Способствует ли использование ионофоров резистентности к антибиотикам?

Поскольку ионофоры не используются в медицине, широко распространено мнение, что их применение в сельском хозяйстве не повлияет на здоровье человека. Следовательно, на эти препараты не распространяются те же правила, что и на важные с медицинской точки зрения антибиотики. Однако ряд авторов утверждает, что существующей доказательной базы недостаточно, чтобы сделать вывод о том, что ионофоры достоверно не способствуют развитию резистентности к противомикробным препаратам. Неясно, может ли резистентность к ионофорам привести к перекрестной резистентности к важным для медицины антибиотикам. Более того, недавние данные свидетельствуют о том, что в некоторых случаях использование ионофоров может способствовать резистентности к ванкомицину. Поэтому обязательно систематическое изучение последствий использования ионофоров в сельском хозяйстве для здоровья человека.

Устойчивость к противомикробным препаратам (УПП) представляет собой серьезную и растущую проблему в лечении инфекционных заболеваний, при этом устойчивые к одному или нескольким средствам штаммы большинства основных патогенов циркулируют с заметной частотой. Все больше признается, что усилия по борьбе с УПП должны выходить за рамки медицины. Например, хотя именно медицина является наиболее очевидным источником клинически значимой резистентности, широкое и массовое использование антибиотиков в животноводстве, вероятно, играет важную роль в сохранении и распространении УПП. Следовательно, национальные и международные стратегии по УПП должны учитывать факторы в сельском хозяйстве и окружающей среде, вносящие вклад в резистентность.

В последнее время использование антибиотиков на сельскохозяйственных животных стало объектом повышенного внимания, поскольку резистентность, возникающая у животных, в конечном итоге может повлиять на здоровье человека. В Нидерландах, например, в рамках национальной программы по ограничению использования антибиотиков в ветеринарии продажи снизились более чем на 60% в период с 2009 по 2017 г. при одновременном снижении распространенности УПП среди бактериальных изолятов от сельскохозяйственных животных. В Канаде с 2018 г. действует запрет на стимулирование роста производства важных с медицинской точки зрения антибиотиков. Регулирование ветеринарных антибиотиков в первую очередь сосредоточено на действующих веществах, которые используются для лечения инфекционных заболеваний человека.

Другие препараты, такие как ионофоры, применяются исключительно на животных и поэтому основными регулирующими органами не считаются важными с медицинской точки зрения. Таким образом, они избежали некоторых законодательных запретов. Тем не менее, ионофоры являются вторым наиболее широко используемым на животных классом антибиотиков как в США, так и в Канаде: так, в 2016 г. в США было продано 4,6 млн кг ионофоров. Их использование, вероятно, расширится по мере того, как важные для медицины препараты будут исключены из применения в сельском хозяйстве. В свете интенсивного использования ионофоров важно понимать их вклад в общую угрозу УПП. 

Хотя они не используются в медицине, ионофоры все же может нести риск из-за возможности перекрестной резистентности или явления коселекции (рис. 1). Резистентность к любому препарату может сопровождаться перекрестной устойчивостью к другим антибиотикам. Например, использование авопарцина на животных было прекращено в Европе в 1999 г. из-за опасений по поводу перекрестной резистентности к ванкомицину у зоонозных патогенов человека. Ванкомицин и авопарцин являются структурно схожими гликопептидами, поэтому перекрестная резистентность между ними неудивительна. Однако она может возникнуть даже к химически неродственным веществам. Например, фенотип множественной устойчивости к антибиотикам (Mar) у Escherichia coli является результатом регуляторных мутаций, которые усиливают эффлюкс (активный выброс антибиотиков за пределы бактериальных клеток с помощью мембранных комплексов белков – п.п.) и снижают проницаемость клеток, что приводит к устойчивости к нескольким различным классам препаратов (хинолонам, фениколам и некоторым β-лактамам). Аналогичным образом, устойчивые к ванкомицину энтерококки (VRE), отобранные в присутствии антисептика хлоргексидина, иногда демонстрируют перекрестную устойчивость к антибиотику даптомицину, возможно, из-за изменений в мембранных фосфолипидах. Таким образом, использование препаратов, предназначенных только для животных, в принципе может привести к перекрестной резистентности посредством общих механизмов. 

Коселекция может произойти, если гены устойчивости к нескольким веществам генетически связаны. Использование любого из препаратов, к которым устойчив организм, увеличит частоту всех связанных генов антимикробной резистентности, даже тех, которые не находятся под прямым отбором. Например, экспериментальное добавление в корм животных сульфаниламидов (класс препаратов, имеющих лишь «среднюю важность» для здоровья человека, согласно канадским правилам) может способствовать селектированию устойчивости к карбапенемам у Klebsiella pneumoniae. Генетическая связь может возникать вследствие физической, например, когда два гена устойчивости находятся в одной плазмиде. Однако важно отметить, что физическое сцепление не является необходимым для коселекции: пока скорость горизонтального переноса генов не слишком высока, по сути все гены в геноме бактерии связаны. Считается, что коселекция в ряде случаев лежит в основе неспособности протоколов ограничения приема препаратов снизить распространенность УПП. Применение средств, предназначенных только для животных, может способствовать устойчивости и у человека, если гены устойчивости к препаратам связаны.

Ионофоры представляют собой разнообразный класс антибиотиков, в основном продуцируемых бактериями рода Streptomyces. Структурно ионофоры, используемые в сельском хозяйстве, представляют собой полиэфиры карбоновых кислот, подкласс поликетидов. Ионофоры связывают катионы и транспортируют их через клеточную мембрану, нарушая клеточный ионный баланс. Монензин, например, транспортирует K+ из клетки, а Na+ и H+ — внутрь. В конечном итоге считается, что эти изменения влияют на протон-движущую силу. Лазалоцид же, например, “предпочитает” катионы двухвалентных металлов и органические основания. Ионофоры эффективны главным образом против грамположительных микроорганизмов, хотя есть и некоторые исключения.

Некоторые ионофоры, включая лазалоцид, монензин, наразин и салиномицин, обычно вводят в рационы КРС и/или свиней для стимулирования роста. Кроме того, эти же препараты, а также мадурамицин используются для профилактики кокцидиоза у птицы и других сельскохозяйственных животных. Данные о распределении использования ионофоров по видам животных отсутствуют. Считается, что ускорение роста КРС происходит за счет изменений ферментации в рубце, предположительно из-за изменений в микрофлоре. Ионофоры также могут оказывать прямое влияние на метаболизм и физиологию организма.

По большей части механизмы резистентности к ионофорам недостаточно изучены (Табл. 1). Рассмотрим изученный пример. Streptomyces longisporoflavus – бактерия, продуцирующая ионофор тетроназин. Экспрессируя геномную библиотеку S. longisporoflavus в Streptomyces lividans (которая частично чувствительна к тетроназину), Linton et al. идентифицировали транспортер ABC, который предположительно обеспечивает устойчивость к тетроназину. Таким образом, считается, что ABC-вызываемый эффлюкс по крайней мере частично отвечает за внутреннюю резистентность к тетроназину у S. longisporoflavus. Вероятно, гены, родственные генам транспортера ABC, связаны с устойчивостью к наразину у VRE, выделенных от шведских бройлеров.

Устойчивость к ионофорам можно оценить в лаборатории путем серийного пассирования в присутствии антибиотика. У Prevotella ruminicola (ранее Bacteroides ruminicola), редкой грамотрицательной бактерии, чувствительной к тетроназину, фенотипический анализ показал, что развившаяся резистентность была вызвана изменениями проницаемости клеточной оболочки. Аналогичным образом, устойчивые к монензину изоляты Enterococcus spp. и Clostridium perfringens имели более толстую клеточную стенку, чем неэкспонированный контроль, а адаптация Clostridium amophilum к монензину сопровождалась изменениями в некоторых характеристиках клеточной стенки/оболочки. Таким образом, имеются фенотипические доказательства того, что приобретенная резистентность к ионофорам может быть вызвана изменениями клеточной стенки и/или оболочки. Однако на сегодняшний день мутации, связанные с приобретенной устойчивостью к ионофорам, не выявлены. Simjee et al. утверждали, что резистентность к монензину не обусловлена мутациями, поскольку снижается после нескольких недель культивирования в отсутствие препарата. Это неубедительный аргумент, поскольку, раз резистентность к монензину ценна, ее снижение во время культивирования без препарата могут вызывать компенсаторные или обратные мутации.

Распространенность резистентности к ионофорам трудно оценить, поскольку не существует клинических контрольных точек. Более того, учитывая использование ионофоров только на животных, масштабные исследования не проводились. Однако было предпринято несколько попыток. Aarestrup et al. обнаружили устойчивость к монензину до 6% у Staphylococcus hyicus и Enterococcus spp. свиней. Описаны и другие случаи циркулирующей резистентности к ионофорам, однако данные о распространенности не предоставлены; например, сниженная чувствительность к наразину была обнаружена у некоторых штаммов VRE, полученных от хозяйственной птицы в Швеции.

В поддержку утверждения о том, что ионофоры не вызывают ощутимой перекрестной резистентности к значимым для медицины антибиотикам, часто цитируют Houlihan and Russell. Перекрестная устойчивость к 16 различным препаратам, в основном медицински значимым, была оценена у устойчивых к монензину или лазалоциду культур Clostridium amophilum. Перекрестная резистентность была отмечена только к бацитрацину. Эти результаты все же следует интерпретировать с осторожностью, поскольку размеры выборки в этом исследовании были небольшими, культуры отбирались только по одному циклу роста, а тестирование чувствительности к лекарственным средствам, по-видимому, проводилось на смешанных культурах. а не на изолированных. Таким образом, из данной работы неправомерно делать вывод о том, что резистентность к ионофорам не представляет риска для человека.

В нескольких других опытах устойчивость к тетроназину у P. ruminicola сопровождалась умеренным увеличением устойчивости к авопарцину, гликопептиду, имеющему сходство с ванкомицином; никакие другие препараты при этом не тестировались. 

Наблюдение того, что резистентность к ионофорам иногда сопровождается утолщением клеточной стенки (Табл. 1), повышает вероятность перекрестной резистентности.

Многочисленные опыты на хозяйственной птице показали, что добавление ионофоров в корм оказывает неоднозначное воздействие на УПП: снижается распространенность одних видов резистентности, увеличивается других, а на некоторые влияния не отмечено. Однако следует подчеркнуть, что в большинстве этих исследований УПП оценивали у конкретных грамотрицательных бактерий (например, E. coli). Учитывая специфичность ионофоров по отношению к грамположительным микроорганизмам, предполагается, что грамположительные индикаторные организмы или метагеномный анализ будут более информативны в отношении клинической значимости использования ионофоров. В этом направлении недавнее метагеномное исследование показало, что применение монензина на КРС практически не влияет на популяцию генов устойчивости к антибиотикам (ARG) в кишечнике.

Однако имеются данные о возникающей связи между устойчивостью к наразину и ванкомицину в опытах на шведских бройлерах. Предполагается, что гены устойчивости к наразину расположены в той же плазмиде, что и кластер генов vanA, который придает VRE устойчивость к ванкомицину. Это открытие повышает вероятность того, что устойчивость к ванкомицину может поддерживаться в популяциях животных не из-за применения его самого или родственных соединений, а из-за использования ионофоров. Во время недавнего поиска по базе данных нуклеотидов NCBI обнаружено 15 штаммов Enterococcus spp., имеющие идентичные или почти идентичные совпадения с обоими генами, кодирующими предполагаемый транспортер наразина. Эти штаммы собраны со всего мира, включая США, Скандинавию и Тайвань, что указывает на глобальное распространение. Примечательно, что они были получены как от животных, так и от человека. Связь с vanA отмечена в некоторых, но не во всех штаммах. Таким образом, коселекция вполне реальна, и потребуется дополнительная работа по оценке ее фактического влияния на УПП среди патогенов человека.

Предполагалось, что широкое использование ионофоров в ветеринарии безопасно для человека, главным образом на том основании, что этот класс препаратов не используется в медицине. Однако риски, связанные с перекрестной устойчивостью и коселекцией, не были адекватно определены. Таким образом, существует очевидная и срочная необходимость систематического изучения вклада ионофоров в развитие устойчивости к противомикробным препаратам.