pulmoПульмонологияPULMONOLOGIYA0869-01892541-9617Scientific and Practical Journal “PULMONOLOGIYA” LLC10.18093/0869-0189-2017-27-5-664-671pulmo-924Research ArticleОБЗОРЫREVIEWОксидативный стресс, индуцированный антибактериальными препаратами, и антибиотикорезистентность бактерийAntibiotic-induced oxidative stress and antibiotic resistanceПостниковаЛ. Б.PostnikovaL. B.

д. м. н., доцент, главный внештатный специалист-пульмонолог Министерства здравоохранения Нижегородской области, консультант-пульмонолог

тел.: (910) 390-64-37

603000, Нижний Новгород, ул. Чернышевского, 22

 

Doctor of Medicine, Associate Professor

tel.: 910-390-64-37

ul. Chernyshevskogo 22, Nizhniy Novgorod, 603000, Russia

СоодаеваС. К.SoodaevaS. K.

 

д. м. н., профессор, заведующая лабораторией клинической и экспериментальной биофизики

 

профессор кафедры патологии человека Института профессионального образования

 тел: (495) 465-52-64

105077, Россия, Москва, ул. 11-я Парковая, 32, корп. 4

119991, Москва, ул. Трубецкая, 8, стр. 2

 

Doctor of Medicine, Professor, Head of Laboratory of Clinical and Experimental Biophysics

 

Professor at Department of Human Pathology

 

tel.: 495-465-52-64

ul. Odinnadtsataya Parkovaya 32, build. 4, Moscow, 105077, Russia

ul. Trubetskaya 8, build. 2, Moscow, 119991, Russia

soodaeva@mail.ruКлимановИ. А.KlimanovI. A.

 

к. м. н., старший научный сотрудник лаборатории клинической и экспериментальной биофизики

тел: (495) 465-52-64

105077, Россия, Москва, ул. 11-я Парковая, 32, корп. 4

Candidate of Medicine, Senior Researcher at Laboratory of Clinical and Experimental Biophysics

tel.: 495-465-52-64

ul. Odinnadtsataya Parkovaya 32, build. 4, Moscow, 105077, Russia

igorklimanov@yandex.ruКубышеваН. И.KubyshevaN. I.

 

д. б. н., старший научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории «Медицинская информатика» Высшей школы информационных технологий и информационных систем 

тел.: (910) 796-98-38

420000, Республика Татарстан, Казань, ул. Кремлевская, 18

 

Doctor of Biology, Senior Researcher of the Research Laboratory "Health Informatics"

 

tel.: (910) 796-98-38

ul. Kremlevskaja 18, Kazan', 420000, Tatarstan Republic, Russia

aibolit70@mail.ruАфиногеновК. И.AfinogenovK. I.

 

врач-пульмонолог Государственной клиники 123 персонализированной медицины 

тел.: (919) 969-19-90

143000, Московская область, г. Одинцово, Красногорское шоссе, 15

 

Pulmonologist

 

tel.: (919) 969-19-90

Krasnogorskoe shosse 15, Odintsovo of Moscow region, 143003, Russia

afinogenov.k@mail.ruГлуховаМ. В.GlukhovaM. V.

аспирант 

тел.: (985) 641-17-63

119991, Москва, ул. Трубецкая, 8, стр. 2

 

Postgraduate student at Department of Human Pathology

 

tel.: (985) 641-17-63

ul. Trubetskaya 8, build. 2, Moscow, 119991, Russia

glukhova.88@gmail.comНикитинаЛ. Ю.NikitinaL. Yu.

 

д. м. н., заведующая кафедрой терапии факультета дополнительного профессионального образования

тел.: (908) 882-86-20

628007, Ханты-Мансийск, ул. Мира, 40

 

Doctor of Medicine, Head of Department of Therapy

 

tel.: 908-882-86-20

ul. Mira 40, Khanty-Mansiysk, 628007, Russia

lidiya_nikitina@mail.ruГосударственное бюджетное учреждение здравоохранения Нижегородской области «Городская клиническая больница № 38 Нижегородского района г. Нижнего Новгорода»РоссияNizhniy Novgorod Regional City Teaching Hospital No.38Russian FederationФедеральное государственное бюджетное учреждение «Научно-исследовательский институт пульмонологии Федерального медико-биологического агентства» Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Первый Московский государственный медицинский университет имени И.М.Сеченова» Министерства здравоохранения Российской ФедерацииРоссияFederal Pulmonology Research Institute, Federal Medical and Biological Agency of Russia I.M.Sechenov First Moscow State Medical University, Healthcare Ministry of RussiaRussian FederationФедеральное государственное бюджетное учреждение «Научно-исследовательский институт пульмонологии Федерального медико-биологического агентства»РоссияFederal Pulmonology Research Institute, Federal Medical and Biological Agency of RussiaRussian FederationФедеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Казанский (Приволжский) федеральный университет» Министерства образования и науки Российской ФедерацииРоссияKazan (Volga region) Federal University, Kazan University the Ministry of education and science of the Russian FederationRussian FederationФедеральное государственное бюджетное учреждение «Федеральный научно-клинический центр физико-химической медицины Федерального медико-биологического агентстваРоссияFederal Teaching Hospital No.123, Federal State Research and Clinical Center of Physical and Chemical Medicine, Federal Medical and Biological Agency of RussiaRussian FederationФедеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Первый Московский государственный медицинский университет имени И.М.Сеченова» Министерства здравоохранения Российской ФедерацииРоссияI.M.Sechenov First Moscow State Medical University, Healthcare Ministry of RussiaRussian FederationБюджетное учреждение высшего образования Ханты-Мансийского автономного округа – Югры «Ханты-Мансийская государственная медицинская академия»РоссияKhanty-Mansiyskaya State Medical AcademyRussian Federation201724122017275664671Copyright © Постникова Л.Б., Соодаева С.К., Климанов И.А., Кубышева Н.И., Афиногенов К.И., Глухова М.В., Никитина Л.Ю., 20172017Постникова Л.Б., Соодаева С.К., Климанов И.А., Кубышева Н.И., Афиногенов К.И., Глухова М.В., Никитина Л.Ю.Postnikova L.B., Soodaeva S.K., Klimanov I.A., Kubysheva N.I., Afinogenov K.I., Glukhova M.V., Nikitina L.Y.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://journal.pulmonology.ru/pulm/article/view/924

В обзоре представлены обобщенные литературные данные по проблеме антибиотикорезистентности бактерий, обусловленной оксидативным стрессом (ОС) под влиянием антибактериальных препаратов (АБП). Среди ранее изученных механизмов ОС бактериальной клетки выделены следующие: образование активных форм и радикалов кислорода и субстратов окисления белков, жирные кислоты, присутствие во внутриклеточной среде молекулярного кислорода и ионов металлов переменной валентности. Изучение роли антиоксидантной системы у бактерий при различных воздействиях, не связанных с прямым действием экзогенных оксидантов, находится в начальной стадии. Потенциальное участие внутриклеточных антиоксидантов бактерий в развитии устойчивости к АБП в настоящее время уже не вызывает сомнений. Понимание связи между ОС и устойчивостью бактерий к АБП может способствовать разработке новых антимикробных препаратов как в направлении усиления их окислительных свойств, так и в области поиска новых мишеней сдерживания антиоксидантной защиты патогенных бактерий. Показано, что на сегодняшний день актуально дальнейшее изучение механизмов антибиотикорезистентности, опосредованной нарушением равновесия оксиданты / антиоксиданты в микробной клетке, однако при этом требуется проведение исследований не только в экспериментальных условиях, но и при использовании клинического материала.

This is a review of published data on oxidative stress-induced antibiotic resistance of pathogens caused by antimicrobials. Known mechanisms of oxidative stress in a bacterial cell include occurrence of oxygen reactive species, protein oxidation products, fat acids, intracellular molecular oxygen and transition metal ions. Investigations of bacterial antioxidant defense under antibiotic-induced oxidative stress are at an early stage. Understanding the relationship between oxidative stress and bacterial resistance to antibiotics could facilitate development of novel antimicrobials due to both stimulation of oxidation properties of antimicrobials and searching new ways for inhibition of antioxidant defense of pathogens.

оксидативный стрессантибактериальные препаратыантиоксидантыбактерииантибиотикорезистентность.oxidative stressantibioticsantioxidantbacteriaantibiotic resistanceReferencesFleming A. On the antibacterial action of cultures of a penicillium, with special reference to their use in the isolation of B. influenzae. Br. J. Exp. Pathol. 1929; 10: 226–236.Fleming A. On the antibacterial action of cultures of a penicillium, with special reference to their use in the isolation of B. influenzae. Br. J. Exp. Pathol. 1929; 10: 226–236.Walsh C. Where will new antibiotics come from? Nat. Rev. Microbiol. 2003; 1 (1): 65–70. DOI: 10.1038/nrmicro727.Walsh C. Where will new antibiotics come from? Nat. Rev. Microbiol. 2003; 1 (1): 65–70. DOI: 10.1038/nrmicro727.Davies J., Davies D. Origins and evolution of antibiotic resistance. Microbiol. Mol. Biol. Rev. 2010; 74 (3): 417–433. DOI: 10.1128/MMBR.00016-10.Davies J., Davies D. Origins and evolution of antibiotic resistance. Microbiol. Mol. Biol. Rev. 2010; 74 (3): 417–433. DOI: 10.1128/MMBR.00016-10.Wright G.D. The antibiotic resistome: the nexus of chemical and genetic diversity. Nat. Rev. Microbiol. 2007; 5 (3): 175–186. DOI: 10.1038/nrmicro1614.Wright G.D. The antibiotic resistome: the nexus of chemical and genetic diversity. Nat. Rev. Microbiol. 2007; 5 (3): 175–186. DOI: 10.1038/nrmicro1614.Alekshun M.N., Levy S.B. Molecular mechanisms of antibacterial multidrug resistance. Cell. 2007; 128 (6): 1037–1050. DOI: 10.1016/j.cell.2007.03.004.Alekshun M.N., Levy S.B. Molecular mechanisms of antibacterial multidrug resistance. Cell. 2007; 128 (6): 1037–1050. DOI: 10.1016/j.cell.2007.03.004.Kohanski M.A., Dwyer D.J., Hayete B. et al. A common mechanism of cellular death induced by bactericidal antibiotics. Cell. 2007; 130 (5): 797–810. DOI: 10.1016/j.cell.2007.06.049.Kohanski M.A., Dwyer D.J., Hayete B. et al. A common mechanism of cellular death induced by bactericidal antibiotics. Cell. 2007; 130 (5): 797–810. DOI: 10.1016/j.cell.2007.06.049.Kohanski M.A., Dwyer D.J., Wierzbowski J. et al. Mistranslation of membrane proteins and two-component system activation trigger aminoglycoside-mediated oxidative stress and cell death. Cell. 2008; 135 (4): 679–690. DOI: 10.1016/j.cell.2008.09.038.Kohanski M.A., Dwyer D.J., Wierzbowski J. et al. Mistranslation of membrane proteins and two-component system activation trigger aminoglycoside-mediated oxidative stress and cell death. Cell. 2008; 135 (4): 679–690. DOI: 10.1016/j.cell.2008.09.038.Yeom J., Imlay J.A., Park W. Iron homeostasis affects antibiotic-mediated cell death in Pseudomonas species. J. Biol. Chem. 2010; 285 (29): 22689–22695. DOI: 10.1074/jbc.M110.127456.Yeom J., Imlay J.A., Park W. Iron homeostasis affects antibiotic-mediated cell death in Pseudomonas species. J. Biol. Chem. 2010; 285 (29): 22689–22695. DOI: 10.1074/jbc.M110.127456.Dwyer D.J., Kohanski M.A., Collins J.J. Role of reactive oxygen species in antibiotic action and resistance. Curr. Opin. Microbiol. 2009; 12 (5): 482–489. DOI: 10.1016/j.mib.2009.06.018.Dwyer D.J., Kohanski M.A., Collins J.J. Role of reactive oxygen species in antibiotic action and resistance. Curr. Opin. Microbiol. 2009; 12 (5): 482–489. DOI: 10.1016/j.mib.2009.06.018.Marrakchi M., Liu X., Andreescu S. Oxidative stress and antibiotic resistance in bacterial pathogens: state of the art, methodologies, and future trends. Adv. Exp. Med. Biol. 2014; 806: 483–498. DOI: 10.1007/978-3-319-06068-2_23.Marrakchi M., Liu X., Andreescu S. Oxidative stress and antibiotic resistance in bacterial pathogens: state of the art, methodologies, and future trends. Adv. Exp. Med. Biol. 2014; 806: 483–498. DOI: 10.1007/978-3-319-06068-2_23.Хурцилава О. Г., Плужников Н. Н., Накатис Я. А. (ред.). Оксидативный стресс и воспаление: патогенетическое партнерство. СПб: Издательство СЗГМУ им. И.И.Мечникова; 2012.Khurtsilava O. G., Pluzhnikov N. N., Nakatis Ya. A. (eds.). Oxidative stress and inflammation: pathogenic parthnership. Saint-Petersburg: Izdatel'stvo SZGMU im. I.I.Mechnikova; 2012 (in Russian).Foti J., Devadoss B., Winkler J.A. et al. Oxidation of the guanine nucleotide pool underlies cell death by bactericidal antibiotics. Science. 2012; 336 (6079): 315–319. DOI: 10.1126/science.1219192.Foti J., Devadoss B., Winkler J.A. et al. Oxidation of the guanine nucleotide pool underlies cell death by bactericidal antibiotics. Science. 2012; 336 (6079): 315–319. DOI: 10.1126/science.1219192.Dwyer D.J., Belenky P.A., Yang J.H. et al. Antibiotics induce redox-related physiological alterations as part of their lethality. Proc. Natl. Acad. Sci. USA.. 2014; 111 (20): 2100–2109. DOI: 10.1073/pnas.1401876111.Dwyer D.J., Belenky P.A., Yang J.H. et al. Antibiotics induce redox-related physiological alterations as part of their lethality. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2014; 111 (20): 2100–2109. DOI: 10.1073/pnas.1401876111.Октябрьский О.Н., Музыка Н.Г., Ушаков В.Ю., Смирнова Г.В. Роль тиоловых редокс-систем в отклике бактерий Escherichia coli на пероксидный стресс. Микробиология. 2007; 76: 1–7.Oktyabr'skiy O.N., Muzyka N.G., Ushakov V.Yu., Smirnova G.V. A role of thiol redox systems for Escherichia coli response to peroxide-induced oxidative stress. Mikrobiologiya. 2007; 76: 1–7 (in Russian).Murphy M.P., Holmgren A., Larsson N.G. et al. Unraveling the biological roles of reactive oxygen species. Cell Metab. 2011; 13 (4): 361–366. DOI: 10.1016/j.cmet.2011.03.010.Murphy M.P., Holmgren A., Larsson N.G. et al. Unraveling the biological roles of reactive oxygen species. Cell Metab. 2011; 13 (4): 361–366. DOI: 10.1016/j.cmet.2011.03.010.Albesa I., Becerra M.C., Battán P.C., Páez P.L. Oxidative stress involved in the antibacterial action of different antibiotics. Biochem. Biophys. Res. Commun. 2004; 317 (2): 605–609. DOI: 10.1016/j.bbrc.2004.03.085.Albesa I., Becerra M.C., Battán P.C., Páez P.L. Oxidative stress involved in the antibacterial action of different antibiotics. Biochem. Biophys. Res. Commun. 2004; 317 (2): 605–609. DOI: 10.1016/j.bbrc.2004.03.085.Grant S.S., Kaufmann B.B., Chand N.S. et al. Eradication of bacterial persisters with antibiotic-generated hydroxyl radicals. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2012; 109 (30): 12147–12152. DOI: 10.1073/pnas.1203735109.Grant S.S., Kaufmann B.B., Chand N.S. et al. Eradication of bacterial persisters with antibiotic-generated hydroxyl radicals. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2012; 109 (30): 12147–12152. DOI: 10.1073/pnas.1203735109.Goswami M., Mangoli S.H., Jawali N. Involvement of reactive oxygen species in the action of ciprofl oxacin against Escherichia coli. Antimicrob. Agents Chemother. 2006; 50 (3): 949–954. DOI: 10.1128/AAC.50.3.949-954.2006.Goswami M., Mangoli S.H., Jawali N. Involvement of reactive oxygen species in the action of ciprofl oxacin against Escherichia coli. Antimicrob. Agents Chemother. 2006; 50 (3): 949–954. DOI: 10.1128/AAC.50.3.949-954.2006.Нестерова Л.Ю., Ахова А.В., Шумков М.С., Ткаченко А.Г. ДНК-протекторное действие полиаминов как фактор резистентности Escherichia coli к левофлоксацину. Вестник Пермского университета. Серия биология. 2016; 1: 54–59.Nesterova L.Yu., Akhova A.V., Shumkov M.S., Tkachenko A.G. DNA-protecting properties of polyamines as a factor of Escherichia coli resistance to levofloxacin. Vestnik Permskogo universiteta. Seriya biologiya. 2016; 1: 54–59 (in Russian).Dwyer D.J., Kohanski M.A., Hayete B., Collins J.J.Gyrase inhibitors induce an oxidative damage cellular death pathway in Escherichia coli. Mol. Syst. Biol. 2007; 3 (1): 91. DOI: 10.1038/msb4100135.Dwyer D.J., Kohanski M.A., Hayete B., Collins J.J.Gyrase inhibitors induce an oxidative damage cellular death pathway in Escherichia coli. Mol. Syst. Biol. 2007; 3 (1): 91. DOI: 10.1038/msb4100135.de Arruda Grossklaus D., Bailão A.M., Vieira Rezende T.C. et al. Response to oxidative stress in Paracoccidioides yeast cells as determined by proteomic analysis. Microbes Infect. 2013; 15 (5): 347–364. DOI: 10.1016/j.micinf.2012.12.002.de Arruda Grossklaus D., Bailão A.M., Vieira Rezende T.C. et al. Response to oxidative stress in Paracoccidioides yeast cells as determined by proteomic analysis. Microbes Infect. 2013; 15 (5): 347–364. DOI: 10.1016/j.micinf.2012.12.002.Dosselli R., Millioni R., Puricelli L. et al. Molecular targets of antimicrobial photodynamic therapy identified by a proteomic approach. J. Proteomics. 2012; 77: 329–343. DOI: 10.1016/j.jprot.2012.09.007.Dosselli R., Millioni R., Puricelli L. et al. Molecular targets of antimicrobial photodynamic therapy identified by a proteomic approach. J. Proteomics. 2012; 77: 329–343. DOI: 10.1016/j.jprot.2012.09.007.Huang C.H., Chiou S.H. Proteomic analysis of upregulated proteins in Helicobacter pylori under oxidative stress induced by hydrogen peroxide. Kaohsiung J. Med. Sci. 2011; 27 (12): 544–553. DOI: 10.1016/j.kjms.2011.06.019.Huang C.H., Chiou S.H. Proteomic analysis of upregulated proteins in Helicobacter pylori under oxidative stress induced by hydrogen peroxide. Kaohsiung J. Med. Sci. 2011; 27 (12): 544–553. DOI: 10.1016/j.kjms.2011.06.019.Deng X., Weerapana E., Ulanovskaya O. et al. Proteome-wide quantification and characterization of oxidation-sensitive сysteines in pathogenic bacteria. Cell Host Microbe. 2013; 13 (3): 358–370. DOI: 10.1016/j.chom.2013.02.004.Deng X., Weerapana E., Ulanovskaya O. et al. Proteome-wide quantification and characterization of oxidation-sensitive сysteines in pathogenic bacteria. Cell Host Microbe. 2013; 13 (3): 358–370. DOI: 10.1016/j.chom.2013.02.004.Kalyanaraman B., Darley-Usmar V., Davies K.J. et al. Measuring reactive oxygen and nitrogen species with fluorescent probes: challenges and limitations. Free Radic. Biol. Med. 2012; 52 (1): 1–6. DOI: 10.1016/j.freeradbiomed.2011.09.030.Kalyanaraman B., Darley-Usmar V., Davies K.J. et al. Measuring reactive oxygen and nitrogen species with fluorescent probes: challenges and limitations. Free Radic. Biol. Med. 2012; 52 (1): 1–6. DOI: 10.1016/j.freeradbiomed.2011.09.030.Van Acker H., Gielis J., Acke M. et al. The Role of reactive oxygen species in antibiotic-induced cell death in Burkholderia cepacia complex bacteria. PLoS One. 2016; 11 (7): e0159837. DOI: 10.1371/journal.pone.0159837.Van Acker H., Gielis J., Acke M. et al. The Role of reactive oxygen species in antibiotic-induced cell death in Burkholderia cepacia complex bacteria. PLoS One. 2016; 11 (7): e0159837. DOI: 10.1371/journal.pone.0159837.Николаев Ю.А., Плакунов В.К. Биопленка – «Город микробов» или аналог многоклеточного организма. Микробиология. 2007; 76: 149–163.Nikolaev Yu.A., Plakunov V.K. Biofilm as a «microbial town» or an equivalent of a multicellular organism. Mikrobiologiya. 2007; 76: 149–163 (in Russian).Holden J.K., Li H., Jing Q. et al. Structural and biological studies on bacterial nitric oxide synthase inhibitors. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2013; 110 (45): 18127–18131. DOI: 10.1073/pnas.1314080110.Holden J.K., Li H., Jing Q. et al. Structural and biological studies on bacterial nitric oxide synthase inhibitors. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2013; 110 (45): 18127–18131. DOI: 10.1073/pnas.1314080110.Liu J.H., Wang W., Wu H. et al. Polyamines function in stress tolerance: from synthesis to regulation. Front. Plant. Sci. 2015; 6: 827. DOI: 10.3389/fpls.2015.00827.Liu J.H., Wang W., Wu H. et al. Polyamines function in stress tolerance: from synthesis to regulation. Front. Plant. Sci. 2015; 6: 827. DOI: 10.3389/fpls.2015.00827.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.