Azzal a céllal, hogy kiderítsük hogy az egyedi antibiotikum tulajdonságok hasonlósága mennyiben járul hozzá a keresztrezisztencia kapcsolatokhoz, összeállítottunk egy adatsort
6. táblázat. A 9 egyedi mutáció fitnesz költsége, valamint keresztrezisztencia és járulékos érzékenység hálózata.
60 a 12 alkalmazott antibiotikum kémiai és funkcionális jellemzőiről, majd megvizsgáltuk a kémia struktúra és a hatásmechanizmus összefüggését a kialakult keresztrezisztencia kölcsönhatásokkal. Egyszerű választ adna a keresztrezisztencia kialakulásának okára az, ha a keresztrezisztencia főleg azon antibiotikumok között jelenne meg, melyek ugyanazt a sejtbéli alrendszert támadják. Ezzel szemben az adaptált vonalak több, mint fele nem tartalmazott a célgénben mutációt, így a keresztrezisztencia széleskörű elterjedéséért eleve nem felelhetnek kizárólag az azonos célgénben bekövetkezett mutációk. Ráadásul a keresztrezisztencia kölcsönhatások 88%-a olyan antibiotikumok között jelent meg, melyek eltérő sejtbéli célponttal rendelkeznek. Ezen előzetes ismereteinkkel összhangban, a kémiai struktúra hasonlósága (Tanimoto-hasonlóság, mely az egyes szerkezeti motívumok megléte vagy hiánya alapján készít kémiai ujjlenyomatot minden egyes antibiotikumról, majd ezeket az ujjlenyomatokat veti össze221) csak minimális összefüggést mutatott a keresztrezisztencia kölcsönhatások megjelenésével (21. ábra; Spearman r = 0,4, P < 10-3, N = 66). Ráadásul ez az elhanyagolható hatás teljesen megszűnik, ha kizárjuk az elemzésből az aminoglikozid-adaptált vonalakat (Spearman r = 0,21, P = 0,17, N = 45).
Nem meglepő, hogy az aminoglikozid-adaptált vonalak ilyen erősen befolyásolják az összefüggés mértékét, hiszen az aminoglikozidok kémiai hasonlósága a többi 10 antibiotikummal minimális, miközben kizárólag egymással mutatnak keresztrezisztencia kölcsönhatást.
Ezt követően megvizsgáltuk azt is, az antibiotikumok hatásmechanizmusbeli hasonlósága hogyan befolyásolja a keresztrezisztencia kölcsönhatások megjelenését. Az antibiotikumok hatásmechanizmusának profilját közvetett módon, a kólibaktérium rezisztómja222 alapján készítettük el. A kólibaktérium rezisztómját azok a gének alkotják, melyek befolyásolják a baktérium antibiotikum érzékenységét, így megfelelő pontossággal következtethetünk belőle az adott antibiotikum hatásmechanizmusára223. A kólibaktérium
21. ábra. A kémiai hasonlóság szinte egyáltalán nem mutat összefüggést a keresztrezisztencia gyakoriságával.
61 rezisztómjának megállapításához a már korábban ismertetett, Girgis és munkatársai által elkészített nagy áteresztőképességű kemogenomikai vizsgálat eredményeit180 használtuk fel. Az adatsor felhasználásával készítettük el az egyes antibiotikumok egyedi kemogenomikai profilját, mely profil az összes olyan kóli gént tartalmazza, melyek az adott antibiotikummal szemben befolyásolják az érzékenységet. Korábban pedig már elkészítettük az egyes antibiotikumok mutációs profilját az adaptált vonalakban mutációt hordozó gének listája alapján. Antibiotikum páronként a hordozott mutációk hasonlóságát összevetve a kemogenomikai profil hasonlóságával azt találtuk, hogy azon antibiotikum párok, melyek jelentős átfedést mutattak a kemogenomikai profiljukban egymáshoz nagyon hasonló mutációkat is szereztek a laboratóriumi adaptáció során (22.
ábra, bal oldali panel; Spearman r = 0,67, P < 10-5, N =36), és gyakran mutattak keresztrezisztencia kölcsönhatást is (22. ábra, jobb oldali panel; Spearman r = 0,78, P <
10-7, N = 36). Fontos kiemelni, hogy ezek az eredmények megmaradtak akkor is, ha azon antibiotikum párokat kizárjuk az elemzésből, melyek azonos sejtbéli célponttal rendelkeznek (Spearman r = 0,59, P < 10-3, N =33; valamint Spearman r = 0,73, P < 10-5, N=33). Hasonlóan változatlan az eredmény, amennyiben az aminoglikozid-adaptált vonalakt hagyjuk ki az elemzésből (Spearman r = 0,57, P < 0.005, N = 28; valamint r = 0,75, P < 10-5, N = 28). Megállapíthatjuk tehát, hogy bár a kémiai hasonlóság nem, a kemogenomikai profil hasonlóság jelentős mértékben befolyásolja, hogy az adott antibiotikum pár között kialakul-e keresztrezisztencia kölcsönhatás.
22. ábra. A hasonló kemogenomikai profillal rendelkező törzsek jelentős átfedést mutattak a laboratóriumi evolúció során szerzett mutációkban (bal oldali panel), valamint gyakran mutattak keresztrezisztencia kölcsönhatást (jobb oldali panel).
62 V.9. A multidrog rezisztens baktériumok Achilles-sarka, azaz a járulékos érzékenység
Az eddigi eredményeink tárgyalása során bebizonyítottuk, hogy akár egyetlen antibiotikumhoz adaptálódva is megjelenhet multidrog rezisztencia, hiszen az adaptáció számos keresztrezisztencia kölcsönhatáshoz vezet. Legalább ennyire fontos, vagy talán még izgalmasabb azonban az érme másik oldala. A keresztrezisztencia kialakulásával párhuzamosan ugyanis bizonyos más antibiotikumokkal szemben még érzékenyebbé, hiperérzékennyé válhat az adaptálódó baktérium. Ezt a jelenséget nevezzük járulékos érzékenységnek (collateral sensitivity). A járulékos érzékenység kölcsönhatás meglepően gyakorinak bizonyult vizsgálatunkban, ahol az összes lehetséges antibiotikum pár 35%-a mutatott hiperérzékenységet legalább az egyik irányban (15. ábra, jobb oldali panel).
A járulékos érzékenység kölcsönhatás megjelenése nagyban függ az egyes antibiotikumok hatásmechanizmusától. Egyetlen esetben sem figyeltünk meg járulékos érzékenységet olyan antibiotikum párok között, melyek azonos hatásmechanizmussal rendelkeznek. A járulékos érzékenység kialakulása és az antibiotikum párok hatásmechanizmusbeli eltérése közötti összefüggésnek részletesebb elemzéséhez a keresztrezisztencia hátterének vizsgálatakor (a Girgis és munkatársai kemogenomikai szűrésének eredményei180 alapján létrehozott) antibiotikumonkénti kemogenomikai profilt használtunk. Az egyes antibiotikumok kemogenomikai profilja azon gének készletét tartalmazza, melyek az adott antibiotikummal szemben befolyásolják a baktérium érzékenységét. A járulékos érzékenységi kölcsönhatások túlnyomó része olyan antibiotikum párok között jött létre, ahol a kemogenomikai profilban elhanyagolható volt az átfedés (N=120, Mann–Whitney U‐test P<10−5) (23. ábra). A járulékos érzékenység tehát olyan antibiotikum párok között hajlamos megjelenni, melyeknek hatásmechanizmusa jelentős eltérést mutat.
23. ábra. A járulékos érzékenységet mutató antibiotikum párok kemogenomikai profiljai között elhanyagolható az átfedés.
63 Az antibiotikum osztályok közül az aminoglikozidok szembeötlően sok járulékos érzékenységi kölcsönhatást mutatnak, az összes járulékos érzékenységi kölcsönhatás 44%-ának egyik tagja aminoglikozid. Az aminoglikozid-adaptált vonalak szinte az összes többi vizsgált antibiotikummal szemben hiperérzékenynek bizonyultak, köztük a sejtfal szintézis gátlókkal és számos protein szintézis gátló antibiotikummal szemben is (24. ábra). A megfigyelt járulékos érzékenység általában 2-10-szeres minimális gátló koncentráció (MIC) csökkenést jelentett. Egy korábbi, a járulékos érzékenység (collateral sensitivity) fogalmát elsőként használó tanulmányban21 hasonló mértékű MIC változásról számoltak be. Ez a változás arányos a különböző multidrog efflux pumpa mutánsok esetében leírt, 2-8-szoros MIC növekedéssel224.
V.10. Többszintű mechanizmus az aminoglikozid rezisztencia