Antibioticoresistenza. Università degli Studi di Cagliari Dipartimento di Neuroscienze B. B. Brodie Sezione di Farmacologia Clinica

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1 Antibioticoresistenza Università degli Studi di Cagliari Dipartimento di Neuroscienze B. B. Brodie Sezione di Farmacologia Clinica 1

2 Antibioticoresistenza Antibioticoresistenza: stipite batterico in grado di moltiplicarsi in presenza di concentrazioni di farmaco che sono inibitorie per la maggior parte degli stipiti della stessa specie oppure in grado di moltiplicarsi in presenza di concentrazioni del farmaco pari a quelle massime raggiungibili nel corso dell impiego terapeutico. 1. Mancato raggiungimento del sito bersaglio 2. Inattivazione del farmaco 3. Alterazione del bersaglio Naturale Acquisita Uno stipite batterico è resistente ad un farmaco quando è in grado di moltiplicarsi in presenza di concentrazioni del farmaco che risultano inibitorie per la massima parte degli stipiti della stessa specie o, operativamente, quando è in grado di moltiplicarsi in presenza di concentrazioni del farmaco pari a quelle massime raggiungibili nel corso dell impiego terapeutico. Un antibiotico è efficace quando raggiunge il sito bersaglio, si lega ad esso e interferisce con le sue funzioni. Le tre cause principali della resistenza agli antibiotici sono il mancato raggiungimento del sito bersaglio, l inattivazione del farmaco e l alterazione del bersaglio 2

3 Antibioticoresistenza Naturale Insensibilità a un farmaco che si estende a tutti gli stipiti di una data specie: Al microrganismo può mancare la struttura su cui agisce l antibiotico OPPURE La parete cellulare o la membrana citoplasmatica di un microrganismo sono impermeabili a un antibiotico L antibiotico-resistenza naturale: è una condizione di generale insensibilità ad un farmaco che si estende a tutti gli stipiti di una data specie: al microrganismo può mancare la struttura su cui agisce l antibiotico La struttura della parete cellulare o la membrana citoplasmatica di un microrganismo sono impermeabili a un antibiotico. 3

4 Antibioticoresistenza Acquisita Selezione clonale sotto la pressione selettiva esercitata dal farmaco. L intervallo di tempo che intercorre fra l introduzione in terapia e lo sviluppo di resistenze è inversamente proporzionale alla frequenza d uso dell antibiotico. cromosomiali: trasmissione verticale (mutazioni spontanee) extracromosomiali: trasmissione orizzontale (batteriofagi, plasmidi, trasposoni) La resistenza può essere acquisita per mutazione e selezione con trasmissione verticale del tratto alle cellule figlie. Perché la mutazione possano generare resistenza, la mutazione non deve essere letale e non deve alterare in maniera apprezzabile la virulenza. Il mutante d origine o la sua progenie devono essere trasmessi in modo diretto; altrimenti la mutazione si deve ripresentare in un altro mutante all interno di un ceppo sensibile. Nella trasmissione orizzontale dei fattori di resistenza da una cellula donatrice, spesso è coinvolto un batterio di specie diversa. 4

5 Antibioticoresistenza: fattori responsabili Selezione di geni batteri patogeni di resistenza agli antibiotici (virtualmente) in tutti i Aumento della popolazione ad alto rischio di infezione (immunocompromessi) Aumentata sopravvivenza dei soggetti con malattie croniche che richiedono terapie e ospedalizzazioni prolungate Luoghi di congregazione che fungono da reservoir di batteri multiresistenti Mancanza di una rapida diagnosi batteriologica Eccessivo uso di antibiotici Sorana Segal-Maurer et al. Current perspectives on multidrug-resistant bacteria. Epidemiology and Control Infectious Disease Clinics of North America Volume 10, Issue 4, 1 December 1996, Pages

6 Antibioticoresistenza: le problematiche i patogeni resistenti stanno emergendo e si stanno diffondendo più rapidamente rispetto alle precedenti decadi la resistenza è un problema mondiale, che interessa sia i Paesi sviluppati sia in via di sviluppo, che si diffonde rapidamente tramite i viaggi internazionali il trattamento delle infezioni causate dai microbi resistenti è compromesso dai costi proibitivi dei farmaci di nuova generazione o dalla riduzione complessiva dell efficacia dei farmaci antimicrobici The World Health Organization (WHO), 1998 La World Health Organization (WHO), ha affermato che il problema della resistenza agli antimicrobici è complessa e sarebbero necessarie diverse possibili soluzioni. La sorveglianza e l educazione sono parte della soluzione insieme alla regolamentazione dell uso di antimicrobici e la ricerca per sviluppare nuovi farmaci attivi. R. Finch and P. A. Hunte. Antibiotic resistance - action to promote new technologies. Report of an EU Intergovernmental Conference held inbirmingham, UK,12 13 December 2005.Journal of Antimicrobial Chemotherapy (2006)58, Suppl.S1,i3-i22 6

7 Antibioticoresistenza è necessario aumentare l impegno per ridurre la diffusione dei ceppi resistenti sia nell ambiente sia negli ospedali miglioramento dell igiene e riduzione dell uso degli antibiotici la sorveglianza della resistenza è un fattore chiave e il miglioramento della tecnologia è necessario per migliorare le potenzialità dei dati di sorveglianza e informare i clinici diagnosi rapida, specifica e sensibile stime più accurate del rapporto costo-efficacia degli antibiotici i vaccini disponibili sono sotto-utilizzati, in particolare per gli organismi resistenti agli antimicrobici sono richiesti incentivi per incoraggiare la collaborazione fra le compagnie farmaceutiche più grandi e le piccole compagnie biotecnologiche, che sono più innovative e potrebbero produrre nuovi farmaci, vaccini e mezzi diagnostici. EU Intergovernmental Conference, 2005 R. Finch and P. A. Hunte. Antibiotic resistance - action to promote new technologies. Report of an EU Intergovernmental Conference held inbirmingham, UK,12 13 December 2005.Journal of Antimicrobial Chemotherapy (2006)58, Suppl.S1,i3-i22 7

8 Antibioticoresistenza: meccanismi Mancato raggiungimento del sito bersaglio Inattivazione del farmaco Alterazione del bersaglio Un antibiotico è efficace quando raggiunge il sito bersaglio, si lega ad esso e interferisce con le sue funzioni. Le tre cause principali della resistenza agli antibiotici sono il mancato raggiungimento del sito bersaglio, l inattivazione del farmaco e l alterazione del bersaglio. 8

9 Antibioticoresistenza: Mancato raggiungimento del sito bersaglio Riduzione/blocco dell ingresso nella cellula tramite Mutazione, assenza, perdita delle porine Blocco del trasporto attivo causato da: mutazioni condizioni ambientali Trasporto esterno del farmaco mediante pompe di efflusso Mancato raggiungimento del sito bersaglio La membrana esterna dei batteri gram-neg impedisce l ingresso delle grandi molecole polari nella cellula. Le piccole molecole polari, come quelle di molti antibiotici, penetrano nella cellula attraverso canali composti da proteine delle porine. L assenza, le mutazioni o la perdita dei canali porinici possono rallentare o bloccare l ingresso del farmaco nella cellula, riducendo la concentrazione del farmaco a livello del sito d azione. Se il bersaglio è intracellulare e il farmaco necessita di un trasporto attivo attraverso la membrana, le mutazioni o le condizioni ambientali che bloccano questo meccanismo di trasporto possono causare resistenza. Gli antibiotici beta lattamici che penetrano nelle cellule e non sono attaccati dalle beta lattamasi possono essere catturati da un sistema di efflusso e portati al di fuori riducendo la concentrazione intracellulare del farmaco attivo. L inibizione delle pompe di efflusso può essere ottenuta con diverse modalità: inibizione dei processi che regolano l espressione delle pompe di efflusso; inibizione dell assemblaggio delle componenti che costituiscono la pompa; blocco dei canali della membrana esterna con riduzione dell energia di efflusso; blocco specifico/diretto del sito dell antiporto; blocco indiretto/generale tramite il collasso dei meccanismi di produzione dell energia; tramite la creazione di un inibizione (competitiva e non) con una molecola non antibiotica che presenta affinità per i siti delle pompe di efflusso. 9

10 Antibioticoresistenza: Inattivazione del farmaco Produzione di enzimi che modificano l antibiotico (aminoglicosidi) Produzione di β lattamasi (β- lattamici) Mancata conversione del metabolita inattivo nel metabolita attivo (Mycobacterium tubercolosis) L inattivazione del farmaco è il secondo meccanismo principale di resistenza farmacologica. La resistenza dei batteri agli aminoglicosidi e ai betalattamici è spesso il risultato della produzione di enzimi che modificano gli aminoglicosidi e di betalattamasi. Una variante di questo meccanismo è la mancata conversione dell isoniazide nel suo metabolito attivo. 10

11 Antibioticoresistenza: Alterazione del bersaglio Mutazioni del bersaglio naturale (fluorochiloni) Modificazioni del bersaglio (macrolidi, tetracicline) Sostituzione del bersaglio naturale e sensibile (stafilococchi meticillino-resistenti) Le alterazioni del bersaglio possono essere dovute a mutazioni del bersaglio naturale (fluorochinoloni), a modificazioni del bersaglio (macrolidi e tetracicline per protezione ribosomale), sostituzione del bersaglio naturale e sensibile con un alternativa resistente (resistenza alla meticillina negli stafilococchi). Questo meccanismo di resistenza è dovuto a un ridotto legame del farmaco al bersaglio o dalla sostituzione del bersaglio naturale con un nuovo bersaglio che non lega il farmaco. 11

12 Antibioticoresistenza: penicilline MECCANISMO D AZIONE delle penicilline: inibizione della sintesi del peptidoglicano e del mantenimento delle forma allungata del batterio 1. Resistenza intrinseca per differenze strutturali delle PBP 2. Incapacità del farmaco di penetrare a livello del sito d azione 3. Trasporto del farmaco tramite le pompe di efflusso 4. Inattivazione enzimatica degli antibiotici β-lattamici tramite le β- lattamasi Meccanismi di resistenza alle penicilline La maggior parte dei batteri contiene le PBP (penicillin binding proteins: proteine che partecipano all assemblaggio della parete cellulare), ma non tutti gli antibiotici beta-lattamici sono in grado di uccidere o bloccare tutti i batteri. Infatti, sono stati individuati numerosi meccanismi di resistenza batterici attivi contro questi farmaci. La resistenza può essere intrinseca, dovuta a differenze strutturali delle PBP, oppure il ceppo batterico sensibile può acquisire la resistenza mediante lo sviluppo di PBP con diminuita affinità per l antibiotico. Affinché il microrganismo diventi resistente è necessario che diminuisca l affinità di numerose PBP, questo si può determinare in seguito alla ricombinazione tra diverse specie di batteri. Incapacità del farmaco di penetrare a livello del sito di azione Nei gram+ il peptidoglicano è localizzato in prossimità della superficie cellulare le piccole molecole degli antibiotici possono raggiungere facilmente gli strati più esterni della membrana plasmatica e venire a contatto con le PBP. Nel caso dei batteri gram- gli antibiotici possono entrare solo tramite le porine. Il numero e le dimensioni delle porine variano in base nei diversi gram-. La Pseudomonas aeruginosa è costitutivamente resistente a diversi antibiotici perché priva delle porine elevata permeabilità. Inattivazione da beta-lattamasi I differenti microorganismi possono elaborare diverse betalattamasi. In generale i gram+ elaborano un elevata quantità di beta-lattamasi che secernono nello spazio extracellulare, mentre i gram- possiedono le beta-lattamasi nello spazio periplasmico una posizione strategica per la protezione nei microganismi. 12

13 Antibioticoresistenza: cefalosporine MECCANISMO D AZIONE delle cefalosporine: inibizione della sintesi del peptidoglicano e del mantenimento delle forma allungata del batterio Meccanismi di resistenza alle cefalosporine 1. Mancato raggiungimento del bersaglio 2. Modificazione delle PBP 3. Intervento delle β- lattamasi 13

14 Antibioticoresistenza: aminoglicosidi MECCANISMO D AZIONE: degli aminoglicosidi: inibizione della sintesi proteica Meccanismi di resistenza degli aminoglicosidi 1. Mancata penetrazione dell antibiotico attraverso la membrana esterna 2. Bassa affinità del farmaco per il ribosoma batterico 3. Inattivazione del farmaco da parte di enzimi microbici 4. Mancata penetrazione dell antibiotico attraverso la membrana interna L inattivazione del farmaco tramite fosforilazione e acetilazione costituisce il meccanismo più importante. Un meccanismo di resistenza naturale è legato al fatto che il farmaco entra nella cellula tramite un meccanismo attivo ossigeno-dipendente, pertanto i batteri anerobi sono resistenti perché privi di ossigeno. 14

15 Antibioticoresistenza: macrolidi MECCANISMO D AZIONE dei macrolidi: inibizione della sintesi proteica. Meccanismi di resistenza ai macrolidi 1. Efflusso del farmaco per mezzo di un meccanismo attivo di pompa 2. Sintesi inducibile o costitutiva di una metilasi che modifica il bersaglio 3. Idrolisi dei macrolidi mediata da esterasi 15

16 Antibioticoresistenza: chinoloni MECCANISMO D AZIONE dei chinoloni: inibizione della sintesi e della trascrizione del DNA Meccanismi di resistenza ai chinoloni 1. Cambiamenti conformazionali della DNA girasi che riducono la capacità di legame con i chinoloni 2. Modificazione della permeabilità delle membrane esterne (riduzione delle porine) 3. Trasporto attivo al di fuori del batterio mediante sistemi di efflusso 16