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Mecanismos de ação de antimicrobianos e resistência bacteriana
Antimicrobial mechanisms of action and bacterial resistance
Carolina Boesel Scherer - Doutoranda na Universidade Federal de Minas Gerais cbscherer@gmail.com Larissa Silveira Botoni - Doutoranda na Universidade Federal de Minas Gerais Adriane Pimenta Costa-Val - Prof. Dra. Universidade Federal de Minas Gerais
Scherer CB, Botoni SL, Costa-Val AP. Medvep Dermato - Revista de Educação Continuada em Dermatologia e Alergologia Veterinária; 2016; 4(13); 12-20.
Resumo
Os mecanismos de ação de antimicrobianos são estudados e aprimorados há diversas décadas, po- rém a capacidade dos microrganismos de inativá-los ou burlá-los, torna a busca por resultados satisfatórios cada vez mais difícil, já que, além da resistência natural, bactérias também possuem a capacidade de sofrer mutações para se auto-preservar e transmitir a adaptação para gerações se- guintes. A resistência bacteriana é hoje um problema mundial que envolve questões terapêuticas, epidemiológicas, de saúde pública, de pesquisa e industrial. Novos antibióticos precisam estar cons- tantemente sendo estudados e desenvolvidos, além da busca por novas alternativas de tratamento, pois a capacidade adaptativa bacteriana parece ser uma fonte inesgotável.
Palavras-chave: antibiótico, efeitos de drogas, farmacodinâmica, classificação das drogas.
Abstract
The antimicrobial action mechanisms are studied and improved for several decades, but the ability of microorganisms to inactivate or circumvent them, makes the search for satisfactory results increasingly difficult, since in addition to the natural resistance, bacteria also have the ability to mutate to self-preserve and transmit the adaptation to future generations. Bacterial resistance is now a worldwide problem that involves therapeutic, epidemiological, public he- alth, research and industrial issues. New antibiotics need to be constantly being studied and developed, beyond the search for new treatment alternatives, because the bacterial adaptive capacity seems to be an inexhaustible source.
Keywords: antibiotic, drug effects, pharmacodynamics, drug classification.
REVISÃO DE LITERATURA
Medvep Dermato - Revista de Educação Continuada em Dermatologia e Alergologia Veterinária (2017); 4(13); 12-20.
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Introdução
A resistência bacteriana aos antimicrobianos é um problema multifatorial com implicações mi- crobiológicas, terapêuticas, epidemiológicas e de saúde pública. Infelizmente, a despeito do uso de antibióticos, existem nas populações microbianas, microrganismos naturalmente resistentes e o uso de antimicrobianos apenas seleciona esses micror- ganismos (1) e, independentemente da resistência natural, um microrganismo poderá tornar-se resis- tente quando há o surgimento de mutações nos seus próprios genes ou se houver transferência de genes de resistência provenientes de outra bactéria (2). No início dos anos 1940, quando a penicilina começou a ser usada de forma terapêutica, acred- itou-se que teriam fim as enfermidades causadas por bactérias. Ainda não era de conhecimento da comunidade científica que estes microrganismos possuíam grande capacidade de desenvolver me- canismos de resistência e, já nos anos 1950, foram descobertas as primeiras cepas de Staphylococcus aureus resistentes à meticilina (MRSA) (3). Desse modo, no final dos anos 1950, para combater esta- filococos resistentes, foram criadas as penicilinas semi-sintéticas como a oxacilina, meticilina, naf- cilina e dicloxacilina, que possuem radicais que as protegem da ação das penicilinases produzidas por estes microrganismos, não permitindo que o anel β-lactâmico se abra. Porém, já em 1961 surgiram bactérias resistentes a estas novas penicilinas, com- provando a plasticidade do genoma destas bactérias e a capacidade dos estafilococos em se adaptar a pressão seletiva dos antibióticos (4). O aparecimento de cepas resistentes à meti- cilina, a partir da década de 1960, tornou-se um problema clínico grave. Esta resistência é determi- nada pela alteração da enzima alvo dos antibióticos β-lactâmicos. A alteração produz uma nova enzima com baixa afinidade pelo antibiótico, que reduz a sensibilidade destas bactérias aos antibióticos β-lactâmicos (5). Embora alguns estudos tenham mostrado a sensibilidade destes microrganismos a uma nova geração de cefalosporinas, cujo prin- cipal representante é o ceftaroline (6,7), em 2014 já começam os relatos de alta resistência destes microrganismos à essa nova medicação (8). Atual- mente, em praticamente todas as partes do mundo, os Staphylococcus spp. mostram resistência, acima de 60% à penicilina G, penicilina V, ampicilina, amoxicilina e carbenicilina.
Em 2006, foi publicado um trabalho onde uma coleção de bactérias do gênero Streptomyces , prove- nientes do solo, eram resistentes a diversos antimi- crobianos, entre eles a daptomicina, quinupristina- dalfopristina e telitromicina, todos agentes liberados para utilização pela Food and Drud Administration (FDA), dos Estados Unidos, na década anterior (9). Desde a criação dos primeiros antimicrobianos, a pressão seletiva por diferentes fármacos continuou ao longo das décadas e os microrganismos passaram a desenvolver diferentes mecanismos de resistência, levando populações inteiras a apresentar resistência a múltiplas drogas. Alguns dos organismos mais prob- lemáticos, atualmente, além do MRSA, incluem Pseu- domonas aeruginosa, Acinetobacter baumannii, Esch- erichia coli, Klebsiela pneumoniae com β-lactamases de espectro estendido, enterococos resistentes à vanc- omicina e MRSA resistentes à vancomicina (10). Os mecanismos de resistência bacteriana pa- recem ser inesgotáveis, com infindáveis possibili- dades de novas mutações ou formas de transferên- cia de resistência, causando uma crise na indústria farmacêutica, que tem sua capacidade de introduzir novas medicações diminuídas, já que há um alto custo nas pesquisas que necessitam ser realizadas com uma escassa recuperação dos gastos (4). O objetivo deste trabalho é revisar os mecanismos de ação de antimicrobianos e os mecanismos de re- sistência bacteriana, chamando a atenção para a im- portância da pesquisa constante destes mecanismos.
2.Revisão de literatura
2.1.Mecanismo de ação dos antimicrobianos
Um mesmo microrganismo pode desenvolver vári- os mecanismos de resistência a um ou múltiplos anti- microbianos e, da mesma maneira, um fármaco pode ser inativado por diferentes mecanismos de espécies bacterianas diferentes, motivo pelo qual o estudo da resistência aos antimicrobianos torna-se complexo (3).
2.1.1.Antibióticos que agem na parede
celular e na membrana celular
Para que um antimicrobiano possa exercer sua ação inibindo ou destruindo um microrganismo,
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2.1.2.1.Tetraciclinas
Tetraciclinas possuem propriedades, tais como amplo espectro de ação, baixa toxicidade e baixo custo, que favoreceram o seu uso indiscriminado, principalmente entre as décadas de 1950 e 1970, e, consequentemente, um aumento significativo da re- sistência bacteriana a essas drogas (20). O mecanis- mo de ação das tetraciclinas envolve a ligação re- versível à subunidade 30S do ribossomo bacteriano, o que impede a ligação do aminoacil-t-RNA no sítio A do ribossomo e a adição de aminoácidos, o que impede a síntese proteica (21).
2.1.2.2.Aminoglicosídeos
Os mais utilizados representantes dessa classe de antimicrobianos são a amicacina, estreptomicina, gentamicina, neomicina e tobramicina, que ligam- se à parede celular bacteriana e, através de processo dependente de energia, são transportados para o ci- toplasma, onde ligam-se a fração 30S do RNAr, cau- sando uma leitura errada do RNAm, o que produz uma sequência alterada de proteínas codificadas que interfere na permeabilidade da membrana, causando desequilíbrio eletrolítico e lise bacteriana (22).
2.1.2.3.Cloranfenicol
O cloranfenicol, antibiótico com efeito bacteri- ostático e bactericida, exerce sua atividade ligando- se a subunidade 50S do ribossomo e parece inibir o movimento dos ribossomos ao longo do RNAm pela inibição da peptidilltransferase, sua ação tam- bém impede a ligação do RNAt com consequente não codificação de novos aminoácidos necessários à síntese proteica (19).
2.1.2.4.Macrolídeos
Os macrolídeos, representados por azitromicina, claritromicina e eritromicina, são agentes bacterios- táticos que agem ligando-se ao RNAr 23S da sub- unidade 50S, interferindo assim na reações de trans- peptidação e translocação, bloqueando a biossíntese de proteínas bacterianas (19).
2.1.2.5.Licosamidas
A clindamicina, principal representante das licosam- idas, liga-se a subunidade 50S do ribossomo impedindo
a elongação das proteínas. Também age alterando a su- perfície bacteriana, facilitando a opsonização, fagoci- tose e destruição intracelular das bactérias (23).
2.1.2.6.Oxazolidinonas
Representado pela linezolida, essa classe de an- timicrobianos difere dos restantes inibidores protei- cos que agem diretamente no processo de transla- ção, pois ela liga-se a subunidade 50S ribossomal, impedindo a sua união com a subunidade 30S e consequentemente a formação do ribossomo 70S, essencial para a síntese proteica (24).
2.1.3.Inibidores da síntese do ácido nucleico
2.1.3.1.Quinolonas
O ciprofloxacino é o principal representante des- sa classe, e também o enrofloxacino largamente uti- lizado em veterinária. As quinolonas agem inibindo a topoisomerase IV de bactérias Gram-positivas e a topoisomerase II, também chamada de DNA-girase, em bactérias Gram-negativas, enzimas essenciais à replicação e transcrição do DNA bacteriano, o que impede o super-enrolamento do DNA. Sem o super- enrolamento, não há separação das cadeias do DNA, o que inibe a transcrição e a síntese proteica (10).
2.1.3.2.Rifampicina
A rifampicina, utilizada clinicamente como parte da combinação de fármacos para o tratamento da tuberculose, liga-se a subunidade β da RNA polim- erase, impedindo a transcrição do RNAm e conse- quente síntese de proteinas (10).
2.1.4.Inibidores de processos metabólicos
2.1.4.1.Sulfonamidas
O sulfametoxazol associado com o trimetoprim é o antimicrobiano mais amplamente utilizado dessa classe. Cada uma dessas drogas causa o bloqueio de
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uma etapa do metabolismo do ácido fólico, o sulfame- toxazol bloqueia a enzima di-hidropteroatosintetase, presente somente em bactérias, e o trimetoprim inibe a di-hidrofolatoredutase, ambas enzimas atuam na via de biossíntese de um importante cofator que for- nece carbono para a síntese de bases pirimidínicas constituintes dos ácidos nucleicos (17).
2.2.Definição de resistência
De uma maneira prática, a resistência ocorre quando o crescimento bacteriano só pode ser inibido em concentrações superiores às quais o antimicrobia- no é capaz de alcançar no sítio da infecção (3). A resistência dos microrganismos aos antimicro- bianos é definida através de técnicas baseadas em antibiogramas, sendo estabelecida de forma quan- titativa a atividade in vitro dos antimicrobianos. Estas técnicas permitem que seja definida a con- centração mínima inibitória (CMI), que é a quan- tidade necessária de determinado antibiótico capaz de inibir o crescimento, in vitro, de 105 bactérias/ mL. A resistência também pode ser definida através da medição de halos inibitórios formados por dis- cos impregnados com antimicrobiano em um cul- tivo bacteriano em meio sólido. Comitês como o Clinical and Laboratory Standards Institute (CLSI) nos Estados Unidos e o European Committee on Antimicrobial Susceptibility Testing (EUCAST) na Europa, vêm definindo pontos de corte, dividindo em categorias clínicas (sensível, intermediário e re- sistente) a resposta ao antibiograma, que predizem a possibilidade de êxito ou fracasso no uso de deter- minado antibiótico (25). Alguns estudos têm demonstrado que é maior a predição de fracasso para cepas resistentes do que a predição de êxito para cepas sensíveis (25).
2.3. Mecanismos de resistência
Bactérias podem manifestar resistência a antimi- crobianos através de uma variedade de mecanismos. Algumas espécies de microrganismos são natural- mente resistentes a todos os membros de uma classe de antimicrobianos. De maior preocupação, são os casos de resistência adquirida, onde populações ini- cialmente sensíveis de bactérias tornam-se resistentes a um agente bacteriano e proliferam sob a pressão seletiva do uso desse agente (26). Mecanismos intrínsecos são encontrados natural- mente no cromossomo do microrganismo, tais como
a AmpCβ-lactamase de bactérias Gram-negativas e al- guns sistemas de efluxo de multi-resistência à fármacos (10). Mecanismos adquiridos envolvem mutações em genes que são alvos dos antimicrobianos. Este material genético mutante é transferido para outro microrgan- ismo do mesmo gênero (1) ou entre gêneros diferentes, incluindo a transferência entre microrganismos evolu- tivamente distantes como bactérias Gram-negativas e Gram-positivas (27), através de plasmídeos, bacteriófa- gos, transposons ou outro material genético móvel (10).
2.3.1.Causas genéticas
O processo de replicação do DNA não é comple- tamente conhecido. Em média, uma mutação em um gene em particular, ocorre em cerca de uma a cada 1x108 bactérias de uma população, se o gene propor- ciona uma vantagem competitiva em termos de sobre- vivência, quando existe a ação de um agente antimi- crobiano, a população sem o gene mutante e, portanto, sensível, morre ou é inibida, enquanto a população que contém o gene mutante sobrevive, substituindo a pop- ulação original. Este é o princípio básico da seleção de bactérias por antibióticos (25). São conhecidos três mecanismos básicos de trans- ferência de genes de resistência: transformação, quan- do microrganismos incorporam segmentos de DNA estrangeiro ao seu cromossomo; transdução, quando genes são transferidos através de um bacteriófago; e conjugação, que é o meio mais importante, devido à sua frequência e consequências epidemiológicas (10). A conjugação depende da aquisição, por uma bactéria sensível, de um ou mais plasmídeos que contém genes de resistência. Plasmídeos conjugativos contém genes responsáveis pelas codificações de proteínas que per- mitem a sua transferência entre bactérias, sendo ou não da mesma espécie. Os plasmídeos podem se dis- seminar por outros elementos genéticos como trans- posons e integrons, ou integrar-se ao cromossomo da bactéria receptora e assim assegurar sua estabilidade (25). Através de mecanismos de troca genética e muta- ções, bactérias sensíveis podem tornar-se resistentes a várias classes de antimicrobianos (10). Mutações espontâneas podem causar resistência regulando a produção de enzimas que inativam o agente antimicrobiano; alterando um canal de proteína que é requerido para a entrada do agente antimicrobiano na célula; através de bombas de efluxo que expulsam o an- timicrobiano da célula; alterando o alvo ao qual se liga o agente antimicrobiano, causando uma modificação ou eliminando o local de ligação (3,26).
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nolonas em isolados clínicos são as alterações da DNA-girase e da topoisomerase IV (25). Essas alter- ações são consequência de mutações na região deter- minante de resistência à quinolonas de genes cromoss- ômicos que codificam essas topoisomerases do tipo II ( gyrA, gyrB, parC e parE ) para o tipo IV em bactérias como Neisseria gonorrhoeae, Streptococcus pneu-
moniae e Salmonela spp. (26). O efeito desse tipo de resistência específica é acumulativo, ou seja, apenas uma mutação causa baixa resistência, o aumento do número dessas mutações causa incremento de forma sequencial no nível de resistência (25). Os mecanismos de resistência bacteriana estão representados na Figura 1.
Figura 1 - Esquema dos mecanismos de resistência bacteriana (Fonte: anvisa.org.br)
Quadro 1 - Ano de lançamento das classes de antibacterianos para terapia humana
2.4. Novos fármacos A resistência bacteriana a antibióticos vem cre- scendo dia após dia tanto na comunidade quanto no ambiente hospitalar, apesar disso, somente três novas classes de antibióticos foram introduzidas no merca-
do humano desde 2000 (15), e somente dois antimi- crobianos aprovados pela FDA possuem mecanismo de ação diferente daqueles que são desenvolvidos desde a década de 1930 (Quadro 1), a oxazolidinona- linezolida e o lipopeptídeodaptomicina (30).
Ano Classe Alvo Exemplo 1935 Sulfonamida Ácido fólico Sulfametaxazol 1940 Β-lactâmicos Parede celular Penicilina G 1949 Policetídeos Biossíntese proteica Tetraciclina 1949 Fenilpropanoides Biossíntese proteica Cloranfenicol 1950 Aminoglicosídeos Biossíntese proteica Tobramicina 1952 Macrolídeos Biossíntese proteica Eritromicina 1958 Glicopeptideos Parede celular Vancomicina 1962 Quinolonas Replicação do DNA Ciprofloxacino 1962 Estreptograminas Biossíntese proteica Pristinamicina 2000 Oxazolidinonas Biossíntese proteica Linezolida 2003 Lipopetídeos Membrana bacteriana Daptomicina Adaptado: vonNussbaum et al(19)
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Quadro 2 - Novos antibióticos aprovados e/ou em desenvolvimento
Duas novas cefalosporinas com atividade Gram- positiva expandida, ceftarolinefosamil e ceftobiprole, a segunda ainda não liberada para utilização em huma- nos, são as mais novas drogas com ação anti-MRSA e anti-S. aureus resistente à vancomicina (VRSA), e, assim como outros β-lactâmicos, agem ligando-se à PBP na parede celular bacteriana, porém sua atividade é atribuída à habilidade de ligar-se também a PBP2a, proteína modificada pela ação do gene mecA (15). A telavancina, um derivado lipoglicopeptídeo da vancomicina, possui rápida atividade bactericida e múltiplos mecanismos de ação, exibindo potente ação
in vitro contra bactérias Gram-positivas de grande im- portância clínica, inclusive contra MRSA, ação essa atribuída à adição de um grupo hidrofílico à cadeia hi- drofóbica, o que aumenta a atividade contra isolados com reduzida susceptibilidade glicopeptídica (31). Numerosas agências e sociedades profissionais tem tentado chamar atenção para a falta de novos antibióti- cos e, recentemente, a Infectious Deseases Society of America aprovou um programa para o desenvolvimento de novas drogas antibacterianas (Quadro 2), seja através da descoberta de novas classes ou de novas moléculas em classes antimicrobianas já existentes (32).
Droga Classe Espectro de ação Fase de desenvolvimento Besifloxacin Quinolona Gram-positivo e Gram-negativo Aprovado pela FDA Ceftaroline Fosamil Cefalosporina Gram-positivo Aprovado pela FDA Ceftazidine-Avibactam Cefalosporinas+inibidor de β-lactamase
P. aeruginosa multirresistente e entero- bactérias
III**
Ceftobiprole Cefalosporinas Gram-positivo e Gram-negativo III Ceftolozane-tazobactam Cefalosporinas+inibidor de β-lactamase
Gram-negativo III
Cetromicina Cetolídeo Gram-positivo e Gram-negativo III Dalbavancina Glicopeptídeo Gram-positivo II* Delafloxacino Quinolona Amplo espectro, incluindo MRSA II Doripenem Carbapenem Gram-negativo Aprovado pela FDA Eravaciclina Tetraciclina Gram-negativo, excluindo Pseudomo- nas
II
JNJ-Q2 Quinolona Gram-positiva, incluindo MRSA II MK-7655 Inibidor de β-lactamase Gram-negativo II Nemonoxacino Quinolona Gram-positivo e Gram-negativo III Omadaciclina Tetraciclina Gram-positivo e Gram-negativo III Oritavancina Glicopeptídeo Gram-positivo, incluindo MRSA, VRSA III Panipenem Carbapenem Gram-positivo e Gram-negativo III Plazomicina Aminoglicosídeo Enterobactérias mulrirresistentes e S. Aureus
II
Radezolida Oxazolidinona Gram-positivo II Razupenem Carbapenem Gram-positivo e Gram-negativo II Solitromicina Gram-positivo III Tebipenem-pivoxil Cabapenem Gram-positivo e Gram-negativo II Tedizolifosfato Oxazolidinona Gram-positivo, incluindo MRSA III Telavancina Glicopeptídeo Gram-positivo Aprovado pela FD Tomopenem Carbapenem Gram-positivo, incluindo MRSA e Gram- -negativo
II
*Fase II: Estudo Terapêutico Piloto, primeiros estudos controlados em pequenos grupos de pacientes (100 a 200) afetados por uma determinada enfermidade ou condição, para demonstrar efetividade potencial da medicação, sua segurança, eficácia, biodisponibilidade e bioequivalência de diferentes formulações. **Fase III – feita em larga escala, com diferentes populações de pacientes, com população mínima de 800. Essa fase visa o estabelecimento do perfil terapêutico da droga: indicações, dose e via de administração, contra-indicações, efeitos colaterais, medidas de precaução, basicamente, é a fase em que é formulada a bula(33). Adaptado: Bassetti(15)
