Mecanisme de rezistenţă a tulpinilor de Mycobacterium tuberculosis

 Resistance mechanisms of Mycobacterium tuberculosis strains

First published: 15 ianuarie 2016

Editorial Group: MEDICHUB MEDIA

Abstract

Cases of multidrug resistant tuberculosis are on the rise in many regions; therefore prevention programs are fundamental to reduce the incidence of tuberculosis. Knowledge of the risk factors and understanding of the mechanisms which underlie the acquired resistance of Mycobacterium tuberculosis strains can contribute to the implementation of prevention and control strategies. This paper reviews the main risk factors and mechanisms involved in the acquisition of resistance to first and second line anti-tuberculosis drugs.
 

Keywords
Mycobacterium tuberculosis, risk fac

Rezumat

Cazurile de tuberculoză multirezistentă sunt în creștere în multe regiuni, de aceea programele de prevenţie au o importanţă majoră pentru diminuarea incidenţei tuberculozei. Cunoașterea factorilor de risc și înţelegerea mecanismelor care stau la baza achiziţionării rezistenţei tulpinilor de Mycobacterium tuberculosis pot sta la baza implementării strategiilor de prevenire și control. Am realizat o sinteză a mecanismelor și a principalilor factori de risc implicaţi în achiziţionarea rezistenţei la medicamentele antituberculoase de linia I și linia a II-a.
 

Introducere

În ultimii ani, incidența tuberculozei (TB) rezistente a crescut foarte mult. Tuberculoza multidrog-rezistentă (multidrug resistant tuberculosis - MDR TB) este cauzată de o tulpină de M. tuberculosis rezistentă cel puțin la izoniazidă (HIN) și rifampicină (RMP). TB extensiv rezistentă (extensive drug resistant tuberculosis; XDR TB) este produsă de tulpini rezistente - pe lângă la RMP și HIN - și la fluorochinolone și la unul din cele 3 antibiotice injectabile (capreomicină, amikacină și kanamicină). Au fost izolate și tulpini rezistente la toate antibioticele. Astfel a apărut noțiunea de TB „total rezistentă“ (totally drug resistant tuberculosis - TDR TB)(1,2,3).

Rezistența poate fi primară sau secundară. Rezistența primară definește infecția cu o tulpină multirezistentă de la început. Rezistența secundară apare în urma unui tratament inadecvat, care conduce la selectarea și dezvoltarea unei populații bacteriene rezistente. A fost introdus și termenul de TB inițial rezistentă, atunci când nu este cunoscut momentul achiziționării rezistenței(4,5).

Factori de risc

Unul dintre cei mai importanți factori de risc este tratamentul anterior cu medicamente antituberculoase. Eșecul terapeutic conduce la un risc de până la 10 ori mai mare de a dezvolta MDR TB. Principalele cauze ale unui tratament inadecvat sunt legate atât de pacient, cât și de medic. Unii pacienți se prezintă târziu la medic, au complianță scăzută la tratament sau un grad scăzut de educație, ceea ce conduce la neconștientizarea necesității de a urma tratamentul. În ceea ce privește medicul, uneori acesta nu recunoaște la timp TB, prescrie doze inadecvate de medicamente antituberculoase, include un număr prea mic de medicamente antituberculoase în schema de tratament sau recomandă o durată prea scurtă a tratamentului. Aceștia sunt principalii factori care conduc la eșecul terapeutic și consecutiv la apariția unor tulpini rezistente(6). Trebuie pusă și problema modului în care medicul îi explică pacientului importanța tratamentului, modul în care reușește să îl convingă să urmeze un tratament însoțit de o serie de reacții neplăcute; pacienții sunt tentați să renunțe, dar medicul trebuie să fie convingător.

Un pacient netratat la timp sau incorect tratat este contagios și reprezintă o importantă sursă de noi cazuri de MDR TB. Astfel, după unii autori, MDR TB ar putea fi considerată în unele cazuri o afecțiune „iatrogenă“(7).

S-a observat un număr crescut de cazuri de MDR TB primară, ceea ce indică achiziționarea infecției din comunitate. Această situație este întâlnită cel mai frecvent în țările endemice, în curs de dezvoltare. În unele dintre aceste țări există și o prevalență crescută a cazurilor de infecție cu virusul imunodeficienței umane (HIV). Este bine cunoscută asocierea dintre infecția cu HIV și TB. Apare întrebarea dacă infecția cu HIV reprezintă un factor de risc pentru TB rezistentă. Rezultatele studiilor sunt controversate: astfel, unele studii susțin că este un factor de risc, iar altele nu. Trebuie avut în vedere că, uneori, pacienții infectați cu HIV decedează înainte de achiziționarea rezistenței(8). Totuși, raportându-ne la Africa, se poate observa că, odată cu creșterea numărului de cazuri de infecții cu HIV, a crescut și numărul cazurilor de TB, consecutiv și de MDR TB(9).

Statutul socioeconomic modest crește riscul de MDR TB, prin complianța scăzută la tratament din lipsa educației și prin desfășurarea activității în regiuni aglomerate, cu risc mai mare de contractare a infecției. Astfel, persoanele fără locuință, cu domiciliu instabil și fără loc de muncă sunt la risc. TB rezistentă este mai des întâlnită în mediul rural, un motiv putând fi accesul limitat la serviciile de sănătate. În plus, dizabilitățile grave care împiedică deținerea unui loc de muncă sunt asociate cu un risc mai mare de a dezvolta MDR TB. Obiceiuri precum consumul de alcool și fumatul sau administrarea de droguri pot influența în mod indirect apariția TB rezistente, printr-o aderență scăzută la tratament. Un alt grup la risc include deținuții(10).

Deși TB este mai des întâlnită la sexul masculin, s-a observat că TB rezistentă este mai frecventă la femei. Sunt necesare studii suplimentare pentru înțelegerea acestui fenomen(11). Totuși, unele studii arată că MDR TB este mai frecventă la bărbați în vestul Europei și la femei în estul Europei, unde incidența TB este mai mare. În privința vârstei, prevalența cea mai mare este la grupa de vârstă 25-44 de ani(6).

Există anumiți factori predispozanți care țin de gazdă. Imunitatea scăzută a gazdei și factorii locali reprezintă elemente favorizante ale multiplicării bacteriene. În plus, afecțiuni preexistente (ex.: afecțiuni care asociază malabsorbție) care conduc la concentrații ineficiente ale medicației antituberculoase contribuie la achiziționarea rezistenței(7). TB rezistentă apare și la persoane la care nu s-au identificat factori de risc. Această situație este întâlnită în zonele endemice, unde are loc transmiterea de tulpini rezistente în populația generală(12). Există studii care au emis ipoteza conform căreia există o predispoziție genetică pentru dezvoltarea TB rezistente. Se pare că asocierea între haplotipurile HLA-DRB1*1, DRB1*14 și HLA-DRB1*0803 crește susceptibilitatea, dar sunt necesare studii suplimentare(13).

Mecanisme de rezistență

M. tuberculosis este rezistent la majoritatea antibioticelor obișnuite. Acest fapt se datorează structurii hidrofobe a peretelui, care acționează ca o barieră. În plus, microorganismul posedă mecanisme prin care este alterat transportul antibioticelor(14). Se pare că creșterea activității pompelor de eflux deținute de microorganism sunt printre primele mecanisme implicate în rezistența la mai multe antibiotice. Pompele de eflux elimină antibioticul din mediul intracelular și contribuie la expunerea bacteriei la niveluri suboptimale de antibiotic(15). Infectarea experimentală a unor linii celulare a generat expresia crescută a P-glicoproteinelor și un nivel scăzut de HIN intracelular. S-a observat că M. tuberculosis exprimă 3 proteine transportoare, Tap, Lfr A și Mmr M. În plus, s-a pus în evidență o legătură directă între nivelul de transcripție a unor pompe Tap-like și superexpresia unor pompe de eflux(13). M. tuberculosis este rezistent la antibioticele beta-lactamice și prin sinteza de beta-lactamaze care degradează aceste antibiotice.

Mecanismele de dobândire a rezistenței prezintă anumite particularități față de celelalte bacterii. Rezistența apare prin mutații spontane la nivel cromozomial, având loc erori în procesul de replicare a ADN-ului (vezi Tabelul 1)(16). Mutațiile cromozomiale spontane apar la o frecvență de 106-108 replicări micobacteriene. Prin asocierea a 3 antibiotice, frecvența crește la 1018-1020, ca atare este interzisă monoterapia; tratamentul trebuie realizat cu asocieri de medicamente anti-TB(4).

HIN este antibioticul cu cea mai mare eficiență bactericidă utilizat în tratamentul TB. Este capabil să prevină apariția rezistenței atunci când este administrat în combinație cu alte medicamente anti-TB, dar în același timp este prima moleculă la care apare rezistența. Este foarte important ca medicul să diferențieze TB latentă de cea activă. În cazul în care diagnosticul este eronat, se va administra monoterapie cu HIN în TB activă, ceea ce va conduce la dezvoltarea rezistenței(17). HIN este un prodrog care trebuie transformat în forma sa activă, acidul nicotinic. Activarea este realizată de o catalază/ peroxidază, codificată de gena katG. Nu este complet cunoscut mecanismul de acțiune împotriva M. tuberculosis. Se știe că HIN conduce la eliberarea de specii reactive de oxigen precum peroxid, superoxid și oxid nitric. În plus, interferează cu sinteza de proteine, acizi nucleici și acizi micolici. Sinteza acizilor micolici este afectată prin inhibarea unei enzime NADH dependente codificată de gena inhA(18).

Rezistența la HIN este cel mai des întâlnită formă de rezistență, atât izolată, cât și în combinație cu alte medicamente anti-TB. În apariția rezistenței este implicat complexul genetic, compus din genele katG, inhA, ahpC, kasA și ndh. Dar, cu toate acestea, în 10-15% din cazuri nu este implicată nici una dintre aceste gene(18). Cel mai adesea, rezistența apare prin mutații la nivelul genelor katG și inhA. La peste 50% dintre tulpinile izolate și care prezintă mutații la nivelul genei katG, s-a observat înlocuirea unui aminoacid la nivelul codonului 315(9).

Rezistența la HIN este asociată cu pierderea activității catalazei. KatG este singura proteină peroxid-inductibilă a bacteriei. Cu toate acestea, bacteria reușește să se adapteze în condiții de stres oxidativ. S-a observat creșterea expresiei unei alchil-hidroperoxid-reductaze (ahpC), cu rol în detoxifierea peroxizilor organici. Superexpresia ahpC protejează bacteria de stresul oxidativ(19).

Studii recente au demonstrat rolul sistemelor de eflux micobacteriene în achiziționarea rezistenței la HIN. Se pare că M. tuberculosis deține pompe de eflux care generează reducerea nivelului de HIN intracelular. Astfel, bacilii sunt expuși la concentrații suboptimale de antibiotic. În timp, această populație bacteriană expusă prelungit la cantități inadecvate de antibiotic va dezvolta mutații genetice, cu apariția rezistenței la HIN. De aceea, în tratamentul TB și-ar putea găsi utilitatea inhibitorii pompelor de eflux(20).
 

Tabel 1 Gene implicate în rezistența la medicamente antituberculoase(17,29)

RMP este al doilea medicament antituberculos de bază în tratamentul TB. Se leagă de subunitatea b a ARN-polimerazei, ceea ce conduce la inhibarea elongării ARN-mesager. Majoritatea tulpinilor rezistente prezintă o mutație la nivelul genei rpoB care codifică subunitatea b a ARN-polimerazei, având ca efect scăderea afinității antibioticului. Rezistența la RMP este un marker al TB rezistente, pentru că majoritatea tulpinilor rezistente la RMP sunt rezistente și la alte medicamente anti-TB, în special la HIN(17). Majoritatea mutațiilor apar la nivelul așa-numitei regiuni „hot spot“, la nivelul perechii 81 de baze, de la nivelul genei rpoB. Există compuși derivați ai rifampicinei cu farmacocinetică mai bună și cu toxicitate mai scăzută. Printre aceștia se numără rifabutin, rifalazil și rifapentin. Se pare că rifabutin este de 4-8 ori mai activ împotriva M. tuberculosis; acest fapt se poate datora și capacității de penetrare mai crescute(21).

Pirazinamida (PZM) este un analog structural al nicotinamidei și are acțiune sinergică cu HIN și RMP. M. bovis este natural rezistent la PZM prin lipsa enzimei care induce hidrolizarea antibioticului la acid pirazinoic, forma activă(19). Specificitatea antibioticului față de M. tuberculosis se explică prin faptul că majoritatea micobacteriilor prezintă alterări la nivelul genei pncA. Astfel, PZM este un prodrog, activat de enzima pirazinamidază/ nicotinamidază, codificată de gena pncA. Un aspect foarte important este că aceasta acționează doar la un pH acid, de aproximativ 5,5. Acidul pirazinoic se acumulează în celulă, ceea ce conduce la o scădere a pH-ului, care inhibă majoritatea funcțiilor celulare, printre care sinteza de acizi grași, funcția transportorilor membranari; este afectat metabolismul energetic celular. Majoritatea tulpinilor rezistente la PZM conțin mutații la nivelul genei pncA, dar au fost descrise și tulpini care prezintă mutații la nivelul altor gene(18).

Streptomicina (SM) este primul antibiotic descoperit împotriva TB, de Selman Waksman, în 1944. Se leagă de subunitatea ribozomală 30S, inhibând sinteza proteică. Un grad crescut de rezistență se asociază cu mutații la nivelul genelor rpsL și rrs care codifică proteina ribozomală S12, respectiv subunitatea 16S a ARNr. Niveluri scăzute de rezistență au fost identificate la tulpini fără mutații ale acestor gene. Acest fapt s-ar putea datora pompelor de eflux, a căror expresie este crescută și permit bacteriei să supraviețuiască într-un mediu nefavorabil. Recent s-au pus în evidență mutații la nivelul genei gidB care codifică o metiltransferază și asociază un nivel scăzut de rezistență(22,23).

Etambutolul (EMB) are ca mecanism de acțiune inhibiția arabinozil-transferazei bacteriene, codificată de operonul embCAB, care cuprinde 3 gene, embA, embB și embC. Astfel, are loc blocarea sintezei de arabinogalactan, fiind afectată permeabilitatea peretelui celular. Cea mai frecventă mutație apare la nivelul genei embB, codonul 306. Totuși, există și tulpini sensibile și care prezintă mutații la nivelul acestei gene. Modul de apariție a fenomenului de rezistență nu este clar - se pare că sunt necesare mai multe mutații, nu numai la nivelul genei embB. În plus, mutații la nivelul acestei gene se asociază și cu rezistența la alte antibiotice(24).

Fluorochinolonele (FQ) sunt antibiotice de linia a doua utilizate în TB rezistentă, cu efect bactericid. Inițial au fost utilizate ciprofloxacinul și ofloxacinul, derivați sintetici de acid nalidixic. Ulterior au fost introduse în schema de tratament și moxifloxacinul și gatifloxacinul. Acționează asupra topoizomerazei de tip 2, o ADN-girază, formată din subunitățile A și B codificate de genele gyrA și gyrB. Rezistența se asociază în principal cu mutații la nivelul genei gyrA, în special în pozițiile Ala 90 și Asp 94. Recent s-a pus în evidență un nou mecanism. M. tuberculosis exprimă proteina MfpA, care mimează structura ADN-ului, se leagă de ADN-girază și îi inhibă activitatea(17,25).

Kanamicina (KM) și amikacina (AMK) inhibă sinteza proteică prin inducerea de modificări structurale la nivelul 16S ARNr. Prin mutații ale genei rrs, apar modificări la nivelul 16S ARNr. Apare rezistență încrucișată între SM și AMK. Studii recente au pus în evidență mutații la nivelul genei eis care codifică aminoglicozid-acetiltransferaza și conferă un grad scăzut de rezistență la KM, dar nu și la AMK(17).

Etionamida (ET) este un prodrog, activat de o monooxigenază flavinică, codificată de gena ethA. ET inhibă sinteza acizilor micolici, componente importante ale peretelui celular bacterian. Acționează prin inhibarea enoil-ACP-reductazei codificată de gena inhA. Rezistența este asociată cu mutații la nivelul genelor inhA și ethA(18).

Acidul para-amino salicilic (PAS) a fost printre primele antibiotice utilizate în tratamentul TB. Este un prodrog, care încorporat în ciclul folaților generează un compus toxic, care inhibă activitatea dihidrofolat reductazei(26). Recent, rezistența la PAS a fost asociată cu mutații la nivelul genei thyA, care codifică timidilat sintetaza A, necesară în sinteza tiaminei(17). Cicloserina (CS) este un analog ciclic al D-alaninei și inhibă sinteza peretelui bacterian. Aceasta intră în competiție cu D-alanina pentru enzimele D-alanil-D-alanin-sintetaza (ddl) și D-alanin-racemaza (alr); în plus, inhibă sinteza acestor proteine. Superexpresia alr conduce la apariția rezistenței(27).

M. tuberculosis este natural rezistent la antibioticele beta-lactamice pentru că posedă gena blaC al cărei produs hidrolizează antibioticele. Combinația de meropenem cu acid clavulanic, inhibitor de beta-lactamaze, are efect împotriva M. tuberculosis. S-au evidențiat atât efecte bactericide, cât și sterilizante. Un studiu a evidențiat utilitatea acestei combinații în tratamentul XDR TB. Medicamentele anti-TB de linia a doua au toxicitate crescută, ceea ce conduce la o toleranță scăzută. Avantajul acestor două medicamente este că au puține reacții adverse și pot fi administrate și la copii cu vârste de peste 3 luni(28).

Concluzii

Mycobacterium tuberculosis are capacitatea de a dezvolta diferite „arme“ împotriva majorității medicamentelor antituberculoase. Microoorganismul deține o structură specială a peretelui bacterian, ceea ce îi conferă rezistență la multe dintre antibioticele clasice. În ceea ce privește rezistența la medicamentele antituberculoase, au fost identificate numeroase mutații implicate. Instituirea unui tratament corect poate preveni dezvoltarea acestor mutații și face posibilă vindecarea. 

Conflict of interests: The authors declare no conflict of interests.

Bibliografie

  1. Borrell S, Gagneux S. Strain diversity, epistasis and the evolution of drug resistance in Mycobacterium tuberculosis. Clin Microbiol Infect. 2011; 17(6):815-20.
  2. Chiang CY, Centis R, Migliori GB. Drug-resistant tuberculosis: past, present, future. Respirology. 2010; 15(3):413-32.
  3. Popa GL, Popa MI. Microbiologie medicală. Editura Renaissance. 2008. Ediția a 2-a.
  4. Zhang Y, Yew WW. Mechanisms of drug resistance in Mycobacterium tuberculosis. Int J Tuberc Lung Dis. 2009; 13(11):1320-30.
  5. Andrews JR, Shah NS, Gandhi N, et al. Multidrug-resistant and extensively drug-resistant tuberculosis: implications for the HIV epidemic and antiretroviral therapy rollout in South Africa. J Infect Dis. 2007; 196 Suppl 3:82-90.
  6. Faustini A, Hall AJ, Perucci CA. Risk factors for multidrug resistant tuberculosis in Europe: a systematic review. Thorax. 2006; 61(2):158-63. 
  7. Kant S, Maurya AK, Kushwaha RA. Multi-drug resistant tuberculosis: an iatrogenic problem. Biosci Trends. 2010; 4(2):48-55.
  8. Ricks PM, Mavhunga F, Modi S, et al. Characteristics of multidrug-resistant tuberculosis in Namibia. BMC Infect Dis. 2012; 12:385.
  9. Migliori GB, Dheda K, Centis R, et al. Review of multidrug-resistant and extensively drug-resistant TB: global perspectives with a focus on sub-Saharan Africa. Trop Med Int Health. 2010; 15(9):1052-66.
  10. Skrahina A, Hurevich H, Zalutskaya A, et al. Multidrug-resistant tuberculosis in Belarus: the size of the problem and associated risk factors. Bull World Health Organ. 2013; 91(1):36-45.
  11. Lomtadze N, Aspindzelashvili R, Janjgava M. et al. Prevalence and risk factors for multidrug-resistant tuberculosis in the Republic of Georgia: a population-based study. Int J Tuberc Lung Dis. 2009; 13(1):68-73.
  12. Otero L, Krapp F, Tomatis C, et al. High prevalence of primary multidrug resistant tuberculosis in persons with no known risk factors. PLoS One. 2011; 6(10):e26276.
  13. Sharma SK, Mohan A. Multidrug-resistant tuberculosis: a menace that threatens to destabilize tuberculosis control. Chest. 2006; 130(1):261-72.
  14. http://textbookofbacteriology.net/index.html 
  15. Rodrigues L, Villellas C, Bailo R, et al. Role of the Mmr efflux pump in drug resistance in Mycobacterium tuberculosis. Antimicrob Agents Chemother. 2013; 57(2):751-7.
  16. McGrath M, Gey van Pittius NC, van Helden PD, et al. Mutation rate and the emergence of drug resistance in Mycobacterium tuberculosis. J Antimicrob Chemother. 2014; 69(2):292-302.
  17. Almeida Da Silva PE, Palomino JC. Molecular basis and mechanisms of drug resistance in Mycobacterium tuberculosis: classical and new drugs. J Antimicrob Chemother. 2011; 66(7):1417-30.
  18. Santos L. Review: The Molecular Basis of Resistance in Mycobaterium tuberculosis. J. Med. Microbiol. 2012; 2(1):24-36.
  19. Rattan A, Kalia A, Ahmad N. Multidrug-resistant Mycobacterium tuberculosis: molecular perspectives. Emerg Infect Dis. 1998; 4(2):195-209.
  20. Machado D, Couto I, Perdigão J, et al. Contribution of efflux to the emergence of isoniazid and multidrug resistance in Mycobacterium tuberculosis. PLoS One. 2012; 7(4):e34538.
  21. BTS Guidelines. Chemotherapy and management of tuberculosis in the United Kingdom: recommendations 1998. Joint Tuberculosis Committee of the British Thoracic Society. Thorax. 1998; 53(7):536-48.
  22. Brzostek A, Sajduda A, Sliwiński T, et al. Molecular characterisation of streptomycin-resistant Mycobacterium tuberculosis strains isolated in Poland. Int J Tuberc Lung Dis. 2004; 8(8):1032-5.
  23. Jagielski T, Ignatowska H, Bakuła Z, et al. Screening for streptomycin resistance-conferring mutations in Mycobacterium tuberculosis clinical isolates from Poland. PLoS One. 2014; 9(6):e100078.
  24. Shi D, Li L, Zhao Y, et al. Characteristics of embB mutations in multidrug-resistant Mycobacterium tuberculosis isolates in Henan, China. J Antimicrob Chemother. 2011; 66(10):2240-7.
  25. Hegde SS, Vetting MW, Roderick S, et al. A fluoroquinolone resistance protein from Mycobacterium tuberculosis that mimics DNA. Science 2005; 308:1480-3.
  26. Zheng J, Rubin EJ, Bifani P, et al. Para-Aminosalicylic Acid Is a Prodrug Targeting Dihydrofolate Reductase in Mycobacterium tuberculosis. J Biol Chem. 2013; 288(32):23447-56.
  27. Johnson R, Streicher EM, Louw GE, et al. Drug resistance in Mycobacterium tuberculosis. Curr Issues Mol Biol. 2006; 8(2):97-111.
  28. Hugonnet JE, Tremblay LW, Boshoff HI, et al. Meropenem-clavulanate is effective against extensively drug-resistant Mycobacterium tuberculosis. Science. 2009; 323(5918):1215-8.
  29. Di Perri G, Bonora S. Which agents should we use for the treatment of multidrug-resistant Mycobacterium tuberculosis? J Antimicrob Chemother. 2004; 54(3):593-602.

Articole din ediţiile anterioare

JOURNAL CLUB | Ediţia 1 53 / 2018

Diagnosticul pe baza lichidului de lavaj bronhoalveolar în confirmarea Mycobacterium tuberculosis

Ana-Andreea Gogu

Tuberculoza (TB) rămâne o problemă majoră de sănătate la nivel mondial, în 2015 fiind estimate 10,4 milioane de cazuri noi de tuberculoză şi 1,8 mi...

23 aprilie 2018