β-Laktamase

β-Laktamasen sind von Bakterien produzierte Enzyme (EC 3.5.2.6), die eine Multiresistenz gegenüber β-Laktam-Antibiotika wie Penicillinen, Cephalosporinen, Cephamycinen und Carbapenemen vermitteln, wobei Carbapeneme gegenüber β-Laktamasen relativ stabil sind. β-Laktamasen verleihen Antibiotikaresistenz, indem sie die Struktur der Antibiotika spalten; allen gemeinsam ist ein Strukturelement: ein viergliedriger β-Laktam-Ring. Das Laktamase-Enzym öffnet den β-Laktam-Ring durch Hydrolyse und inaktiviert dadurch die antibakteriellen Eigenschaften des Moleküls. β-Laktam-Antibiotika werden typischerweise zur Behandlung von Infektionen eingesetzt, die durch ein breites Spektrum grampositiver und gramnegativer Bakterien verursacht werden. β-Laktamasen werden in der Regel von gramnegativen Organismen sezerniert, insbesondere bei Vorhandensein von Antibiotika in der Umgebung.

Evolution

β-Laktamasen sind uralte bakterielle Enzyme, und β-Laktamasen der Klasse B (Metallo-β-Laktamasen, MBLs) werden in drei Unterklassen unterteilt: B1, B2 und B3. Es wird angenommen, dass sich die Unterklassen B1 und B2 vor mehr als einer Milliarde Jahren entwickelt haben, und es wird vermutet, dass sich die Unterklasse B3 aus der Divergenz grampositiver und gramnegativer Eubakterien vor etwa zwei Milliarden Jahren herausgebildet hat. Die Metallo-β-Laktamase aus Papua-Neuguinea als erster Fall einer MBL der Unterklasse B3 stammt aus einer funktionellen metagenomischen Bibliothek von Tiefseesedimenten aus der Zeit vor der Antibiotika-Ära. Die drei weiteren Klassen A, C und D sind Serin-Enzyme mit nur geringer Homologie untereinander. Für die Klassen A und D ist nachgewiesen, dass sie Schwester-Taxa sind, und Klasse C weicht von A und D ab; alle diese Enzyme haben – wie die β-Laktamasen der Klasse B – einen alten Ursprung und sollen sich vor etwa zwei Milliarden Jahren entwickelt haben. Insbesondere wird angenommen, dass sich die OXA-(Oxacillinase-)Gruppe der Klasse D auf Chromosomen entwickelt und bei mindestens zwei getrennten Ereignissen auf Plasmide verlagert hat.

Klassifikation

β-Laktamasen lassen sich primär in Penicillinase, Extended-Spectrum-β-Laktamase (ESBL), inhibitorresistente β-Laktamase, AmpC-Typ-β-Laktamase (Klasse C) und Carbapenemase einteilen. ESBLs umfassen TEM-β-Laktamasen (Klasse A), SHV-β-Laktamasen (Klasse A), CTX-M-β-Laktamasen (Klasse A), OXA-β-Laktamasen (Klasse D) sowie weitere plasmidvermittelte ESBLs. Carbapenemasen können weiter klassifiziert werden in IMP-Typ-Carbapenemasen (Metallo-β-Laktamasen, Klasse B), VIM (Verona-Integron-kodierte Metallo-β-Laktamase, Klasse B), die OXA-Gruppe der β-Laktamasen (Klasse D), KPC (K. pneumoniae-Carbapenemase, Klasse A), CMY (Klasse C), NDM-1 (New-Delhi-Metallo-β-Laktamase) (Klasse B), SME (Serratia-marcescens-Enzyme), IMI (IMIpenem-hydrolysierende β-Laktamase), NMC und CcrA.

a. Penicillinase

Penicillinase ist die zuerst identifizierte β-Laktamase und zeigt Spezifität für Penicilline, indem sie den β-Laktam-Ring zerstört. Die Molekulargewichte verschiedener Penicillinasen liegen typischerweise bei etwa 50 kDa. Sie wurde erstmals aus gramnegativem E. coli isoliert, noch bevor Penicillin klinisch eingesetzt wurde; die Produktion von Penicillinase verbreitete sich jedoch rasch auf Bakterien, die sie zuvor nicht produzierten oder nur in sehr geringen Mengen exprimierten. Penicillinase-resistente β-Laktame wurden entwickelt, jedoch ist auch gegenüber diesen Antibiotika eine weitverbreitete Resistenz aufgetreten.

b. Extended-Spectrum-β-Laktamase (ESBL)

ESBLs, die Extended-Spectrum-Cephalosporine mit einer Oxyimino-Seitenkette hydrolysieren, wurden erstmals 1979 nachgewiesen, und die Prävalenz ESBL-exprimierender Bakterien nimmt in Akutkrankenhäusern schrittweise zu. Zu diesen Cephalosporinen zählen Cefotaxim, Ceftriaxon und Ceftazidim sowie das Oxyimino-Mono-β-Laktam Aztreonam, gegenüber denen durch ESBLs eine Multiresistenz vermittelt wird. Unter typischen Umständen werden sie durch Gene von TEM-1, TEM-2 oder SHV-1 kodiert, wobei Mutationen die Aminosäurekonfiguration um die aktiven Zentren dieser β-Laktamasen verändern. Ein breites Spektrum an β-Laktam-Antibiotika ist gegenüber der Degradation durch diese Enzyme empfindlich. ESBLs sind häufig plasmidkodiert; diese Plasmide tragen zudem Gene, die Resistenzen gegenüber weiteren Wirkstoffklassen vermitteln. Dadurch bestehen erhebliche Einschränkungen bei der Auswahl geeigneter Antibiotika zur Behandlung ESBL-produzierender Bakterien. Carbapeneme sind bei schweren Infektionen durch ESBL-produzierende Erreger stets die bevorzugte Therapieoption. Allerdings wurde die Anwendung solcher Antibiotika mit hohen Versagensraten in Verbindung gebracht.

c. Inhibitorresistente β-Laktamasen

Inhibitorresistente β-Laktamasen werden häufig im Zusammenhang mit ESBLs diskutiert, da sie ebenfalls von klassischen TEM- oder SHV-Typ-Enzymen abgeleitet sind. Zunächst erhielten diese Enzyme die Bezeichnung IRT (inhibitorresistente TEM-β-Laktamase), wurden jedoch später sämtlich mit numerischen TEM-Bezeichnungen neu klassifiziert. Inhibitorresistente TEM-β-Laktamasen kommen hauptsächlich in klinischen Isolaten von E. coli vor, werden jedoch auch in einigen Stämmen von K. pneumoniae, Klebsiella oxytoca, Citrobacter freundii und P. mirabilis gefunden. Inhibitorresistente TEM-Varianten bleiben trotz der beschriebenen Resistenz in der Regel gegenüber der Hemmung durch Tazobactam sowie der Kombination Piperacillin/Tazobactam empfindlich.

d. AmpC-Typ-β-Laktamasen

AmpC-Typ-β-Laktamasen werden häufig aus gramnegativen Bakterien isoliert, die gegenüber Extended-Spectrum-Cephalosporinen resistent sind, und sind typischerweise chromosomal bei vielen gramnegativen Bakterien, einschließlich Citrobacter-, Serratia- und Enterobacter-Spezies, kodiert, wobei ihre Expression meist induzierbar ist. AmpC-Typ-β-Laktamasen können auch plasmidkodiert sein. Im Gegensatz zu ESBLs können AmpC-β-Laktamasen breite und Extended-Spectrum-Cephalosporine hydrolysieren, ohne durch β-Laktamase-Inhibitoren wie Clavulansäure gehemmt zu werden.

e. Carbapenemasen

Carbapeneme haben ihren Ruf als stabil gegenüber AmpC-β-Laktamasen und Extended-Spectrum-β-Laktamasen erworben, werden jedoch durch die Katalyse von Carbapenemasen inaktiviert, die auch gegen Oxyimino-Cephalosporine und Cephamycine wirksam sind. Carbapenemasen wurden früher ausschließlich den Klassen A, B und D zugeschrieben, jedoch wurde auch eine Carbapenemase der Klasse C beschrieben.

Resistenz bei gramnegativen Bakterien

Das Auftreten von Resistenzen gegenüber Breitspektrum-Cephalosporinen bei gramnegativen Bakterien ist ein wesentliches Problem. Anfangs schien nur eine begrenzte Anzahl bakterieller Spezies zu mutieren und ihre chromosomale β-Laktamase der Klasse C in hoher Menge zu überproduzieren. Einige Jahre später trat Resistenz auch bei bakteriellen Spezies auf, die nicht nur natürlicherweise AmpC-Enzyme produzieren, sondern zudem TEM- oder SHV-Typ-Extended-Spectrum-β-Laktamasen (ESBLs) sezernieren. Charakteristischerweise konnte eine solche Resistenz durch Inhibitoren wie Clavulanat, Sulbactam oder Tazobactam blockiert werden. Chromosomal vermittelte AmpC-β-Laktamasen stellen eine neue Bedrohung dar, da sie Resistenz gegenüber 7-α-Methoxy-Cephalosporinen wie Cefoxitin oder Cefotetan vermitteln, jedoch nicht durch kommerziell verfügbare β-Laktamase-Inhibitoren gehemmt werden. Dadurch können sie in Stämmen mit Verlust von Porinen der äußeren Membran auch eine Resistenz gegenüber Carbapenemen vermitteln.

Therapie von ESBL/AmpC/Carbapenemasen

Im Allgemeinen wird ein Isolat als ESBL-Produzent vermutet, wenn es in vitro gegenüber Cephalosporinen der zweiten Generation empfindlich ist, jedoch gegenüber Cephalosporinen der dritten Generation und Aztreonam resistent ist. Sobald ein Stamm als ESBL-Produzent nachgewiesen ist, sollte er als resistent gegenüber allen Penicillinen, Cephalosporinen und Aztreonam beschrieben werden, auch wenn eine in vitro-Empfindlichkeit gemessen wurde. β-Laktamase-Inhibitoren blockieren die Aktivität der meisten ESBLs in vitro, jedoch ist die klinische Wirksamkeit von Kombinationen aus β-Laktam und β-Laktamase-Inhibitor für die Therapie nicht durchgängig verlässlich. Cephamycine werden von der Mehrzahl der ESBLs nicht inaktiviert, können jedoch durch assoziierte AmpC-Typ-β-Laktamasen hydrolysiert werden. Ebenso kann die Kombination aus β-Laktam und β-Laktamase-Inhibitor gegenüber Organismen, die AmpC-Typ-β-Laktamase sezernieren, unwirksam sein, da diese mitunter die Expression von Proteinen der äußeren Membran reduzieren und dadurch eine Resistenz gegenüber Cephamycinen entsteht. Derzeit gelten Carbapeneme als die bevorzugten Wirkstoffe zur Behandlung von Infektionen, die durch ESBL-produzierende Organismen verursacht werden. Carbapeneme, die gegenüber ESBL-vermittelter Hydrolyse stabil sind, zeigen zudem eine ausgezeichnete in vitro-Hemmaktivität gegenüber Enterobacteriaceae-Stämmen, die ESBLs exprimieren.

Referenz