β-Lactamase

β-Lactamasen sind Enzyme (EC 3.5.2.6), die von Bakterien produziert werden und eine Multiresistenz gegen β-Lactam-Antibiotika wie Penicilline, Cephalosporine, Cephamycine und Carbapeneme bieten, wobei Carbapeneme relativ resistent gegen β-Lactamase sind. β-Lactamase verleiht Antibiotikaresistenz, indem sie die Struktur von Antibiotika aufbricht, die alle ein gemeinsames Element in ihrer molekularen Struktur haben: einen viergliedrigen β-Lactam-Ring. Das Lactamase-Enzym öffnet den β-Lactam-Ring durch Hydrolyse, um die antibakteriellen Eigenschaften des Moleküls zu deaktivieren. β-Lactam-basierte Antibiotika werden typischerweise zur Behandlung von Infektionen eingesetzt, die durch ein breites Spektrum von grampositiven und gramnegativen Bakterien verursacht werden. β-Lactamasen werden normalerweise von gramnegativen Organismen sezerniert, insbesondere wenn Antibiotika in der Umgebung vorhanden sind.

Evolution

β-Lactamasen sind alte bakterielle Enzyme und die β-Lactamasen (die Metallo-β-Lactamasen, MBLs) der Klasse B werden in drei Unterklassen unterteilt: B1, B2 und B3. Es wird angenommen, dass die Unterklassen B1 und B2 vor mehr als einer Milliarde Jahren entstanden sind, während die Unterklasse B3 vermutlich aus der Divergenz der grampositiven und gramnegativen Eubakterien vor etwa zwei Milliarden Jahren hervorgegangen ist. Das Papua-Neuguinea-Metallo-β-Lactamase-Enzym als erster Fall von MBL unter der Unterklasse B3 stammt aus einer funktionalen metagenomischen Bibliothek der Tiefsee-Sedimente vor der Antibiotika-Ära. Die anderen drei Klassen A, C und D sind Serin-Enzyme mit wenig Homologie zueinander. Die Klassen A und D haben sich als Schwester-Taxa erwiesen, und die Klasse C weicht von A und D ab, während all diese Enzyme, wie die β-Lactamasen der Klasse B, einen alten Ursprung haben und vermutlich vor etwa zwei Milliarden Jahren entstanden sind. Die OXA (Oxacillinase)-Gruppe in Klasse D wird insbesondere als auf Chromosomen entstanden angesehen und hat sich mindestens zweimal auf Plasmide bewegt.

Klassifikation

β-Lactamasen können hauptsächlich in Penicillinase, erweiterte Spektrum-β-Lactamase (ESBL), inhibitorresistente β-Lactamase, AmpC-Typ β-Lactamase (Klasse C) und Carbapenemase unterteilt werden. ESBLs bestehen aus TEM-β-Lactamasen (Klasse A), SHV-β-Lactamasen (Klasse A), CTX-M-β-Lactamasen (Klasse A), OXA-β-Lactamasen (Klasse D) und anderen plasmidvermittelten ESBLs. Carbapenemasen können weiter in IMP-Typ-Carbapenemasen (Metallo-β-Lactamasen, Klasse B), VIM (Verona-Integron-kodierte Metallo-β-Lactamase, Klasse B), OXA-Gruppe von β-Lactamasen (Klasse D), KPC (K. pneumoniae Carbapenemase, Klasse A), CMY (Klasse C), NDM-1 (New Delhi Metallo-β-Lactamase) (Klasse B), SME (Serratia marcescens-Enzyme), IMI (IMIpenem-hydrolysierende β-Lactamase), NMC und CcrA klassifiziert werden.

a. Penicillinase

Penicillinase ist die erste identifizierte β-Lactamase und zeigt eine Spezifität für Penicilline, indem sie den β-Lactam-Ring zerstört. Die Molekulargewichte verschiedener Penicillinase liegen typischerweise bei etwa 50 kDa. Sie wurde zuerst aus dem gramnegativen E. coli isoliert, sogar bevor Penicillin klinisch eingesetzt wurde, während die Produktion von Penicillinase schnell auf Bakterien verbreitet wurde, die zuvor keine produzierten oder nur in geringen Mengen abgaben. Penicillinase-resistente β-Lactame wurden entwickelt, aber weit verbreitete Resistenzen sind auch gegen diese Antibiotika aufgetreten.

b. Erweiterte Spektrum-β-Lactamase (ESBL)

ESBLs, die erweiterte Spektrum-Cephalosporine mit einer Oxyimino-Seitenkette hydrolysieren, wurden erstmals 1979 nachgewiesen, und die Prävalenz von Bakterien, die ESBL exprimieren, hat in Akutkrankenhäusern allmählich zugenommen. Diese Cephalosporine sind Cefotaxim, Ceftriaxon und Ceftazidim sowie das Oxyimino-Mono-β-Aztreonam, die dadurch von ESBLs mit Multiresistenz ausgestattet werden. Unter typischen Umständen werden sie durch Gene von TEM-1, TEM-2 oder SHV-1 kodiert, die durch Mutationen, die die Aminosäurekonfiguration um die aktiven Stellen dieser β-Lactamasen verändern, entstehen. Ein breites Spektrum von β-Lactam-Antibiotika ist empfindlich gegenüber dem Abbau durch diese Enzyme. ESBLs werden häufig durch Plasmide kodiert, die Gene tragen, die gegen andere Arzneimittelklassen resistent sind. Daher gibt es große Einschränkungen bei der Auswahl von Antibiotika zur Behandlung von ESBL-produzierenden Bakterien. Carbapeneme sind immer die bevorzugte Wahl für schwere Infektionen, die durch Organismen verursacht werden, die ESBL produzieren. Die Verabreichung solcher Antibiotika ist jedoch mit hohen Ausfallraten verbunden.

c. Inhibitor-resistente β-Lactamasen

Inhibitor-resistente β-Lactamasen werden oft zusammen mit ESBLs diskutiert, da sie ebenfalls von den traditionellen TEM- oder SHV-Typ-Enzymen abgeleitet sind. Zunächst wurden diese Enzyme als IRT für inhibitorresistente TEM-β-Lactamase bezeichnet, während alle später mit numerischen TEM-Bezeichnungen umbenannt wurden. Inhibitor-resistente TEM-β-Lactamasen existieren hauptsächlich in klinischen Isolaten von E. coli, sind aber auch in einigen Stämmen von K. pneumoniae, Klebsiella oxytoca, Citrobacter freundii und P. mirabilis zu finden. Die inhibitor-resistenten TEM-Varianten bleiben normalerweise empfindlich gegenüber der Hemmung durch Tazobactam und die Kombination von Piperacillin/Tazobactam, trotz der beschriebenen Resistenz.

d. AmpC-Typ β-Lactamasen

AmpC-Typ β-Lactamasen werden häufig aus erweiterte Spektrum-Cephalosporin-resistenten gramnegativen Bakterien isoliert und werden typischerweise auf dem Chromosom vieler gramnegativer Bakterien wie Citrobacter, Serratia und Enterobacter arten getragen, wo ihre Expression normalerweise induzierbar ist. AmpC-Typ β-Lactamasen können auch auf Plasmiden kodiert sein. Im Gegensatz zu ESBLs können AmpC-β-Lactamasen breite und erweiterte Spektrum-Cephalosporine hydrolysieren, ohne durch β-Lactamase-Inhibitoren wie Clavulansäure gehemmt zu werden.

e. Carbapenemasen

Carbapeneme haben sich ihren Ruf erworben, stabil gegenüber AmpC-β-Lactamasen und erweiterten Spektrum-β-Lactamasen zu sein, während sie unter der Katalyse von Carbapenemasen, die gegen die Oxyimino-Cephalosporine und Cephamycine aktiv sind, ungültig werden. Carbapenemasen wurden früher nur aus den Klassen A, B und D abgeleitet, aber es wurde auch eine Klasse C-Carbapenemase berichtet.

Resistenz bei gramnegativen Bakterien

Das Auftreten von Resistenzen gegen Breitband-Cephalosporine bei gramnegativen Bakterien ist ein großes Anliegen. Zunächst schien nur eine begrenzte Anzahl von Bakterienarten zu mutieren, um ihre chromosomale Klasse C-β-Lactamase hyperproduktiv zu machen. Einige Jahre später trat die Resistenz bei Bakterienarten auf, die nicht nur AmpC-Enzyme natürlich produzieren, sondern auch TEM- oder SHV-Typ erweiterte Spektrum-β-Lactamasen (ESBLs) sezernieren. Charakteristisch wurde eine solche Resistenz durch Inhibitoren wie Clavulanat, Sulbactam oder Tazobactam blockiert. Chromosomale AmpC-β-Lactamasen stellen eine neue Bedrohung dar, da sie Resistenzen gegen 7-α-Methoxy-Cephalosporine wie Cefoxitin oder Cefotetan verleihen, jedoch nicht durch kommerziell verfügbare β-Lactamase-Inhibitoren unterdrückt werden. Sie können somit Resistenzen gegen Carbapeneme in Stämmen mit Verlust von äußeren Membranporinen bieten.

Behandlung von ESBL/AmpC/Carbapenemasen

Im Allgemeinen wird vermutet, dass ein Isolat ein ESBL-Produzent ist, wenn es in vitro empfindlich gegenüber den Cephalosporinen der zweiten Generation ist, aber resistent gegenüber den Cephalosporinen der dritten Generation und Aztreonam. Sobald ein Stamm als ESBL-Produzent nachgewiesen wird, sollte er als resistent gegen alle Penicilline, Cephalosporine und Aztreonam beschrieben werden, auch wenn die gemessene in vitro Empfindlichkeit besteht. β-Lactamase-Inhibitoren blockieren die Wirksamkeit der meisten ESBLs in vitro, während die klinische Wirksamkeit der Kombinationen von β-Lactam mit β-Lactamase-Inhibitoren nicht konstant für die Therapie vertrauenswürdig ist. Cephamycine werden von den meisten ESBLs nicht inaktiviert, können jedoch von assoziierten AmpC-Typ-β-Lactamasen hydrolysiert werden. In ähnlicher Weise kann die Kombination von β-Lactam und β-Lactamase-Inhibitor möglicherweise nicht gegen Organismen aktiv sein, die AmpC-Typ-β-Lactamase sezernieren, die manchmal die Expression von äußeren Membranproteinen reduzieren, wodurch sie resistent gegen Cephamycine werden. Derzeit werden Carbapeneme als das wünschenswerte Mittel zur Behandlung von Infektionen angesehen, die durch ESBL-produzierende Organismen verursacht werden. Carbapeneme, die gegen die ESBL-vermittelte Hydrolyse resistent sind, zeigen ebenfalls eine hervorragende in vitro Hemmaktivität gegen Enterobacteriaceae-Stämme, die ESBLs exprimieren.

Referenz