Antibiotika och antibiotikaresistens 2020 OM6540 EL.pdf: OM6540 V20 Anatomi, fysiologi, farmakologi och mikrobiologi

Antibiotika och

antibiotikaresistens

Erika Lindberg OM6540 2020-03-13 erika.lindberg@gu.se



Introduktion - historik



Verkningsmekanismer



Antibiotikagrupper



Resistensmekanismer

Före antibiotikan

pest

tuberkulos

syfilis

barnsängsfeber

lunginflammation

Hög dödlighet i bakterieinfektioner

Varifrån kommer antibiotika?

De flesta antibiotika är ursprungligen

naturliga ämnen som bildas av bakterier

eller svampar. Dessa ämnen har ofta

förändrats på kemisk väg för att kunna

fungera som läkemedel.

Vad är antibiotika?

Antibiotika är ett samlingsbegrepp för de

läkemedel som används för att behandla

infektioner som beror på bakterier.

Hur verkar antibiotika?

• Selektiv effekt

• Antibiotika attackerar strukturer som är

unika för bakterier eller ser annorlunda ut

hos bakteriecellen än hos våra celler

Antibiotika spektrum

– smalt-spektrum

– effektivt på ett litet antal

mikrober

*Angriper en specifik cellkomponent som bara finns i vissa bakterier

– bred-spektrum

– brett aktivitets område

*Angriper cellkomponenter som är vanliga hos de flesta patogena bakterierna

Det ideala antibiotikumet

• Toxiskt för bakterier men ej för våra celler

• Baktericid hellre än bakteriostatisk

• Relativt lösligt; funktionellt även vid utspädning i

kroppsvätskor

• Liten risk för antibiotikaresistensutveckling

• Hjälper eller kompletterar immunförsvaret

• Förblir aktivt i vävnader och kroppsvätskor

• Verksamt i den infekterade lokalen

• Relativt prisvärt

Paul Ehrlich, början av

1900-talet:

Testade olika ämnen för selektiv effekt mot syfilisbakterien:

Treponema pallidum

Salvarsan – 606 (1909)

arsenikpreparat Effekt mot syfilis

Svåra biverkningar

- hud, lever, njurar

Paul Ehrlich 1854-1915 Nobelpris 1908

Blev snabbt världens mest sålda läkemedel

Sulfa

Gerard Domagk 1895-1964 Nobelpris 1939

Gerard Domagk, 1935

Prontosil rubrum - färgämne

effekt mot bakterieinfektioner hos djur och människa

sulfanilamid

(aktiv substans)

Penicillin

Från Penicillum notatum

Alexander Fleming:

Upptäckte penicillin 1928

Ett ämne från mögelsvampen

Penicillum notatum hindrade stafylokocker från att växa

Bensyl-penicillin

Framställning och rening av penicillin, 1940-tal

Klinisk användning sedan 1940-tal Få biverkningar!

Florey & Chain

Penicillin

Det första betalaktam-antibiotikumet

Betalaktam-ring

Betalaktam-antibiotika: penicilliner cefalosporiner monobaktamer

tienamyciner-karbapenermer Betalaktam-antibiotika har räddat miljontals liv

1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000

Introduktion av nya grupper av antibiotika

Sulfa Tetracykliner Penicilliner Aminoglykosider Makrolider Glycopeptider Streptograminer Kloramfenikol Kinoloner Trimetoprim Linkosamider Oxazolidinoner

Gram-positiva bakterier

Gram-negativa bakterier

KOCKER: Stafylokocker(Staphylococcu s aureus och KNS) Streptokocker Enterokocker Pneumokocker STAVAR: Listeria monocytogenes Corynebacterium diphteriae KOCKER: Neisseria meningitidis Neisseria gonorrhoeae STAVAR: Haemophilus influenzae Bordetella pertussis Enterobakterier: Escherichia

coli, Klebsiella, Enterobacter,

Proteus

Salmonella, Shigella, Campylobacter

Pseudomonas Acinetobacter

Antibiotikas verkningssätt

1. Förhindrar cellväggssyntes

2. Påverkar cellmembranets funktion

(svampmedel)

3. Interfererar med proteinsyntes

4. Interfererar med DNA-funktioner

5. Interfererar med RNA-syntes

Betalaktam-antibiotika

Våra viktigaste antibiotika – förhindrar

cellväggssyntes

Mer än hälften av all antibiotika som används i sjukvården

”Betalaktamer”

Bakteriernas cellvägg

Cellmembran Peptidoglykan Lipoteikoinsyra Teikoinsyra Membranproteiner Membranproteiner Porin Lipopolysackarid Ytproteiner

Beta-laktam-antibiotika, glykopeptider påverkar cellväggssyntesen Ingen effekt mot bakterier som saknar cellvägg; tex Mykoplasma

1.Cellväggssyntesen

• PBP- penicillin-bindande-protein

Transpeptidaser, enzymer som korsbinder peptidoglykan-kedjor och stabiliserar cellväggen. Många olika PBPs i varje bakterieart.

Betalaktamantibiotika påverkar PBP, glykopeptider påverkar acyl-D-alanyl-D-alanin

Betalaktam-antibiotika påverkar cellväggssyntesen

PBP

PBP- penicillin-bindande-protein,

tanspeptidaser enzym som korsbinder peptidoglykan-kedjor och stabiliserar cellväggen

Finns många PBPs med olika funktioner

Beta-lactam

Binder till PBP och

hindrar korsbindning av peptidoglykankedjor = instabil cellvägg

Betalaktam-antibiotika

Penicilliner

Stor grupp av besläktade antibiotika med samma verkningsmekanism

Cefalosporiner

Karbapenemer

Från mögelsvamp:

Penicillum

Våra mest använda antibiotika Många olika sorter

Från mögelsvamp:

Cephalosporium

Används mycket i slutenvård Många olika sorter

Från jordbakterier:

Streptomyces

Penicilliner

Vanligt penicillin (smalt spektrum)

Penicillin G (bensylpenicillin)

Penicillin V (fenoximetylpenicillin)

Bredare penicilliner (bredare spektrum)

Ampicillin Amoxicillin

Streptokocker, pneumokocker

som ovan

+ Haemophilus influenzae , enterokocker, Listeria

Penicillinas-stabila penicilliner (stafylokockpenicilliner) Isoxazolylpenicilliner:

Cefalosporiner tablettform

Cefadroxil

Cefalosporiner

S. aureus, Streptokocker (E. coli)

Cefotaxim Ceftazidim

Cefalosporiner intravenöst

Ej anaerober

Utbredd användning ger snabb resistensutveckling!

Meropenem

Imipenem

Karbapenemer

Mycket, mycket brett antibakteriellt spektrum Ges vid livshotande infektioner, IVA (innan man vet orsakande bakterie)

Glykopeptidantibiotika

• Vancomycin och teikoplanin

• Ursprung Streptomyces toyocaesis

• Stora klumpiga molekyler (kan ej passera

G-yttre cellmembran

• Binder till terminala D-alanin och hindrar

korsbindning mellan peptidoglykankedjorna

Vancomycin

• Icke betalaktam cellväggsinhiberare

• Smalt spektrum

• Ges vid stafylokockinfektion med penicillin

och methicillin resistens eller penicillin

allergi

• Giftig och svår att administrera

• Restriktiv användning

Betalaktamer vs. betalaktamaser

• Betalaktamer är antibiotika dvs.

penicilliner, cefalosporiner, karbapenemer

Gemensam struktur är betalaktamringen

• Betalaktamaser är bakterieenzymer som

kan attackera betalaktamringen och

inaktivera antibiotika. Ett mycket stort antal

sådana enzym finns

2. Påverkar cellmembranets

funktion

• En bakterie kan inte leva med skadat

membran.

• Antibiotika specifika för en viss typ av

bakteriers lipider i membranet.

• Polymyxiner interagerar med fosfolipider

och orsakar läckage, speciellt i

Gram-negativer.

 Aminoglykosider ribosomens 30S subenhet

(tobramycin, gentamycin, amikacin)

 Tetracykliner

(tetracyklin, doxycyklin)

 Makrolider ribosomens 50S subenhet

(erytromycin, klaritromycin, azitromycin)

 Linkosamider (klindamycin)

 Kloramfenikol

 Linezolid

3. Interfererar med proteinsyntes

Kan blockera syntes av nukleotider, inhibera replikation eller stoppa transkription

50S 30S aa aa mRNA 50S 30S aa aa mRNA 50S 30S aa aa mRNA 50S 30S aa aa mRNA Aminoglykosider – mRNA läses fel, ej korrekt protein Kloramfenikol – formation av peptidkedjan blockeras Erytromycin- Ribosomen förhindras att translokera Tetracyklin -blockerat tRNA, ingen proteinsyntes

Antibiotika som hämmar bakteriers proteinsyntes

Aminoglykosider tobramycin gram-negativa aeroba bakterier Tetracykliner doxycyklin mkt brett spektrum

Linkosamider klindamycin gram-positiva aeroba bakterier anaeroba bakterier

Antibiotikagrupp Antibiotika

t.ex

spektrum

4. Inteferera med DNA syntes

• Kan blockera syntes av nukleotider, inhibera

replikation eller stoppa transkription

– Kinoloner DNA-gyras, topoisomeras IV (norfloxacin, ciprofloxacin)

– Metronidazol skadar DNA

”Förpackning” av DNA hos bakterier

Bakteriens kromosom är cirkulär och ”supercoilad”

Negativ supercoiling gör själva DNA-molekylen något upplindad - lättare att kopiera och avläsa

gör att DNA-molekylen bildar ett sammanhållet ”nystan”

”Supercoiling” regleras av topoisomeraser DNA-gyras - negativ supercoiling

5. Interfererar med RNA-syntes

Enzymer inblandade i RNA-syntesen ser olika ut hos bakterier och eukaryota celler

Rifamyciner blockerar bakteriellt RNA-polymeras

Påverkan på DNA/RNA

DNA - Kinoloner - Nitroimidazoler - Nitrofurantion RNA - Rifampicin Kinoloner Nalidixinsyra (1960-talet)

Fluorokinoloner (1980-talet) Ciprofloxacin, Moxifloxacin

Kinoloner binder till DNA-gyras och hindrar återligering av de avklippta DNA-strängarna

Ciprofloxacin, enda perorala ab mot Pseudomonas Snabb bactericid effekt, koncentrationsberoende

Nitroimidazoler

Metronidazol – mot anaeroba bakterier

Nitrofurantion

Syntetiskt läkemedel från 50-talet

Ofullstädigt kartlagd verkningsmekanism

Reagerar med DNA och ribosomala proteiner

Rifamycider

Rifampicin binder till RNA-polymeras innan det bundit till DNA – förhindrar DNA-transkription

6. Förhindrar folsyrasyntes

• Folsyra är livsviktigt för bakterier

–

fungerar som ett koenzym vid viktiga kemiska processer i bakterien

–

tetrahydrofolsyra är nödvändigt för syntes av baserna i DNA och RNA

– Bakterier kan inte ta upp folsyra utan måste syntetisera det själva

Bakterier måste syntetisera folsyra

2-amino-4hydroxy- paraamino-

dihydropteroin-dihydropteroin- bensoesyra syra

pyrofosfat (PABA)

dihydropteroin- glutamat folsyra

folsyra dihydrofolsyra

Dihydrofolsyra tetrahydrofolsyra

Sulfa och trimetoprim påverkar folsyrasyntesen

Dihydropteroat syntetas + + Enzymer + Koenzymer Dihydrofolat-reduktas Sulfonamider Trimetoprim

Folsyre-antagonister

Trimetoprim

Går på både G+ och G- bakterier tex stafylokocker och enterobakterier

Trimetorpim-sulfametoxazol

Gram pos och Gram neg bakterier samt Toxoplasma gondii

Antibiotikas antibakteriella mekanismer

Påverka cellväggssyntesen betalaktam glykopeptider Påverka proteinsyntesen aminoglykosider

tetracykliner makrolider kloramfenikol Påverka DNA-funktioner kinoloner

nitrofurantoin Påverka RNA-syntes rifamyciner

Resistens mot antibiotika

Naturlig, ”intrinsic” resistens

• Avsaknad av cellvägg gör Mycoplasma okänsliga för b-laktamantibiotika

• Yttre membranet hos gramnegativa bakterier gör dem okänsliga för

vankomycin

Förvärvad resistens Mutationer eller upptag av genetiskt material från andra bakterier medför resistens mot ett eller flera antibiotika:

• minskat upptag av antibiotika

• ökad utpumpning av antibiotika ”efflux” • enzymatisk inaktivering av antibiotika • förändrade målstrukturer för antibiotika

Varför uppstår antibiotikaresistens?

Selektionstryck pga antibiotikaanvändande inom • Humanmedicin

• Veterinärmedicin

• Djuruppfödning (tillväxtfaktorer) • Jordbruk

Varför persisterar antibiotikaresistens?

• resistensgener selekteras tillsammans med andra gener • kompensatoriska mutationer ger minskad ”kostnad”

Gramnegativer _{Grampositiver} PBP PBP Resistensmekanismer 1. Inaktiverarande enzymer: b-laktamaser aminoglykosidmodifierande enzym kloramfenikol acetyltransferas

2. Minskat upptag av antibiotika

poriner minskat upptag b-laktamer minskat upptag aminoglykosider

3. Utpumpning, ”efflux” tetracykliner, b-laktamer makrolider, amnoglykosider kinoloner, kloramfenikol 4. Förändrade målstrukturer PBP: b-laktamer ribosomstrukturer: tetracyklin, makrolider

enzymer: sulfa, trimetorprim, kinoloner, rifampin 50s 30s DHFR DHPS DNA gyras RNA polymeras 1 1 1 1 2 3 3 3 4 4 4 4 4 4 ₄

De vanligaste typerna av resistens mot olika antibiotika

Antibiotika Verkningsmekanism Resistensmekanism

b-laktamantibiotika förhindrar cellväggssyntes b-laktamaser,

förändrat ”target”

Glykopeptider förhindrar cellväggssyntes förändrat ”target”

Aminoglykosider förhindrar proteinsyntes (30S) inaktivering

Makrolider förhindrar proteinsyntes (50S) förändrat ”target”

efflux Tetracykliner förhindrar proteinsyntes (tRNA/50S) efflux

skydd av ”target”

Kinoloner förhindrar replikation (DNA-gyras) förändrat ”target”

efflux/minskat upptag

Resistens mot beta-laktamantibiotika

• b-laktamaser - enzym som inaktiverar antibiotika • förändrade PBP (penicillin-bindande proteiner)

• aktiv utpumpning av antibiotika – efflux

Beta-laktamaser

Enzymer som hydrolyserar beta-laktamringen

Förekommer hos både grampositiver och gramnegativer Vanligaste typen av antibiotikaresistens

>300 olika, varierande spektrum

Gener för b-laktamaser överförs med plasmider, transposomer Nya beta-laktamaser uppstår via mutationer

E. coli S. aureus Moraxella

Klebsiella S. epidermidis H. Influenzae

Pseudomonas enterokocker gonokocker

Bacteroides Bacillus Neisseria

Extended spectrum b-lactamases, ESBL

• Förekommer hos E. coli, Klebsiella och andra Enterobacteriaceae,

Pseudomonas.

• Inaktiverar 3:e generationens cefalosporiner (ceftazidim, cefotaxim, cefpodoxim), och monobaktamer (aztreonam). Inhiberas av

klavulansyra.

• Har uppkommit genom punktmutationer i gener för b-laktamaser med smalare spektrum: TEM-1, TEM-2 från E. coli, SHV-1 från Klebsiella. AmpC från Klyuvera (CTX), OXA från Pseudomonas.

• >90 TEM-ESBL, >40 SHV-ESBL har beskrivits. Sprids via plasmider, transposomer, integroner.

• Utgör ett ökande problem vid behandling av infektioner orsakade av gramnegativa bakterier.

Resistens mot beta-laktamer hos S. aureus

• Nedsatt känslighet för vanligt penicillin

penicillinase (c:a 80% av alla stammar)

• Nedsatt känslighet för penicillinas-stabilt Pc (MRSA)

mecA-genen

kodar för nytt PBP2 (PBP2a) som ej binder oxacillin

mecI och mecRI – regulatoriska gener

belägna i S. aureus kromosom från S. sciuri

Multiresistenta MRSA (meticillin-resistenta S. aureus):

MRSA förekommer främst på sjukhus, sjukhem och vårdhem MRSA är ofta resistenta även mot andra stafylokockmedel (klindamycin, aminoglykosider, fusidinsyra, erytromycin)

MRSA utomlands är ofta känsliga bara för

vankomycin/teikoplanin

• Enzymer (betalaktamaser) som bryter ner karbapenemer, och oftast även penicilliner och cefalosporiner

• ESBL_CARBA sprids med plasmider

• ESBL_CARBA är anmälningspliktiga både från lab och kliniken, och smittspårningspliktiga

Ökad spridning i takt med ökad användning av karbapenemer

• Förekommer hos t.ex. E. coli, Klebsiella

Fall med ESBL

_CARBA

i Sverige

Pneumokocker med nedsatt penicillin-känslighet

• har troligen plockat upp genfragment från alfastreptokocker i normalfloran (transformation)

• har förändrat sina penicillin-bindande proteiner (PBP) så att de påverkas mindre av penicillin

• Dessa genfragment har förändrat pneumokockens gener för penicillin-bindande proteiner (PBP), så att PBP binder mycket sämre till penicillin

Resistensmekanism: sista aminosyran i peptidkedjan är ersatt med laktat (mjölksyra)

Vankomycin kan inte binda

• Enterokocker är naturligt resistenta mot bl.a

cefalosporiner och aminoglykosider, förvärvar lätt annan resistens

• VRE påvisades först 1986

• VRE är ofta samtidigt resistenta mot

b-laktamantibiotika, aminoglykosider, kinoloner

• VRE-utbrott med stammar resistenta mot samtliga tillgängliga antibiotika har beskrivits från USA

• VRE är anmälningspliktiga

Multiresistenta bakterier

• Multiresistenta bakterier selekteras fram vid högt antibiotikatryck: intensivvårdsavdelningar

hematologavdelningar

• Höggradigt muterande bakterier kan förekomma i alla bakteriepopulationer.

Har ofta defekt MMR-system ( methyl-directed mismatch repair) ökad mutationsfrekvens

ökad benägenhet att inkorporera främmande gener selekteras fram under antibiotikatryck

• Flera olika resistensgener förekommer ofta tillsammans i integroner, transposomer, plasmider. Resistens mot ett antibiotikum ger

Hur motverkar man uppkomst och spridning av

antibiotikaresistens?

• Restriktiv antibiotikaanvändning • Rätt antibiotikum

• Rätt dosering, rätt dosintervall

• Så smalt antibiotikum som möjligt

• Antibiotikum som påverkar normalfloran så lite som möjligt • Antibiotikum med så kort ”ekoskugga” som möjligt

Resistensbestämning



Diskdiffusionsmetoden eller

lapptest (Kirby-Bauer)

Disk diffusion

Bakterier suspenderas i PBS och inockuleras på agar

plattor.

Agar plattorna appliceras

med antibiotika innehållande lappar. Inkubering i 37°C i 16-20h Zondiametern mäts Stammarna identifieras som Sensitiv, Indeterminant eller Resistent enligt

Minsta inhiberande koncentration (MIC)

MIC kan även bestämmas i microtiter- (flytande) eller i agarplattor (fast medium)

Låg Hög konc mg/L

(avläses normalt efter 16-20h inkubering i 37C)

antibiotika

Rörmetod (flytande)

•Den lägsta koncentrationen av ett antibiotikum (mg/L) som krävs för att inhibera växt av bakterier

E-test (MIC)

Bakterier inockuleras på en agarplatta. Ett strip indränkt med en antibiotikakoncentrations gradient appliceras på plattan.

Samband lappmetod och MIC-test

S I R lågt MIC mg/L högt liten stor zon O

S

= Känslig. Infektionen kan förväntas svara på behandling med detta antibiotikum vid dosering rekommenderad för denna typ av infektion. Bakterien har inga påvisade resistensmekanismer mot medlet.

I

= Indeterminant (tidigare Intermediär). Behandlingseffekten med detta medel är

osäker. Bakterien har förvärvat låggradig resistens mot medlet eller har naturligt lägre känslighet för medlet.

R

= Resistent. Klinisk effekt av behandling med detta medel är osannolik. Bakterien har förvärvat betydelsefulla resistensmekanismer eller är naturligt resistent mot medlet.

Klassificering av antibiotikaresistens

(SIR-systemet)

Bakteriers resistens mot antibiotika klassificeras i Sverige enligt det s.k. SIR-systemet. Bakteriens känslighet för ett visst antibiotikum definieras på följande sätt:

Klassifikationen I för betalaktamantibiotika och Enterobacteriaceae innebär dock att medlet skall kunna användas i normal dos vid behandling av nedre okomplicerad urinvägsinfektion.

PCR

Används t ex för bestämning av vissa

resistensgener som t ex MecA för MRSA och Van A och Van C för enterokocker.

Används även för att detektera olika

resistensgener hos ESBL-stammar tex TEM, SHV

Källor:

•

www.eucast.org

•

www.nordicast.org

•

www.fass.se

•

www.strama.se

•

www.folkhalsomyndigheten.se

• www.ecdc.europa.eu