Miten antibioottiresistenssi kehittyy bakteereissa ja miksi se on huolestuttavaa?

Antibioottiresistenssi bakteereissa voi ilmetä kahdella tavalla: luontaisena tai hankittuna. Lisäksi joskus mainitaan mukautuva resistenssi, joka voidaan sisällyttää luontaiseen resistenssiin.

Luontainen resistenssi tarkoittaa sitä, että jotkut bakteerit ovat jo syntyessään luonnostaan vastustuskykyisiä tietyille antibiooteille, eikä niillä ole aiempaa altistumista kyseisille aineille. Esimerkiksi gramnegatiiviset bakteerit ovat luontaisesti resistenttejä vankomysiinille, koska se on liian suuri molekyyli ylittämään niiden ulkokalvon. Aeroobiset bakteerit taas ovat luontaisesti resistenttejä metronidatsolille, joka tarvitsee anaerobisen ympäristön aktivoituakseen. Näitä ja muita esimerkkejä käsitellään tarkemmin myöhemmissä kappaleissa, joissa perehdytään eri antibioottien vaikutuksiin.

Mukautuva resistenssi on ilmiö, jossa bakteerit voivat tilapäisesti muuttua enemmän antibiooteille vastustuskykyisiksi tietyissä ympäristöolosuhteissa. Esimerkiksi persisterbakteerit ja biofilmeissä kasvavat bakteerit ovat usein kestävämpiä antibiooteille, koska niiden kasvu on hidastunut tai ne eivät kasva lainkaan. Tällaiset bakteerit voivat myöhemmin palata normaaliin kasvuun. Tämä kyky siirtyä erilaisten kasvuformien välillä on ominaisuus, joka on sisäänrakennettu bakteereihin, ja voidaan luokitella luontaiseen resistenssiin.

Pistemutaatiot bakteeripopulaatiossa voivat kehittyä luonnollisesti tai ulkoisten tekijöiden vaikutuksesta. Luonnolliset menetelmät, kuten replikaation virheet, ovat tavallisimpia mutaatioiden lähteitä. Bakteerit, joiden elinkaari on lyhyt – noin 20 minuuttia – pystyvät monistumaan valtavassa määrin. Yksi bakteeri voi 10 tunnissa tuottaa jopa miljardin kopion itsestään. Replikoinnin yhteydessä DNA-polymeraasi tekee virheitä, mutta sen tarkistusmekanismi korjaa suurimman osan virheistä. Virheiden korjaaminen ei kuitenkaan ole täydellistä, ja tämä johtaa satunnaisten mutaatioiden syntymiseen. Näin ollen bakteeripopulaatiossa voi esiintyä mutaatioita, jotka voivat antaa bakteerille etulyöntiaseman antibioottien vastustamisessa.

Pistemutaatioiden vaikutukset voivat olla erilaisia. Useimmat mutaatiot vaikuttavat proteiinien toimintaan joko heikentäen tai parantaen niitä. Esimerkiksi entsyymin aktiivisessa kohdassa tapahtuvat muutokset voivat heikentää sen toimivuutta, mutta muutos voi myös johtaa entistä tehokkaampaan proteiinitoimintaan, jolloin bakteeri pystyy selviytymään antibiooteista paremmin. Tällöin bakteeri saa resistenssiä kyseiselle antibiootille.

Resistenssin kehittyminen ei tapahdu tyhjiössä. Bakteerien ympäristössä olevat antibiootit, joko luonnolliset tai synteettiset, valitsevat ne bakteerit, jotka pystyvät selviytymään niiden läsnäollessa. Tässä prosessissa puhutaan valinnasta. Esimerkiksi bakteeripopulaatiossa, jossa on vain yksi resistentti mutaatio useista miljoonista bakteereista, tämän yksittäisen bakteerin kasvu nopeutuu antibioottien läsnä ollessa. Lopulta kulttuurissa on 100% antibioottiresistenttejä bakteereita. Tämä prosessi on kuitenkin herkkyysalueella: liian korkea antibioottipitoisuus voi tappaa jopa resistentit bakteerit.

On tärkeää ymmärtää, että antibioottien väärä tai liiallinen käyttö voi johtaa resistenssin kehittymiseen nopeammin. Varsinkin eläimille annettavien antibioottien käytöllä on ollut havaittavissa vaikutuksia resistenssin kehittymisessä. Tämä ilmiö liittyy siihen, kuinka antibiootit voivat indusoida mutaatioita bakteereissa, mikä johtaa resistenssin kehittymiseen, jopa eläimistä siirtyvissä bakteereissa ihmisille.

Jatkuva valinta ja mutaatioiden kertymisen mahdollisuus tekevät antibioottiresistenssistä erittäin vakavan uhkan. Jos bakteerit eivät enää ole herkkiä nykyisille antibiooteille, tartuntatautien hoitaminen muuttuu huomattavasti vaikeammaksi, mikä voi johtaa hoitovaihtoehtojen vähenemiseen ja taudin leviämiseen entistä vaikeammin hallittavissa olosuhteissa. Siksi on elintärkeää tarkastella antibioottien käyttöä laajemmassa kontekstissa ja toteuttaa toimenpiteitä resistenssin ehkäisemiseksi ja hallitsemiseksi.

Miten folaatin aineenvaihduntaa estävät antibiootit toimivat ja niiden käyttö

Folaatti on elintärkeä yhdiste, jota tarvitaan muun muassa DNA:n valmistukseen, ja sen aineenvaihdunta on monien tärkeiden prosessien ytimessä. DHFR (dihydrofolaatireduktaasi) on entsyymi, joka katalysoi folaattimolekyylin muutosta tetrahydrofolaatiksi, joka puolestaan on olennainen DNA:n synteesille. Tämä entsyymi on yleinen monilla eliöillä, mutta sen rakenne vaihtelee eri lajeilla. Tämä ero rakenteessa mahdollistaa antibioottien, kuten trimetoprimin ja pyrimetamiinin, käytön selektiivisesti bakteerien ja malarian aiheuttavien alkueläinten, plasmodioiden, DHFR-entsyymiä vastaan.

Trimetoprimi ja pyrimetamiini estävät erityisesti bakteerien ja plasmodioiden DHFR:ää, mutta eivät toimi ihmisen DHFR:ää vastaan yhtä tehokkaasti, koska ihmisen ja muiden eläinten entsyymien rakenne eroaa merkittävästi bakteereista ja plasmodioista. Näin ollen nämä lääkkeet toimivat antibakteerisina ja antimalaarisina lääkkeinä, koska niiden sitoutuminen ihmisen DHFR:ään on heikompaa, eikä ne sitoudu siihen yhtä tiukasti kuin bakteerien tai plasmodioiden entsyymeihin. Tämä selektiivinen toiminta tekee niistä tehokkaita ilman suurta riskiä sivuvaikutuksista terveessä kudoksessa.

Metotreksaatti on toinen folaattianalogi, joka imeytyy ihmisen soluihin ja estää DHFR:n toimintaa. Sitä käytetään syöpälääkkeenä, koska se estää syöpäsolujen nopeaa jakautumista, mutta vaikuttaa myös terveisiin soluihin, erityisesti niihin, jotka jakautuvat nopeasti. Tästä johtuen metotreksaatilla on huomattavaa myrkyllisyyttä normaalille kudokselle. Hoitona käytetään usein folinaattia (Leukovoriini), joka kiertää DHFR-entsyymin ja mahdollistaa tetrahydrofolaatin valmistuksen, vähentäen näin metotreksaatin myrkyllisyyttä.

Yhdistelmälääkkeet, kuten kotrimoksatsoli, joka on yhdistelmä trimetoprimia ja sulfametoksatsolia, tarjoavat synergistisen vaikutuksen, koska ne estävät folaatin synteesiä eri vaiheissa. Tämä yhdistelmä on osoittautunut tehokkaaksi monia bakteereita vastaan ja sen laaja tehoalue on tehnyt siitä yhden suosituimmista antibiooteista. Toisaalta tämä synergistinen vaikutus on havaittu vain in vitro -tutkimuksissa, ja sen turvallisuus ja tehokkuus in vivo -olosuhteissa ovat olleet keskustelun aiheina.

Malariaa vastaan käytettävä Fansidar on toinen esimerkki yhdistelmälääkkeestä, joka yhdistää pyrimetamiinia ja sulfadoksiinia, ja on käytössä sekä hoito- että ehkäisytoimenpiteenä. Tämä yhdistelmä parantaa lääkkeiden tehoa ja tarjoaa laajemman suojan malariaa vastaan.

Thymidylaattisyntaasi, joka on entsyymi, joka katalysoi tymidiinin synteesiä, on myös tärkeä kohde syöpähoidoissa. Syöpäsolut jakautuvat nopeasti, ja näin ollen ne ovat erityisen herkkiä tymidiinisynteesin estämiselle. 5-fluorourasiili, joka on fluorattu pyrimidiini, toimii tehokkaana syöpälääkkeenä estämällä thymidylaattisyntaasi-entsyymiä ja näin estämällä DNA:n synteesiä. Tämä vaikuttaa erityisesti syöpäsolujen jakautumiseen ja voi johtaa niin sanottuun "thymineless death" -ilmiöön, jossa solut kuolevat tymidiinin puutteen vuoksi. 5-fluorourasiili on usein yhdistetty metotreksaattiin, koska nämä lääkkeet estävät eri vaiheita samalla synteesireitillä ja tehostavat toistensa vaikutuksia.

On tärkeää huomata, että vaikka nämä lääkkeet tarjoavat tehokasta hoitoa ja estävät elintärkeitä aineenvaihduntareittejä mikro-organismeissa ja syöpäsoluissa, niiden käyttöön liittyy merkittäviä riskejä. Lääkkeiden vaikutus ei rajoitu vain taudinaiheuttajiin, vaan ne voivat myös vaikuttaa elimistön normaaleihin soluihin, erityisesti jos ne estävät solujen normaalin jakautumisen. Tämän vuoksi hoito on tarkasti säädettävä, ja joissain tapauksissa lisälääkkeiden, kuten folinaatin, käyttö voi olla tarpeen haittavaikutusten minimoimiseksi.

Miten puromysiini ja aminoglykosidit estävät proteiinisynteesiä?

Aminoglykosidit, kuten streptomysiini, kanamysiini, gentamysiini ja neomysiini, sisältävät kolme sokkerrengasta, jotka ovat yhteydessä glukosidisidoksilla, ja ne sisältävät useita aminoryhmiä. Streptomysiini oli ensimmäinen aminoglykosidi, joka löydettiin vuonna 1943, ja sen löysivät Selman Waksman, Albert Schatz ja Elizabeth Bugie Rutgersin yliopistossa Streptomyces griseus -bakteerista. Streptomysiini sisältää streptidiiinirengasta, kun taas kanamysiini, gentamysiini ja neomysiini sisältävät streptamiinirengasta. Amikasiini on kanamysiinin puolisi-synteettinen johdannainen, joka on suunniteltu estämään antibioottiresistenssin kehittymistä.

Vaikka aminoglykosidit eivät enää ole laajassa käytössä ihmislääkinnässä niiden munuaisia ja korvia vahingoittavan toksisuuden vuoksi, niitä on käytetty laajasti bakteeri-infektioiden hoitoon. Aminoglykosidit sitoutuvat negatiivisesti varautuneisiin fosfaattiryhmiin 16S-ribonukleiinihapossa ribosomin 30S-alayksikössä. Tämä estää aminoasyyli-tRNA:n sitoutumisen A-sivustaan ja estää proteiinisynteesin. Näin ollen proteiinisynteesi estyy ja solut eivät pysty tuottamaan tarvittavia proteiineja.

Aminoglykosidit ovat yleensä bakteeristaattisia, mutta aminoglykosidit ovat bakteeri-sidoksisia. Tämä tarkoittaa, että ne eivät pelkästään estä bakteerien kasvua, vaan voivat myös tappaa ne. On olemassa useita mekanismeja, jotka selittävät tämän bakteerisidoksisuuden. Yksi keskeisistä mekanismeista on aminoglykosidien kyky estää ribosomin toimintaa ja aiheuttaa väärää luentaa. Lisäksi aminoglykosidit voivat vaurioittaa solukalvoa ja estää uusien antibioottien imeytymistä soluun.

Aminoglykosideille voi kehittyä resistenssiä kahdella pääasiallisella mekanismilla: kohteen muuttuminen ja entsymaattinen inaktivoituminen. Kohteen muuttuminen voi tapahtua, kun ribosomin rakenne muuttuu niin, että antibiootti ei enää sitoudu yhtä tiukasti. Tämä on kuitenkin harvinaisempaa, sillä ribosomit ovat elintärkeitä solujen eloonjäämiselle, ja ribosomin rRNA:n rakenne on erittäin säilynyt kaikissa lajeissa. Tämän vuoksi muutokset ribosomin rakenteessa ovat yleensä haitallisia solun toiminnalle, eikä niitä siksi usein esiinny.

Aminoglykosideihin kehittyvä resistenssi voi johtua myös entsymaattisesta inaktivoinnista, jossa bakteerit tuottavat entsyymejä, jotka voivat hajottaa antibiootit. Tällöin antibiootin vaikutus heikkenee merkittävästi. Yksi tärkeimmistä resistenssimekanismeista on myös se, että bakteerit voivat kehittää muutoksia ribosomin tarkkuuspaikalla, erityisesti rpsL-geenin mutaatioissa, jotka vaikuttavat ribosomin proteiiniin S12.

Aminoglykosidien vastustuskyvyn kehittyminen on monivaiheinen prosessi, joka riippuu sekä bakteerin kyvystä muuttaa ribosomiensa rakennetta että sen kyvystä tuottaa vastustuskykyä vahingoittavia entsyymejä. Tämän vuoksi resistenssikehitys on yksi merkittävä haaste aminoglykosidien käytön kannalta, ja se korostaa tarvetta kehittää uusia antibiootteja ja hoitomuotoja.