Wszystko jest trucizną, decyduje tylko dawka.

1. LEKOOPORNOŚĆ molekularne mechanizmy Wszystko jest trucizną, decyduje tylko dawka. Phillippus Aureolus Theophrastus Bombastus von Hohenheim (Paracelsus)

2. Oporność bakterii Oporność bakterii na antybiotyki Oporność – zdolność drobnoustroju do przeciwstawienia się antybiotykowi Tolerancja na lek – bakteria nie ginie lecz trwa nie rosnąc nie dzieli się (bakteriostaza) wiąże się ze stanem fizjologicznym bakterii (np. głodzenie spowalnia wzrost – większa tolerancja) oraz miejscem infekcji (trudno dostępne tkanki jak kość czy zastawki sercowe – bakterie rosną wolno i tolerują β-laktamy)

3. Oporność bakterii Oporność wrodzona – stała cecha gatunku, szczepu lub grupy bakterii (np. penicylina działa na Gram +, a nie działa na Gram -) Oporność nabyta – początkowo wrażliwe bakterie nabywają oporność na skutek mutacji lub nabycia genu/genów oporności od innych bakterii; zmiana ta staje się dziedziczna Oporność krzyżowa – rozwój jednej oporności pociąga za sobą oporność na leki tej samej grupy Oporność równoległa – rozwój jednej oporności pociąga za sobą oporność na leki o podobnym schemacie działania

4. Oporność bakterii EFEKTY działania chemioterapii 100% Wyleczenie Efekt paradoksalny – niskie stężenie antybiotyku zabija całą populację a w wysokich stężeniach bakterie stają się oporne (np. stosowanie cefalosporyn na Proteus vulgaris) Przetrwanie części populacji bakteryjnej mimo stosowania antybiotyku (bakterie wytwarzające glikokaliks, który utrudnia penetrację leku oraz fakt, że bakterie na powierzchni chronię te rezydujące głębiej) Zależność bakterii od antybiotyku – powstaje na skutek mutacji, np. szczepy prątków gruźlicy mające mutacje genów kodujących białka rybosomowe S8 i S12 (antybiotyk staje się konieczny dla składania rybosomu lub przebiegu translacji) EFEKT TERAPII 0%

5. Oporność bakterii Podatność bakterii na chemioterapię test dyfuzji krążkowej

6. Oporność bakterii Podatność bakterii na chemioterapię test E MIC MIC - najmniejsze stężenie hamujące wzrost

7. Oporność bakterii Podatność bakterii na chemioterapię test rozcieńczeń MIC

8. Oporność bakterii Podatność bakterii na chemioterapię metody molekularne PCR – łańcuchowa reakcja polimerazy (czy jest obecny gen warunkujący oporność ?) SSCP – analiza polimorfizmu konformacji jednoniciowego DNA (mutacja w znanym genie ?)

9. Oporność bakterii Wskaźnikiem stopnia oporności jest wzrost wartości MIC (np. MIC dla szczepów dwoinki zapalenia płuc: szczep niewrażliwy wymaga ponad 2,5 tys. razy większego stężenia penicyliny benzylowej od szczepu wrażliwego)

10. Oporność bakterii Oporność w testach a oporność in vivo • hemoglobina wiąże tetracykliny i penicylinę • niskie pH w pewnych płynach ustrojowych i moczu zmniejsza aktywność aminoglikozydów, erytromycyny, klindamycyny a zwiększa chlorotetracykliny • patogeny ulegające internalizacji (Salmonella, Mycobacterium, Chlamydia) – siła działania leku zależy od jego zdolności do wnikania do komórek eukariotycznych (β-laktamy i aminoglikozydy wnikają słabo, a makrolidy i azalidy – dobrze)

11. Oporność bakterii Oporność może być przekazywana pomiędzy bakteriami transfer pionowy – na skutek podziałów w obrębie bakterii jednego gatunku transfer horyzontalny – pomiędzy bakteriami różnych rodzajów odpowiedzialne są za to plazmidy R (resistance) na drodze: koniugacji, transdukcji (przez fagi) oraz transformacji (pobieranie DNA z otoczenia)

12. Oporność bakterii Geny oporności mogą być zlokalizowane w: • chromosomach • plazmidach • transpozonach • integronach

13. Oporność bakterii Oporność chromosomowa powstaje na skutek mutacji spontanicznych albo indukowanych mutagenami (UV, promienie X, azotyny) istotna dla transferu pionowego Przykłady: E. coli – na chromosomie wykryto geny: eryC (oporność na erytromycynę), linB (na linkomycynę) Gronkowiec złocisty – gen bla (na penicylinę)

14. Oporność bakterii Oporność plazmidowa • najbardziej istotna z punktu widzenia medycyny • plazmid niekoniugacyjny może zostać ‘przemycony’ razem z koniugacyjnym lub ulec z nim rekombinacji • pewne plazmidy nie mogą współistnieć w jednej komórce i na tej podstawie zalicza się je do tzw. grup niezgodności(transfer horyzontalny) • wiele kopii jednego plazmidu w jednej komórce może determinować stopień oporności na dany antybiotyk

15. Oporność bakterii transpozaza transpozaza oporność - Tet oporność - Amp Oporność warunkowana przez transpozony – mobilne fragmenty DNA • zdolności mutagenne (integracja do chromosomu lub plazmidu) • ważne źródło zmienności i nabywania oporności w tym opornościwielolekowej

16. Oporność bakterii Integrony– mobilne fragmenty DNA • podobnie jak transpozony są mobilne • stanowią naturalne systemy klonowania i ekspresji kaset genowych • występują w chromosomach, plazmidach i transpozonach • super-integrony i integrony oporności wielorakiej – zawierają kilka kaset

17. Oporność bakterii Kasety genowe występujące najczęściej: β-laktamaza (penicylinaza) – rozkłada wiązania β-laktamowe penicylin acetylotransferaza aminoglikozydowa (AAC) – modyfikacja grupy aminowej adenylotransferaza aminoglikozydowa (ANT) – modyfikacja grupy hydroksylowej fosfotransferaza aminoglikozydowa (APH) – modyfikacja grupy hydroksylowej

18. Oporność bakterii PODSTAWOWE MECHANIZMY OPORNOŚCI: • modyfikacja miejsca działania (uchwytu), np. zmiana w białkach rybosomalnych, prekursorach mureiny, gyrazie) • inaktywacja enzymatyczna leku, np. β-laktamaza w β-laktamowych, acetylo-, adenylo- i fosfotransferazy w aminoglikozydach, esteraza w erytromycynie • hamowanie transportu do komórki, np. zmiany w budowie błony, pogrubienie mureiny • wytwarzanie alternatywnego metabolizmu omijającego hamowany przez antybiotyk proces • zwiększenie stężenia enzymu hamowanego przez lek, np. reduktaza dihydrofolianowa • pompy aktywnie usuwające leki z komórki • zmniejszenie aktywności enzymu przeprowadzającego aktywację leku

19. Oporność bakterii MECHANIZMY OPORNOŚCI: Antybiotyki działające na kwasy nukleinowe Chinolony i fluorochinolony • mutacje w genach kodujących topoizomerazę II (gyrazę) i IV – zmniejszenie powinowactwa kompleksu Topo-DNA do tych leków • pompy MDR (oporność wielolekowa) • mutacje genu kodującego porynę OmpF – zmniejszenie wnikania Pochodne kumarynowe (nowobiocyna, kumermycyna) • substytucje lub mutacjegenu gyrazy • pompy - usuwanie Ansamycyny (rifamycyny, streptowarycyny) • mutacje genu podjednostki polimerazy RNA (rpoB) – hamowanie wiązania leku do polimerazy

20. Oporność bakterii Antybiotyki hamujące syntezę białek Aminoglikozydy i aminocyklitole • enzymatyczna inaktywacja lub modyfikacja leku • metylacja 16S rRNA (metylazy) • mutacja genu 16S rRNA • zmiana przepuszczalności osłon bakteryjnych Tetracykliny • enzymatyczna inaktywacja antybiotyku – znany tylko 1 gen (rzadki) • aktywne usuwanie – pompy protonomotoryczne • ochrona rybosomu – przez białko inaktywujące Tet przed jego reakcją z rybosomem Makrolidy, linkozamidy i streptograminy • metylacja 23S rRNA (metylazy) • mutacje w białkach budujących jednostkę 50S rybosomu • inaktywacja enzymatyczna - esterazy (rozszczepienie), transferazy, fosoforylazy i hydrolazy (modyfikacja struktury) • aktywne usuwanie: • transportery ABC (ATP-binding cassette) – zależne od hydrolizy ATP • transportery MFS – napędzane siłą protonomotoryczną

21. Oporność bakterii Oporności te mogą być razem przenoszone w jednym plazmidzie: fosofotransferaza, metylaza i pompa ABC Chloramfenikol • oporność enzymatyczna (CAT – acetylotransferaza) • mutacje modyfikujące podjednostkę 50S rybosomu • pompa zależna od energii

22. Oporność bakterii Inhibitory syntezy mureiny Wankomycyna – synteza zmienionych prekursorów mureiny, które mają mniejsze powinowactwo do wankomycyny Antybiotyki β-laktamowe • β-laktamazy – inaktywują antybiotyk przez hydrolizę pierścienia β-laktamowego, gen - w chromosomalnym (np. Ampr) lub plazmidowym (np. Ap) DNA; 4 klasy molekularne: A, B, C, D na podstawie sekwencji genów, kryteriów biochemicznych i genetycznych; najpowszechniejszygen blaTEM-1 kodujący TEM-1; występują w przestrzeni periplazmatycznej (Gram-) i uwalniane lub związane z powierzchnią komórki (Gram+) • modyfikacje poryn błony zewn. – ich brak lub zmniejszenie światła kanału • zmianę powinowactwa białek wiążących penicylinę (PBP) do penicyliny, funkcja białka w syntezie mureiny pozostaje niezmieniona

23. Oporność bakterii Antymetabolity – sulfonamidy i trimetoprim Sulfonamidy • wytwarzanie zmodyfikowanego enzymu (celu działania leku) – syntazy dihydropterynianowej (DHPS); oporny enzym – kodowany przez plazmidowe DNA, a naturalny – wrażliwy – przez chromosomalne • nadprodukcja kwasu p-aminobenzoesowego (PABA) współzawodniczącego o dostęp do centrum aktywnego DHPS • nadprodukcja DHPS Trimetoprim • nadprodukcja reduktazy dihydrofolianowej (DHFR) na skutek mutacji promotora genu chromosomalnego • enzym DHFR o mniejszym powinowactwie do trimetoprimu

24. Oporność wirusów Oporność wirusów • wysoka częstość mutacji wirusowego genomu jest związana z ‘omylnością’ wirusowej polimerazy (dla HIV i grypy) • wysoki wskaźnik proliferacji tych wirusów sprawia, że nawet u nieleczonych osób liczba odmian wirusa jest duża • oporne szczepy ujawniają się w trakcie selekcji

25. Oporność wirusów HIV oporność na wszystkie chemioterapeutyki tj. • analogi nukleozydów hamujące aktywność odwrotnej transkryptazy • inhibitory odwrotnej transkryptazy (nienukleozydowe) • inhibitory proteaz Oporność wiąże się z mutacjami genów: transkryptazy i proteazy Dla pojedynczo stosowanych leków jak zydowudyna, lamiwudyna oporność rozwija się w przeciągu tygodni lub miesięcy Obecnie stosuje się kilka substancji jednocześnie – większa efektywność wirusy Herpes • oporność ogranicza się do pacjentów z obniżoną odpornością • acyklowir i famcyklowir wymagają obecności kinazy tymidynowej wirusa do swojej aktywacji (inhibicja polimerazy wirusa) • większość opornych mutantów posiada zmienioną lub jest pozbawiona tej kinazy

26. lekooporność nowotworów Lekooporność a chemoterapia nowotworów Szlaki molekularne powodujące rozwój oporności na leki: • hamowanie przedostawania się leków do wnętrza komórki • zwiększenie usuwania leków z wnętrza komórki • aktywacja systemów detoksykacyjnych • zmiany białek, z którymi wiąże się lek • zaburzenia procesów, związanych ze zmianami struktury DNA • aktywacja procesów reperacji DNA • blokowanie apoptozy

27. lekooporność nowotworów Aktywne usuwanie leków z komórki rodzina białek transporterów ABC (ATP-binding cassette) – białka błonowe z domeną wiążącą ATP; energia hydrolizy ATP wykorzystywana do transportu; transportują wiele substancji posiadają funkcje fizjologiczną – oczyszczanie organizmu z substancji toksycznych (nerki – podczas wytwarzania moczu, także są w jelicie grubym, wątrobie i nadnerczach) najczęściej występują: mdr1 – koduje glikoproteinę P mrp2, 3 i 6 – białka powiązane z opornością wielolekową – ich obecność wiąże się z opornością na winblastynę, winkrystynę, antracykliny, aktynomycynę-D i cisplatynę

28. lekooporność nowotworów Detoksykacja leków Dwufazowa: • hydroksylacja przy udziale cytochromu P450 • przekształcenie hydroksylowanych związków do polarnych przez sprzęganie z glutationem – koniugaty glutationowe usuwane przez MRP Istnieje pozytywna korelacja pomiędzy poziomem glutationu a opornością na cisplatynę i doksorubicynę

29. lekooporność nowotworów Modyfikacje topoizomerazy IIα Topoizomeraza IIα tworzy kompleksy rozszczepialne które są stabilizowane np. przez etopozyd i antracykliny Komórki oporne obniżają poziom ekspresji topoizomerazy IIα

30. lekooporność nowotworów Modyfikacje receptorów błonowych nowotwory piersi i prostaty (zależne od hormonów płciowych) leczone tamoksifenem i flutamidem mogą: • zwiększyć ilość receptorów błonowych • zmniejszyć próg aktywacji receptorów • na skutek mutacji ulegać aktywacji agonistami-inhibitorami (TAM i FLU)

31. „Bakterie antybiotyki lekooporność” Z. Markiewicz, Z. Kwiatkowski PWN 2001 • Molekularne mechanizmy chemooporności w raku nerki J. Szenajch, A. Cieślak (2005) Współczesna Onkologia 9: 123-8