vizsgálatához, és e) gyorsabb jóváhagyás a szabályozó hatóságok által, más betegségeknek adtak elsőbbséget, mert az antibiotikumok megtérülése alacsony, annak ellenére, hogy 45 milliárd dolláros piacot képviselnek, ami a második a szív- és érrendszeri problémákra és a központi idegrendszerre szánt gyógyszerek után.47 Egy másik probléma a jóval alacsonyabb árú generikumok által támasztott verseny.48 Néhány esetben a nagyvállalatok átadták a felelősséget a kisvállalkozásoknak az új antibiotikumok kifejlesztéséért, mint például a Cubist által kifejlesztett és a Lillynek licencelt daptomicin.49
Perspektívák
Ezek ellenére néhány vállalat társadalmi pozíciót és felelősséget alakított ki az új antibiotikumok fejlesztésének fenntartására. Példa erre az ilyen partnerségek lehetősége a tuberkulózis (TBC) elleni küzdelemben. Ma a multidrog-rezisztens TBC évente félmillió embert érint, kezelése két évig tart, csak az esetek felében gyógyítható, és főként olyan területeken fordul elő, ahol az emberi fejlettségi index alacsony.
Az új kezelések kifejlesztésének felgyorsítása érdekében egy fontos együttműködés, a TB Alliance kreatív finanszírozási mechanizmusokat és a klinikai vizsgálatok végső fázisának támogatását vizsgálja. Egy másik fontos akció a mikroorganizmusok gyűjtése különböző környezetekben, például tengeri környezetben, új anyagok izolálása céljából; ezek a vizsgálatok fontos eredményeket értek el e környezeti aktinomiciták értékelésével kapcsolatban.30,50 Egy másik kezdeményezés az Amazonas Biotechnológiai Központ-CBA, amely az Amazonas régió mikroorganizmusait tanulmányozza, mivel ez a régió a mikroorganizmusok nagy változatosságával képes új antibiotikumok előállítására; kiváló eredményeket értek el elsősorban a Mycobacterium tuberculosis tekintetében.
Az antibiotikumok használatának szabályozására továbbra is szükség van, hogy a gyógyszeripari vállalatokat új antibiotikumok kifejlesztésébe való befektetésre ösztönözzék. A fő kihívás továbbra is a szabályozás szintjén van, hogy olyan megoldást találjunk, amely biztosítja az antibiotikum-fejlesztés kereskedelmi életképességét. A vállalatok egyesülése azonnali hatással jár, mivel csökkenti a versengő kutató-fejlesztő csoportok számát; az ilyen változások gyakran a kutatás és fejlesztés terápiás területeinek stratégiai felülvizsgálatát eredményezik, ahol az új antibiotikumok fejlesztésének más, kereskedelmileg esetleg vonzóbb területekkel kell versenyeznie.
Az első antibiotikummal ellentétben, ahol a molekuláris hatásmechanizmus a piacra kerülésig ismeretlen volt, fejlődtek a technológiák (funkcionális genomika), amelyek lehetővé teszik az antibiotikum célpontjának hatásmechanizmusa és a baktériumok specifikus rezisztenciájának kialakulása közötti kölcsönhatás értékelését.51,52 A patogén organizmusok szekvenálási projektjei és az új célpontok tanulmányozása ellenére kevés sikert értek el.53,54 Technikai szempontból azok a vállalatok, amelyek továbbra is elkötelezettek az új antibiotikumok kutatása iránt az új technológiák felhasználásával, sikeresek lesznek; a kihívások nagyok, de nem leküzdhetetlenek.
Érdekellentét
Minden szerző kijelenti, hogy nem áll fenn érdekellentét.