Оксидативный стресс, индуцированный антибактериальными препаратами, и антибиотикорезистентность бактерий

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.

оксидативный стресс, антибактериальные препараты, антиоксиданты, бактерии, антибиотикорезистентность.

1. 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.

2. Walsh C. Where will new antibiotics come from? Nat. Rev. Microbiol. 2003; 1 (1): 65–70. DOI: 10.1038/nrmicro727.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. Хурцилава О. Г., Плужников Н. Н., Накатис Я. А. (ред.). Оксидативный стресс и воспаление: патогенетическое партнерство. СПб: Издательство СЗГМУ им. И.И.Мечникова; 2012.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. 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.

16. 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.

17. 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.

18. 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.

19. 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.

20. 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.

21. 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.

22. 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.

23. 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.

24. 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.

25. 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.

26. 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.

27. Николаев Ю.А., Плакунов В.К. Биопленка – «Город микробов» или аналог многоклеточного организма. Микробиология. 2007; 76: 149–163.

28. 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.

29. 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.