Plasmidvermittelte Resistenz

Plasmidvermittelte Resistenz bezeichnet die Übertragung von Antibiotikaresistenzgenen , die auf Plasmiden lokalisiert sind . ^{[ 1 ]} Plasmide besitzen Mechanismen, die ihre unabhängige Replikation gewährleisten, ihre Replikationszahl regulieren und eine stabile Vererbung während der Zellteilung sicherstellen. Durch Konjugation können sie den horizontalen Gentransfer zwischen Bakterien verschiedener Gattungen und Reiche fördern. ^{[ 2 ]} Zahlreiche Plasmide enthalten Sucht-induzierende Systeme, die typischerweise auf Toxin-Antitoxin-Faktoren basieren und Tochterzellen abtöten können, die das Plasmid während der Zellteilung nicht erben. ^{[ 3 ]} Plasmide tragen häufig mehrere Antibiotikaresistenzgene und tragen so zur Verbreitung von Multiresistenz (MDR) bei. ^{[ 4 ]} Antibiotikaresistenzen, die durch MDR-Plasmide vermittelt werden, schränken die Behandlungsmöglichkeiten für Infektionen mit gramnegativen Bakterien , insbesondere der Familie Enterobacteriaceae , stark ein . ^{[ 5 ]} Die weltweite Verbreitung von MDR-Plasmiden wurde durch den Selektionsdruck antimikrobieller Medikamente, die in medizinischen Einrichtungen und bei der Tierhaltung zur Lebensmittelgewinnung eingesetzt werden, verstärkt. ^{[ 6 ]}

Resistenzplasmide tragen definitionsgemäß ein oder mehrere Antibiotikaresistenzgene. ^{[ 7 ]} Häufig werden sie von Genen begleitet, die Virulenzfaktoren [8], spezifische Enzyme oder Resistenzen gegen toxische Schwermetalle kodieren . ^{[ 9 ]} Mehrere Resistenzgene sind üblicherweise ^{in Resistenzkassetten angeordnet} . ^{[ 7 ]} Die auf den Plasmiden vorhandenen Antibiotikaresistenzgene verleihen Resistenzen gegen die meisten heutzutage verwendeten Antibiotikaklassen, beispielsweise Beta-Lactame , Fluorchinolone und Aminoglykoside . ^{[ 10 ]}

Es kommt sehr häufig vor, dass Resistenzgene oder ganze Resistenzkassetten auf demselben Plasmid neu angeordnet oder mittels Rekombinationssystemen auf ein anderes Plasmid oder Chromosom übertragen werden. Beispiele für solche Systeme sind Integrone , Transposons und die durch ISCR vermittelte Genmobilisierung. ^{[ 7 ]}

Die meisten Resistenzplasmide sind konjugativ, d. h., sie kodieren alle notwendigen Komponenten für die Übertragung des Plasmids auf ein anderes Bakterium ^{[ 11 ]} . Dies ist bei mobilisierbaren Plasmiden nicht der Fall. Demnach sind mobilisierbare Plasmide kleiner (üblicherweise < 10 kb), während konjugative Plasmide aufgrund der beträchtlichen DNA-Menge, die für die Kodierung der Konjugationsmechanismen zur Zell-zu-Zell-Übertragung erforderlich ist, größer sind (üblicherweise > 30 kb) ^{[ 7 ].}

R-Faktoren werden auch Resistenzfaktoren oder Resistenzplasmide genannt. Es handelt sich um winzige, ringförmige DNA-Elemente, die sich selbst replizieren und Antibiotikaresistenzgene enthalten . Sie wurden erstmals 1959 in Japan entdeckt, als man feststellte, dass einige Shigella-Stämme Resistenzen gegen mehrere Antibiotika entwickelt hatten, die zur Behandlung einer Ruhr-Epidemie eingesetzt wurden. Shigella ist eine Gattung gramnegativer, aerober, nicht sporenbildender, unbeweglicher, stäbchenförmiger Bakterien. Resistenzgene kodieren für Proteine, die das Antibiotikum modifizieren oder aus der Zelle transportieren. Sie unterscheiden sich von Mutationen, die Bakterien Resistenzen gegen Antibiotika verleihen, indem sie das Eindringen des Antibiotikums verhindern oder die Struktur des Zielproteins verändern. ^{[ 12 ]} R-Faktoren können bis zu zehn Resistenzgene enthalten. Da sie Gene für den Aufbau von Pili enthalten, können sie sich leicht verbreiten und so den R-Faktor auf andere Bakterien übertragen. ^{[ 13 ]} R-Faktoren tragen zur zunehmenden Antibiotikaresistenzkrise bei, da sie Resistenzgene schnell unter Bakterien verbreiten. ^{[ 14 ]} Der R-Faktor allein kann nicht übertragen werden.

Die meisten R-RTF-Gene (Resistenztransferfaktor) befinden sich im R-Faktor (Resistenzplasmid), der als zirkuläres DNA-Fragment mit einer Länge von 80 bis 95 kb beschrieben werden kann. Dieses Plasmid teilt viele Gene mit dem F-Faktor und ist weitgehend homolog zu diesem. ^{[ 15 ]} Zusätzlich besitzt es ein fin⁰-Gen, das die Funktion des Transfer-Operons hemmt. Größe und Anzahl der Resistenzgene in den einzelnen R-Faktoren variieren. Beispielsweise ist der RTF größer als die R-Determinante. Ein IS₁-Element trennt den RTF und die R-Determinante beidseitig, bevor sie sich zu einer Einheit verbinden. Die IS₁-Komponenten vereinfachen den Transfer von R-Determinanten zwischen verschiedenen R-RTF-Einheiten.

• Sie spielen eine Rolle bei der autonomen Replikation, Konjugation und Ampicillinresistenzgenen.
• Gene auf den Resistenzplasmiden ermöglichen es Bakterien, Pili zu produzieren und Resistenzen gegen Antibiotika zu entwickeln. ^{[ 7 ]}
• MDR-Gene in Bakterien werden hauptsächlich über Resistenzplasmide übertragen. ^{[ 4 ]}

Bakterien mit F-Faktoren (sogenannte „F+“) sind zum horizontalen Gentransfer fähig . Sie können einen Sex- Pilus bilden , der vom Spenderbakterium ausgeht, das Empfängerbakterium einfängt und anzieht ^{[ 16 ]} und schließlich die Bildung einer Paarungsbrücke auslöst, indem er das Zytoplasma zweier Bakterien über eine kontrollierte Pore verbindet ^{[ 17 ]} . Diese Pore ermöglicht den Transfer von genetischem Material, wie beispielsweise einem Plasmid . Die Konjugation erlaubt es zwei Bakterien , die nicht unbedingt derselben Art angehören müssen, genetisches Material in eine Richtung auszutauschen ^{[ 18 ]} . Da viele F+-Bakterien R-Faktoren enthalten, kann sich Antibiotikaresistenz leicht in einer Bakterienpopulation ausbreiten [ ^{19 ] .} R -Faktoren können außerdem durch Transformation ^{[ 20 ]} oder seltener durch virusvermittelte Transduktion ^{[ 21 ]} mittels Bakteriophagen von „DNA-Pumpen“ in ihren Membranen aufgenommen werden . Die Konjugation ist jedoch der häufigste Mechanismus der Antibiotikaresistenzverbreitung. Sie enthalten das Gen namens RTF (Resistenztransferfaktor).

Es handelt sich um eine Familie gramnegativer, stäbchenförmiger Bakterien (Bazillen), die zu den häufigsten Krankheitserregern in der Umwelt und in klinischen Fällen zählen. Daher sind sie stark von der Verwendung von Antibiotika in der Landwirtschaft, im Ökosystem oder bei der Behandlung von Krankheiten betroffen. ^{[ 22 ]} Bei Enterobacteriaceae lassen sich 28 verschiedene Plasmidtypen mittels PCR-basierter Replikon-Typisierung (PBRT) identifizieren. Die häufig beschriebenen Plasmide [IncF, IncI, IncA/C, IncL (früher IncL/M), IncN und IncH] enthalten eine Vielzahl von Resistenzgenen. ^{[ 23 ]}

Mitglieder der Familie Enterobacteriaceae, beispielsweise Escherichia coli oder Klebsiella pneumoniae, stellen die größte Bedrohung hinsichtlich plasmidvermittelter Resistenzen bei im Krankenhaus und in der Bevölkerung erworbenen Infektionen dar. ^{[ 5 ]}

β-Laktamasen sind antibiotikahydrolysierende Enzyme, die typischerweise Resistenzen gegen β-Laktam-Antibiotika verursachen. Diese Enzyme kommen häufig in Streptomyces vor und bilden zusammen mit verwandten Enzymen, die in pathogenen und nicht-pathogenen Bakterien entdeckt wurden, die Proteinfamilie, die als „β-Laktamase-Superfamilie“ bekannt ist. ^{[ 12 ]} Es wird vermutet, dass β-Laktamasen auch eine Doppelfunktion erfüllen, wie z. B. die Aufrechterhaltung der Darmflora und die Vermittlung von Antibiotikaresistenzen. ^{[ 24 ]}

Sowohl Beta-Laktamasen mit schmalem Spektrum (z. B. Penicillinasen) als auch Beta-Laktamasen mit erweitertem Spektrum (ESBL) sind häufige Resistenzplasmide bei Enterobacteriaceae . Oftmals finden sich mehrere Beta-Laktamase-Gene auf demselben Plasmid, die ein breites Spektrum an Beta-Laktam-Antibiotika hydrolysieren. ^{[ 5 ]}

ESBL-Enzyme können alle Beta-Laktam-Antibiotika, einschließlich Cephalosporine, mit Ausnahme der Carbapeneme hydrolysieren. Die ersten klinisch beobachteten ESBL-Enzyme waren mutierte Varianten von Beta-Laktamasen mit engem Wirkungsspektrum wie TEM und SHV. Andere ESBL-Enzyme stammen nicht aus der Familie der Enterobacteriaceae, verbreiten sich aber ebenfalls. ^{[ 5 ]}

Da die Plasmide, die ESBL-Gene tragen, häufig auch Resistenzdeterminanten für viele andere Antibiotika kodieren , sind ESBL-Stämme oft auch gegen viele Nicht-Beta-Lactam-Antibiotika resistent ^{[ 25 ]} , sodass nur sehr wenige Behandlungsmöglichkeiten zur Verfügung stehen.

Carbapenemasen sind eine Untergruppe der ESBL-bildenden Bakterien, die Carbapenem-Antibiotika hydrolysieren können. Diese Antibiotika gelten als Reserveantibiotika gegen ESBL-bildende Bakterien. KPC-, NDM-1-, VIM- und OXA-48-Carbapenemasen werden weltweit zunehmend als Ursache nosokomialer Infektionen beschrieben . ^{[ 5 ]}

Mehrere Studien belegen eine weltweite Zunahme der Fluorchinolonresistenz, insbesondere bei Enterobacteriaceae. QnrA war das erste bekannte plasmidvermittelte Gen, das mit Chinolonresistenz assoziiert ist. ^{[ 26 ]} Chinolonresistenzgene befinden sich häufig auf demselben Plasmid wie ESBL-Gene. ^{[ 27 ]} Die Proteine ​​QnrS, QnrB, QnrC und QnrD sind vier weitere ähnliche Proteine. Zahlreiche Varianten von qnrA, qnrS und qnrB wurden gefunden und werden durch fortlaufende Nummern unterschieden. ^{[ 28 ]} Die qnr-Gene können in Integronen und Transposons auf MDR-Plasmiden verschiedener Inkompatibilitätsgruppen nachgewiesen werden, die eine Reihe von Resistenzgenen wie Carbapenemasen und ESBLs tragen können. ^{[ 29 ]} Beispiele für Resistenzmechanismen sind verschiedene Qnr-Proteine, die Aminoglykose-Acetyltransferase aac(6')-Ib-cr, die Ciprofloxacin und Norfloxacin hydrolysieren kann , sowie die Effluxtransporter OqxAB und QepA. ^{[ 5 ]}

Die Resistenz gegen Aminoglykoside bei gramnegativen Krankheitserregern wird primär durch Enzyme verursacht, die das Medikament acetylieren, adenylatisieren oder phosphorylieren. ^{[ 30 ]} Auf mobilen Elementen wie Plasmiden befinden sich die Gene, die für diese Enzyme kodieren. ^{[ 31 ]} Aminoglykosid- Resistenzgene kommen häufig auch zusammen mit ESBL-Genen vor. Die Resistenz gegen Aminoglykoside wird durch zahlreiche Aminoglykosid-modifizierende Enzyme und 16S-rRNA-Methyltransferasen vermittelt. ^{[ 5 ]} Die Resistenz gegen Aminoglykoside wird durch verschiedene Mechanismen vermittelt:

1. Aminoglykosid-modifizierende Enzyme und Inaktivierung der Aminoglykoside, die häufig sowohl bei grampositiven als auch bei gramnegativen Bakterien beobachtet wird und durch Nukleotidyltransferasen, Phosphotransferasen oder Aminoglykosid-Acetyltransferasen induziert wird.
2. verringerte Durchlässigkeit.
3. erhöhter Efflux.
4. Variationen der 30S-ribosomalen Untereinheit, die die Bindung von Aminoglykosiden an diese verhindern. ^{[ 32 ]}

Eine Studie zur physiologischen Wirkung des pHK01-Plasmids im Wirtsbakterium E. coli J53 zeigte, dass das Plasmid die bakterielle Motilität verringerte und Resistenzen gegen Beta-Lactame vermittelte. pHK01 produzierte plasmidkodierte kleine RNAs und vermittelte die Expression von Wirts-sRNAs. Diese sRNAs waren antisense zu Genen, die an Replikation, Konjugattransfer und Plasmidstabilisierung beteiligt sind: AS-repA3 (CopA) , AS-traI, AS-finO, AS-traG und AS-pc02. Die Überexpression einer der plasmidkodierten antisense sRNAs , AS-traI, verkürzte die logarithmische Wachstumsphase des Wirts. ^{[ 33 ]}