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ANTIMICROBIAL RESISTANCE (AMR): MECCANISMI DI INSORGENZA – Pt. 1

Dopo aver analizzato quali siano le motivazioni genetiche alla base dell’insorgenza della AMR, è necessario approfondire quali siano i meccanismi che i batteri mettono in atto per difendersi dall’azione dei farmaci antibiotici.

Per farlo, ripartiremo dal concetto di Mutational Resistance (MR).

La MR si verifica quando, a partire da una popolazione batterica suscettibile a un dato antibiotico, si viene a creare un sottogruppo di batteri che sviluppa mutazioni genetiche che influenzano l’attività dell’antibiotico stesso. Si verifica, così, l’aumento del tasso di sopravvivenza della popolazione batterica mutata in seguito all’esposizione ad un agente antibiotico rispetto a quella dei batteri che non hanno sviluppato la mutazione.

In molti casi, i cambiamenti mutazionali che portano alla resistenza sono costosi per l’omeostasi cellulare e vengono mantenuti solo se necessario, ovvero in presenza dell’antibiotico.

In generale, le mutazioni che determinano resistenza antimicrobica alterano l’azione antibiotica attraverso uno dei seguenti meccanismi:

  1. modifiche al target antimicrobico;
  2. una diminuzione dell’assorbimento del farmaco e/o attivazione dei meccanismi di efflusso per estrudere la molecola dannosa dalla cellula batterica;
  3. cambiamenti e/o bypass dei siti bersaglio;
  4. cambiamenti globali in importanti vie metaboliche attraverso la modulazione delle reti di regolazione.

MODIFICHE AL TARGET ANTIMICROBICO

Una delle strategie batteriche di maggior successo per far fronte alla presenza di antibiotici è quella di produrre enzimi che inattivano il farmaco aggiungendo specifici gruppi funzionali al composto o che distruggono la molecola stessa, rendendo l’antibiotico incapace di interagire con il suo obiettivo.

Modifiche strutturali della molecola antibiotica

La produzione di enzimi in grado di introdurre cambiamenti chimici nella molecola antimicrobica è un noto meccanismo di resistenza agli antibiotici acquisita sia dai batteri gram-negativi che dai batteri gram-positivi.
La maggior parte degli antibiotici colpiti da queste modifiche enzimatiche esercitano il loro meccanismo d’azione inibendo la sintesi proteica a livello di ribosoma.

Sono stati descritti molti tipi di enzimi modificanti le molecole antibiotiche e le reazioni biochimiche più frequenti che catalizzano includono:

  • acetilazione (aminoglicosidi, cloramfenicolo, streptogramine);
  • fosforilazione (aminoglicosidi, cloramfenicolo);
  • adenilazione (aminoglicosidi, lincosamidi).

Indipendentemente dalla reazione biochimica, l’effetto risultante è spesso legato all’ostacolo sterico che diminuisce l’affinità del farmaco per il suo target.

Uno dei migliori esempi di questo meccanismo di resistenza è la produzione da parte dei batteri di enzimi modificanti aminoglicosidi (AME) che modificano covalentemente i gruppi idrossilici o aminoacidici della molecola aminoglicoside.

La nomenclatura per classificare i diversi AME considera la loro attività biochimica (acetiltransferasi [ACC], adeniltransferasi [ANT] o fosfotransferasi [APH]), il sito della modifica (che è raffigurato da un numero da 1 a 6 corrispondente al particolare carbonio sull’anello di zucchero) e un apostrofo singolo o doppio per simboleggiare che la reazione si verifica nel primo o nel secondo gruppo funzionale dello zucchero, rispettivamente. Inoltre, ogni volta che c’è più di un enzima che catalizza la stessa reazione, viene utilizzato un numero romano per differenziarli.

 

Rappresentazione di diversi tipi di enzimi che modificano gli aminoglicosidi e la loro nomenclatura.
Rappresentazione di diversi tipi di enzimi che modificano gli aminoglicosidi e la loro nomenclatura.

 

Un altro esempio di alterazione enzimatica di un antibiotico include la modifica del clorafemicolo, un antibiotico che inibisce la sintesi proteica interagendo con il centro di trasferimento peptidile della subunità 50S ribosomale. La modifica chimica del cloramfenicolo è principalmente mediata dall’espressione di enzimi acetiltransferasi noti come CATs (cloramfenicolo-acetiltransferasi).

 

Cloramfenicolo.
Cloramfenicolo.

 

Distruzione della molecola antibiotica

Questo meccanismo di resistenza si verifica quando un batterio è in grado di produrre enzimi capaci non solo di alterare la struttura di una molecola ad attività antibiotica, ma addirittura di distruggerla.

L’esempio più chiaro per spiegare questo tipo di resistenza è quello che coinvolge la resistenza agli antibiotici β-lattamici (penicilline e cefalosporine).

I batteri resistenti a queste classi di antibiotici producono degli enzimi, detti β-lattamasi, che distruggono il legame amidico dell’anello β-lattamico, determinandone l’apertura e la conseguente perdita di attività della molecola.

 

Azione dell’enzima β-lattamasi
Azione dell’enzima β-lattamasi

 

L’insorgenza di questo meccanismo di resistenza ha determinato l’inizio della ormai infinita ricerca di nuovi antibiotici per contrastare le infezioni causate da batteri produttori di β-lattamasi.

Infatti si è visto che, nei batteri capaci di produrre questi enzimi come, ad esempio S. Aureus, il gene codificante per gli enzimi penicillinasi si trasmette tramite plasmidi tra i diversi ceppi di S. Aureus. La diretta conseguenza di ciò è la continua produzione di nuove molecole resistenti alle penicillinasi a cui, però, si succede la rapida e prevedibile insorgenza del fenomeno della resistenza batterica.

Ad oggi sono state descritte più di 1.000 β-lattamasi diverse, come parte del normale processo di evoluzione batterica.

Nel tentativo di raggruppare questo gran numero di enzimi sono stati proposti due principali schemi di classificazione:

  • la classificazione Ambler si basa sull’identità della sequenza di amminoacidi e separa le β-lattamasi in 4 gruppi (A, B, C e D).
  • la classificazione Bush-Jacoby divide le β-lattamasi in 4 categorie (ciascuno con diversi sottogruppi) in base alla loro funzione biochimica, principalmente sulla base della specificità del substrato.

 

MODIFICHE NEI PROCESSI DI ASSORBIMENTO E DI EFFLUSSO DEL FARMACO

Diminuzione della permeabilità di membrana

Molti degli antibiotici utilizzati nella pratica clinica hanno bersagli batterici intracellulari o, in caso di batteri gram-negativi, situati nella membrana citoplasmica (la membrana interna). Pertanto, il composto deve penetrare nella parete esterna e/o citoplasmica al fine di esercitare il suo effetto antimicrobico. I batteri hanno sviluppato meccanismi per impedire all’antibiotico di raggiungere il suo obiettivo intracellulare o periplasmico diminuendo l’assorbimento della molecola antimicrobica.

Questo meccanismo è particolarmente importante nei batteri gram-negativi, limitando l’afflusso di sostanze dall’ambiente esterno. Infatti, la parete esterna agisce come la prima linea di difesa contro la penetrazione di più composti tossici per il batterio stesso. Le molecole idrofile come i β-lattamici, le tetracicline e alcuni fluorochinoloni sono particolarmente colpite dai cambiamenti nella permeabilità della membrana esterna. Questo perchè spesso utilizzano canali di diffusione idrofili noti come porine per attraversare questa barriera. Quindi se ne deduce che cambiamenti nel numero o nella tipologia di porine a livello della parete delle cellule batteriche comporta anche variazioni della concentrazione di farmaco che è in grado di svolgere la sua attività antibatterica.

Le porine si classificano in base alla loro struttura (trimerica o monomerica), alla loro selettività e alla regolazione della loro espressione.

Tra le porine più caratterizzate abbiamo quelle prodotte da E. coli (conosciute come OmpF, OmpC e PhoE) e P. aeruginosa (OprD, nota anche come proteina D2) che rappresentano esempi classici di resistenza agli antibiotici mediata dalla porine.

Le alterazioni che coinvolgono le porine possono essere riassunte in tre punti:

1) uno spostamento del tipo di porine espresse;

2) un cambiamento del livello di espressione delle porine;

3) compromissione della funzione delle porine.

 

Parete cellulare dei batteri Gram + e Gram -.
Parete cellulare dei batteri Gram + e Gram -.

Pompe di efflusso

La produzione da parte dei batteri di complessi proteici in grado di estrudere un composto tossico dalla cellula può anche provocare resistenza agli antimicrobici.

La descrizione di un sistema di efflusso in grado di estrudere la tetraciclina dal citoplasma di E. coli risale ai primi anni ’80 ed è stata tra le prime ad essere descritta. Da allora, molte classi di pompe di efflusso sono state descritte in patogeni sia gram-negativi che gram-positivi.

Questi sistemi possono essere specifici per un substrato (per un particolare antibiotico come i determinanti tet per la tetraciclina e i geni mef per i macrolidi negli pneumococci) o con un’ampia specificità del substrato, che di solito si trovano nei batteri Multi Drug Resistant.

Questo meccanismo di resistenza colpisce una vasta gamma di farmaci antibiotici tra cui inibitori della sintesi proteica, fluoroquinoloni, β-lattami, carbapenemi e polimixine.

Ci sono 5 grandi famiglie di pompe di efflusso:

1) la major facilitator superfamily (MFS);

2) la piccola famiglia di resistenza multifarmaco (SMR);

3) la famiglia di resistenza-nodulation-cell-divisione (RND);

4) la famiglia di ATP-binding cassette  (ABC);

5) la famiglia degli estrusioni multifarmaco e composti tossici (MATE).

Queste famiglie differiscono in termini di conformazione strutturale, fonte di energia, gamma di substrati che sono in grado di estrudere e nel tipo di organismi batterici in cui sono distribuiti.

La resistenza alla tetraciclina è uno dei classici esempi di resistenza mediata dall’efflusso, dove le pompe tet efflux (appartenenti alla famiglia MFS) estrudono le tetracicline utilizzando lo scambio di protoni come fonte di energia. Questo meccanismo di resistenza nei confronti delle tetracicline è diffuso soprattutto tra i batteri Gram -.

 

Pompa di efflusso.
Pompa di efflusso.

FONTI

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/27227291/

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4759269/

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Dott.ssa Laura Idotta
Dott.ssa Laura Idotta

Laureata in Farmacia. Study Coordinator in Oncologia presso l’Ospedale Niguarda

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