CHƯƠNG 1. VI KHUẨN GRAM ÂM VÀ TÍNH KHÁNG KHÁNG SINH 1. Vi khuẩn Gram âm Vi khuẩn Gram âm là một nhóm vi khuẩn có lớp màng kép: trong cùng là màng sinh chất, tiếp theo là một lớp peptidoglycan mỏng nằm trong khoang chu chất và sau đó tới màng ngoài. Lớp màng ngoài là phức hợp lipidpolysaccharide nội độc tố gồm lipoprotein và lipopolysaccharide.
Màng ngoài có cấu trúc gần giống màng tế bào chất nhưng phospholipid hầu như chỉ gặp ở lớp trong, còn ở lớp ngoài là lipopolysaccharide dày khoảng 8-10 nm gồm 3 thành phần: Lipid A, Polysaccharide lõi và kháng nguyên O [2]. Màng ngoài còn có thêm các protein: Protein cơ chất: porin ở vi khuẩn còn gọi là protein lỗ xuyên màng với chức năng cho phép một số loại phân tử đi qua chúng như dipeptide, disaccharide, các ion vô cơ…; - Protein màng ngoài: chức năng vận chuyển một số phân tử riêng biệt và đưa qua màng ngoài như: nucleotide, vitamin B12…; - Lipoprotein: đóng vai trò liên kết lớp peptidoglycan bên trong với lớp màng ngoài. Ở mặt ngoài của một số vi khuẩn Gram âm có những sợi nhỏ và ngắn gọi là pili, được chia thành 2 loại là pili chung và pili giới tính. Pili chung giúp vi khuẩn bám lên các bề mặt qua đó quyết định tính chất ngưng kết hồng cầu của vi khuẩn.
Pili giới tính lại đóng vai trò quan trọng là cầu nối truyền ADN từ tế bào vi khuẩn cho sang tế bào vi khuẩn nhận trong quá trình tiếp hợp [2]. Cũng như nhiều loại sinh vật, trong hệ gen của vi khuẩn có nhiều gen chịu trách nhiệm tổng hợp nhiều loại sản phẩm khác nhau cho quá trình sống, sinh trưởng và phát triển của chúng. Điều đặc biệt là có nhiều gen cực kỳ quan trọng của vi khuẩn lại không nằm trong hệ gen của chúng mà định vị trên những ADN vòng tách biệt, nằm rải rác trong nguyên sinh chất của vi khuẩn gọi là các plasmid. Plasmid là một phân tử ADN, có cấu trúc khép lại thành vòng tròn độc lập, có khả năng tồn tại và nhân lên một cách độc lập với hệ gen của tế bào chủ và tương tác, 14 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com hoạt động vững bền với tế bào chủ.
Giữa chúng và hệ gen của tế bào vật chủ có sự tương tác cộng sinh và chi phối lẫn nhau. Do vậy plasmid của loại vi khuẩn nào thường chỉ thích nghi với loại vi khuẩn đó. Tương tự, vi khuẩn chỉ tiếp nhận những plasmid mà chúng là tế bào vật chủ của các loại plasmid đó [2]. Plasmid thường chứa các gen mã hoá khả năng sinh tổng hợp kháng sinh, đồng thời cũng mang các gen sinh tổng hợp sản phẩm kháng lại kháng sinh.
Ở một số vi sinh vật gây bệnh cho người và động vật, chúng còn là chủ nhân của một số gen sinh tổng hợp các loại độc tố và các protein có hoạt tính cao có chức năng tăng cường độc lực cho vi khuẩn. Do plasmid là một công cụ giúp vận chuyển ADN từ cá thể này sang cá thể khác thông qua hiện tượng truyền gen ngang nên chúng đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong lĩnh vực y, sinh, nông, dược và môi trường. Tuy nhiên vi khuẩn Gram âm cũng là căn nguyên phổ biến của các bệnh nhiễm trùng phổ biến trong cộng đồng và trong môi trường bệnh viện, gây ra những tổn thất to lớn cả về sức khỏe, kinh tế và xã hội. Tính kháng kháng sinh của vi khuẩn Gram âm Cho đến nay biện pháp điều trị chủ yếu cho các bệnh nhiễm trùng do vi khuẩn gây ra là sử dụng kháng sinh.
Kháng sinh là những chất kháng khuẩn do các chủng vi sinh vật (vi khuẩn, nấm…) sản sinh ra hoặc được tổng hợp nhân tạo, có tác dụng ức chế sự phát triển hoặc tiêu diệt vi khuẩn ngay ở nồng độ thấp. Có thể phân loại kháng sinh theo cấu trúc phân tử hoặc hóa học (ví dụ: betalactam, macrolides, tetracycline, quinolones, aminoglycosides, sulphonamides…), theo cơ chế tác dụng (ví dụ: ức chế tổng hợp thành tế bào, ức chế tổng hợp protein…) hoặc theo phổ tác dụng (ví dụ: kháng sinh phổ hẹp, phổ rộng) [6]. Những chủng vi khuẩn kháng thuốc đầu tiên được phát hiện trong các bệnh viện là nơi sử dụng rất nhiều kháng sinh. Chủng vi khuẩn Streptoccoccus pyogenes kháng sulfonamide được phát hiện trong một bệnh viện quân đội vào những năm 1930.
Theo sau là chủng Staphylococcus aureus kháng penicillin hoành hành ở các bệnh viện London vào những năm 1940, không lâu sau khi đưa penicillin vào sử dụng trong điều trị. Các chủng đa kháng (kháng lại nhiều loại kháng sinh) được phát hiện đầu 15 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com tiên ở vi khuẩn đường ruột như Escherichia coli (E. coli), Shigella và Salmonella vào cuối những năm 1950 đến đầu những năm 1960 [109]. Từ đó, tình trạng kháng kháng sinh nhanh chóng lan rộng ra khắp các quốc gia trên thế giới, cho thấy một mối đe dọa nghiêm trọng với sức khỏe cộng đồng (với nhiều ca tử vong do điều trị thất bại các vi khuẩn kháng thuốc) và những phí tổn về mặt kinh tế và xã hội [47, 110].
Ở Mỹ, ước tính thiệt hại do các vi sinh vật kháng thuốc gây ra dao động trong khoảng $150 triệu tỉ đến $30 tỉ đô la mỗi năm nhưng con số thực tế còn gấp nhiều lần nếu tính cả mức độ ảnh hưởng tới cộng đồng [110]. Tính đề kháng của vi khuẩn có thể bắt nguồn từ hai yếu tố: yếu tố di truyền quy định tính đề kháng của vi sinh vật và hoạt tính của kháng sinh đã ức chế các vi khuẩn nhạy và chọn lọc những vi khuẩn kháng. Tính đề kháng sẽ phát triển khi có mặt đồng thời 2 yếu tố này trong môi trường hoặc vật chủ. Các gen quy định đặc tính kháng và tế bào vi khuẩn sẽ cùng nhân lên và lan rộng dưới áp lực chọn lọc của kháng sinh có trong môi trường [110].
Mặc dù có hơn 15 nhóm kháng sinh tác động vào tế bào vi khuẩn theo nhiều cơ chế khác nhau (Hình 1.1) nhưng tất cả đều không tránh khỏi các cơ chế kháng của vi khuẩn. 16 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.1: Đích tác động của các nhóm kháng sinh phổ biến ở tế bào vi khuẩn [121]. Cơ chế kháng kháng sinh của vi khuẩn Gram âm Nhìn chung, cơ chế kháng kháng sinh của vi khuẩn Gram âm khá đa dạng (Hình 1.2) và thường được phân chia thành 3 nhóm cơ chế chính: làm giảm sự hấp thụ kháng sinh vào bên trong tế bào vi khuẩn; thay đổi đích tác động của kháng sinh và sản sinh ra các enzyme để ức chế hoặc biến đổi kháng sinh [36].2: Các cơ chế kháng kháng sinh phổ biến của các vi khuẩn Gram âm [154]. Làm giảm sự hấp thụ kháng sinh Vi khuẩn Gram âm có thể làm giảm sự hấp thụ kháng sinh bằng cách hạn chế kháng sinh chui vào bên trong tế bào, tăng cường việc bơm đẩy kháng sinh ra ngoài tế bào hoặc kết hợp cả 2 phương thức này.
So với vi khuẩn Gram dương, lớp màng ngoài của vi khuẩn Gram âm tạo nên một lớp hàng rào bảo vệ cho tế bào vi khuẩn. Vì vậy đa số các nhóm kháng sinh kỵ nước như aminoglycosides, rifamycins và macrolides sẽ khuếch tán qua màng lipid kép của tế bào vi khuẩn còn nhóm β-lactams sẽ đi vào bên trong qua protein lỗ màng 17 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail. Bằng việc thay đổi cấu trúc của lỗ màng hoặc loại bỏ lỗ màng, vi khuẩn Gram âm sẽ hạn chế được kháng sinh đi vào bên trong tế bào. Ví dụ việc mất lỗ màng ở A.
baumannii được cho là căn nguyên của tính đề kháng với imipenem and meropenem [82]. Kết quả một nghiên cứu khác cũng chỉ ra tính kháng carbapenem của Enterobacteriaceae tăng đáng kể do xuất hiện đột biến làm giảm quá trình tổng hợp lỗ màng hoặc thay đổi sang loại lỗ màng khác [220]. Cơ chế chủ động bơm đẩy kháng sinh ra ngoài tế bào giúp vi khuẩn Gram âm đề kháng với hầu hết các loại kháng sinh (trừ polymyxin). Một số loại bơm đẩy đặc hiệu với một nhóm kháng sinh (ví dụ bơm Tet đặc hiệu với tetracycline), nhưng đa số các loại bơm đẩy có tác dụng với nhiều nhóm kháng sinh (bơm đẩy đa kháng) khác nhau như bơm AcrB-TolC ở E.
coli có thể đẩy fluoroquinolones, β-lactams, tetracycline, chloramphenicol, acriflavine, trimethoprim ra ngoài tế bào vi khuẩn [82]. Mặc dù ban đầu các gen mã hóa bơm đẩy đa kháng đều nằm trên nhiễm sắc thể của vi khuẩn nhưng gần đây đã có bằng chứng khoa học cho thấy các gen này di chuyển sang plasmid, qua đó có thể lan truyền sang các cá thể cùng loài hay thậm chí khác loài [64]. Thay đổi đích tác động Thành tế bào đóng một vai trò quan trọng trong sự tồn tại và sinh trưởng của vi khuẩn, vì thế các enzyme tham gia vào quá trình tổng hợp thành tế bào trở thành đích tác động của nhiều loại kháng sinh. Thay đổi phổ biến nhất trong kiểu kháng này là đột biến ở protein gắn penicillin (Penicillin-Binding Proteins - PBP), làm giảm ái lực với kháng sinh β-lactam.
Hoặc để hạn chế nhóm kháng sinh polymyxin gắn vào màng, vi khuẩn, đặc biệt là họ Acinetobacter spp., có thể thay đổi cấu trúc lipid A của màng ngoài tế bào vi khuẩn [154]. Đối với quá trình tổng hợp protein, các đột biến ở rARN 23S của tiểu phần ribosome 50S đã làm giảm ái lực gắn với các kháng sinh nhóm macrolides, lincosamides và streptogramin B [82]. Nếu đột biến ở gen mã hóa rARN 16S giúp vi khuẩn kháng lại aminoglycosides thì các đột biến ở gen gyrA và parC (mã hóa ADN 18 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com gyrase và topoisomerase IV) lại khiến kháng sinh nhóm quinolones/ fluoroquinolones không thể gắn vào vị trí này [70]. Trong một số trường hợp, vi khuẩn sẽ kháng lại tác động của kháng sinh bằng cách thay đổi con đường trao đổi chất vốn bị kháng sinh tác động sang phương thức mới.
Ví dụ vi khuẩn có thể sinh tổng hợp loại PBP mới thay cho PBP đã bị kháng sinh tác động hoặc sản suất ra các enzyme dihydropteroate synthetase và dihydropteroate reductase khác thay thế các enzyme cũ giúp làm giảm độ nhạy và ái lực với trimethoprim và sulphonamides [82]. Sinh tổng hợp enzyme ức chế hoặc biến đổi kháng sinh Vi khuẩn có thể sinh tổng hợp các enzyme nhằm biến đổi kháng sinh thông qua 3 hình thức: ly giải, chuyển nhóm và oxi-hóa khử. Các enzyme ly giải kháng sinh Nhiều loại kháng sinh thông dụng có các liên kết hóa học ở dạng ester hay amide, dễ dàng bị ly giải dưới tác dụng của các enzyme làm đứt gẫy các liên kết này.