Роль витамина D в процессах биоминерализации

Витамин D является важным регулятором гомеостаза кальция и фосфатов. Синтезируемый в коже под воздействием ультрафиолета витамин D (холекальциферол) подвергается первичному гидроксилированию в 25-м положении в печени, в результате чего образуется 25-гидроксивитамин D (кальцифедиол). Затем кальцифедиол подвергается вторичному гидроксилированию с помощью 25-гидроксивитамин-D-1α-гидроксилазы в 1-ой позиции в почках, в результате чего образуется активный метаболит кальцитриол [66]. Последний этап стимулируется ПТГ, инсулиноподобным фактором роста 1 и низким потреблением кальция и фосфатов, или низкими внеклеточными концентрациями кальция или фосфата.

Поддерживая оптимальную концентрацию кальция и фосфатов вне клеток, витамин D обеспечивает минерализацию новообразованной костной ткани и гипертрофированного хрящевого матрикса [67]. Роль этого витамина в профилактике рахита у детей и остеомаляции у взрослых хорошо известна. Возникает вопрос о том, насколько действие витамина D является прямым и/или косвенным при профилактике и лечении рахита и остеомаляции, то есть он непосредственно влияет на клетки и/или же через изменение концентрации внеклеточного кальция и фосфатов.

Активный метаболит витамина D кальцитриол стимулирует трансэпителиальный транспорт кальция и фосфатов, поступающих с пищей, в кишечнике, как посредством геномных, так и негеномных механизмов [66]. Например, трансапикальный мембранный транспорт кальция через кальциевый канал TRPV6 стимулируется кальцитриолом, тогда как экструзия базолатеральной мембраны осуществляется кальций-АТФазой 1b (рис. 1). Кальцитриол также может регулировать параклеточный транспорт кальция через межклеточное пространство, воздействуя на различные белки плотных контактов [66]. Однако воздействие кальцитриола на эпителий кишечника может быть более комплексным, чем представленный классический трехэтапный регулируемый процесс [69]. В толстом кишечнике находится мощная система транспортировки кальция, функционирование которой зависит от витамина D. Она в недостаточной степени используется в обычных условиях, поскольку кальций находится в связанном виде с анионами, например, оксалатом, которые препятствуют поступлению кальция в транспортную систему [70]. На примерах животных моделей и у людей было показано, что пребиотики могут модифицировать кишечную микробиоту. Это приводит к снижению рН содержимого толстого кишечника, повышению биодоступности кальция и усилению его абсорбции в толстой кишке [71]. Следует отметить, что кальцитриол также стимулирует всасывание фосфатов в кишечнике [72]. Тяжелое нарушение минерализации наблюдается при селективной делеции Vdr в кишечнике (ген, кодирующий рецептор витамина D3). Этот дефект может быть устранен селективной экспрессией Vdr в дистальном отделе кишечника [73]. Это открытие подчеркивает важную роль систем транспортировки кальция и фосфатов, зависящих от витамина D, в кишечнике в процессе минерализации.

В одном наблюдении (на примере животных моделей) подчеркивается важная роль концентрации внеклеточного фосфата в процессе минерализации: за счет мобилизации фосфата из запасов в мягких тканях при голодании клиническое течение рахита улучшалось [74]. Достаточный уровень фосфата необходим для нормального развития ростовых пластинок из-за фосфат-зависимого апоптоза гипертрофированных хондроцитов [75]. Введение кальция и фосфата крысам с дефицитом витамина D приводит к адекватной минерализации костной ткани [76]. Более того, в модели с системным нокаутом гена Vdr рахит и остеомаляцию можно предотвратить путем внедрения в диету продуктов, богатых кальцием и фосфатом [66,77]. Аналогичным образом, такой рацион улучшает состояние костей и хрящей у мышей с нокаутом гена Cyp27b1, у которых отсутствует 25-гидроксивитамин-D-1α-гидроксилаза [78]. Однако полностью исключить развитие заболеваний костей путем введения минеральных веществ у таких животных невозможно, что указывает на возможное прямое воздействие кальцитриола [79].

Кальцитриол является мощным стимулятором резорбции костей [80], который действует путем увеличения экспрессии и выработки остеобластами RANKL — фактора дифференциации и активации остеокластов [81]. Кроме того, кальцитриол регулирует дифференцировку и функцию остеобластов, взаимодействуя с сигнальным путем WNT [82]. В итоге, мобилизуя кальций и фосфат из кишечника и костей, кальцитриол повышает концентрацию внеклеточного кальция и фосфата до чрезмерных значений, обеспечивая минерализацию растущих хрящей и костей [66,67].

В исследованиях in vitro было показано, что кальцитриол способствует минерализации, стимулируя дифференцировку остеобластов и ускоряя образование зрелых везикул матрикса, которые участвуют в инициировании процесса кальцификации [83,84]. Кальцитриол стимулирует выработку остеобластами множества различных неколлагеновых белков матрикса, которые играют важную роль как в стимулировании, так и в ингибировании минерализации. Например, активин А, остеопонтин и остеокальцин являются матриксными белками, которые подавляют минерализацию [83]. В отчете 2020 года, посвященном клиническому случаю ребенка с гипофосфатазией и рахитом, вызванным дефицитом витамина D, концентрации кальция и фосфатов в сыворотке крови сохранялись нормальными [85]. У этого ребенка рахит был излечен только приемом витамина D. В совокупности имеющиеся данные свидетельствуют о том, что оптимальные концентрации внеклеточного кальция и фосфатов необходимы для минерализации хрящей и костей в процессе роста. Однако при определенных обстоятельствах витамин D также может непосредственно влиять на процесс минерализации.

Роль витамина К в процессах биоминерализации

Существует две основные формы витамина К: филлохинон (витамин К1), который содержится в зеленых листовых овощах, и менахиноны (витамин К2), которые содержатся в ферментированных продуктах. Оба они являются кофакторами для посттрансляционной модификации белков путем карбоксилирования остатков глутамата — γ-карбоксилированием [86]. γ-карбоксилирование остатков глутамата (то есть остатков карбоксиглутаминовой кислоты или Gla) необходимо для активности протромбина, поскольку в этом процессе формируется сайт связывания кальция, участвующий в каскаде коагуляции. Однако, по меньшей мере, 17 других белков содержат витамин К-зависимые остатки Gla, в том числе остеокальцин [86].

Остеокальцин является наиболее распространенным неколлагеновым компонентом в минерализованном матриксе кости. Наличие трех остатков Gla обеспечивает посттрансляционное γ-карбоксилирование в положениях 17, 21 и 24. Кальцификация ингибируется полностью карбоксилированной формой остеокальцина [87]. Напротив, некарбоксилированная форма остеокальцина, по-видимому, регулирует энергетический обмен и репродуктивную функцию [87]. Исследования, проведенные на мышах с дефицитом остеокальцина, у которых выявлено высокое содержание минеральных веществ в костной ткани, показывают, что остеокальцин влияет на рост и структуру кристаллов гидроксиапатита [86].

Внепеченочный витамин К-зависимый матриксный белок Gla, который синтезируется гладкомышечными клетками сосудов, является очень мощным ингибитором кальцификации мягких тканей и артерий [88]. Избыточная экспрессия матриксного белка Gla в ростовой зоне ингибирует кальцификацию хряща и эндохондральное окостенение. Спонтанное осаждение кальция и фосфата, которые присутствуют во внеклеточных жидкостях в перенасыщенных концентрациях, предотвращается такими ингибиторами, как матриксный белок Gla [89,90]. Важно отметить, что истощение запасов этого белка в мышиных моделях связывают с усиленной кальцификацией артерий [91]. Кроме того, предотвращение карбоксилирования матриксного белка Gla антагонистами витамина К также связано с кальцификацией артерий [91] (см. рис. 2). Другой карбоксилированный белок — уникальный белок, ассоциированный с матриксом хрящевой ткани — содержится в костях и кальцифицированных хрящах [86]. Таким образом, дефицит витамина К может быть связан с повышенным риском кальцификации мягких тканей [86].

Кумарины являются веществами-антагонистами витамина К, которые тормозят восстановление его активной формы и истощают запасы в тканях, что приводит к недостаточному карбоксилированию витамин К-зависимых белков [92]. В 2015 году было выявлено, что кальцификация сосудов является пагубным следствием действия антагонистов витамина К [93]. По сравнению с антикоагулянтами, не зависящими от витамина К, варфарин связан с более быстрым прогрессированием атеросклероза и кальциноза в коронарных артериях [94]. Однако данные о профилактике кальцификации сосудов с помощью пищевых добавок витамина К противоречивы [90,95].

Таким образом, дефицит витамина D связан с нарушением минерализации хрящей и костей, в то время как недостаток витамина К предрасполагает к кальцификации мягких тканей и артерий. В будущем, понимание механизмов, с помощью которых витамины D и К влияют на процесс кальцификации мягких тканей, может помочь выработке новых способов профилактики атеросклероза и кальцификации артериальных стенок.

Введение

Открытие пенициллина Александром Флемингом в 1928 году ознаменовало новую эру медицины, сделав излечимыми многие бактериальные инфекции и позволив безопасно проводить сложные операции [13]. С момента внедрения пенициллина в клиническую практику в 1940-х годах β-лактамные антибиотики стали и остаются одними из важнейших средств лечения бактериальных инфекций [10, 12]. Однако уже в первые годы их применения появились резистентные штаммы: так, к концу 1940-х у Staphylococcus aureus повсеместно выявлялась устойчивость к пенициллину [14] вследствие продукции фермента, разрушающего этот антибиотик (пенициллиназы). В течение последующих десятилетий фармация разработала новые β-лактамы (цефалоспорины, карбапенемы и др.) для преодоления резистентности, но и бактерии не стояли на месте.

Сегодня β-лактамные антибиотики остаются самой широко применяемой группой противомикробных препаратов [5], поэтому борьба с резистентностью к ним имеет критически важное значение. Основную роль в развитии устойчивости играют ферменты — β-лактамазы, которые инактивируют антибиотик ещё до того, как он достигнет своей мишени. За десятилетия использования пенициллина и его производных микроорганизмы выработали впечатляющий арсенал защитных ферментов [7].

Первые β-лактамазы были выявлены уже в середине XX века — буквально через несколько лет после внедрения пенициллина. Однако сами эти ферменты существовали задолго до появления антибиотиков, будучи эволюционно связаны с пенициллин-связывающими белками (ПСБ) бактерий [3]. С течением времени они эволюционировали от узкоспектрных пенициллиназ, активных только против бензилпенициллина, до современных карбапенемаз, способных разрушать почти весь спектр β-лактамов.

Каждое новое поколение антибиотиков вызывало ответную реакцию у бактерий: мутации, горизонтальный перенос генов и появление всё более устойчивых ферментов. Так, в 1960-х был впервые описан плазмидный фермент TEM-1 (имя пациента из Греции, у которого впервые выделили штамм E. coli, продуцирующий TEM-1), который стремительно распространился среди Enterobacteriaceae, Haemophilus influenzae и Neisseria gonorrhoeae. Позднее появились SHV-1 у Klebsiella pneumoniae и семейство CTX-M, ставшее ведущей причиной резистентности E. coli, Klebsiella, Shigella spp. и Salmonella enterica. Точечные мутации в генах TEM и SHV привели к возникновению β-лактамаз расширенного спектра (БРСЛ, ESBL — Extended-spectrum β-lactamases), способных инактивировать цефалоспорины III поколения.

Параллельно появились новые классы ферментов: цефалоспориназы AmpC и металло-β-лактамазы (MBL), зависимые от ионов цинка. Сегодня β-лактамазы — наиболее распространённый механизм резистентности у грамотрицательных бактерий [13]. Описано более 8000 разновидностей этих ферментов [9, 15].

Таким образом, эволюция β-лактамаз — это непрекращающаяся гонка вооружений между микробами и фармакологами: появление нового β-лактама почти неизбежно сопровождается возникновением фермента, способного его разрушить. Этот процесс — основа нарастающей антибиотикорезистентности. Однако именно понимание структуры и функций β-лактамаз позволяет создавать таргетные ингибиторы и разрабатывать молекулы, способные обходить или подавлять бактериальные механизмы защиты [6].

За десятилетия клинического применения β-лактамов бактерии выработали множество разнообразных β-лактамаз. Эти ферменты существовали у бактерий задолго до эры современных антибиотиков, будучи эволюционно связанными с пенициллин-связывающими белками (ПСБ) бактерий [3]. В настоящее время описано более 8000 β-лактамаз, способных разрушать β-лактамное кольцо [9, 15]. Такая быстрая эволюция обусловлена как спонтанными мутациями, так и распространением генов β-лактамаз между бактериями посредством плазмид и других мобильных элементов ДНК. Для медицины это означает постоянное появление «супербактерий», создающих серьезную угрозу неэффективности терапии [6].

Классификации β-лактамаз

β-Лактамазы представляют собой чрезвычайно разнообразное семейство ферментов, поэтому для их систематизации используются две основные классификационные системы. Молекулярная классификация Эмблера делит β-лактамазы на четыре класса — A, B, C и D — по сходству аминокислотной последовательности и структурным особенностям активного центра​ [1]. Ферменты классов A, C и D — это сериновые β-лактамазы, в активном центре которых ключевую роль играет остаток серина, тогда как класс B — это металло-β-лактамазы (MBL), использующие для гидролиза ион цинка​ [1].

Примечание: β-лактамазы класса A (группа 2) обычно ингибируются классическими ингибиторами (клавулановой кислотой, сульбактамом, тазобактамом), за исключением некоторых 2br-мутантов и карбапенемаз​.

Наиболее распространены и клинически значимы приобретенные MBL семейств IMP, VIM и NDM, которые выявлены по всему миру у различных грамотрицательных бактерий​. Например, bla_NDM-1 впервые обнаружен у K. pneumoniae (Индия, 2007) и затем быстро распространился среди энтеробактерий по миру.

Индукция синтеза AmpC у таких бактерий, как Enterobacter, Citrobacter, Serratia и др., приводит к развитию резистентности при применении цефалоспоринов​. Плазмидные AmpC (например, CMY-2, DHA-1) получили широкое распространение и могут вызывать устойчивость у E. coli, Klebsiella и других изначально не имевших AmpC видов​.

Несколько оксациллиназ (OXA-11, OXA-14 – OXA-20) являются ESBL-модификациями, гидролизующими расширенный спектр цефалоспоринов​. Карбапенемазы класса D включают семейства OXA-48-like (энтеробактерии) и OXA-23-like (ацинетобактер) – эти ферменты широко распространились в госпитальной среде по всему миру​ [1–3].

---

Другой широко используемый подход — функциональная классификация Буша-Жакоби-Медейроса, основанная на спектре гидролизуемых антибиотиков и чувствительности к ингибиторам​ [1], [3]. В этой функциональной схеме β-лактамазы разделяются на несколько групп:

• Группа 1 — цефалоспориназы класса C (AmpC, Amber-class C cephalosporinase). Характерна устойчивость к действию клавулановой кислоты и преимущественный гидролиз цефалоспоринов​.
• Группа 2 — сериновые β-лактамазы классов A и D. Наиболее обширная группа, включающая несколько подклассов:
  – 2a — стафилококковые пенициллиназы,
  – 2b — β-лактамазы широкого спектра действия (например, TEM-1 – Temoniera-1),
  – 2be — β-лактамазы расширенного спектра,
  – 2br — ингибитор-резистентные β-лактамазы,
  – 2f — карбапенемазы классов A и D (например, KPC – Klebsiella pneumoniae carbapenemase и OXA-48 – Oxacillinase-48), Большинство β-лактамаз группы 2 чувствительны к ингибиторам, таким как клавулановая кислота, за исключением 2br и части 2f.
• Группа 3 — метало-β-лактамазы класса B. К ним относятся ферменты, такие как IMP (Imipenemase), VIM (Verona Integron-encoded Metallo-β-lactamase) и NDM (New Delhi Metallo-β-lactamase). Эти β-лактамазы инактивируют карбапенемы, устойчивы к действию ингибиторов и представляют собой один из самых грозных механизмов резистентности.[1].

Обе системы классификации дополняют друг друга: в клинической практике чаще оперируют понятиями классов A–D, но функциональные группы позволяют предсказать, какие антибиотики фермент способен гидролизовать и какие ингибиторы могут ему противодействовать​ [2]. Номенклатура отдельных β-лактамаз исторически складывалась хаотично (ферменты получали названия по месту обнаружения, свойствам или даже имени пациента), но сейчас принято присваивать новым ферментам порядковые номера в рамках семейств (например, TEM-1, TEM-2 и т.д.)​ [2]. Ниже приведено описание основных классов A, B, C, D β-лактамаз, наиболее значимых в клинике.

Существует ещё одна практическая классификация β-лактамаз, которая в клинической практике используется значительно чаще, чем формальные вышеописаные классификации. Она основана на функциональном делении β-лактамаз в зависимости от того, какие антибиотики они способны гидролизовать:

1. Узкоспектровые β-лактамазы (Narrow-spectrum β-lactamases). Гидролизуют только «старые» пенициллины (например, ампициллин, бензилпенициллин), а также некоторые цефалоспорины 1 поколения, такие как цефалексин и цефазолин. Эти ферменты чувствительны к ингибиторам β-лактамаз (например, клавулановой кислоте).
2. β-лактамазы расширенного спектра. Помимо пенициллинов, они инактивируют цефалоспорины 3-5 поколения (цефтриаксон, цефотаксим, цефтазидим), а также азтреонам.
3. Карбапенемазы. Самая угрожающая группа: эти ферменты способны гидролизовать практически все β-лактамные антибиотики — от пенициллинов и цефалоспоринов до карбапенемов (имипенем, меропенем, дорипенем и др.).

Филогенетическое древо бета-лактамаз

Класс A

Класс A (Ambler) – самая обширная группа сериновых β-лактамаз. Эти ферменты обычно обладают широким спектром действия, гидролизуя пенициллины и многие цефалоспорины. Классическим примером являются плазмидные пенициллилазы Temoniera-1 и Sulfhydryl Variable-1 (SHV-1), широко распространившиеся среди кишечных бактерий и ставшие причиной резистентности к ампициллину у E. coli и Klebsiella pneumoniae уже в 1960–70-х годах​ [2]. До появления БЛРС именно TEM-1 оставалась основным фактором устойчивости к пенициллинам у E. coli и гонококков, а SHV-1 — у K. pneumoniae​ [2]. Позднее, путем точечных мутаций в генах TEM/SHV возникли БЛРС, способные разрушать цефалоспорины третьего поколения. Первые БЛРС (например, TEM-3, SHV-2) появились в 1980-х, а в 2000-х по всему миру распространились новые семейства БРЛС, главным образом CTX-M, ставшие наиболее распространенными β-лактамазами этого типа​ [2]. Ферменты класса A включают также серьезные карбапенемазы — например, KPC (Klebsiella pneumoniae carbapenemase), впервые выявленную в 2001 г. и ныне эндемичную во многих регионах. KPC относится к так называемым сериновым карбапенемазам и способна гидролизовать карбапенемы, что обуславливает крайне высокий уровень резистентности возбудителей​ [13]. В целом, классу A принадлежит множество клинически значимых β-лактамаз: помимо упомянутых TEM, SHV, CTX-M и KPC сюда входят и другие плазмидные β-лактамазы широкого спектра (например, PER, VEB, GES), а также хромосомные пенициллиназы некоторых Грам+ бактерий (фермент PC1 у S. aureus, обусловивший неэффективность пенициллина при стафилококковых инфекциях). Большинство β-лактамаз класса A эффективно подавляются классическими ингибиторами (клавулановой кислотой, тазобактамом), за исключением некоторых карбапенемаз (KPC) и мутантных БРЛС, устойчивых к ингибиторам (так называемые IRT — inhibitor-resistant TEM) — для них требуются новые ингибиторы.

Класс B

Класс B – это металло-β-лактамазы (MBL), фундаментально отличные по механизму действия. В активном центре MBL содержат ионы Zn²⁺, которые непосредственно активируют воду для гидролиза β-лактамного кольца. Эти ферменты способны разрушать практически все β-лактамные антибиотики, включая карбапенемы (исключение составляют лишь монобактамы, например азтреонам, который MBL гидролизуют крайне слабо)​ [1]. Металло-β-лактамазы обладают самым широким спектром гидролиза среди всех классов и потому представляют особую угрозу. К настоящему времени описано несколько десятков видов MBL, разделяемых на подгруппы B1, B2, B3. К клинически наиболее значимым относятся подгруппа B1: это приобретенные плазмидные карбапенемазы NDM, VIM, IMP, распространившиеся по всему миру​ [13]. Названия многих из них отражают географическое происхождение — например, New Delhi MBL (NDM) впервые выявлена в Индии в 2008 г., Verona integron MBL (VIM) — в Европе, Imipenemase (IMP) — в Японии. MBL подгруппы B3 (например, GIM, SIM) встречаются реже и обычно локальны. Подгруппа B2 (ферменты типа CphA) характерна для Aeromonas и гидролизует в основном только карбапенемы​ [1]. Металло-β-лактамазы часто обнаруживаются у полирезистентных госпитальных штаммов, сочетающих сразу несколько механизмов устойчивости. Так, бактерии, продуцирующие MBL, почти всегда одновременно устойчивы к фторхинолонам, аминогликозидам и другим антибиотикам ​[1]. Важнейшая проблема класса B — отсутствие эффективных ингибиторов в клинической практике: ни клавулановая кислота, ни другие доступные ингибиторы сериновых β-лактамаз не подавляют MBL​ [1]. Поэтому появление MBL (например, распространение NDM) резко ограничивает выбор антибиотикотерапии. Некоторые MBL являются приобретенными (плазмидными), другие же изначально присутствуют на хромосоме отдельных бактерий (например, L1 у Stenotrophomonas maltophilia, CcrA/CfiA у Bacteroides fragilis), однако последние обычно слабо экспрессируются и имеют меньшее клиническое значение​ [1]. Появление мобильных MBL в Enterobacterales и неферментерах с конца 1990-х привело к формированию штаммов с практически панрезистентным фенотипом.

Класс C

Класс C (по Эмблеру) — это AmpC-тип β-лактамаз, иначе называемые цефалоспориназы. Эти сериновые ферменты обычно не переносятся плазмидами, а закодированы в хромосомах многих грамотрицательных бактерий​ [13]. В нормальных условиях гены ampC у этих видов мало экспрессируются, поэтому первоначально штаммы чувствительны к β-лактамам. Однако под действием мутаций или индукции некоторыми антибиотиками синтез AmpC резко усиливается, что приводит к высоким уровням резистентности​ [13]. Классическими продуцентами AmpC являются возбудители из группы ESC (enterobacter, serratia, citrobacter) — например, Enterobacter cloacae, Citrobacter freundii, Serratia marcescens, а также Pseudomonas aeruginosa​ [2]. У этих бактерий повышенная экспрессия хромосомной AmpC приводит к устойчивости к большинству цефалоспоринов, включая цефтриаксон, цефотаксим и др.​ [2]. Кроме того, β-лактамазы класса C способны гидролизовать цефамицины (цефокситин), многие пенициллины и монобактам азтреонам​ [2]. В норме их активность недостаточна против карбапенемов, однако при сочетании с нарушением проницаемости мембран (потерей поринов) даже AmpC-β-лактамаза может обеспечивать устойчивость к карбапенемам​ [2].

Клиническая значимость AmpC возросла с обнаружением плазмидных вариантов этих ферментов: такие гены, как blaCMY, blaDHA, blaFOX были перенесены с хромосомных AmpC некоторых видов (C. freundii, Morganella morganii, Enterobacter) на плазмиды и распространились среди E. coli, Klebsiella и других патогенов​ [2, 13]. Плазмидные AmpC (иногда их называют цефаминазами) обычно гиперэкспрессируются за счет сильных промоторов и высокого числа копий гена, что делает их носителей высокоустойчивыми​. Важное практическое отличие: ингибиторы первого поколения (клавуланат, тазобактам, сульбактам) плохо подавляют AmpC​, поэтому инфекции, вызванные AmpC-продуцентами, не лечатся комбинированными препаратами типа амоксициллин-клавуланат или пиперациллин-тазобактам. К счастью, новые ингибиторы (например, авибактам, ваборбактам, релебактам, дурлобактам, энметазобактам) эффективно инактивируют большинство β-лактамаз класса C​, что расширяет возможности терапии (см. ниже) [2].

Класс D

Класс D – это семейство так называемых оксациллиназ (OXA-ферментов). Они также относятся к сериновым β-лактамазам, но обладают рядом отличий (например, другой механизм активации серина в активном центре). Название «оксациллиназы» связано с тем, что первые выявленные ферменты этого класса гидролизовали оксациллин и клиоксакил — антистафилококковые пенициллины. Класс D включает десятки ферментов, большинство из которых обнаружены у грамотрицательных бактерий. Некоторые OXA-β-лактамазы имеют узкий спектр (разрушают преимущественно пенициллин и оксациллин) — примером служит OXA-1, часто встречающаяся у E. coli. Однако наибольшее клиническое значение имеют OXA, способные гидролизовать карбапенемы. К ним относятся прежде всего OXA-48 и родственные ферменты у Enterobacterales, а также многочисленные OXA у Acinetobacter baumannii (группы OXA-23, -24/40, -58 и др.)​ [13]. OXA-48 впервые выявлена в начале 2000-х в Турции, ныне её плазмидные гены широко распространены среди кишечных палочек и клебсиелл в Европе, Северной Африке и других регионах​. Этот фермент отличается тем, что гидролизует карбапенемы менее эффективно, чем классические карбапенемазы (KPC, NDM), однако достаточно для клинической резистентности​. Кроме того, OXA-48 не разрушает цефалоспорины III-V поколений (что маскирует её присутствие в стандартных тестах чувствительности) — из-за этих особенностей обнаружение OXA-48 представляет диагностическую сложность [5]. В то же время другие представители класса D у A. baumannii — OXA-23, OXA-24/40, OXA-58 — являются одной из главных причин высокой устойчивости ацинетобактеров к карбапенемам​ [13]. Гены OXA-карбапенемаз обычно находятся в составе мобильных элементов генома (например, транспозоны Tn2006/Tn2007 для OXA-23) и легко распространяются среди госпитальных штаммов A. baumannii. Следует отметить, что оксациллиназы класса D, как правило, не чувствительны к клавулонату и другим ингибиторам старого поколения​ [2]. Новый ингибитор авибактам способен частично подавлять некоторые OXA (в частности, OXA-48), что используется на практике в комбинации цефтазидим-авибактам для лечения инфекций, вызванных OXA-48-продуцентами​ [5]. В целом, распространение OXA-карбапенемаз, особенно в сочетании с другими механизмами резистентности, существенно ограничивает эффективность β-лактамов.

Механизм действия β-лактамаз

β-Лактамные антибиотики уничтожают бактерии, связываясь с их ферментами синтеза клеточной стенки — пенициллин-связывающими белками (ПСБ), которые имеют в активном центре серин. ПСБ представляют собой ферменты с транспептидазной и карбоксипептидазной активностью, участвующие в финальных этапах синтеза пептидогликана — поперечной сшивке его цепей и удалении концевых аминокислот. В результате β-лактам присоединяется к ПСБ (образуя ковалентный ацил-фермент), и жизненно важный фермент блокируется, что приводит к гибели клетки. β-Лактамазы действуют по схожему принципу, но с обратным исходом: они тоже присоединяют молекулу β-лактама к своему активному центру (формируя комплекс фермент–антибиотик), однако затем быстро гидролизуют (расщепляют) β-лактамное кольцо и высвобождают инактивированный антибиотик​. Иными словами, β-лактамаза выступает как ловушка: она необратимо (в рамках жизни бактерии) нарушает структуру антибиотика, при этом сам фермент регенерируется и может разрушать следующие молекулы. На химическом уровне сериновые β-лактамазы осуществляют нуклеофильное присоединение β-лактама к активному серину с образованием ацил-энзима, после чего молекула воды гидролизует этот ковалентный комплекс, разрывая β-лактамное кольцо ​[6]. Для β-лактамаз эта реакция протекает очень быстро (в миллисекундных масштабах), тогда как для ПСБ разрыв связи происходит крайне медленно, поэтому ПСБ фактически необратимо блокируются антибиотиком​. Таким образом, разница между мишенью и β-лактамазой — в скорости гидролиза: β-лактамаза действует как высокоэффективный катализатор, нейтрализуя антибиотик до того, как он достигнет ПСБ. Металло-β-лактамазы (Ambler класс B) используют иной механизм: в их активном центре один или два иона цинка координируют поляризацию β-лактамного амидного соединения и молекулы воды, что приводит к атаке молекулы воды на карбонильный центр β-лактама и его разрыву без образования ацил-фермента. Конечный результат тот же — разрыв четырехчленного β-лактамного кольца и превращение антибиотика в неактивный продукт​. Все β-лактамазы ускоряют добавление молекулы воды к β-лактамному кольцу, тем самым «размыкая» его и лишая антибиотик способности ингибировать ПСБ​ [2, 13].

Механистическая схема работы сериновых β-лактамаз. На рисунке показан гидролиз обобщенного пенициллинового субстрата. (a) Общее основание B1 активирует серин (Ser) для нуклеофильной атаки на амидный карбонильный атом углерода (C7), что приводит к образованию ковалентного ацилферментного промежуточного продукта (c) через тетраэдрическое оксианионное переходное состояние ацилирования (b). Общее основание B2 активирует молекулу деацилирующей воды (DW) для нуклеофильной атаки на карбонильную группу ацилфермента, высвобождая продукт — пенициллоат (e) через тетраэдрическое переходное состояние деацилирования (d).

Возможный механизм гидролиза карбапенемов бинуклеарными металло-β-лактамазами класса B. (a) Связывание субстрата вытесняет гидроксид Zn-мостика в терминальное положение (b), что позволяет атаковать расщепляемый карбонил. (c) Анионный промежуточный продукт с делокализованным отрицательным зарядом вокруг пирролинового кольца разрешается либо (d) протонированием на C2 свободными молекулами воды, образуя (e) Δ1-пирролин, либо (f) протонированием на N4 поступающей водой в позиции мостика, образуя (g) Δ2-пирролиновый продукт. (Обратите внимание, что, как показано, связанная с Zn «апикальная» вода вытесняется субстратом; в некоторых предложениях указано, что при связывании субстрата она перемещается в позицию мостика)

Роль β-лактамаз в развитии резистентности

Продукция β-лактамаз – один из главных факторов, обусловливающих устойчивость бактерий к бета-лактамам. Многие опасные патогены, такие как кишечные палочки, клебсиеллы, синегнойная палочка и пр., приобрели гены β-лактамаз на плазмидах, которые легко распространяются между разными штаммами и видами бактерий (например, посредством конъюгации)​ [13]. Это приводит к быстрому распространению резистентности: так, появление гена blaCTX-M-15 (БРЛС класса A) в плазмидах E. coli и других энтеробактерий вызвало глобальную пандемию устойчивых к цефалоспоринам штаммов в 2000-х годах. Нередко у одного и того же клинического изолята обнаруживается сочетание нескольких β-лактамаз разных типов, что значительно расширяет спектр его резистентности​ [2]. Например, Klebsiella pneumoniae может одновременно продуцировать БРЛС (гидролизующий цефалоспорины) и OXA-48 (карбапенемазу), или P. aeruginosa — сразу несколько ферментов (AmpC + VIM и т.д.). В таких случаях суммарная активность β-лактамаз делает бактерию нечувствительной практически ко всем β-лактамным антибиотикам. Кроме того, β-лактамазные механизмы часто комбинируются с другими механизмами резистентности. Грамотрицательные бактерии могут снизить проницаемость своей клеточной стенки (утрата пориновых белков) и активнее выкачивать антибиотики (эффлюкс-помпы), что усиливает эффект β-лактамаз. Например, утрата поринов в клеточной стенке K. pneumoniae или Salmonella на фоне продукции плазмидной AmpC-β-лактамазы приводит к возникновению резистентности даже к карбапенемам​ [2]. В других случаях приобретение мутантных PBP (как PBP2a у MRSA) или модификация мишеней дополняют действие β-лактамаз, делая бактерию невосприимчивой к большинству доступных β-лактамов. В результате, во многих больницах появились мультирезистентные штаммы, продуцирующие одновременно β-лактамазы разных классов и обладающие устойчивостью к нескольким группам антибиотиков. Например, карбапенем-резистентные энтеробактерии с металло-β-лактамазами (NDM, VIM) обычно также несут гены ферментов БРЛС/AmpC и другие гены устойчивости, обеспечивая резистентность ко всем β-лактамам, фторхинолонам, аминогликозидам и др.​ [1]. Такая комбинация механизмов серьёзно ограничивает выбор эффективной терапии и повышает летальность инфекций.

Основные β-лактамазы у бактерий группы ESKAPE

В группу ESKAPE входят шесть проблемных патогенов, ответственных за большинство внутрибольничных инфекций и отличающихся множественной устойчивостью: Enterococcus faecium, Staphylococcus aureus, Klebsiella pneumoniae, Acinetobacter baumannii, Pseudomonas aeruginosa и Enterobacter spp. (наименование ESKAPE образовано первыми буквами латинских родов). Роль β-лактамаз в резистентности у этих возбудителей неодинакова:

Enterococcus faecium — кишечный грамположительный кокк, природно устойчивый ко многим β-лактамам. Устойчивость энтерококков к пенициллину/ампициллину чаще связана с аномально низким сродством ПСБ (мутация PBP5) и образованием слабосвязывающих пенициллин-связывающих белков. Собственные β-лактамазы энтерококки продуцируют редко; тем не менее у некоторых штаммов E. faecalis описана плазмидная пенициллиназа (аналогичная стафилококковой), придающая им устойчивость к пенициллину, но подавляемая ингибиторами. В целом же вклад β-лактамаз в антибиотикорезистентность энтерококков невелик — куда более актуальны модификации ПСБ и устойчивость к гликопептидам (ванкомицину). Такие штаммы обозначаются как VRE (Vancomycin-Resistant Enterococci)

Staphylococcus aureus — один из ключевых нозокомиальных возбудителей. S. aureus — грамположительный кокк, против которого изначально был чрезвычайно эффективен пенициллин, однако уже через несколько лет после начала его применения ситуация изменилась. S. aureus быстро приобрел плазмиду с геном β-лактамазы (фермента β-лактамазы класса A, известного как пенициллиназа BlaZ), и уже к 1950-м более 80 % изолятов стафилококков были пенициллин-резистентными​ [14]. В современной популяции S. aureus свыше 90 % штаммов продуцируют β-лактамазу BlaZ ​[5], вследствие чего естественные пенициллины (пенициллин G, ампициллин) практически не применяются для стафилококковых инфекций. Проблему частично решили разработкой β-лактамазоустойчивых пенициллинов (метициллина, оксациллина и др.), однако в 1960-х появился новый механизм резистентности — измененный PBP2a, не чувствительный к связыванию β-лактамами (MRSA). Тем не менее β-лактамаза остается важным фактором: S. aureus по-прежнему сохраняет ген blaZ на мобильном элементе (транспозоне), часто в составе мультирезистентных плазмид [5]. Этот фермент гидролизует пенициллин и аминопенициллины, а также ослабляет действие цефалоспоринов 1-го поколения, но подавляется клавулановой кислотой, поэтому оксациллинчувствительные стафилококки обычно успешно лечатся ингибиторзащищенными пенициллинами. Для лечения же MRSA требуются совсем другие группы антибиотиков (ванкомицин, линезолид и др.), так как β-лактамазы не играют роли при метициллинорезистентности.

Klebsiella pneumoniae — грамотрицательная энтеробактерия, один из самых известных представителей семейства Enterobacteriaceae, продуцирующих β-лактамазы. K. pneumoniae обладает врожденной хромосомной β-лактамазой широкого спектра SHV-1 (Ambler класс A), которая обеспечивает природную устойчивость к ампициллину. В дополнение к этому, клебсиеллы легко приобретают плазмидные β-лактамазные гены. Начиная с 1980-х основными проблемами стали БРЛС (например, TEM- и SHV-мутанты, а затем семейство CTX-M) — их распространение привело к неэффективности цефалоспоринов III поколения при многих госпитальных штаммах Klebsiella​ [2]. В 2000-х появилась еще более грозная угроза — карбапенемазы. K. pneumoniae стала первой энтеробактерией, в котором выявили плазмидную карбапенем-гидролизующую β-лактамазу KPC​ [13]. Вслед за KPC у клебсиелл появились и другие карбапенемазы: металло-β-лактамазы (NDM, VIM) и OXA-48. Сегодня K. pneumoniae считается корифеем по части β-лактамаз: в отдельных штаммах находят сразу несколько ферментов (например, одновременно KPC и VIM, или OXA-48 и CTX-M и т.д.). Эти механизмы в совокупности делают многих клебсиелл практически неуязвимыми к β-лактамным антибиотикам. Всемирная организация здравоохранения отнесла карбапенем-резистентные K. pneumoniae к патогенам критического приоритета. Для успешного лечения инфекций, вызванных такими штаммами, требуются комбинированные препараты с новыми ингибиторами (см. ниже).

Acinetobacter baumannii — неферментирующая грамотрицательная палочка, один из ведущих возбудителей госпитальных пневмоний, сепсиса у реанимационных больных. A. baumannii обладает поразительной способностью развивать резистентность. Главный механизм устойчивости к β-лактамам у этого патогена — продукция карбапенемаз OXA-класса D. Известно несколько групп ферментов: OXA-23, OXA-24/40, OXA-58 и др., которые распространяются клонами A. baumannii по всему миру​ [13]. Эти β-лактамазы не родственные по происхождению OXA-48 энтеробактерий, но функционально сходны: они инактивируют карбапенемы, зачастую не затрагивая расширенные цефалоспорины (поэтому Acinetobacter может оставаться чувствительным к цефтазидиму, но устойчивым к имипенему). Помимо OXA, у A. baumannii описаны и металло-β-лактамазы (NDM, VIM), однако они встречаются реже. Еще один фермент — хромосомная цефалоспориназа AmpC (ADC) класса C — тоже присутствует у всех ацинетобактеров, но его роль в резистентности второстепенна по сравнению с карбапенемазами. В силу множественной лекарственной устойчивости (как β-лактамазной, так и за счет эффлюкса, поринов и пр.) A. baumannii включен в число особо опасных патогенов, против которых срочно нужны новые антибиотики. Лечение тяжелых инфекций, вызванных карбапенем-резистентным Acinetobacter (Carbapenem-resistant A. baumannii (CRAB)), крайне затруднено; применяют комбинации полимиксинов, тигециклина, высоких доз сульбактама и новые препараты (например, цефалоспорины с ингибитором дулобактамом).

Pseudomonas aeruginosa — еще один неферментер (неферментеры — это грамотрицательные палочки, которые не ферментируют глюкозу в анаэробных условиях. К ним отнсятся также Acinetobacter spp., Stenotrophomonas maltophilia и другие.), грозный оппортунистический патоген. P. aeruginosa обладает природной устойчивостью ко многим антибиотикам за счет малой проницаемости внешней мембраны и активных эффлюкс-систем. В отношении β-лактамов у синегнойной палочки главную роль играет хромосомная AmpC-β-лактамаза (Ambler класс C), также называемая пенициллиназой типа PDC. Базально она экспрессируется слабо, но у мутантных штаммов или под действием индукторов уровень синтеза AmpC/PDC резко возрастает, что приводит к устойчивости к карбоксипенициллинам, большинству цефалоспоринов и ингибитор-защищенным пенициллинам​. Таким образом, у P. aeruginosa может развиться резистентность к цефтазидиму, пиперациллину/тазобактаму и др. за счет гиперпродукции AmpC. В отличие от энтеробактерий, классических плазмидных БРЛС типа CTX-M у синегнойной палочки не встречается, однако описаны свои разновидности β-лактамаз расширенного спектра (PER, VEB, GES и др., Ambler класс A). Кроме того, P. aeruginosa нередко получает плазмиды с карбапенемазами — прежде всего металло-β-лактамазами VIM и IMP, реже NDM​. В некоторых географических регионах до 20–30 % карбапенем-резистентных штаммов синегнойной палочки продуцируют MBL. В совокупности перечисленные механизмы делают P. aeruginosa трудноподдающимся терапии патогеном, особенно у ослабленных и реанимационных пациентов (где распространены так называемые XDR-штаммы с экстремальной резистентностью). Для лечения тяжелых инфекций, вызванных Pseudomonas, нередко требуются комбинации (например, цефтазидим/авибактам + азтреонам, цефтолозан/тазобактам и др.). [2, 13]

Enterobacter spp. — под этим названием обычно подразумеваются виды E. cloacae, E. hormaechei, E. aerogenes (ныне Klebsiella aerogenes) и родственные. Они, как и цитробактер, серрация, имеют индуцибельную хромосомную AmpC-β-лактамазу (Ambler класс C), которая при мутациях derepression (подавление функций репрессора, вторичная активация) начинает постоянно экспрессироваться в больших количествах​ [13]. Такие мутанты появляются спонтанно под влиянием β-лактамных антибиотиков и объясняют феномен «прорыва» терапии цефалоспоринами: например, при лечении Enterobacter цефалоспорином третьего поколения сначала может наблюдаться улучшение, а затем состояние ухудшается из-за селекции штамма с гиперпродукцией AmpC и инактивацией препарата. Поэтому инфекции, вызванные Enterobacter, не рекомендуется лечить цефтриаксоном и цефотаксимом — предпочтительны карбапенемы или цефепим, менее подверженный гидролизу AmpC. Помимо хромосомной AmpC, энтеробактеры способны получать плазмиды с β-лактамазами: у них встречаются БРЛС (CTX-M, TEM и др.), а с 2010-х ширится распространение карбапенемаз (KPC, NDM и др.), часто в составе конгломерата генов (например, плазмиды с bla_KPC также несут гены БРЛС). Карбапенем-резистентные Enterobacter наряду с карбапенем-резистентными клебсиеллами и эшерихиями отнесены к критическим патогенам по классификации ВОЗ.

Shigella spp. — близкородственный E. coli род, вызывающий бактериальную дизентерию. Исторически Shigella быстро приобрели плазмидные β-лактамазы узкого спектра, что сделало их устойчивыми к ампициллину еще во второй половине XX века. К примеру, многие изоляты Shigella dysenteriae и S. flexneri продуцируют TEM-1 или OXA-1, обеспечивая резистентность к ампициллину и амоксициллину. В клинике это привело к отказу от ампициллина как терапии шигеллеза. Вместо него предпочтение отдали ко-тримоксазолу, фторхинолонам или цефалоспоринам. Однако со временем у шигелл по всему миру стали появляться β-лактамазы расширенного спектра. Сейчас зарегистрированы штаммы Shigella sonnei и S. flexneri, продуцирующие CTX-M типы ESBL (например, CTX-M-15, -14 и др.)​. Это приводит к устойчивости ко всем цефалоспоринам III поколения — традиционному резерву при тяжелом течении шигеллеза у детей. Также описаны случаи приобретения плазмид AmpC (CMY-2) шигеллами, хотя реже, чем у сальмонелл [20].

Salmonella spp. — Salmonella enterica (тифозные и нетифозные серовары) приобрела широкий набор β-лактамаз, влияющих на эффективность терапии. В 1980–90-х у кишечных сальмонелл (S. Typhimurium, S. Enteritidis) распространились плазмидные TEM-1 и PSE-1, обеспечив устойчивость к ампициллину и карбоксипенициллинам. У S. Typhi множественная резистентность была связана с плазмидами, содержащими TEM-1 и гены устойчивости к другим препаратам, что привело к отказу от ампициллина и хлорамфеникола. Серьезной проблемой стало распространение устойчивости к цефтриаксону. Основные механизмы — продукция БРЛС (чаще CTX-M-15) и плазмидной AmpC (чаще CMY-2). Эти β-лактамазы выявлены у различных сероваров Salmonella по всему миру. Особенно часто CMY-2 встречается в США и Европе. Описаны также единичные случаи карбапенемаз (например, NDM-1 у S. Typhimurium в Индии) [20, 21].

N. gonorrhoea — Гоноккок изначально была чувствительна к пенициллину, но уже в 1970-х появились штаммы, продуцирующие плазмидные β-лактамазы типа TEM-1 (PPNG — penicillinase-producing N. gonorrhoeae), разрушающие пенициллины и их производные. Распространение гена bla_TEM привело к отказу от пенициллина и переходу на цефалоспорины III поколения (например, цефтриаксон). Кроме β-лактамаз, у гонококков выявлены хромосомные мутации, повышающие минимальную ингибирующую концентрацию (MIC) пенициллина — мозаичные аллели гена penA (модифицированный PBP2) и мутации в регуляторных участках насоса mtrCDE, снижающие проникновение препарата. Такие штаммы обозначают как CPRNG — chromosomally mediated penicillin-resistant N. gonorrhoeae. Однако выраженная резистентность (>16 ЕД пенициллина) чаще обусловлена именно продукцией β-лактамазы. Таким образом, у N. gonorrhoeae обладает несколькими механизмами резистентности: β-лактамазы играют важную, но не основную роль, уступая по значимости хромосомным мутациям в мишенях и системах транспорта. [20].

Haemophilus influenzae — частый возбудитель респираторных инфекций — активно продуцирует β-лактамазы. Наиболее распространены плазмидные ферменты класса A: TEM-1 и ROB-1. Они гидролизуют ампициллин и амоксициллин, но чувствительны к ингибиторам (например, клавуланату). К 1990-м годам 15–30% изолятов по миру продуцировали β-лактамазу, а в некоторых странах Азии доля превышала 50%.Более сложный механизм — BLNAR (β-lactamase-negative ampicillin-resistant) — связан с мутациями в гене ftsI, кодирующем PBP3. Эти штаммы устойчивы к ампициллину, несмотря на отсутствие β-лактамазы. Отдельно выделяют BLPACR (β-lactamase positive, amoxicillin-clavulanate resistant), где сочетаются фермент и модифицированная мишень. К счастью, их доля невелика (<5%). В клинике наличие β-лактамазы исключает применение ампициллина. Предпочтение отдают амоксициллин/клавуланату или цефалоспоринам II–III поколений, активным как против β-лактамазопозитивных, так и против большинства BLNAR. При менингите используют цефотаксим или цефтриаксон. Лабораторно маркером β-лактамазы служит положительный тест с нитроцефином. Однако отрицательный результат не исключает BLNAR — такие штаммы выявляются по повышенному MIC при отсутствии фермента. Вне Японии доля BLNAR остаётся умеренной (до 10%).

Почему β-лактамазы чаще встречаются у грамотрицательных бактерий?

Отчетливо заметна разница между грамположительными и грамотрицательными бактериями в стратегии противодействия β-лактамным антибиотикам. Грамположительные (Staphylococcus, Enterococcus, Streptococcus и др.) имеют толстую клеточную стенку, но не обладают внешней мембраной. Если они продуцируют β-лактамазу, этот фермент выделяется во внешнюю среду и может диффундировать. В результате часть молекул антибиотика действительно инактивируется, но другая часть все же достигает бактериальных ПСБ и блокирует синтез стенки. Поэтому у грамположительных эволюционно менее выгодно производство β-лактамаз (эффект недостаточно полный), и основной путь приобретенной резистентности у них — модификация мишени. Так, Streptococcus pneumoniae вырабатывает измененные пенициллин-связывающие белки, понижающие сродство ко всем β-лактамам, что делает его устойчивым (при этом никаких β-лактамаз у пневмококка нет). S. aureus после эпохи пенициллиназы BlaZ тоже преодолел метициллин за счет мутантного PBP2a, а не новой β-лактамазы. Грамотрицательные бактерии, напротив, имеют тонкую клеточную стенку, окруженную внешней мембраной, образующей периплазматическое пространство — замкнутую среду вокруг клеточной стенки. β-Лактамазы у грамотрицательных локализуются именно в периплазме, где они могут задерживаться в высокой концентрации. Когда через порины внешней мембраны проникает молекула антибиотика, она сразу попадает в «ловушку» периплазматической β-лактамазы и разрушается до того, как достичь ПСБ на внутренней мембране. Такой механизм очень эффективен, поэтому грам- эволюционно приобрели множество β-лактамаз и широко распространили их гены. К тому же у грамотрицательных плазмиды и другие мобильные элементы горизонтального переноса играют большую роль, что способствует обмену генами β-лактамаз между различными видами [13, 14]. В результате именно среди грамотрицательных (энтеробактерий, неферментеров) мы наблюдаем наибольшее разнообразие β-лактамаз и наиболее выраженные проблемы с лекарственной устойчивостью. У грамположительных же долгое время была известна лишь одна плазмидная β-лактамаза (стафилококковая пенициллиназа), а остальные механизмы (изменение PBP у пневмококков, MRSA, образование толерантных L-форм и др.) преобладали. Тем не менее, ситуацию нельзя упрощать: некоторые грамотрицательные (например, Mycobacterium tuberculosis) вообще не имеют β-лактамаз, а некоторые грамположительные (анаэробы типа Bacteroides fragilis) как раз продуцируют β-лактамазы (например, фермент CepA у B. fragilis). Но в целом, клинически значимые β-лактамазы гораздо чаще встречаются и приносят проблемы именно у грамотрицательных патогенов.

Терапевтические последствия

Влияние β-лактамаз на выбор антибиотиков

Наличие у бактерии того или иного гена β-лактамазы существенно влияет на выбор эффективного антибиотика. Врачам важно учитывать характер β-лактамаз при выборе препарата. Например, при инфекциях, вызванных продуцентами БРЛС (расширенного спектра β-лактамаз, чаще всего E. coli или Klebsiella), установлено, что наилучшие результаты дает терапия карбапенемами​. Карбапенемы (меропенем, имипенем и др.) устойчивы к гидролизу большинством БРЛС [8], поэтому являются препаратами выбора для тяжелых инфекций, вызванных БРЛС-продуцирующими энтеробактериями. Напротив, применение цефалоспоринов при таких инфекциях сопряжено с высоким риском неуспеха и селекции резистентных клонов. Аналогично, при инфекциях, вызванных бактериями с мощными AmpC-β-лактамазами (например, Enterobacter, Citrobacter, Serratia), неэффективны многие пенициллины и цефалоспорины, особенно третьего поколения​ [2]. Предпочтение отдают карбапенемам или цефепиму, который менее подвержен гидролизу AmpC за счет структуры молекулы. В случае грамотрицательных неферментеров (P. aeruginosa, Acinetobacter), уже изначально резистентных к ряду β-лактамов, выбор терапии тоже диктуется β-лактамазами: синегнойная палочка, гиперпродуцирующая AmpC, нечувствительна к пиперациллин/тазобактаму и цефтазидиму, но может ответить на карбапенем или цефепим; A. baumannii с OXA-карбапенемазой не лечится имипенемом, зато может быть чувствительна к комбинации сульбактам + цефалоспорин (цефоперазон, цефепим).

Для клинически значимого подбора терапии ключевую роль играет лабораторная диагностика. По рекомендациям European Committee on Antimicrobial Susceptibility Testing (EUCAST), антибиотики-маркеры помогают заподозрить тип β-лактамазы: пенициллин — маркер стафилококковой β-лактамазы; ампициллин ± нитроцефин — маркер у H. influenzae; цефотаксим/цефтазидим ± клавуланат — маркер ESBL у Enterobacterales; цефокситин — для AmpC; карбапенемы с ингибиторами — для карбапенемаз. Грамотная интерпретация этих тестов позволяет вовремя перейти на эффективную терапию и избежать неудачи лечения.

Ингибиторы β-лактамаз и новые комбинации

Для борьбы с бактериальными β-лактамазами были разработаны специальные ингибиторы β-лактамаз — вещества, необратимо блокирующие активность фермента. Клавулановая кислота, сульбактам и тазобактам — первые ингибиторы, внедренные в практику. Они значительно расширили спектр действия пенициллинов и цефалоспоринов при лечении инфекций, вызванных продуцентами β-лактамаз класса A. Так, комбинации амоксициллин/клавуланат, пиперациллин/тазобактам, ампициллин/сульбактам эффективно действовали на штаммы, продуцирующие узкоспекторные β-лактамазы (TEM-1, SHV-1) и многие БРЛС. Однако ингибиторы первого поколения не активны против большинства ферментов классов B, C и D​. Поэтому при появлении у бактерий AmpC, металло-β-лактамаз или OXA-оксациллиназ эффективность старых ингибиторзащищенных комбинаций резко падала​ [2].

Среди этих веществ особое место занимает сульбактам, обладающий двойным действием: он не только ингибирует ферменты класса A, но и проявляет собственную бактерицидную активность против Acinetobacter baumannii, связываясь с его PBP-1a, -1b и -3. Это делает его «адресным» антибиотиком. Появление карбапенем-резистентных штаммов A. baumannii вновь вернуло интерес к сульбактаму, особенно в виде новой комбинации с дурлобактамом — мощным ингибитором β-лактамаз классов A, C и D. В 2023 году фиксированная комбинация сульбактам/дурлобактам была одобрена FDA для лечения инфекций, вызванных CRAB (carbapenem-resistant A. baumannii). [24, 25]

В 2010-х годах произошел прорыв: были созданы новые ингибиторы несравнимо большей мощности и спектра. К ним относятся: авибактам и родственные диазабициклоктаноны (ингибируют класс A, C и часть D)​ [2], ваборбактам (бороновый ингибитор, активный против KPC и др.), релебактам (ингибитор, комбинируемый с имипенемом). Уже одобрены и применяются несколько новых комбинаций: цефтазидим/авибактам, меропенем/ваборбактам, имипенем/циластатин/релебактам. Особое значение они имеют для лечения инфекций, вызванных карбапенем-резистентными энтеробактериями с KPC-карбапенемазами, в частности, введение авибактама и других новых ингибиторов значительно улучшило исходы у пациентов с такими инфекциями​ [11]. Новые ингибиторы эффективно «воскрешают» действие соответствующих β-лактамов против многих устойчивых патогенов. Например, авибактам блокирует KPC и OXA-48, благодаря чему комбинация цефтазидим/авибактам активна против продуцирующих их K. pneumoniae; Ваборбактам подавляет KPC, и меропенем/ваборбактам стал ценным оружием против KPC-продуцентов. Однако у этих средств есть ограничения: они не действуют на MBL (NDM, VIM и др.)​ [11]. К сожалению, в ряде регионов именно металло-β-лактамазы стали доминирующими (например, NDM широко распространена на Индийском субконтиненте и на Ближнем Востоке)​ [11]. Кроме того, наблюдается рост доля MBL и в ответ на широкое применение цефтазидим/авибактама (карбапенемазы KPC подавлены, но нишу занимают MBL)​ [11]. Поскольку коммерческих ингибиторов против MBL пока нет​ [10], для лечения инфекций, вызванных NDM-/VIM-продуцентами, применяют особые комбинации. Одним из решений стало сочетание монобактама азтреонама с ингибитором авибактамом: азтреонам устойчив к гидролизу MBL, но разрушается другими β-лактамазами, однако присутствующий авибактам защитит азтреонам от БРЛС и AmpC, благодаря чему азтреонам проявит бактерицидный эффект​. На практике такую схему реализуют, например, сочетанным введением цефтазидим/авибактама и азтреонама — исследования показали высокую синергичность этой комбинации против MBL-продуцентов​[11] В некоторых странах уже доступна фиксированная комбинация азтреонам/авибактам.

Другой ответ на проблему MBL — цефидерокол, сидерофорный цефалоспорин. Его молекула специально модифицирована для проникновения внутрь грамотрицательных бактерий с минимальным сопротивлением. Основу действия составляет механизм «троянского коня»: бактерия воспринимает молекулу цефидерокола как железосодержащий субстрат и активно транспортирует её внутрь клетки через железозависимые порины. В отличие от других цефалоспоринов, которые пассивно проникают через мембрану, цефидерокол использует энергозависимую систему захвата Fe³⁺, что позволяет ему достигать высокой концентрации в периплазматическом пространстве. Оказавшись внутри, цефидерокол связывается с ПСБ, нарушая синтез пептидогликана и вызывая лизис клетки — как и другие β-лактамы. Однако его структура дополнительно защищает β-лактамное кольцо от действия ферментов: цефидерокол устойчив к разрушению большинством β-лактамаз, включая сериновые (KPC, OXA) и металло-β-лактамазы (NDM, VIM, IMP) [4, 23]. Это делает его ценным резервным препаратом в терапии инфекций, вызванных панрезистентными грамотрицательными патогенами, особенно P. aeruginosa, A. baumannii и Enterobacterales с MBL.

Перспективы борьбы с резистентностью

Непрерывное появление новых β-лактамаз заставляет искать дополнительные способы борьбы с ними. Научные группы по всему миру продолжают разрабатывать новые ингибиторы: как вещества β-лактамной структуры, так и принципиально иных химических классов. В стадии клинических испытаний находятся ингибиторы для борьбы с металло-β-лактамазами (например, препараты на основе каптоптрила, бисморфалинового производного ANT431 и др.). Перспективен подход «двойных ингибиторов», сочетающих в одной молекуле активность против сериновых и металло-β-лактамаз. Также ведутся исследования по созданию вакцин против распространенных β-лактамаз с целью снизить колонизацию продуцентов у пациентов. Рассматриваются возможности применения фаговых ферментов или молекул РНК для подавления генов bla у возбудителей. Однако в ближайшей перспективе главными остаются классические пути: разработка новых антибиотиков, устойчивых к существующим β-лактамазам, и новых β-лактамазных ингибиторов. К счастью, за последние годы фармацевтическая индустрия активно взялась за эту проблему. В клинику уже внедряются несколько новых комбинаций β-лактама с ингибитором, а в исследовательском pipeline находится еще больше препаратов​ [2]. Таким образом, хотя эра β-лактамных антибиотиков осложнилась пандемией β-лактамаз, совместными усилиями ученых и клиницистов продолжается поиск решений, позволяющих удержать преимущество в этой «гонке вооружений» с бактериальной резистентностью.

Список литературы

1. Berglund F. [и др.]. An updated phylogeny of the metallo-β-lactamases // The Journal of Antimicrobial Chemotherapy. 2021. № 1 (76). C. 117–123.

2. Boyd S. E. [и др.]. Metallo-β-Lactamases: Structure, Function, Epidemiology, Treatment Options, and the Development Pipeline // Antimicrobial Agents and Chemotherapy. 2020. № 10 (64). C. e00397-20.

3. Bush K., Bradford P. A. Interplay between β-lactamases and new β-lactamase inhibitors // Nature Reviews. Microbiology. 2019. № 5 (17). C. 295–306.

4. Bush K., Jacoby G. A. Updated Functional Classification of β-Lactamases // Antimicrobial Agents and Chemotherapy. 2010. № 3 (54). C. 969–976.

5. Fröhlich C. [и др.]. Evolution of β-lactamase-mediated cefiderocol resistance // The Journal of Antimicrobial Chemotherapy. 2022. № 9 (77). C. 2429–2436.

6. Hirvonen V. H. A., Spencer J., Kamp M. W. van der Antimicrobial Resistance Conferred by OXA-48 β-Lactamases: Towards a Detailed Mechanistic Understanding // Antimicrobial Agents and Chemotherapy. 2021. № 6 (65). C. e00184-21.

7. Husna A. [и др.]. Extended-Spectrum β-Lactamases (ESBL): Challenges and Opportunities // Biomedicines. 2023. № 11 (11). C. 2937.

8. Kaderabkova N. [и др.]. The biogenesis of β-lactamase enzymes // Microbiology (Reading, England). 2022. № 8 (168). C. 001217.

9. Lee N.-Y. [и др.]. Carbapenem Therapy for Bacteremia Due to Extended-Spectrum-β-Lactamase-Producing Escherichia coli or Klebsiella pneumoniae: Implications of Ertapenem Susceptibility // Antimicrobial Agents and Chemotherapy. 2012. № 6 (56). C. 2888–2893.

10. Lowy F. D. Antimicrobial resistance: the example of Staphylococcus aureus // Journal of Clinical Investigation. 2003. № 9 (111). C. 1265–1273.

11. Mugnier P. D. [и др.]. Worldwide Dissemination of the blaOXA-23 Carbapenemase Gene of Acinetobacter baumannii1 // Emerging Infectious Diseases. 2010. № 1 (16). C. 35–40.

12. Naas T. [и др.]. Beta-lactamase database (BLDB) – structure and function // Journal of Enzyme Inhibition and Medicinal Chemistry. 2017. № 1 (32). C. 917–919.

13. Shi C. [и др.]. Approaches for the discovery of metallo-β-lactamase inhibitors: A review // Chemical Biology & Drug Design. 2019. № 2 (94). C. 1427–1440.

14. Shields R. K., Doi Y. Aztreonam Combination Therapy: An Answer to Metallo-β-Lactamase–Producing Gram-Negative Bacteria? // Clinical Infectious Diseases: An Official Publication of the Infectious Diseases Society of America. 2020. № 4 (71). C. 1099–1101.

15. Tooke C. L. [и др.]. β-Lactamases and β-Lactamase Inhibitors in the 21st Century // Journal of Molecular Biology. 2019. № 18 (431). C. 3472–3500.

16. Yousefi B. [и др.]. Cefiderocol in Combating Carbapenem-Resistant Acinetobacter baumannii: Action and Resistance // Biomedicines. 2024. № 11 (12). C. 2532.

17. β-Lactamases and β-Lactamase Inhibitors in the 21st Century — PubMed [Электронный ресурс]. URL: (дата обращения: 13.03.2025).

18. Staphylococcus aureus Infections: Epidemiology, Pathophysiology, Clinical Manifestations, and Management — PMC [Электронный ресурс]. URL: (дата обращения: 13.03.2025).

19. β-lactamase Database [Электронный ресурс]. URL: (дата обращения: 13.03.2025).

20. Husna, A., Rahman, M. M., Badruzzaman, A. T. M., Sikder, M. H., Islam, M. R., Rahman, M. T., Alam, J., & Ashour, H. M. (2023). Extended-Spectrum β-Lactamases (ESBL): Challenges and Opportunities. Biomedicines, 11(11), 2937.

21. Philippon, A., Arlet, G., & Jacoby, G. A. (2002). Plasmid-determined AmpC-type beta-lactamases. Antimicrobial agents and chemotherapy, 46(1), 1–11.

22. Ekinci, E., Willen, L., Rodriguez Ruiz, J. P., Maertens, K., Van Heirstraeten, L., Serrano, G., Wautier, M., Deplano, A., Goossens, H., Van Damme, P., Beutels, P., Malhotra-Kumar, S., Martiny, D., & Theeten, H. (2023). Haemophilus influenzae carriage and antibiotic resistance profile in Belgian infants over a three-year period (2016-2018). Frontiers in microbiology, 14, 1160073.

23. Wu, J. Y., Srinivas, P., & Pogue, J. M. (2020). Cefiderocol: A Novel Agent for the Management of Multidrug-Resistant Gram-Negative Organisms. Infectious diseases and therapy, 9(1), 17–40.

24. Wu, J. Y., Srinivas, P., & Pogue, J. M. (2020). Cefiderocol: A Novel Agent for the Management of Multidrug-Resistant Gram-Negative Organisms. Infectious diseases and therapy, 9(1), 17–40.

25. Papp-Wallace, K. M., McLeod, S. M., & Miller, A. A. (2023). Durlobactam, a Broad-Spectrum Serine β-lactamase Inhibitor, Restores Sulbactam Activity Against Acinetobacter Species. Clinical infectious diseases : an official publication of the Infectious Diseases Society of America, 76(Suppl 2), S194–S201.

Ожирение оказывает неблагоприятное воздействие почти на каждую систему в организме. Снижение массы тела является основной целью лечения ожирения, поскольку такой подход устраняет или снижает факторы риска и симптомы, связанные с ожирением. Терапевтический эффект от снижения веса находится в прямой зависимости от относительного снижения массы тела. Например, снижение веса на 5–10 % у людей с диабетом 2 типа способствует лучшему контролю за уровнем глюкозы в крови, тогда как снижение веса на 15–25 % способно привести к “ремиссии” диабета. Возможности достижения значительного снижения массы тела обычно ограничивались бариатрической хирургией. Однако появление препаратов для лечения ожирения на основе глюкагоноподобного пептида-1 (ГПП-1) открыло новую эру в фармакотерапии ожирения, при использовании которой снижение веса в среднем достигает 15–25 % за 1–1,5 года [1].

В первую очередь, целенаправленное снижение веса у людей с ожирением уменьшает объем жировых отложений, но также уменьшает массу тела без жира (МТБЖ). Скелетно-мышечная масса (СММ) составляет около 50 % МТБЖ, тогда как остальная часть МТБЖ включает в себя жидкости, органы и другие ткани тела. Уменьшение МТБЖ вследствие снижения массы тела у людей с ожирением обычно составляет около 25 % от общего снижения массы тела и зависит от исходного состава тела и снижения веса вообще [2]. Существует обратная зависимость между исходной массой жировых отложений в организме и процентом снижения массы тела (от МТБЖ), что может объяснить, почему мужчины, у которых обычно меньше жира в организме (и больше МТБЖ или СММ, чем у женщин [3]), теряют процентно больше МТБЖ и СММ, чем у женщины. Процент снижения веса от МТБЖ напрямую связан с общим снижением массы тела, но влияние этого эффекта ослабляется у лиц с ожирением, а процент снижения массы тела от МТБЖ одинаковый в диапазоне снижения веса 5–35 % [4,5]. Уменьшение МТБЖ в первую очередь приводит к снижению уровня основного обмена, что наблюдается после похудения. Однако основным фактором, ответственным за замедление похудения и последующее увеличение массы тела, является повышенное потребление калорий, а не снижение уровня основного обмена [6].

Уменьшение СММ вследствие снижения веса, опосредовано, в первую очередь, увеличением распада белков мышц, а не уменьшением синтеза мышечного белка. Поэтому такие методы, как тренировки и усиленное потребление белковой пищи, что стимулирует синтез белка, способно смягчить последствия снижения веса, что происходит, в том числе, и за счет СММ/МТБЖ (см. рисунок, панель A). В исследовании, в котором все испытуемые принимали пищу на 50 % богаче белком, чем их предшествующий рацион (с 0,8 до 1,2 г/кг/день), доля МТБЖ в общем снижении веса снизилась на 45 % (при достижении снижения массы тела на 10 %) [7]. Однако в абсолютных цифрах, в среднем, это составило 0,7 кг. Тренировки, в особенности, силовые, могут снизить долю потери МТБЖ, на 50–95 % [8]. Относительный вклад МТБЖ в снижение массы тела не зависит от скорости похудения после начала, когда наблюдается увеличенная потеря водных запасов организма, что детектируется как уменьшение МТБЖ.

При приеме миметиков ГПП-1 происходило выраженное снижение веса и от 25 % до 40 % потерянного веса составляли МТБЖ/сухая мышечная масса (см. рисунок, панель B), что привело к опасениям относительно неблагоприятного воздействия этих препаратов на физические возможности организма и потенциальную астенизацию вследствие лечения. Однако ни в одном из исследований не сообщалось о влиянии потери веса на СММ или объективные показатели физической работоспособности. Маловероятно, что снижение СММ при таком похудении ухудшает физическую работоспособность организма. У лиц с ожирением, как правило, наблюдается большее количество МТБЖ и СMM, чем у худых людей [3], поэтому снижение СMM вследствие снижения массы тела, представляет собой лишь небольшую часть общей СMM организма. Более того, даже несмотря на то, что снижение СMM иногда может приводить к снижению мышечной силы, оно не обязательно оказывает неблагоприятное воздействие на физическую работоспособность. Целенаправленное снижение веса приводит к более выраженному относительному снижению жировой массы в организме, по сравнению с МТБЖ или СMM, поэтому соотношение МТБЖ/СMM к жировой массе увеличивается. Соответственно, несмотря на снижение МТБЖ/СMM, после похудения физическая работоспособность и двигательная функция улучшаются даже у пожилых людей с исходно сниженным процентом МТБЖ и СММ. Кроме того, похудение приводит к улучшению «качества» мускулатуры вследствие снижения интрамиоцеллюлярных и межмышечных триглицеридов и повышения чувствительности мышц к инсулину. Тем не менее, влияние препаратов против ожирения на основе ГПП-1 на МТБЖ способствует интересу в разработке сопутствующей фармакотерапии для смягчения потерь мышечной массы. Исследование 2024 года на мышах, которым вводили препарат на основе ГПП-1, показало, что стимуляция мышечного роста путем блокирования рецептора активина II предотвращает снижение МТБЖ во время похудения, однако не привела к выраженным преимуществам в физической работоспособности или гомеостазе глюкозы, по сравнению с похудением, вызванным лишь миметиками ГПП-1 [9].

Повторный набор веса тела является «ахиллесовой пятой» терапии “модификации образа жизни” у людей с ожирением, и большинство людей, которые теряют вес, впоследствии вновь набирают или всю ту массу, которую потеряли во время похудения, или значительную ее часть. Кроме того, повторный набор веса — обычное явление после похудения вследствие приема препаратов против ожирения, если такая фармакотерапия отменяется; по оценкам, две трети людей, лечившихся препаратами против ожирения на основе ГПП-1, прекращают прием этих препаратов в течение 1 года после начала лечения. Прекращение приема семаглутида (агонист рецептора ГПП-1) или тирзепатида (комбинированный агонист рецептора ГПП-1 и глюкозозависимого инсулинотропного полипептида) приводит к повторному набору от половины до двух третей веса тела в течение 1 года после возвращения к прежнему образу жизни. Было высказано предположение, что потеря веса и последующий его набор у людей с ожирением может иметь пагубные последствия для состава тела, что основано на краткосрочных исследованиях, в ходе которых было обнаружено более выраженное относительное увеличение жировой массы, по сравнению с МТБЖ в повторно набранном весе, чем в ходе похудения. Предполагается, что повторяющиеся циклы потери и набора веса увеличивают риск ожирения всего организма. Однако эти исследования включали усиленное питание после экспериментальной потери веса у худых людей (как например, в ходе эксперимента по голоданию в Миннесоте) или при кахексии, вызванной соматическим заболеванием (туберкулез, рак). Такие данные неточно отражают повторный набор массы тела после преднамеренного похудения у людей с ожирением, где процентный состав вновь набранного веса почти идентичен составу потерянного веса [10].

Что имеем в итоге?

Фармакотерапия на основе ГПП-1 и бариатрическая хирургия способны значительно снизить массу тела у людей с ожирением. Несмотря на то, что абсолютное снижение МТБЖ/СMM связано с общим похудением, снижение МТБЖ/СMM по отношению к исходному уровню обычно невелико, а относительное снижение МТБЖ/СMM меньше относительного снижения жировой массы, что приводит к улучшению физической работоспособности. Недавние опасения, что выраженное снижение массы тела вследствие приема препаратов на основе ГПП-1, может привести к физической астенизации или саркопении, не подтверждаются данными исследований. Тем не менее, наблюдается выраженная гетерогенность статистических результатов относительно процента МТБЖ и СMM в общем снижении массы тела среди испытуемых в рамках исследований. Это подчеркивает необходимость дальнейших исследований для оценки влияния выраженного похудения на СMM, мышечную силу и физическую работоспособность среди лиц с высоким риском.