4. Экологические аспекты устойчивости к антибиотикам и ее последствия
Основная проблема высвобождения антимикробных препаратов в окружающую среду связана с развитием генов антибиотикорезистентности (ARGs) и антибиотикорезистентных бактерий (ARB), которые снижают терапевтический потенциал в отношении патогенов человека и животных ( Kumar et al., 2019). Ряд водоемов и местообитаний могут быть местами возникновения и поддержания устойчивых микроорганизмов. К ним относятся больничные сточные воды, Вспп, фермы, аквакультура и места обитания, в которые выводятся фекалии и моча людей и животных ( Karkman et al., 2019; Korzeniewska and Harnisz, 2018; Niestępski et al., 2019; Osińska et al., 2019 ; Чжоу и др., 2018). Тем не менее, городские Вспп были признаны одним из наиболее важных средств распространения антибиотикорезистентности от человека к окружающей среде (будь то вода или почва). Кроме того, было установлено, что профили антибиотикорезистентности в ВТП отражают градиенты антибиотикорезистентности, наблюдаемые в клиниках ( Pärnänen et al., 2019). Антибиотики и детерминанты антибиотикорезистентности естественным образом возникли в окружающей среде задолго до того, как люди открыли и использовали антибиотики для лечения заболеваний, но этот поворотный момент был отмечен все возрастающей концентрацией или обилием противомикробных лекарственных средств и детерминантов антибиотикорезистентности во всех областях биосферы ( Berkner et al., 2014). Понимание механизмов устойчивости к антибиотикам, а также способов передачи этой информации между клетками и документирование появления Арг в поперечном сечении экологических отсеков позволит сделать шаг к пониманию судьбы и транспортных явлений, связанных с этими возникающими загрязнителями.
4.1. Механизмы устойчивости к антибиотикам
Существует ряд способов, которыми антибиотики воздействуют на бактериальные клетки (кратко описано в разделе SI и таблице S2). Однако бактерии создали целый ряд защитных механизмов против антибиотиков, например:
•
модификация антибактериальной мишени и снижение сродства препарата к сайтам связывания, например к рибосоме - MLSB (макролид-линкозамид-стрептограмин B), резистентному S. aureus , к пенициллиновому связывающему белку (PBP) в клеточной стенке - S. pneumoniae, к ферментам - гиразной ДНК и флуорохинолонам ( Malmir et al., 2018),
•
образование биопленки снижает восприимчивость к антибиотикам - повышенная плотность клеток в биопленке повышает ее способность противостоять антибиотикам ( Ali et al., 2018),
•
активные насосы efflux-бактериальные насосы efflux активно транспортируют антибиотики из клетки и являются основными участниками внутренней резистентности как грамотрицательных, так и грамположительных бактерий ко многим лекарственным препаратам. Некоторые флюксусные насосы имеют узкую субстратную спецификацию, например насосы тетрациклина, но некоторые из них транспортируют широкий спектр структурно непохожих субстратов и известны как флюксусные насосы с множественной лекарственной устойчивостью (МЛУ). Флюксусные насосы S. aureus удаляют, например, фторхинолоны, макролиды, тетрациклины, клиндамицин ( Munita and Arias, 2016),
•
приобретение альтернативных метаболических путей к тем, которые ингибируются препаратом, например бактериальные мутанты, которые могут принимать продукты жизнеобеспечения (например, тимидин), присутствующие в окружающей среде и которые не синтезируются внутри бактерий ( например, сульфаниламиды) (Kumar et al., 2019).
4.2. Передача устойчивости к антибиотикам
Гены, несущие генетическую информацию об устойчивости микроорганизмов к антибиотикам, могут быть расположены на бактериальной хромосоме или встроены в плазмидную ДНК. Если они связаны с бактериальной хромосомой, то они становятся характерными для данного вида, и поэтому их невозможно передать посредством горизонтального переноса генов. Их расположение на подвижных элементах бактериального генома таких как: плазмиды, транспозоны, интеграны и генные кассеты определяет их подвижность и возможность переноса между различными штаммами, иногда далекими филогенетически ( von Wintersdorff et al., 2016). Комменсалы и окружающая среда также могут быть важными резервуарами ARGs на мобильных генетических элементах (MGEs), которые могут быть найдены в патогенах человека и которые могут происходить из этих резервуаров. Многие клинически значимые гены резистентности, как полагают, произошли от непатогенных бактерий окружающей среды. Хорошо известный пример−это гены bla CTX-M, которые стали наиболее распространенной причиной появления β-лактамаз расширенного спектра (ESBLs) у энтеробактерий во всем мире и является основной причиной клинических проблем лечения. Потенциальное происхождение этих генов было определено как хромосомная ДНК различных экологических видов Kluyvera, откуда они очень успешно распространились на различные виды бактерий ( Lerminiaux and Cameron, 2019 ). Как и гены bla CTX-M, гены OXA-48-типа карбапенем-гидролизующей β-лактамазы, которые все чаще встречаются у энтеробактериальных видов во всем мире, были также обнаружены, что происходят из хромосом водных, экологических видов Shewanella ( Poirel et al., 2012).
Для поддержания устойчивости микробных видов к антибиотикам они должны не только передавать гены устойчивости своему потомству (мутация, вертикальный перенос генов), но и иметь возможность передавать гены между видами, известные как горизонтальный перенос генов (HGT) ( Touchon et al., 2017). Существует три различных способа возникновения HGT ( von Wintersdorff et al., 2016 ), но в каждом случае генетический материал передается от антибиотикорезистентных бактерий к другим бактериальным клеткам, что делает их также устойчивыми к антибиотикам:
•
трансформация-это поглощение, интеграция и функциональная экспрессия обнаженных фрагментов внеклеточной ДНК. Например, исследования резистентности к фторхинолонам показали, что гены par C, par E и gyr A легко трансформируются между Streptococcus pyogenes и Streptococcus dysgalactiae ( von Wintersdorff et al., 2016). Кроме того, было показано, что стрептококковые виды обмениваются конъюгативными транспозонами через трансформацию в дополнение к конъюгации ( Chancey et al., 2015).
•
трансдукция-посредством специализированной или обобщенной трансдукции бактериофаги могут переносить бактериальную ДНК из ранее инфицированной донорской клетки в клетку реципиента. Во время генерализованной трансдукции бактериальная ДНК может случайно загружаться в фаговую головку. Во время специализированной трансдукции геномная ДНК, соседствующая с ДНК профага, коэксцируется и загружается в новый фаг. В качестве примера, мобилизация или перенос ARGs бактериофагами были документированы для различных бактериальных видов, например, носительство генов β-лактамаз бактериофагами в Escherichia coli (Billard-Pomares et al., 2014 ) и перенос антибиотикорезистентных плазмид в метициллин-резистентный золотистый стафилококк (MRSA) (Varga et al., 2012)
•
конъюгация-это процесс, требующий от клетки контакта с клеточной поверхностью через пили или адгезины, посредством которых ДНК передается от донорской клетки к клетке-реципиенту. Конъюгация MGEs, придающих АМР, наблюдалась во многих типах экосистем, начиная от переноса между бактериями в насекомых, почве и водной среде до различных пищевых и медицинских ассоциированных патогенов. Также был отмечен перенос плазмид и конъюгативных транспозонов, таких как семейство Tn916, между неродственными бактериями на большие таксономические расстояния, что указывает на то, что этот механизм вносит значительный вклад в распространение ARGs между различными резервуарами через такой широкий диапазон MG-носителей ( von Wintersdorff et al., 2016).
