بررسی مکانیسم مقاومت آنتی‌بیوتیکی و عملکرد باکتری‌ها در ایجاد آن

بررسی مکانیسم مقاومت آنتی‌بیوتیکی و عملکرد باکتری‌ها در ایجاد آن

50
ویدیو ضبط شده کارگاه قابل مشاهده
مدیریت سایت
5/5
250
کارگاه حضوری در دانشگاه شریف
مدیریت سایت
5/5
55
24 ساعت آموزش آنلاین
مدیریت سایت
5/5

بررسی مکانیسم مقاومت آنتی‌بیوتیکی و عملکرد باکتری‌ها در ایجاد آن

خلاصه

قریب به 70 سال است که آنتی‌بیوتیک‌ها، به منظور درمان عفونت‌های باکتریایی مورد استفاده قرار می‌گیرند؛ این عوامل، از نظر زیستی فعال به شمار می‌روند و وزن مولکولی پایینی دارند که کاربردهای دارویی متنوعی را دربرمی‌گیرند. آنتی‌بیوتیک‌ها در مواجهه با میکروب‌ها، نجات جان میلیون‌ها انسان را به دنبال دارند؛ بنابراین کشف و کاردبرد این مکانیسم، هدیه ارزنده‌ای برای جامعه بشری بوده است.
آنتی‌بیوتیک‌ها، علیه طیف وسیع و متنوعی از باکتری‌ها تولید شده و مورد استفاده قرار می‌گیرند.
مقاومت آنتی‌بیوتیکی در کنار مزایای آنتی‌بیوتیک‌ها مدتی است که مورد توجه جامعه جهانی قرار گرفته است؛ شواهدی مبنی بر انتقال ژن‌های مقاومت به داروهای آنتی‎‌بیوتیکی به باکتری‌هایی که مقاومت آنتی‌بیوتیکی را از خود بروز می‌دهند وجود دارد. به عنوان مثال، باکتری‌های خاک ممکن است ژن‌های مقاومت آنتی‌بیوتیکی را داشته باشند که مکانیسم‌های گوناگونی را از خود بروز می‌دهد، همچنین به این باکتری‌ها این امکان را می‌دهد که بر آنتی‌بیوتیک‌های طبیعی موجود در محیط اطرافشان غلبه نمایند.
ژن‌های مقاومتی که به آن‌ها اشاره شد، عواملی همچون متیلازهای ریبوزومی مؤثر بر آمینوگلیکوزیدها (Aminoglycoside)، ترانسفرازهای مؤثر بر لینزولید (Linezolid) ، پمپ‌های جریان پلاسمید (Plasmid) که ایجادکننده‌ی مقاومت فلوروکینولون (Fluoroquinolon)هستند را شامل می‌شود. همچنین، ژن‌های bla و qnr نیز اخیراً شناسایی شده‌اند که به ترتیب، فعالیت طیف گسترده‌ای از Fluoroquinolonها و سفالوسپورین‌های (Sephalosporins) CTX را به خطر می‌اندازند.
بهره‌گیری از ابزارهای متاژنومیک (metagenomics) و تجزیه و تحلیل فیلوژنتیک (phylogenetics) می‌تواند به شناسایی سایر ژن‌های دخیل در مقاومت آنتی‌بیوتکی کمک کند.
ژن‌های مقاومت را به تازگی در گروهی به نام استخر ژنیِ “رزیستوم” (Resistome) قرار می‌دهند که در واقع، مخزنی منحصر به فرد از این ژن‌ها و عناصر ژنتیکی شرکت‌کننده در انتقال ژن می‌باشد.

مقدمه

آنتی‌بیوتیک‌ها، از مهم‌ترین دسته‌ی دارویی و یکی از تأثیرگذارترین اختراعات پزشکی طی قرن بیستم هستند که تا کنون نجات جان افراد زیادی در جهان در پی داشته است. با این وجود، در طول دهه گذشته، گزارش‌هایی از افزایش میزان مقاومت آنتی‌بیوتیکی در سراسر جهان منتشر شده که MDRها یا ایزوله‌های مقاوم به چند داروی ضدمیکروبی شناسایی و بررسی شده است. از دیگر زمینه‌های مهم مورد بررسی در این باره، شناسایی ژن‌های کارآمد و پلتفرم‌های ژنتیکی که جذب، انتقال و بیان عوامل تعیین‌کننده مقاومت را تسهیل می‌کنند، در پیِ ظهور و بروز سریع مکانیسم‌های مقاومت آنتی‌بیوتیکی و گسترش این عوامل است تا در نهایت، منشأ این عوامل و پلتفرم‌های ژنتیکی تأثیرگذار در بروز این مقاومت شناسایی گردد.
از آنجا که به طور معمول تمام جانداران موجودات، به منظور جلوگیری از فشارهای انتخاب‌کننده، جهش‌های ژنتیکی را در نتیجه‌ یک روند تکاملی اجتناب ناپذیر ایجاد می‌نمایند، باکتری‌ها نیز به عنوان بخشی از مجموعه موجودات کره زمین، در صورت وجود فشار انتخابی محیطی، تمایل به توسعه و استفاده از استراتژی‌های مقاومتی علیه داروهای ضد باکتریایی دارند.
طبق گزارش سال 2019 سازمان بهداشت جهانی (WHO)، مقاومت آنتی‌بیوتیکی مسئول مرگ 700000 نفر در جهان است که این رقم تا سال 2050 به حدود 20 میلیون نفر افزایش خواهد یافت؛ در نتیجه، این روند معضل بزرگی است که خطری جدی برای زندگی و اقتصاد ایجاد خواهد کرد.
در دوره‌های پیش از کشف آنتی‌بیوتیک‌ها، درک وجود میکروارگانیسم‌هایی به نام میکروب و بیماری‌های عفونی که در نتیجه فعالیت‌های این عناصر به وجود می‌آیند، ناکافی بود؛ بنابراین، فرآیندهای درمانی و پیشگیری از سرایت و انتقال این بیماری‌های مسری امری بی‌فایده به شمار می‌رفت که مرگ میلیون‌ها نفر را در این میان در پی داشت. بیماری‌های همچون طاعون ژوستینین (Plague pf Justinian) که از آن با عنوان “مرگ سیاه” یاد می‌شود، عامل مرگ و میر بیش از 50 میلیون نفر در اروپا، در قرن چهاردهم بود.
در سال‌های 1676 و 1871، پژوهشگرانی همچون “ون لیوونهوک” (Plilips van Leeuwenhoek) و “جوزف لیستر” (Joseph Lister) آزمایشاتی را انجام دادند که در واقع گامی به سوی شناخت و کشف آنتی‌بیوتیک به شمار می‌آمد. در نیمه دوم قرن نوزدهم، باکتری‌شناس فرانسوی “لوئی پاستور” (Louis Pasteur) و پزشک آلمانی “رابرت کخ” (Robert Koch) بصورت مستقل مطالعاتی را بر روی باکتری‌ها به انجام رساندند. پاستور، باسیلوس آنتراسیس (Bacillus anthracis) و کخ، مایکوباکتریوم توبرکلوزیس (Mycobacterium tuberculosis) را مورد مطالعه قرار دادند. مطالعات این دو دانشمند و نتایج حاصل از آزمایشات آن‌ها، مقدمه‌ای برای ظهور دوران مدرن آنتی‌بیوتیک بود.
در سال 1928، “الکساندر فلمینگ” (Sir Alexander Felming) ، باکتری‌شناس اسکاتلندی، به طور ناخواسته کشف کرد که یک قارچ به نام (Penicillium notatum) قادر است رشد استافیلوکوکوس اورئوس (Staphylococcus aureus) را مهار نماید. این دانشمند چنین فرض کرد که قارچ، ترکیبی را دفع می‌نماید که رشد باکتری‌را متوقف و مهار می‌کند؛ و در سال 1929، او توانست مولکول فعالی تحت عنوان “پنی‌ سیلین” را از این قارچ جدا کند و آن را اولین آنتی‌بیوتیک واقعی نامید. با این حال، “هوارد والترG فلوری” (Howard Florey)و “ارنست بوریس چین” (Ernest Boris Chain)موفق شدند در سال 1939 آنتی‌بیوتیک را به طور مؤثری خالص کنند، تولید را افزایش داده و ساختار پنی ‌سیلینی را که در عفونت باکتریایی استفاده شده بود، توضیح دهند.
ساختار پنی ‌سیلین از طریق تجزیه و تحلیل کریستالوگرافی اشعه ایکس در همان سال توسط Dorothy Crowfoot Hodgkin مشخص شد و آن را به عنوان اولین عضو از خانواده بتا-لاکتام (β_lactam)(خانوده‌ای از آنتی‌بیوتیک‌های طبیعی) معرفی کرد.
پنی‌ سیلین، سفالوسپورین‌ها، مونوباکتام‌ها (Monobactam) و کارباپنم‌ها (Carbapenem) متعلق به کلاس آنتی‌بیوتیکی بتالاکتام هستند؛ زیرا همگی یک حلقه بتالاکتام دارند و مکانیسم عمل باکتری‌کشی مشترکی دارند. این آنتی‌بیوتیک‌ها، بیوسنتز دیواره سلولی باکتری‌های گرم مثبت را مهار می‌نمایند، با این حال، برخی از باکتی‌های گرم منفی، مانند E.Coli و گونه‌های کلبسیلا (Klebsiella) می‌تواند آنزیم‌های بتالاکتاماز را تولید کند که حلقه بتالاکتام دارو را از بین می‌برد و باکتری‌ها را در مقابل دارو مقاوم می‌کند.
متی سیلین (Methicillin)، اگزا سیلین (Oxacillin) ، آمپی سیلین (Ampicillin) و کاربنی سیلین (Carbenicillin) ، مشتقات نیمه مصنوعی پنی سیلین هستند که فعالیت‌های گسترده‌ای را علیه برخی باکتی‌های گرم مثبت و گرم منفی نشان می‌دهند.
صرف نظر از این واقعیت که آمپی سیلین هنوز هم در پزشکی کاربرد دارد، در سال 1961 استافیلوکوک‌ها به متی سیلین مقاوم شدند و دیگر کاربردهای بالینی ندارد. استافیلوکوکوس اورئوس هم بعدها طی مقاومتی که در برابر متی سیلین از خود بروز داد، به عنوان اولین “ابرمیکروب” (MRSA) در تاریخ معرفی شد.
در سال 1939، “رنه دوبوس” (Rene Dubos) میکروب‌شناس فرانسوی، با جداسازی تیروتریسین (Tyrothricin) و گرامیسیدین (Gramicidin) از باکتری خاک باسیلوس برویس (Bacillus brevis) ، به طور مؤثری موفق به مهار باکتری‌های گرم مثبت شد و به این ترتیب، فصل جدیدی در کشف آنتی‌بیوتیک‌ها باز کرد.
در این دوران، بیش از 20 کلاس آنتی‌بیوتیکی از صدها گونه باکتی و قارچ کشف شد. به بیان بهتر، بخش عمده‌ای از آنتی‌بیوتیک‌ها در این دوران طی تحقیقات آنتی‌بیوتیکی شناسایی شده و توسعه یافتند و بعد از آن، عمدتاً مشتقات این عواملِ شناخته‌شده به بازار عرضه شد.
چند نوع از آنتی‌بیوتیک‌ها، همچون نیتروفوران (Nitrofuran) ، ماکرولیدها (Macrolides) ، تتراسایکیلین‌ها (Tetracycline) ، کینولون‌ها (Quinolons)و اگزازولیدینون‌ها (Oxazolidinones) جدیدتر از سایرین بوده و طی سال‌های 1948 تا 1960 شناسایی شده‌اند و به بیان دیگر، از 50 سال گذشته تا کنون، کلاس جدیدی از آنتی‌بیوتیک‌ها کشف نشده و به اثبات نرسیده‌ است.
توسعه سریع و اساسی چندین نوع از آنتی‌بیوتیک‌ها در مدت کوتاهی که به آن اشاره شد، منجر به استفاده بیش از اندازه از آن‌ها شد. بخش عمده‌ای از آنتی‌بیوتیک‌ها در دوران طلایی کشف این عوامل، توسعه و گسترش یافته و پس از آن، با کاهش شناسایی و توسعه انواع جدید آنتی‌بیوتیک‌ها، عمدتاً مشتقات عوامل شناسایی‌شده به بازار عرضه شد.
در روزهای اولیه استفاده از آنتی‌بیوتیک‌ها، باکتری‌های مقاوم موجود بودند؛ اما جریان ثابتی از مقاومت آنتی‌بیوتیک‌ها در برابر درمان‌های آنتی‌بیوتیکی وجود داشت و بنابراین پس از ایجاد مقاومت در برابر یک آنتی‌بیوتیک خاص، درمان جایگزین کار ساده‌ای به شمار می‌رفت.
مقاومت‌های به وجود آمده در این زمینه توسط باکتری‌ها، خسارات نظارتی و مالی زیادی برای شرکت‌های تولید کننده آنتی‌بیوتیک یا مشتقات آن‌ها را فراهم آوده است؛ در نتیجه اکنون با مشکل کاهش شرکت‌های دارویی مواجه هستیم.

گزارش‌های جهانی در ارتباط با مقاومت آنتی‌بیوتیکی

آنتی‌بیوتیک‌ها، داروهای شگفت‌انگیز برای مبارزه با باکتری‌ها شناخته و معرفی می‌شوند؛ این محصولات برای چندین دهه، علاوه‌بر مصارف دارویی به عنوان اقدامی پیشگیرانه در زمینه‌های دامپروری و کشاورزی به مصرف می‌رسیدند.
اصطلاح AMR، ظرفیت باکتری‌ها و سایر میکروارگانیسم‌ها را برای مقاومت در برابر تأثیرات آنتی‌بیوتیکی را بیان می‌کند و به باکتری‌ها اجازه حیات، زنده ‌ماندن و رشد می‌دهد. در واقع، این فرایند، پدیده‌ای طبیعی اجتناب‌ناپذیر است، زیرا میکروب‌ها و سایر عوامل بیماری‌زا به عنوان بخشی از حیات، برای کاهش اثرات کشنده آنتی‌بیوتیک‌ها علیه خودشان، به جهش‌های ژنتیکی روی می‌آورند.
طبق گزارش‌های موجود، برای اولین بار، مقاومت آنتی‌بیوتیکی در باکتری‌های استافیلوکوک ، استرپتوکوک (Streptococcus) و گنوکوک (Neisseriaceae) مشاهده شده و به ثبت رسید. در سال 1941 پنی‌سیلین به عنوان یک آنتی‌بیوتیک تجاری وارد بازار شد و تنها پس از گذشت یک سال بعد، در سال 1942 S.aureus مقاوم به پنی‌سیلین خود را بروز داد.
در سال 1960، متی‌سیلین، آنتی‌بیوتیک نیمه مصنوعی مرتبط با پنی‌سیلین به بازار عرضه شد، و مجدداً S.aureus مقاوم به متی‌سیلین این بار در همان سال ظاهر شد.
این روند، بیانگر این نکته است که زمان لازم برای ایجاد مقاومت به آنتی‌بیوتیک طولانی نیست، و مشاهدات حاکی از آن است که بیش از 70 درصد باکتی‌های بیماری‌زا، حداقل به یک نوع آنتی‌بیوتیک مقاوم هستند. اکنون، AMR از جدی‌ترین چالش‌های سلامت عمومی برای حفاظت از غذا و مراقبت‌های بهداشتی به شمار می‌رود.
بر اساس گزارشی، در کشور هند، در هر 9 دقیقه، یک کودک در اثر ابتلا به عفونت باکتریایی مقاوم به آنتی‌بیوتیک جان خود را از دست داده و بیش از 50000 نوزاد در اثر مقاومت باکتری‌ها به آنتی‌بیوتیک‌های رایج در این کشور، احتمالاً در اثر سپسیس (Septicemia) فوت می‌کنند.
بر اساس یک گزارش دیگر، S.aureus تا حدود 70 درصد کل عفونت‌های جهان در این رابطه را به خود اختصاص داده است.
طبق مطالعه‌ای که از سوی سازمان بهداشت جهانی (WHO) بر روی 500000 نفر از افراد 22 کشور و برای بررسی عفونت‌های باکتریاییِ حاصل از مقاومت صورت گرفته، باکتری‌های E.coli، S.pneumoniae و K.pneumoniae به صورت گسترده، در رده مقاوم‌ترین باکتری‌ها عستند.
مکانیسم اثر آنتی‎‌بیوتیک‌ها
فعالیت ضد باکتری معمولاً به عنوان یکی از 5 ساز و کار معمول طبقه‌بندی می‌گردد؛ این ساز و کارها شامل: تداخل در سنتز دیواره سلولی باکتری، مهار بیوسنتز پروتئین باکتری، مهار سنتز اسیدنوکلئیک باکتری، مهار مسیرهای متابولیک و مهار عملکرد غشای باکتری می‌باشد.

بررسی مکانیسم مقاومت آنتی‌بیوتیکی و عملکرد باکتری‌ها در ایجاد آن

_ در تصویر بالا، نحوه عملکرد آنتی‌بیوتیک‌ها به صورت خلاصه بیان شده است.

آنتی‌بیوتیک‌هایی که سنتز دیواره سلولی را مهار می‌کنند

دیواره سلولی باکتری‌ها از پپتیدوگلیکان‌های متصل به هم به وجود آمده. پپتیدوگلیکان، جزء ضروری دسواره سلولی باکتری بوده و حمایت مکانیکی را برای سلول باکتری فراهم می‌آورد؛ در هر دو نوع باکتری گرم مثبت و گرم منفی هم یافت می‌شود؛ با این حساب که در باکتری‌های گرم مثبت ضخیم (10 تا 40 لایه) و در باکتری‌های گرم‌منفی نازک ( یک تا 2 لایه) هستند. آنتی‌بیوتیک‌هایی مانند بتالاکتام‌ها (پنی‌سیلین و مشتقات آن، سفالوسپورین‌ها و کاباپنم‌ها) و گلیکوپپتیدها (وانکومایسین (Vancomycin) ) بیوسنتز پپتیدوگلیکان‌ها را مهار نموده و سلول مورد نظر را در مقابل فشار اسمزی و اتولیوز (Autolysis) آسیب‌پذیر می‌نمایند و به این صورت، سنتز دیواره سلولی باکتریایی را مهار می‌کنند.

بتالاکتام‌ها

این آنتی‌بیوتیک‌ها، از طریق اسیله کردن ترانس‌پپتیداز (Transpeptidase) درگیر در پپتیدهای پیوندهای پپتیدوگلیکان، آخرین مرحله سنتز پپتیدوگلیکان‌ها را مسدود می‌نمایند. پروتئین‌های متصل شونده به پنی‌سیلین (PBPs) اهداف اصلی فعالیت آنتی‌بیوتیک‌های بتالاکتام هستند که این فرآیند به نوبه خود، ترانس‌پپتیداسیون نهایی را مختل نموده و منجر به از دست دادن حیات و لیز میکروارگانیسم می‌شود.
گلیکوپپتیدها: این آنتی‌بوتیک‌ها، با مسدود سازی سنتز دیواره سلولی و مهار ترانس‌پپتیداز، از طویل شدن و اتصال عرضی زنجیره پپتیدوگلیکان جلوگیری به عمل می‌آورند.

آنتی‌بیوتیک‌هایی که سنتز پروتئین را مهار می‌کنند

این دسته از آنتی‌بیوتیک‌ها، با هدف قرار دادن زیرواحد 30S باکتری‌هایی همچون آمینوگلیکوزیدها و تتراسایکلین‌ها و نیز زیرواحد 50S میکروب‌های دسته‌ی کلرامفنیل (Chloramphenicol) ، ماکرولیدها و اگزازولیدینون‌ها، سبب مهار سنتز پزوتئین‌ها می‌گردد.
جدیدترین مکانیسم مقاومتی در برابر آمینوگلیکوزیدها، متیلاسیون rNA 165 است که برای اولین بار در یک ایزوله از سیتروباکتر فروندی (Citrobacter freundii) در سال 2002 در لهستان مشاهده شد، پس از آن، در ایزوله‌های سودوموناس آئروژینوزا (Pseudomonas aeruginosa) در ژاپن و در نمونه‌های کلبسیلا پنومونیه (K.Pneumonia) در فرانسه در سال 2003 به اثبات رسید.

آنتی‌بیوتیک‌هایی که سنتز نوکلئیک‌اسید را مهار می‌کنند

برخی از داروهای ضد باکتریایی، مانند ریفامایسین (Rifamycin) و فلوروکینولون‌ها به ترتیب با مهار RNA و DNA فعالیت آنتی‌باکتریایی خود را به انجام می‌رسانند.

آنتی‌بیوتیک‌های مهارکننده مسیرهای متابولیک

گروهی از آنتی‌بیوتیک‌های مصنوعی، به عنوان ضد متابولیت‌ها یا مهارکننده‌های رقابتی آنزیم‌های متابولیک باکتریایی به شمار می‌روند؛ با این هدف که با کنترل عفونت‌های باکتریایی حاصل از سولفونامیدها (Sulfonamide) و تری‌متوپریم‌ها (Trimethoprim) ، مراحل مختلف مسیر متابولیک اسید فولیک را مهار می‌کنند.

آنتی‌بیوتیک‌های مهارکننده عملکرد غشای سلولی

گروه کوچکی از آنتی‌بیوتیک‌ها به لیز کردن و تخریب غشای سلول باکتریایی می‌پردازند؛ از این دسته می‌توان به آنتی‌بیوتیک‌های پلی‌میکسین‌ها (Polymyxin) (انواع E و B) اشاره کرد. این‌ عوامل ضدباکتریایی، در حقیقت لیپوفیل‌های (چربی دوستی_ Lipophilicity) شوینده مانندی هستند که به وسیله تداخل با بخش لیپوپلی‌ساکارید باکتری‌های گرم‌ منفی، غشا را لیز می‌نمایند.

مکانیسم‌های مقاومت آنتی‌بیوتیکی

اصطلاح “مقاومت آنتی‌بیوتیکی” به منظور جمع‌آوری تمام ژن‌های مقاومت آنتی‌بیوتیکی در میکروارگانیسم‌ها از جمله ژن‌های باکتری‌های بیماری‌زا و غیربیماری‌زا پیشنهاد شده است. این مفهوم، ژن‌های مقاومت در تولید کنندگان آنتی‌بیوتیک و ژن‌های پیش‌سازی را که تحت تأثیر فشار انتخابی مناسب تکامل یافته‌اند و به عنوان عنصر مقاومتی عمل می‌کند، در بر می‌گیرد.
از موفق‌ترین مکانیسم‌های مقاومتی CTX-M ESBLs است که در سال‌های اخیر بروز و گسترش پیدا کرده است. این مکانیسم مرتبط با خانواده بتالاکتامازهاست که حدود 20 سال پیش، برای اولین بار به صورت همزمان در آلمان و آرژانتین کشف شد. در طی سال‌های اخیر، افزایش چشمگیری در این گروه از بتالاکتامازها در باکتری‌های E.coli در سراسر جهان گزارش شده است.
ظرفیت جمعی باکتری‌ها در جهت غیرفعال سازی دارو، به عوامل گوناگونی از جمله تعداد سلول‌های بیان کننده ایجاد مقاومت بستگی دارد و انتظار می‌رود که چنین پدیده‌ای در جمعیت‌های اولیه و کوچک به میزان بسیار کمی مؤثر باشد؛ اندازه این سلول‌ها از دیگر عوامل تأثیرگذار بر داروهای آنتی‌بیوتیکی است که غلظت آنتی‌بیوتیک را تحت‌الشعاع قرار می‌دهد.
غیرفعال سازی آنزیمی آنتی‎‌بیوتیک‌ها، باعث کاهش غلظت آنتی‎‌بیوتیک در محیط شده و در عین حال، به سلول‌های حساس اجازه حیات می‌دهد؛ برای مثال، غیرفعال سازی آنتی‌بیوتیک‌های بتالاکتام و محافظت از سلول‌های حساس اتفاقی است که به طور منظم در طبیعت رخ می‌دهد. می‌توان گفت، باکتری‌های حساس به آنتی‌بیوتیک در مقاومت آنزیمی، نوعی متقلب به شمار می‌روند که بدون تحمیل هیچ‌گونه هزینه‌ای در جهت تولید آنزیم، مقاومت را به سود خود به پیش می‌برند. این نکته حائز اهمیت است که تکامل سیستم‌های مقاومت جمعی و مقاومت آنزیمی به سرعت رخ می‌دهد و به این ترتیب، هزینه‌های مقاومت به تدریج کاهش پیدا می‌کند.
با این وجود، مقاومت جمعی در آنتی‌بیوتیک‌ها یک ویژگی فراگیر است که نیاز به اندازه‌گیری‌ها و تجزیه و تحلیل‌های بیشتری دارد.

دو طیف اصلی از مقاومت آنتی‌بیوتیکی وجود دارد؛ مقاومت‌های طبیعی و اکتسابی (مهندسی)

مقاومت طبیعی می‌تواند به طور ذاتی وجود داشته باشد که اغلب در ارگانیسم‌ها بیان می‌گردد؛ از سویی ممکن است باواسطه عمل کند که به طور معمول در باکتری‌ها به چشم می‌خورد و تنها به دنبال درمان‌های آنتی‌بیوتیکی فعال می‌شوند. پاسخ‌های مقاومت طبیعی می‌تواند در استفاده از ماشین‌های باکتریایی یعنی ژن‌های مقاومت باکتری، تنوع و جهش ژنی در ژن‌هایی که از قبل در میکروارگانیسم حضور داشته‌اند یا ژن‌هایی که در پاسخ به برخی عوامل فعال شده‌اند (ژن‌های اکتسابی) خلاصه شود. البته رشد باکتری در بیوفیلم‌ها (Biofilm) ارتباط مستقیمی با افزایش مقاومت باکتری به عوامل ضد میکروبی دارد و از دسته پاسخ‌های فیزیولوژیکی شناخته می‌شود.
باکتری‌های موجود در بیوفیلم، به جهت دارا بودن توانایی کاهش حساسیت به آنتی‌بیوتیک‌ها و سایر سموم و مقاومت در برابر غلظت‌های بسیار بالای داروها قابل توجه هستند. همزمان با تراکم سلولی موجود در بیوفیلم، ساختار فضایی و فیزیکی نیز در این زمینه کمک کننده خواهد بود.
ساختار و ترکیب ماتریس بیوفیلم دو عامل کمک کننده برای مقاومت هستند؛ DNA ماتریس خارجی بیوفیلم و اگزوپلی‌ساکارید موجود، همانند یک مانع، انتشار و رسیدن دارو به سلول‌های زنده را مانع می‌شوند. غیرفعال‌سازی آنزیمی آتی‌بیوتیک‌ها در محیط بیرونی یک بیوفیلم قادر است از رسیدن داروها به اعماق بیشتر جلوگیری نماید. از سویی، آنتی‌بیوتیک‌هایی که در رسیدن به اعماق بیوفیلم موفق می‌شوند، ممکن است در مواجهه با شرایطی که باکتری در این ناحیه به وجود آورده، مؤثر واقع نشوند. شیب غلظت اکسیژن، کاتیون‌ها و سایر املاح و نیز PH و محدودیت‌های انتشار این موارد می‌تواند جذب و اثرگذاری دارو را کاهش دهد.
مقاومت اکتسابی، ممکن است حاصل کسب مواد ژنتیکی توسط باکتری از طریق ترجمه، کونژوگاسیون (انتقال افقی ژن_ Conjugation) یا جهش در DNA و جابه‌جایی کروموزومی باشد. در سال‌های اخیر، این امر نشان داده شده که مقاومت آنتی‌بیوتیکی، می‌تواند از باکتری‌های محیطی که ظاهراً در تولید آنتی‌بیوتیک نقشی ندارند نیز منشأ بگیرد.
مکانیسم‌های AMR احتمالاً به دسته تقسیم می‌گردد:
1) محدودیت جذب دارو
2) جریان دارو
3) غیرفعال ساختن مواد دارویی
4) اصلاح هدف دارو
با توجه به تفاوت‌های ساختاری و سایر اختلافات موجود بین دو گروه باکتری‌های گرم منفی و مثبت، باکتری‌های گرم منفی قادر هستند تا از هر 4 مکانیسم ذکر شده بهره ببرند؛ در حالی که باکتری‌های گرم مثبت به دلیل فقدان لیپوپلی‌ساکارید در غشای خارجی خود، کمتر از مکانیسم محدود سازی جذب و جریان دارو استفاده می‌نمایند.
1) محدود ساختن جذب دارو
باکتری‌های گرم منفی به طور ذاتی نسبت به باکتری‌های گرم مثبت کمتر به آنتی‌بیوتیک‌های خاص نفوذ می‌نمایند؛ زیرا غشای بیرونی آنها شامل یک لایه لیپوپلی‌ساکاریدی است که سپری نفوذی را ایجاد می‌کند. به عنوان مثال، آنتی‌بیوتیک‌های گلیکولیپیدی همانند وانکومایسین بر روی باکتری‌های گرم منفی بی‌اثر هستند، زیرا این غشا مانع نفوذ نفوذ این آنتی‌بیوتیک به درون باکتری است.
تشکیل بیوفیلم، از عواملی است که به تشکیل کلونیزاسیون (Colonization) باکتری‌ها کمک می‌کند. ماتریس بیوفیلم، پلی‌ساکاریدها را در برمی‌گیرد که ورود عوامل ضد باکتری به درون باکتری را دشوار ساخته و به عنوان عاملی دفاعی عمل می‌کند.
2) جریان دارو
طیف وسیعی از آنتی‌بیوتیک‌ها، به صورت فعال به وسیله پمپ‌های جریان باکتری به خارج از سلول منتقل می‌گردند و نقش مهمی را در مقاومت ذاتی باکتری‌های گرم منفی ایفا می‌کنند. خانواده‌های باکتریاییِ حاوی این پمپ‌ها به صورت چند بخشی بستر را بطور سرتاسری پوشش می‌دهند؛ البته نوع دیگری از این خانواده‌ها، بسترهای غشای سیتوپلاسمی را به صورت منفرد پوشش می‌دهند.
مقاومت تتراسایکلین، نمونه‌ای از مقاومت با واسطه از خانواده Tet است که در آن، پمپ‌های خروج دارو از تبادل پروتون به عنوان منبع انرژی برای اکسترود ساختن تتراسایکیلین‌ها استفاده می‌کنند.
3) غیرفعال سازی دارو
باکتری‌ها به دو روش آنتی‌بیوتیک‌ها را غیرفعال می‌کنند: تغییر شیمیایی (اصلاح دارو)_ از بین بردن دارو
الف) اصلاح شیمیایی داروها: باکتری‌ها قادر هستند آنزیم‌هایی را تولید نمایند که می‌توانند گروه‌های شیمیایی متنوعی را به داروها متصل نمایند؛ این مکانیسم، از اتصال آنتی‌بیوتیک به هدف خود در باکتری جلوگیری می‌کند. انتقال گروه‌های فسفوریل، استیل و آدنیل از مؤثرترین روش‌های غیرفعال‌سازی دارو به روش انتقال گروه‌های شیمیایی است.
ب) از بین بردن دارو: رایج‌ترین عوامل ضد میکروبی، شامل داروهای بتالاکتام، پنی‌سیلین و سفالوسپورین‌ها هستند. ساختار مشترک در این عوامل ضدباکتریایی، ساختمانی مشترک در مرکز این دسته از داروهاست که بصورت یک حلقه بتالاکتام چهار طرفه خودنمایی می‌کند.
بتالاکتامازها، فعالیت این حلقه بتالاکتامی را تحت تأثیر قرار داده و از بین می‌برد؛ در واقع با هیدرولیز حلقه بتالاکتام، از اتصال آن به پروتئین‌های متصل شونده به پنی‌سیلین جلوگیری می‌نمایند؛ که این یک مکانیسم کلیدی در مقاومت آنتی‌بیوتیکی به شمار می‌رود.
4) اصلاح هدف دارو
اصلاح هدف آنتی‌بیوتیک‌ها، مکانیسمی رایج در جهت مقاوم ساختن باکتری‌ها به آنتی‌بیوتیک‌هاست، یکی از این مکانیسم‌ها، تغییر در آرایش و یا میزان مقاومت در مقابل داروهای گروه بتالاکتام است، در این روش، مقدار دارویی که به هدف متصل می‌گردد تحت تأثیر تغییرات تعداد قرار می‌گیرد. نوعی تغییر ساختاری با عنوان PBP در استافیلوکوکوس اورئوس مشاهده شده که در آن، توسعه ژن mecA باعث کاهش اتصال دارو شده یا به طور کامل مانع اتصال آن خواهد شد.
مقاومت در مقابل داروهایی که با مهار سنتز نوکلئیک اسید کار خود را به انجام می‌رسانند، همانند فلوروکینون‌ها، با ایجاد تغییراتی در IV گیراز یا توپوایزومراز DNA همراه است که این جهش‌ها سبب تغییر ترکیب گیراز و توپوایزومرها شده و توانایی دارو برای اتصال به این اجزا را محدود یا به طور کلی حذف می‌کند.
دلایل وقوع مقاومت آنتی‌بیوتیکی
باکتری‌ها، همانند سایر میکروارگانیسم‌ها موجودات زنده‌ای هستند که به مرور و در طول زمان به سازگاری می‌رسند؛ با این هدف که تکثیر، زنده ماندن و انتشار با بیشترین سرعت را داشته باشند. به این روش، باکتری‌ها با محیط اطراف خود به سازگاری رسیده و با تکامل خود ادامه حیاتشان را ممکن می‌سازند. در این بین، هر عاملی که به گونه‌ای رشدشان را متوقف سازد، همانند آنتی‌بیوتیک‌‌ها که فعالیت ضد میکروبی دارند، تغییرات ژنتیکیِ ایجاد شده در این میکروارگانیسم‌ها آن‌ها را نسبت به دارو ایمن ساخته و به آن‌ها اجازه زنده ماندن می‌دهد.
دلایل میکروبی (طبیعی)
در درجه اول، مقاومت آنتی‌بیوتیکی به وسیله تغییراتی درون باکتری حاصل می‌شود که این تغییرات به شیوه‌های مختلفی خود را بروز می‌دهند:
_ جهش ژنتیکی
تغییرات به وجود آمده در چند جفت باز (جهش نقطه‌ای) در طی تکثیر باکتریایی می‌تواند باعث جایگزینی یک یا چند اسید آمینه، ژن‌های کنترل کننده یا ساختار کروموزومی شود؛ این اتفاق، با یک هدف حیاتی و ایجاد سویه‌های مقاوم جدید رخ می‌دهد.
_ انتقال مواد ژنتیکی
اغلب ژن‌های مقاومت آنتی‌باکتریایی توسط پلازمیدها و سایر انواع عناصر ژنتیکی متحرک حمل می‌گردد که می‌تواند سایر باکتری‌ها از جنس‌های دیگر و یا گونه‌های مختلف را نیز درگیر کند. باکتری‌های مقاوم در برابر داروها ممکن است نسخه‌ای از ژن‌های خود را هم به دیگر باکتری‌های غیر مقاوم انتقال دهند. باکتری به تجمع DNAهای جدید قادر است در باکتری‌های غیر مقاوم مقاومت به وجود بیاید.
_ فشار انتخابی
این روش ممکن است به عنوان یکی از شرایط محیطی در نظر گرفته شود که امکان بقا و تکثیر ارگانیسم‌های دارای ویژگی‌های جدید و یا جهش‌های جدید را فراهم می‌آورد. هنگامی که در برابر یک عامل ضد باکتریایی، مقاومت به وجود آید و باکتری‌ها در امان بمانند، این بازماندگان به تکثیر پرداخته و میکروب‌های جدیدی را بر جمعیت قبلی اضافه می‌کنند که توانایی مقاومت در برابر آنتی‌بیوتیکِ به کار گرفته شده را دارند و این جمعیت، بر جمعیت پیشین چیره شده و غالب خواهد بود.
_ تشخیص اشتباه
گاهی اوقات، ممکن است به دلیل تشخیص نادرست و درک اشتباه از عفونت رخ داده برای بیمار از سوی پزشک معالج (اینکه منشأ عفونت ویروس است یا باکتری)، آنتی‌بیوتیک جهت رفع عفونت تجویز گردد. در چنین شرایطی، اگر عفونت ویروسی باشد، آنتی‌بیوتیک در برابر آن بی‌اثر خواهد بود و نه تنها کمکی به رفع عفونت نمی‌کند، بلکه ممکن است مقاومت در نتیجه این تشخیص نادرست به وچود آید.
_ خوددرمانی
آنتی‌بیوتیک‌ها، گاهی بدون تجویز پزشک مورد استفاده قرار می‌گیرند؛ به عنوان مثال، در منطقه آسیای جنوب شرقی چنین مواردی به کرات و به طور گسترده توسط افراد مشاهده می‌شود. خوددرمانی با آنتی‌بیوتیک‌ها، ارتباط نزدیکی با احتمال استفاده از داروی اشتباه یا مصرف اشتباه یک دارو دارد که به آن “SMA” گفته می‌شود؛ این پدیده می‌تواند بیماران را با خطراتی همچون واکنش‌های نامطلوب دارویی، پنهان نمودن علائم بیماری‌های زمینه‌ای و مقاومت دارویی در باکتری‌ها مواجه سازد.
_ مصرف ناکافی و یا بیش از اندازه آنتی‌بیوتیک‌ها
اگر فرد بیمار دوره مصرف آنتی‌بیوتیکی تجویز شده از سوی پزشک را به پایان نرساند، ممکن است محیط درونی بدن خود را برای رشد برخی از باکتری‌ها و در نتیجه مقاومت آن‌ها به آنتی‌بیوتیک مصرفی آماده کنند. در همان سال 1945، کاشف آنتی‌بیوتیک‌ها_ الکساندر فلمینگ_ هشدار عمومی در رابطه با مصرف بیش از اندازه آنتی‌بیوتیک‌ها صادر کرد؛ زیرا خود او متوجه خطرات ناشی از استفاده نادرست از این داروها شده بود که این اثرات نامطلوب، با تغییر باکتری‌ها سبب بی‌اثر کردن آنتی‌بیوتیک‌ها خواهند شد.
_ محیط بد بیمارستان
اگر بیمارستان‌ها، دستورالعمل‌های مناسب جهت تمیز نگه‌داشتن فضای بیمارستان نداشته باشند، ممکن است بیماران، کارکنان و بازدیدکنندگانی که در این محیط رفت و آمد دارند و مجموعه‌ای از میکروبیوم‌ها و باکتری‌های مستعمره‌کننده را روی لباس‌ها و حتی درون بدن خود حمل می‌کنند، سبب گسترش این میکروارگانیسم‌های بیماری‌زا شده و مقاومت آنتی‌بیوتیکی را افزایش دهند.
_ استفاده گسترده در بخش کشاورزی
در بخش‌های صنعتی و کشاورزی، آنتی‌بیوتیک‌ها مکمل‌ها و محرک‌های رشدی خوبی برای حیوانات و دام به شمار می‌آیند.
درمان دام با برخی آنتی‌بیوتیک‌ها و سپس مصرف انسان از این دام می‌تواند پدیده مقاومت آنتی‌بیوتیکی را برای انسان به دنبال داشته باشد؛ چرا که وجود باکتری‌های مقاوم به آنتی‌بیوتیک در دام، ممکن است برای انسان عاملی بیماری‌زا محسوب گردد. این عوامل، به راحتی و توسط زنجیره‌های غذایی به انسان رسیده و سپس به صورت گسترده در اکوسیستم به وسیله فضولات حیوانی پخش خواهند شد.
_ در دسترس بودن چند نوع آنتی‌بیوتیک جدید
اختراع آنتی‌بیوتیک‌های جدید در صنعت داروسازی، به دلیل مبارزه با باکتری‌های مقاوم به آنتی‌بیوتیک، چالش‌های فنی و کمبود دانش و وجود مشکلات اساسی در مبارزه با فیزیولوژی باکتری‌ها (برای مثال، وجود دیواره سلولی پیچیده در باکتری‌های گرم منفی) به کندی صورت می‌پذیرد.
از طرفی، هنگامی که آنتی‌بیوتیک‌های جدید ظهور و گسترش می‌یابند، بروز مقاومت آنتی‌بیوتیکی امری اجتناب‌ناپذیر است. در نتیجه، پزشکان به طور معمول چنین داروهایی را در شدیدترین شرایط تجویز می‌کنند و در سایر موارد، به تجویز داروهای قدیمی‌تر که اثربخشی مشابهی را از خود بروز می‌دهند می‌پردازند؛ ادامه یافتن این روند احتمال بی‌اثر شدن داروهای قدیمی را به دلیل ایجاد مقاومت علیه آنتی‌بیوتیک‌ها افزایش خواهد داد.

مقاومت جهانی علیه مقاومت آنتی‌بیوتیکی (AMR)

آنتی‌بیوتیک‌ها، در کنار آب سالم، بهداشت و واکسیناسیون کمک‌های شایانی جهت گسترش و بهبود بهداشت و درمانِ کشورهای در حال توسعه نموده‌اند. چالش جدی و جدید در حوزه آنتی‌بیوتیک، دستیابی این کشورها به آنتی‌بیوتیک بدون توسعه گسترده مقاومت آنتی‌بیوتیکی و به حداقل رساندن عواقب فاجعه‌بار این رخداد است.
تحقیق و توسعه، به همراه تأمین مالی می‌تواند ریشه‌کن کردن AMR را عملی سازد. متقاعد ساختن ذی‌نفعان این حوزه، و ضروری‌تر آن، ایجاد دانش، درک و اعتماد در جامعه در ارتباط با هر مسئله‌ای می‌تواند روند کار را تسریع نماید؛ همچنین، مشارکت ، مشاوره و همکاری‌های یکپارچه وزارت بهداشت و کشاورزی می‌تواند تأثیرات دائمی به سزایی در سطح ملی به همراه داشته باشد.

نتیجه گیری

ظهور مقاومت ضد میکروبی همراه با کاهش تولید و شناسایی آنتی‌بیوتیک‌های جدید و نوآور، به تحقیق چشم‌انداز خوبی را از آینده در اختیار نمی‌گذارد. لازم است استفاده از آنتی‎‌بیوتیک در سطوح ملی و جهانی و به خصوص در کشورهای در حال توسعه و پیشرفت، بصورت اصولی وضع گردد. توقف استفاده بی‌رویه و بدون نسخه از آنتی‌بیوتیک در این کشورها در کنار آموزش به تجویزکنندگان در رابطه با مقاومت آنتی‌بیوتیکی، می‌تواند مصرف نادرست آنتی‌بیوتیک را تا حدود زیادی به حداقل برساند. برای به حداقل رساندن تقاضای بی‌جای داروهای ضد میکروبی، نیاز است عموم افراد جامعه تحت آموزش و آگاهی قرار گیرند.
کاربردهای کشاورزی آنتی‌بیوتیک، بهتر است به جای تحریک رشد و توسعه، به مراقبت از حیوانات و دام متمرکز و محدود گردد.
به منظور شناسایی ژنتیکی ابزارهای مقاومت ضد میکروبی، استفاده از روش‌های متاژنومیک و تجزیه و تحلیل‌های فیلوژنتیک می‌تواند نقش به سزایی در این باره ایفا کند؛ این ابزارها، نه تنها شناسایی آتی سایر ژن‌های مقاومت ضد میکروبی جدید را تسهیل می‌کند، بلکه قادر خواهد بود اجداد آن‌ها را در باکتری‌های محیطی شناسایی نماید.

منابع

 

  1. Antibiotic resistance genes from the environment: a perspective through newly identified antibiotic resistance mechanisms in the clinical setting
  2. Antibiotic resistance in microbes: History, mechanisms, therapeutic strategies and future prospects
  3. Collective antibiotic resistance: mechanisms and implications
نویسنده : زهرا مفیدی
image_pdfدانلود PDF مقاله

ساینسینو را در اینستاگرام و تلگرام دنبال کنید

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

شانزده + 4 =

50
ویدیو ضبط شده کارگاه قابل مشاهده
مدیریت سایت
5/5
250
کارگاه حضوری در دانشگاه شریف
مدیریت سایت
5/5
55
24 ساعت آموزش آنلاین
مدیریت سایت
5/5