Betalaktamantibiotika omfatter en rekke antibiotika fra førstegenerasjons smalspektrede benzylpenicilliner, via kefalosporiner og monobaktamer til bredspektrede karbapenemer (tab 1). De har et bredt indikasjonsområde på grunn av ulike antibakterielle spektre, lav toksisitet og allsidige administrasjonsformer. Betalaktamer utgjorde 45 % av det totale antibiotikaforbruket hos mennesker i Norge i 2006 (1 ).
Tabell 1 De vanligste grupper betalaktamantibiotika, deres antibakterielle spektrum og hvilke betalaktamaser som inaktiverer gruppen
Betalaktamgruppe
Generiske preparater
Antibakterielt spektrum
Inaktiveres av følgende betalaktamaser
Smalspektrede penicilliner
Penicillin GPenicillin V
Grampositive bakterier
Penicillinaser, ESBL¹, AmpC og karbapenemaser
Bredspektrede penicilliner
AmpicillinAmoksicillinPiperacillin
Grampositiv + begrenset gram-negativt repertoar
Penicillinaser, ESBL¹, AmpC og karbapenemaser
Førstegenerasjons kefalosporiner
CefalotinCefaleksin
Grampositiv + begrenset gram-negativt repertoar
AmpC, ESBL¹ og karbapenemaser
Annengenerasjons kefalosporiner
CefuroksimCefoksitin
Grampositiv + utvidet gramnegativt repertoar
AmpC, ESBL¹ og karbapenemaser
Tredjegenerasjons kefalosporiner
CefotaksimCeftazidimCeftriakson
Bredspektret gram-positiv (unntak ceftazidim) og negativ antimikrobiell aktivitet
AmpC, ESBL¹ og karbapenemaser
Fjerdegenerasjons kefalosporiner
CefepimCefpirom
Bredspektret gram-positiv og negativ antimikrobiell aktivitet
ESBL¹ og karbapenemaser
Monobaktamer
Aztreonam
Virker kun på gramnegative bakterier
AmpC, ESBL¹ og karbapenemaser
Karbapenemer
ImipenemMeropenemErtapenem
Bredspektret gram-positiv og negativ antimikrobiell aktivitet
Karbapenemaser
[i]
Gramnegative stavbakterier kan få overført gener som koder for enzymer (bredspektrede betalaktamaser) som inaktiverer alle eller de fleste betalaktamer (2 – 5 ). Spredningen av slike enzymer blant Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae, Acinetobacter baumannii og Pseudomonas aeruginosa har pandemiske trekk. Genene som koder for særlig bredspektrede betalaktamaser er også vanligvis koblet til resistensgener mot andre klinisk viktige antibiotika i genetiske kassettsystemer (transposoner og integroner). Disse genstrukturene kan effektivt overføres mellom ulike bakterier via plasmider og medføre smittsom multiresistens (fig 1). Det er i dag beskrevet multiresistente kliniske bakterieisolater der man står uten gode behandlingsalternativer. Man har i slike situasjoner tatt i bruk colistin, et gammelt peptidantibiotikum med alvorlige bivirkninger og en problematisk farmakokinetikk (6 ). Slike multiresistente kliniske gramnegative isolater har også vært observert i Norge (7 – 9 ).
Figur 1 Utvikling av multiresistens. Samling av resistensgener (Res A, B, og C) på samme genetiske element gir mulighet for smittsom overførbar multiresistens. Konsekvensen er at bruk av et antibiotikum (A, B eller C) gir seleksjon av resistens mot flere antibiotika (A, B og C) fordi resistensgenene er koblet genetisk
I denne artikkelen vil vi redegjøre for de senere års utvikling av overførbare bredspektrede betalaktamaser hos gramnegative stavbakterier og spesielt omtale de klinisk viktige gruppene av betalaktamaser: ekstendert spektrum-betalaktamaser, AmpC og karbapenemaser. Diagnostiske og sykehushygieniske konsekvenser diskuteres.
Metoder
Artikkelen er basert på et utvalg av litteratur etter ikke-systematisk søk i PubMed samt forfatternes forskningserfaringer.
Nye betalaktamantibiotika
Utviklingen av betalaktamantibiotika er historien om en konkurranse mellom forskning og farmasøytisk industri på den ene side og bakterienes utvikling av resistensmekanismer på den andre. Betalaktamaser hydrolyserer betalaktamringen som er en forutsetning for antibakteriell effekt (fig 2). Betalaktamringen kunne beskyttes mot de første generasjoner betalaktamaser gjennom utvikling av nye betalaktamer, og tidlig i 1960-årene ble bredspektrede penicilliner (ampicillin og karbenicillin) introdusert. Den første plasmidmedierte bredspektrede betalaktamasen (TEM-1) ble imidlertid beskrevet allerede i 1965 i et E coli-blodkulturisolat fra en gresk pasient ved navn Temoniera, derfor betegnelsen TEM (10 ). TEM-1 kan i dag påvises hos 30 – 60 % av kliniske E coli-isolater over hele verden (11 ). Den har i tillegg etablert seg i flere andre bakteriearter.
Figur 2 Betalaktamaseenzymers nedbrytning av betalaktamantibiotika
Ved introduksjonen av bredspektrede kefalosporiner (cefotaksim, ceftriakson, ceftazidim) og karbapenemer (imipenem, meropenem) i 1970- og 80-årene så man en tilsvarende utvikling. De første tilfellene av ervervede ekstenderte spektrum-betalaktamaser (ESBL) og karbapenemaser i kliniske isolater ble beskrevet kort tid etter at midlene ble tatt i bruk (11 ). På denne måten har fagfeltet forutsigbart bølget frem og tilbake der nye generasjoner betalaktamantibiotika har selektert frem nye betalaktamaser med stadig bredere substratprofil.
Det er i dag beskrevet flere hundre ulike betalaktamaser (12 , 13 ) og noen av disse er i stand til å inaktivere alle typer betalaktamantibiotika. De aller fleste variantene er funnet i gramnegative stavbakterier (5 , 10 , 14 ). Bruk av betalaktamer har over tid selektert frem betalaktamaser og bakterier som hyperproduserer sin kromosomale betalaktamase, har ervervet plasmidmedierte betalaktamaser og/eller har muterte betalaktamaser med utvidet substratspektrum. Det er biologiske årsaker til at overførbare betalaktamaser og diversifiseringen av dem særlig ses hos gramnegative bakterier. Betalaktamaser hos grampositive bakterier påvises hovedsakelig ekstracellulært og beskytter dermed hele bakteriepopulasjonen. Dette gir ingen individuelle fordeler for den enkelte bakteriecelle. Hos gramnegative bakterier vil betalaktamaser hovedsakelig finnes i det periplasmatiske rom. På denne måten beskytter betalaktamasen enkeltceller fremfor hele populasjonen. Hvis det oppstår mutasjoner som medfører økt produksjon eller en ny og forbedret variant av betalaktamasen, vil derfor den individuelle bakteriecellen få en fordel som den kan selekteres for. Betalaktamaser har også en rolle i celleveggsmetabolismen, og en negativ seleksjon av ulike betalaktamaser i grampositive bakterier kan ikke utelukkes (11 ).
Ekstendert spektrum-betalaktamaser
Ekstendert spektrum-betalaktamaser er enzymer som har utvidet evne til å hydrolysere betalaktamer fra penicilliner og første- og annengenerasjons kefalosporiner til også å omfatte ekstendert spektrum-kefalosporiner. Disse enzymene hemmes per definisjon av tradisjonelle betalaktamaseinhibitorer (klavulansyre, tazobactam og sulbactam). Egenskapene inngår i den operasjonelle definisjonen og diagnostikken av Enterobacteriaceae, spesielt K pneumoniae og E coli (fig 3a). Enterobacteriaceae utgjorde 43 % av registrerte bakteriemiisolater i Norge i 2006 (1 ).
Figur 3 a) Påvisning av ekstendert spektrum-betalaktamaseproduserende Escherichia coli der veksthemningssonen for ceftazidim økes signifikant (≥ 5mm) ved tilsetning av klavulansyre. b) Påvisning av forhøyet AmpC-produksjon hos E coli der veksthemningssonen for cefoksitin økes signifikant (≥ 5mm) ved tilsetning av borsyre. c) Påvisning av metallobetalaktamaseproduserende P aeruginosa der resistens for impenem reverseres av tilsetning av etylendiamintetraeddiksyre (EDTA). d) Multiresistent A baumanniii der bakterien vokser nærmest uavhengig av hvilket antibiotikum man tilsetter
Ekstendert spektrum-betalaktamaser ble første gang beskrevet i 1980-årene (10 ). De første av disse enzymene var mutanter av allerede eksisterende bredspektrede betalaktamaser (TEM-1, TEM-2 og SHV-1). De ble derfor opprinnelig kalt ekstendert bredspektrum-betalaktamaser. Mutasjonene i TEM og betalaktamasen SHV medførte endringer i enzymstrukturen, slik at de effektivt kunne inaktivere nye ekstendert spektrum-kefalosporiner samtidig som de beholdt evnen til å hydrolysere de gamle. De fikk derfor en seleksjonsfordel ved bruk av nye kefalosporiner som ble svært populære i 1980-årene. Stadig nye varianter av disse betalaktamasene er blitt beskrevet, og de var inntil for få år siden de dominerende ekstendert spektrum-betalaktamaser-typene over hele verden. Det er i dag beskrevet over 100 SHV- og 150 TEM-varianter (12 ).
De siste årene har det skjedd en interessant endring i epidemiologien til ekstendert spektrum-betalaktamaser (3 , 14 ). Den såkalte CTX-M (cefotaksimase-München) er nå den dominerende typen globalt, inkludert i Skandinavia (15 – 17 ). Det er økende forekomst av CTX-M-produserende E coli både innenfor og utenfor sykehus (18 , 19 ). Slike stammer er ofte multiresistente, og man står igjen med få effektive behandlingsalternativer. Infeksjonspanoramaet domineres av urinveisinfeksjoner, men også en økende andel systemiske E coli-isolater rapporteres som ekstendert spektrum-betalaktamase-produserende. Det er rapportert vellykket behandling med mecillinam av enkelttilfeller av urinsveisinfeksjoner forårsaket av ekstendert spektrum-betalaktamase-produserende E coli (20 ). Ekstendert spektrum-betalaktamaseenzymer kan imidlertid ha svært ulike substratprofiler, og det er derfor nødvendig med større studier for å trekke noen generelle konklusjoner om effekten av mecillinam ved urinveisinfeksjoner forårsaket av ESBL-produserende Enterobacteriaceae.
Vi gjennomførte en nasjonal studie av denne typen Enterobacteriaceae i 2003 – 05 i samarbeid med norske mikrobiologiske laboratorier (15 ). Resultatene viste at Norge tok del i den globale spredningen av multiresistente CTX-M-produserende E coli. I 2004 ble det registrert et klonalt utbrudd av slike bakterier ved et norsk sykehus (21 ). Klinisk vurdering av de åtte berørte pasientene viste at infeksjonen hadde bidratt til for tidlig død hos tre pasienter, sannsynligvis på grunn av forsinket effektiv antibiotikaterapi. En større epidemi av CTX-M-produserende K pneumoniae har pågått ved Akademiska sjukhuset i Uppsala siden 2005 (22 ). Dette illustrerer behovet for aktsomhet for epidemiske problemer også i vår del av verden.
Bakteriemier med ekstendert spektrum-betalaktamaseproduserende Enterobacteriaceae er assosiert med økt sykelighet og dødelighet, forlenget sykehusopphold og økte kostnader (23 ). Internasjonale molekylære studier av CTX-M-produserende E coli viser genetisk nært beslektede bakterievarianter (kloner) som har stor evne til spredning og kolonisering innenfor og utenfor sykehus (24 ). Videre vet vi at pasienter med infeksjoner forårsaket av denne bakterietypen og deres husstandsmedlemmer ofte er kolonisert med de samme bakteriestammene i sin tarmflora (25 , 26 ). Påvisning av ekstendert spektrum-betalaktamaseproduserende Enterobacteriaceae vil derfor medføre klassiske smitteverntiltak under institusjonsopphold (26 ). Det er også nødvendig å begrense bruken av selekterende og ineffektiv antimikrobiell terapi. Siden tarmkolonisering er en anerkjent risikofaktor for urinveisinfeksjoner og bakteriemier forårsaket av CTX-M-produserende E coli vil konsentrasjonen av antibiotika i tarm sannsynligvis være særlig viktig. Bruk av parenterale aminoglykosider gir sjelden tarmkonsentrasjoner av selektiv betydning, og det kan derfor være fordelaktig å bruke slik behandling sett i lys av lokale resistensforhold (26 ). Vi har mangelfulle kunnskaper om varigheten og omfanget av bærerskap av ekstendert spektrum-betalaktamase, smittefaren det representerer og eventuell oppfølging av den enkelte bærer. Man bør derfor være tilbakeholden med å innføre individrettede restriksjoner på grunn av bærerskap av nye, om enn klinisk viktige, antibiotikaresistente bakterier.
AmpC-betalaktamaser
De fleste Enterobacteriaceae utenom Klebsiella og Salmonella har iboende kromosomale AmpC-betalaktamaser. Uttrykket av disse genene er nøye regulert, men hyperproduserende mutanter kan selekteres frem under behandling med nyere ekstendert spektrum-kefalosporiner (4 ). Man anbefaler derfor ikke bruk av tredjegenerasjons kefalosporiner som monoterapi ved systemiske infeksjoner forårsaket av Enterobacter spp., Serratia spp., Citrobacter freundii eller Morganella morganii. AmpC-hyperproduserende mutanter uttrykker resistens mot alle betalaktamer med unntak av karbapenemer og fjerdegenerasjons kefalosporiner (cefepim, cefpirom). I motsetning til ekstendert spektrum-betalaktamaser medierer AmpC også resistens mot cefamyciner (cefoksitin), og AmpC-enzymer hemmes ikke av klavulansyre eller andre tradisjonelle betalaktamaseinhibitorer. I diagnostisk sammenheng benytter man seg av at AmpC hemmes av borsyre og kloksacillin (27 , 28 ) (fig 3b).
Mange ulike kromosomale ampC -gener er blitt mobilisert og overført til plasmider (29 ). Plasmidmedierte ampC er unndratt normal regulering av genuttrykk, og man finner derfor hyperproduksjon av AmpC-enzymene. Fenotypisk vil plasmidmediert AmpC vanligvis ikke kunne skilles fra hyperproduksjon av kromosomal AmpC (27 , 28 ). Dette er særlig et diagnostisk problem hos E coli. Plasmidmedierte ampC vil imidlertid ofte være koblet til andre resistensgener på samme plasmid, og bakteriestammen kan derfor forventes å være resistente mot andre klinisk viktige antibiotika. Undersøkelse av et nasjonalt E coli-materiale innsamlet ved Kompetansesenteret for påvisning av antibiotikaresistens (K-Res) 2003 – 07 viste at multiresistens kombinert med høye MIC-verdier mot ekstendert spektrum-kefalosporiner var assosiert med plasmidmediert AmpC fremfor hyperproduksjon av den kromosomale AmpC (30 ).
Det har sykehushygienisk betydning å skille mellom kromosomal og plasmidmediert AmpC-hyperproduksjon hos E coli. Det har vært beskrevet flere utbrudd forårsaket av Enterobacteriaceae med plasmidmediert AmpC (31 ). Det må derfor antas at slike stammer har et epidemisk spredningspotensial på linje med ekstendert spektrum-betalaktamaseproduserende Enterobacteriaceae og bør utløse tilsvarende smitteverntiltak.
Karbapenemaser
Overførbare karbapenemaser har de siste årene fått stor oppmerksomhet internasjonalt. Dette skyldes epidemiske trekk ved utviklingen og terapeutiske konsekvenser. Mange karbapenemaser inaktiverer alle betalaktamgrupper. Karbapenemasegenene finnes ofte på mobile genetiske elementer sammen med resistensgener mot andre klinisk viktige antibiotika (2 , 5 ). Ved påvisning av klinisk relevante karbapenemaseproduserende bakterier må man derfor sette i verk klassiske smitteverntiltak som beskrevet for andre særlig bredspektrede betalaktamaser (26 ). Vi omtaler her de tre vanligst forekommende gruppene av overførbare karbapenemaser: metallobetalaktamaser (MBL), oxacillinaser (OXA), og Klebsiella pneumoniae-karbapenemase (KPC)
Metallobetalaktamaseenzymer nøytraliserer alle betalaktamer unntatt monobaktamer (aztreonam). Den første overførbare metallobetalaktamasen (imipenemasen, IMP-1) ble beskrevet i 1991 hos et klinisk P aeruginosa-isolat (32 ). Siden er det påvist flere typer: VIM, GIM, SPM og SIM (2 , 5 ). Enzymene benevnes metallobetalaktamaser fordi de er avhengige av sinkioner. Dette utnyttes diagnostisk ved at metallobetalaktamaseaktivitet kan hemmes med tilsetning av kjemiske stoffer som binder sink (fig 3c). De hemmes ikke av tradisjonelle betalaktamaseinhibitorer. Overførbare metallobetalaktamaser har størst utbredelse i P aeruginosa, som er iboende resistent mot en rekke andre antimikrobielle midler. Genene som koder for metallobetalaktamaser er vanligvis lokalisert på integroner sammen med andre resistensgener, og ervervelse av metallobetalaktamaser gjør derfor P aeruginosa resistent mot nesten alle aktuelle antimikrobielle midler. I mange tilfeller er de kun følsomme in vitro for colistin alene eller i eksperimentelle kombinasjoner med andre antibiotika (6 ). Slike stammer ble påvist blant de første norske kliniske metallobetalaktamaseproduserende P aeruginosa-isolatene (7 – 9 ).
De senere år har mobile metallobetalaktamaser i økende grad blitt funnet i vanlig forekommende gramnegative stavbakterier som E coli og K pneumoniae (2 , 33 ). De første norske tilfellene av metallobetalaktamaseproduserende K pneumoniae ble påvist i 2007 (9 ). Erfaringer fra sykehus i Hellas med endemisk forekomst av karbapenemresistente K penumoniae tilsier et epidemisk spredningspotensial. Fenotypisk påvisning av produksjon i Enterobacteriaceae kan være utfordrende fordi de ofte uttrykker lavgradig karbapenemresistens i laboratoriet. Nedsatt følsomhet for karbapenemer hos Enterobacteriaceae er svært sjelden og derfor en indikasjon for videre undersøkelse ved referanselaboratorium.
Oxacillinaser er en stor og heterogen gruppe betalaktamaser der noen medierer karbapenemaseaktivitet som inaktiverer alle klinisk viktige betalaktamer (4 , 5 ). Som klinisk problem er disse oftest assosiert med kliniske isolater av A baumannii (34 ). A baumannii har en rekke iboende resistensmekanismer, inkludert kromosomale gener (OXA-51/69 ) som koder for oxacillinaser med karbapenemaseaktivitet. OXA-51/69- genene er normalt lavgradig uttrykt, men genetiske endringer kan føre til hyperproduksjon. I tillegg er A baumannii notorisk kjent for lett å erverve resistens gjennom genetiske endringer (fig 3d). Påvisningen av et mobilt genetisk element med 45 ulike resistensgener i en fransk epidemisk A baumannii-klon illustrerer dette fenomenet (35 ). Molekylære epidemiologiske studier av karbapenemresistente A baumannii i Europa har vist epidemiske kloner med ervervede oxacillinasekarbapenemaser og økt potensial for spredning og kolonisering (36 ). Det var kanskje en slik stamme som forårsaket infeksjonsutbruddet blant fire pasienter ved Brannskadeavdelingen på Haukeland Universitetssykehus i slutten av 1990-årene (37 ). Foreløpig er det ingen gode fenotypiske metoder for påvisning av oxacillinasekarbapenemaser. Kompetansesenteret for påvisning av antibiotikaresistens (K-Res) har et pågående forskningsprosjekt for karakterisering av multiresistente A baumannii og tar imot slike stammer for nærmere undersøkelse.
K pneumoniae-karbapenemaser (KPC) ble første gang beskrevet i 2001 i et klinisk K pneumoniae-isolat fra USA (38 ). De er plasmidmedierte og er senere også blitt påvist i andre Enterobacteriaceae og i P aeruginosa (5 ). KPC-produserende K pneumoniae ble initialt observert i USA, men har de senere år også forårsaket større utbrudd på sykehus i Israel og Hellas (5 , 32 , 39 ). Karbapenemresistens ble rapportert hos 32 % av K pneumoniae-blodkulturisolater fra Hellas i 2006 og synes assosiert med høy forekomst av både VIM-MBL og KPC (32 , 39 ). I Norge er det nylig bekreftet tre tilfeller av KPC-produserende K pneumoniae. Minst ett av isolatene ble sannsynligvis ervervet i forbindelse med sykehusopphold i Hellas (Kompetansesenteret for påvisning av antibiotikaresistens, upubliserte data). Slike stammer er ikke uventet multiresistente. Resistensbestemmelse av de norske isolatene viste kun følsomhet for henholdsvis ett og to antimikrobielle midler. Mistanke om K pneumoniae-karbapenemaseproduserende Enterobacteriaceae forsterkes ved nedsatt følsomhet for karbapenemer kombinert med multiresistens. Endelig verifisering utføres ved referanselaboratorium. For oppdatert informasjon om mikrobiologisk diagnostikk av særlig bredspektrede betalaktamaser henvises til hjemmesiden til Arbeidsgruppen for antibiotikaspørsmål og Kompetansesenteret for påvisning av antibiotikaresistens som i samarbeid har et nasjonalt fagansvar på dette området (40 ).
Avslutning
Antibiotikaresistens forstås som en konkurranse mellom bakterienes plastisitet og utviklingen av nye antimikrobielle midler. En særlig utfordring de nærmeste årene synes å være knyttet til gramnegative stavbakterier der vi dag ikke kan forvente nye effektive antimikrobielle midler mot multiresistente stammer. Den globale økningen i forekomst av bakterier med overførbare resistensenzymer med genetisk koblet multiresistens er derfor bekymringsfull. Utviklingen ser videre ut til å være assosiert med spesifikke kloner av E coli, K pneumoniae, A baumannii og P aeruginosa, med økt potensial for spredning og kolonisering. Det er viktig at norske helsearbeidere er oppmerksomme på denne utviklingen. Til nå har slike bakteriestammer hovedsaklig vært et importfenomen i Norge, men historien har vist at dette kan endre seg. Riktig antibiotikabruk, rask mikrobiologisk diagnostikk og målrettede smitteverntiltak vil være avgjørende for å begrense resistensproblemene på norske helseinstitusjoner.
