Antybiotyki w wodach mechanizm działania, antybiotykooporność

Skutkiem rozwoju cywilizacyjnego jest stałe zwiększanie produkcji i konsumpcji leków. Naturalną konsekwencją takiego procesu jest przenikanie leków do środowiska. Antybiotyki, to związki chemiczne, które niszczą bakterie lub hamują ich wzrost bez negatywnego działania na organizm człowieka. Jedne powodują zahamowanie powstawania ścian komórkowych bakterii (bacytracyna, cefalosporyny, penicylina), inne hamują produkcję białek (chloramfenikol, tetracyklina), RNA (rifamycyna) i DNA (chinolony). Substancje działające przeciwbakteryjnie dzielą się na antybiotyki i chemioterapeutyki, a ze względu na zastosowanie dzielą się na bakteriobójcze i bakteriostatyczne. W dzisiejszych czasach około 700 000 ludzi na świecie umiera co roku w wyniku antybiotykooporności, a w samej Unii Europejskiej jest to 25 000 osób.

Mechanizmy antybiotykooporności: enzymatyczna hydroliza cząsteczki antybiotyku, enzymatyczna modyfikacja cząsteczki antybiotyku, reakcja by-pass, eff-lux. Mechanizmy nabywania oporności przez drobnoustroje na antybiotyki: mutacja czyli zmiany w trakcie syntezy powstającego DNA, które mogą skutkować lepszym przystosowaniem do warunków środowiskowych i obecności antybiotyków oraz horyzontalny transfer genów, który polega na wymianie informacji genetycznej między bakteriami z tego samego lub różnych gatunków, np. z bakteriami odpornymi na działanie antybiotyków. Proces polegający na pobraniu przez bakterię materiału genetycznego, który jest pozostałością po martwej bakterii, to transformacja.

Słowa kluczowe: antybiotyki, farmaceutyki w wodach, antybiotykooporność, podział antybiotyków

Wstęp

Skutkiem rozwoju cywilizacyjnego jest stałe zwiększanie produkcji i konsumpcji leków. Naturalną konsekwencją takiego procesu jest przenikanie leków do środowiska. Jednymi z najczęściej stosowanych farmaceutyków są niesteroidowe leki przeciwzapalne, których obecność w wodach stała się tematem wielu badań oraz powodem do niepokoju naukowców. Trwają prace nad określeniem wpływu tych leków na organizmy wodne oraz określeniem konsekwencji stałej ekspozycji na nie u ludzi [1-3]. Również środki chemioterapeutyczne są oznaczane w wodach. Głównym źródłem obecności antybiotyków w ściekach są odpady szpitalne, komunalne oraz pochodzące z hodowli zwierząt i rolnictwa. Antybiotyki, mimo że obecne w niewielkich stężeniach, rzędu ng/l i μg/l, stale są wprowadzane i utrzymują się trwale w środowisku wodnym, działając na wiele pokoleń organizmów wodnych [4, 5]. Największe zagrożenie mogą stwarzać fermy drobiu i trzody, gdzie antybiotyki stosuje się profilaktycznie i w leczeniu. Dodawane są często do paszy w celu przyspieszenia wzrostu. Obornik zanieczyszczony pozostałościami antybiotyków trafia na pola i może stać się przekaźnikiem pozostałości leków do wód powierzchniowych, gruntowych a nawet głębinowych. Obecność antybiotyków w środowisku wodnym i ciągła ekspozycja organizmów na ich działanie mogą mieć wpływ na zmiany genetyczne, np. bakterii, które szybko przystosowują się i mogą wykazywać uodpornienie na leki. Masowa produkcja antybiotyków na całym świecie sięga nawet 100 000 ton, a w Unii Europejskiej spożywa się ich ponad 3 000 ton rocznie [6-8].

Mechanizm działania antybiotyków

Antybiotyki to związki chemiczne, które niszczą bakterie lub hamują ich wzrost bez negatywnego działania na organizm człowieka. Jedne powodują zahamowanie powstania ścian komórkowych bakterii (bacytracyna, cefalosporyny, penicylina), inne hamują produkcję białek (chloramfenikol, tetracyklina), RNA (rifamycyna) i DNA (chinolony) (tab. 1).

…

..

Penicylinę, pierwszy antybiotyk, odkrył w 1928 roku Alexander Fleming – szkocki lekarz, który przypadkowo pozostawił w laboratorium szalki z bakteriami gronkowca. Odkrył, że pleśń Penicillum notatum, która powstała wokół kolonii gronkowca zahamowała jego wzrost.
Związek ten został przez Fleminga nazwany penicyliną. Ukoronowaniem tego doświadczenia była Nagroda Nobla w 1945 r. Antybiotyk ten pozwolił znacznie zmniejszyć
umieralność oraz uniknąć wielu powikłań spowodowanymi infekcjami bakteryjnymi.

Początkowo infekcje bakteryjne zwalczały małe dawki penicyliny, ale z czasem nie dawały już takiego efektu. Powodem była penicylinooporność, czyli stopniowe nabywanie odporności lub reakcji obronnej bakterii na penicylinę.

Wprowadzenie w latach 50. XX w. nowych antybiotyków, tj. streptomycyny, chloramfenikolu czy tetracykliny było uważane za największe odkrycie XX wieku, następne po penicylinie. Początkowo produkowane były one z naturalnych składników, ale w dzisiejszych czasach większość stosowanych antybiotyków jest produkowana syntetycznie. Aktualnie dostępnych jest około 200 antybiotyków, ale coraz mniej z nich jest skuteczne. Udowodniono, że nadużywanie lub nieumiejętne stosowanie spowodowało powstanie szczepów bakterii, które są odporne na działanie antybiotyków, a zakażenia bakteryjne nadal są powodem wielu zgonów.

Substancje działające przeciwbakteryjnie dzielą się na antybiotyki i chemioterapeutyki, a ze względu na zastosowanie dzielą się na substancje bakteriobójcze i bakteriostatyczne.
Do bakteriobójczych zaliczamy: β-laktamy, aminoglikozydy, chinolony, kotrimoksazol,glikopeptydy. Natomiast do bakteriostatycznych: makrolidy, linkozamidy, tetracykliny, chloramfenikol, trimetoprim, sulfonamidy. Miarą aktywności bakteriobójczej antybiotyku jest najmniejsza ilość potrzebna do zabicia bakterii MBC (Minimal Bacteriocidal Activity), natomiast hamowanie wzrostu, wstrzymanie procesów życiowych bakterii wyraża się w MIC (Minimal Inhibitory Concetration), czyli minimalne stężenie hamujące [6, 7].
Pojęcie farmakokinetyki antybiotyków oznacza zdolność leku do wchłaniania i penetracji do tkanek i narządów, dystrybucję w ustroju, metabolizm, kumulację i sposób wydalenia antybiotyku z organizmu.
Wymienione parametry są zmienne i zależne od:
—przyjętej dawki i rodzaju antybiotyku;
—sposobu podania − doustnie czy parenteralnie (pozajelitowo);
—wydolności narządowej, przede wszystkim wątroby i nerek;
—wieku pacjenta;
—leczonej choroby.
Są antybiotyki, które po podaniu doustnym ulegają wchłanianiu i osiągają odpowiednie stężenie terapeutyczne. Wygodne jest również podanie parenteralne (dożylne), jeżeli
wymaga tego stan pacjenta by osiągnąć odpowiednie stężenie bakteriobójcze. Wiele antybiotyków podawanych jest w formie nieaktywnej ze względu na nieprzyjemny smak
lub hydrolizę w kwaśnym pH soku żołądkowego. Antybiotyki takie w organizmach żywych ulegają transformacji do aktywnych metabolitów (np. dezacetylocefotaksym) i mniej aktywnych form niż pierwotnie podany lek. Mogą również metabolizować do form wykazujących właściwości toksyczne. Są antybiotyki, które po podaniu doustnym ulegają wchłanianiu i osiągają odpowiednie stężenie terapeutyczne. Wygodne jest również podanie parenteralne (dożylne), jeżeli wymaga tego stan pacjenta by osiągnąć odpowiednie stężenie bakteriobójcze. Wiele antybiotyków podawanych jest w formie nieaktywnej ze względu na nieprzyjemny smak lub hydrolizę w kwaśnym pH soku żołądkowego. Antybiotyki takie w organizmach żywych ulegają transformacji do aktywnych metabolitów (np. dezacetylocefotaksym) i mniej aktywnych form niż pierwotnie podany lek. Mogą również metabolizować do form wykazujących właściwości toksyczne.

W celu sprawdzenia działania pożądanego i uniknięcia toksycznego wykonuje się oznaczenie poziomu leku we krwi. Aminoglikozydy i wankomycyna to preparaty, których stężenie w surowicy musi być monitorowane ze względu na możliwość uszkodzenia nerek. Większość antybiotyków wydalanych jest z ustroju z moczem drogą filtracji kłębuszkowej. Stężenie antybiotyku w moczu przekracza kilkaset lub kilka tysięcy razy stężenie w surowicy.

Przy niewydolności lub niedojrzałości czynnościowej nerek należy zwiększyć odstęp czasowy między kolejno podawanymi dawkami i zmniejszyć stężenie leku, aby zmniejszyć niebezpieczeństwo kumulacji [6-8].

…

…

Do antybiotyków, które w formie niezmienionej są wydalane przez nerki, należą: acyklowir, aminoglikozydy, penicyliny, cefalosporyny, flucytozyna oraz tetracykliny.

Do antybiotyków wydalanych z żółcią należą: rifampicylina, makrolidy, piperacylina, cefoperazon, ceftriakson, mezlocylina, tetracyklina, klindamycyna, cefazolina amfoterycyna, ampicylina/amoksycylina/ klawulanian i kotrimoksazol. Stężenie leku wydalane z żółcią jest dużo wyższe niż w surowicy. Stosowanie antybiotyków, które są wydalane z żółcią często niszczy florę bakteryjną w wyniku czego dochodzi do polekowej biegunki, dlatego wskazane jest stosowanie probiotyków, szczególnie u dzieci.

Antybiotyki metabolizowane w wątrobie, to: chloramfenikol, norfloksacyna, kwas nalidyksowy, sulfonamidy, klindamycyna, pefloksacyna. Należy bardzo uważać na preparat, który jest stosowany przy niewydolności wątroby, gdyż zwiększa się koagulopatia (zaburzenia krzepnięcia krwi) i wzrasta poziom stężenia antybiotyku w surowicy.

Antybiotyki β-laktamowe stanowią grupę największą i najczęściej stosowaną. Można je podzielić na pięć grup: penicyliny, cefalosporyny, monobaktamy, karbapenemy oraz inhibitory β-laktamaz. Ich działanie przeciwbakteryjne polega na blokowaniu transpeptydaz PBP biorących udział w syntezie ściany komórkowej bakterii.

Penicyliny, to najstarsza grupa antybiotyków β-laktamowych. Do zalet stosowania penicylin można zaliczyć niską toksyczność narządową, dobrą efektywność bakteriobójczą przez dobrą penetrację do tkanek i narządów oraz szybką eliminację z ustroju. Jako zaletę można wymienić także możliwość bezpiecznego leczenia skojarzonego, np. z antybiotykami aminoglikozydowymi, gdzie stwierdzono wzmocnienie działania leku. Penicyliny skojarzone z inhibitorem β-laktamazy (kwas klawulanowy) wykazują szerokie spektrum działania.

Chociaż penicyliny należą do najbezpieczniejszych antybiotyków, mogą powodować reakcje niepożądane, m.in. wstrząs anafilaktyczny – silną reakcję alergiczną, która występuje u 0,004÷0,015% leczonych osób [7].

Antybiotyki aminoglikozydowe są metabolitami drobnoustrojów Streptomyces lub Micronospora, zbudowane są z dwóch lub trzech aminocukrów połączonych wiązaniami glikozydowymi z jądrem, którym jest streptydyna, która tworzy streptomycynę lub dwudezoksystreptamina tworząca gentamycynę. Antybiotyki te, łącząc się z rybosomami w sposób trwały, hamują syntezę białek bakterii. Spektrum ich działania obejmuje bakterie Gram(-), prątki gruźlicy, a niektóre wykazują także aktywność bakteriobójczą wobec gronkowca.

Antybiotyki nie są metabolizowane w ustroju i są wydalane w formie aktywnej przez nerki. Bardzo dobrze przebiega usuwanie podczas hemodializy, ale przy ciągłym kontrolowaniu stężenia leku we krwi. Aminiglikozydy uważane są za oto- i nefrotoksyczne, gdyż aminoglikozydy wiążą się z nabłonkiem kanalików nerkowych i wnikają do wnętrza komórki nabłonkowej. Uszkodzenie nerek jest odwracalne, natomiast uszkodzenia narządu słuchu już nie. Ryzyko toksycznego działania zwiększa się przy dłuższej terapii.

Tetracykliny, to antybiotyki składające się z czterech pierścieni karbocyklicznych o działaniu bakteriostatycznym. Mają podobny mechanizm działania jak antybiotyki aminoglikozydowe – blokują syntezę białka na poziomie rybosomu. Stosowane są przy leczeniu stanów zapalnych wywołanych przez Helicobacter pylori. Tetracykliny są wydzielane z żółcią do jelita, gdzie mogą ulegać ponownej absorpcji.

Doksycyklina jest wydalana z organizmu w 90% z kałem jako nieaktywny koniugat, reszta tetracyklin wydalana jest z moczem. Antybiotyki te powodują szereg działań niepożądanych, np. są hepatotoksyczne szczególnie przy niewydolności nerek, powodują zaburzenia ze strony układu pokarmowego, wywołują reakcje alergiczne. Nie powinny być stosowane u dzieci poniżej 9 roku życia [8].

Makrolidy, to m.in. erytromycyna, azytromycyna i spiramycyna. Oprócz działania przeciwbakteryjnego działają modulująco na układ odpornościowy, zmniejszają produkcję śluzu i blokują syntezę cytokin pozapalnych. Stężenie makrolidów jest kilkakrotnie wyższe w miąższu płucnym, migdałkach i błonie śluzowej zatok od stężenia w surowicy. Dlatego przy leczeniu górnych dróg oddechowych dają dobry efekt terapeutyczny. Antybiotyki makrolidowe wydalane są głównie przez przewód pokarmowy ze strony którego obserwuje się działania niepożądane. Powstała nowa generacja tej grupy antybiotyków o ulepszonej farmakokinetyce z lepszą penetracją do tkanek i wydłużonym okresem półtrwania biologicznego, tzn. z możliwością podania tylko jednej dawki na dobę [7].

Linkozamidy, to grupa antybiotyków o zbliżonym spektrum działania do makrolidów. W tej grupie są dwa związki pierwsza – linkomycyna i druga – klindamycyna o lepszej aktywności przeciwbakteryjnej, która powstała po modyfikacji chemicznej linkomycyny. Bardzo dobrze penetrują do tkanek, w tym tkanki kostnej, dlatego są często stosowane w leczeniu stomatologicznym. Metabolizowane w ustroju i wydalane głównie przez nerki i w niewielkim stopniu z żółcią.

Sulfonamidy i trimetoprim, to związki syntetyczne o działaniu bakteriostatycznym, działają tylko na namnażające się bakterie. Praktyczne zastosowanie znajduje najczęściej kotrimoksazol forma skojarzona trimetoprimu z sulfametoksazolem. Sulfonamidy są dobrze wchłaniane z przewodu pokarmowego i wydalane głównie z moczem (60÷90%). W organizmie ulegają acetylacji w wątrobie i wydalane są z moczem w nieaktywnej formie przeciwbakteryjnej. Chinolony i fluorochinolony są chemioterapeutykami o działaniu bakteriobójczym. Najbardziej aktywnymi związkami z tej grupy są ciprofloksacyna, norfloksacyna, ofloksacyna, stosowane np. na pałeczki ropy błękitnej. Fluorochinolony charakteryzuje dobra dostępność biologiczna i wyjątkowo długi okres półtrwania, co oznacza, że mogą być stosowane raz lub dwa razy na dobę. Dobrze penetrują do tkanek i płynów ustrojowych. Ciprofloksacyna w wyniku połączeniu z niesteroidowymi lekami przeciwzapalnymi może spowodować wystąpienie drgawek [6-8].

Oporność bakterii na antybiotyki

Już Fleming, jako pierwszy, zauważył, że kolejne pokolenia gronkowca złocistego, poddawanego działaniu penicyliny wytwarzają coraz bardziej nieprzepuszczalne dla penicyliny ściany komórkowe. Przewidział też możliwość wystąpienia antybiotykooporności. Już dziś niektóre drobnoustroje są oporne na wszystkie znane antybiotyki i mogą być zwalczane tylko przy użyciu eksperymentalnych leków, często o działaniu toksycznym.

Szczep bakterii Klebsiella pneu- moniae NDM, zwany New Delhi, lub superbakterią odpowiedzialny jest za groźne dla życia zapalenie płuc, zapalenie układu moczowego, zapalenie opon mózgowo-rdzeniowych i wielu innych chorób, doprowadza często do sepsy, która u co drugiego pacjenta kończy się śmiercią. Za mechanizm oporności tej bakterii odpowiada gen NDM-1 – New Delhi-metallo-beta-laktam-1, który ko- dując enzymy przede wszystkim metalo-beta-laktamazy unieszkodliwia prawie wszystkie antybiotyki. Został on opisany w 2009 roku w Szwecji, po wyizolowaniu bakterii z moczu pacjenta, który wrócił z podróży do New Delhi. Okazało się, że bakterie były oporne na wszystkie antybiotyki z wyjątkiem tigecykliny i kolistyny.

Od 2009 roku wykryto już wiele szczepów z rodziny Enterobacte- riaceae: Escherichia coli, Acinetobacter baumannii i Pseudomonas aeruginosa, które wykazują taki sam mechanizm oporności. Ta informacja dowodzi o przenoszeniu genów kodujących enzymy NDM-1 między szczepami. W Polsce śmiertelny przypadek odnotowano w 2011 roku u 53-letniego pacjenta, który trafił na OIOM do warszawskiego szpitala po podróży do Konga. Zmarł w wyniku infekcji szczepem E. coli NDM-1 na niewydolność wielonarządową.

Opisany wyżej problem może stanowić ogromne zagrożenie epidemiologiczne dla zdrowia publicznego. Szacuje się, że jeśli nie zmienimy podejścia do stosowania antybiotyków, to około 2050 roku zakażenia będą przyczyną większej liczby zgonów niż nowotwory [8-14].

Mechanizmy nabywania oporności przez drobnoustroje na antybiotyki:

• Mutacja, czyli zmiany w trakcie syntezy powstającego DNA, które mogą skutkować lepszym przystosowaniem do warunków środowiskowych i obecności antybiotyków. W wyniku tego mechanizmu powstają bakterie zmienione, czyli zmutowane i niezmutowane. Te zmienione wypierają te drugie i mogą się szybko namnażać.
• Horyzontalny transfer genów polega na wymianie informacji genetycznej między bakteriami z tego samego lub różnych gatunków, np. z bakteriami odpornymi na działanie antybiotyków. Proces polegający na pobraniu przez bakterię materiału genetycznego, który jest pozostałością po martwej bakterii to transformacja.

Mechanizmy antybiotykoodporności:

• Enzymatyczna hydroliza cząsteczki antybiotyku polega na przekształceniu (inaktywacji) antybiotyku poprzez zmianę struktury leku. Przykładem może być pałeczka ropy błękitnej Pseudomonas aeruginosa odpowiedzialna za zakażenia dróg oddechowych, moczowych, opon mózgowo-rdzeniowych, kości, czy posocznicę. Bakteria ta wytwarza enzymy hydrolityczne β-laktamazy, które dezaktywują antybiotyki β-laktamowe, np. penicylinę.
• Enzymatyczna modyfikacja cząsteczki antybiotyku. Przykładem może być inaktywacja cząsteczki aminoglikozydów lub chloram- fenikolu przez zmianę struktury pod wpływem enzymów bakteryjnych następuje hamowanie działania leku.
• Reakcja by-pass – polega na wytworzeniu przez drobnoustrój alternatywnego szlaku metabolicznego, który został zablokowany przez antybiotyk lub chemioterapeutyk – np. sulfonamidy.
• Eff-lux to proces aktywnego usuwania antybiotyku na zasadzie pompy. Przykładem mogą być tetracykliny, które są usuwane z komórek bakterii przy pomocy pomp białkowych.

Bakterie, jak wszystkie organizmy, przystosowują się do zmieniających się warunków. Przedstawione wyżej mechanizmy stwarzają wiele problemów w walce z coraz większą opornością bakterii na antybiotykoterapie. Obecność antybiotyków w wodach dodatkowo pozwala bakteriom na wytwarzanie mechanizmów odpornościowych i skutecznie utrudnia walkę z nimi [8, 13-15].

…

Literatura
[1] Wanot Bartosz, Domagała Marta: Zanieczyszczenia wody niesteroidowymi lekami przeciwzapalnymi (NLPZ). Technologia Wody, 2018, 6 (62): 52-57.
[2] Wanot Bartosz: Kontrola jakości wody. Technologia Wody, 2018, 2 (58): 52-55.
[3] Domagała Marta, Wanot Bartosz: Wpływ niesteroidowych leków przeciwzapalnych (NLPZ) na środowisko wodne oraz metody ich usuwania z wód. Technologia
Wody, 2019, 1 (63): 46-49.
[4] Czech Bożena: Usuwanie farmaceutyków z wód i ścieków z wykorzystaniem metod adsorpcyjnych i fotokatalitycznych. Adsorbenty i katalizatory: wybrane technologie, a środowisko, Uniwersytet Rzeszowski, 2012, 443-452.
[5] Zhang Lili et al.: Degradation of paracetamol by pure bacterial cultures and their microbial consortium. Applied microbiology and biotechnology, 2013, 97.8: 3687-3698.
[6] Wanot Bartosz: Obecność antybiotyków w wodach jako jedna z przyczyn lekooporności. Technologia Wody, 2017.
[7] Dzierżanowska Danuta et al.: Antybiotykoterapia praktyczna. &-medica Press, 2018.
[8] Kozińska Aleksandra, Sitkiewicz Izabela: „Nowie” i „stare” antybiotyki-mechanizmy działania i strategie poszukiwania leków przeciwbakteryjnych. Kosmos,
2017, 66.1: 109-124.
[9] Zalewska M. et al.: Skutki nadużycia antybiotyków w chowie zwierząt. Przegląd Hodowlany, 2017, 85.6.
[10] Stec Marcin: Antybiotyki w hodowli organizmów wodnych. Słupskie Prace Biologiczne, 2015, nr 12, s. 209-216.
[11] Giedrojc-Brzana U., Kosek-Paszkowska Katarzyna, Rudy Andrzej: Problemy Inspekcji Weterynaryjnej przy nadzorowaniu stosowania antybiotyków
w leczeniu zwierząt gospodarskich. Życie Weterynaryjne, 2017, 92.01.
[12] Rozanska H., Osek Jacek: Prawne i praktyczne aspekty kontroli pozostałości substancji przeciwbakteryjnych w mleku. Życie Weterynaryjne, 2016, 91.06.
[13] Matynia Bożena: Współpraca transatlantycka w aspekcie lekooporności drobnoustrojów. Zakład Epidemiologii I Mikrobiologii Klinicznej, Narodowy Instytut
Leków w Warszawie 2013; 1.
[14] Czekaj Tomasz, Ciszewski Marcin: Klebsiella pneumoniae NDM – nowa superbakteria. Med. Rodz., 2015, 1: 23-27.
[15] Bartoszewicz Maria, Michalska Małgorzata, Cieszyńska Monika: Antybiotykooporność bakterii heterotroficznych jako skutek zanieczyszczenia środowiska.
Medycyna Środowiskowa – Environmental Medicine, 2014, 17.4: 38-46.

…

mrg Marta Domagała

Akademia Polonijna, Instytut Zdrowia i pielęgniarstwa

dr n. med. Bartosz Wanot

Politechnika Częstochowska, Wydział Infrastruktury i Środowiska, Instytut Inżynierii Środowiska

…

…

Źródło: Technologia Wody nr 2/2019

…

Polecamy publikacje Wydawnictw Seidel-Przywecki