The role played efflux systems on the resistance to antibiotics

A resistência a várias classes de antibióticos, i.e., multi-resistência (MDR), constitui um dos maiores problemas a nível terapêutico, no tratamento de diversas infecções. A importância que este mecanismo de resistência adquiriu no contexto hospitalar, reflectese no elevado número de casos relativos a multi-resistência em isolados clínicos. Os mecanismos de resistência mais comuns em bactérias são: i) a inactivação do antibiótico pelas enzimas bacterianas; ii) mutações em genes estruturais ou reguladores da proteína alvo; iii) alterações na membrana externa, que podem provocar um decréscimo da permeabilidade aos diversos compostos, sendo este caso mais relevante em bactérias Gram-negativas, dada a sua estrutura membranar; e iv) extrusão do antibiótico da célula por activação de sistemas de efluxo. Estes últimos sistemas encontram-se normalmente associados a uma sobre-expressão de transportadores proteicos, designados bombas de efluxo, que reconhecem e expelem eficientemente uma vasta gama de compostos estruturalmente distintos. Estes transportadores, que se encontram envolvidos na extrusão de substratos tóxicos, encontram-se quer em baterias Gram positivas, quer em bactérias Gram negativas, bem como em células eucariotas. Estes sistemas podem ser específicos para um substrato ou podem transportar uma série de compostos estruturalmente distintos, incluindo antibióticos de classes diferentes. Os sistemas de efluxo descritos até à presente data podem ser classificados em cinco famílias distintas, nomeadamente: (1) “Major Facilitator Superfamily” (MFS); (2) “Small Multi-drug Resistance (SMR) family”; (3) “Multidrug And Toxic compound Extrusion (MATE) family” (21); (4) “Resistance-Nodulation-Division (RND) superfamily”; and (5) “Adenosine Triphosphate (ATP)-Binding Cassette (ABC) superfamily”. Estes sistemas utilizam a força motriz de protões, como fonte de energia, com a excepção da família ABC, que utiliza a hidrólise do ATP para fazer a extrusão dos substratos. Um dos mais recentes desafios nesta área tem sido o desenvolvimento de novos compostos que inibam estes sistemas de efluxo e consequentemente possam potenciar a actividade de antibióticos que sejam coadministrados na terapêutica, podendo desta forma dar uma nova utilidade clínica aos antibióticos já existentes. Infelizmente e apesar de vários inibidores de bombas de efluxo (aqui designados como EPIs – “efflux pump inhibitors”) terem sido sintetizados, até àpresente data, nenhum destes inibidores resultou num composto com utilidade clínica, que pudesse ser aplicado no tratamento de infecções provocadas por bactérias multiresistentes. No entanto, a procura continua e de entre os vários tipos de EPIs caracterizados, podemos encontrar uma grande e variada gama de compostos, como: análogos peptídicos; as fenotiazinas; um grupo de produtos naturais produzidos por Streptomyces spp, (“benastatins”); compostos derivados ou homólogos da tetraciclina; compostos isolados de extractos de plantas; a quinolina e alguns dos seus derivados; arilpiperidinas and arilpiperazinas; EPIs produzidos por microrganismos e um grupo distinto de compostos, os desacopladores de energia. Se estes EPIs puderem ser utilizados como “helper compounds”, em combinação com os antibióticos aos quais o microrganismo é resistente, então o tratamento destas infecções poderá ser bem sucedido. Esta nova abordagem pode permitir a re-utilização de vários antibióticos que são substratos de bombas de efluxo, bem como permitir o controlo do aparecimento e disseminação de estirpes que apresentam uma multi-resistência mediada por sistemas de efluxo. No entanto, ainda pouco se sabe acerca dos mecanismos e função destes sistemas. Desta forma, torna-se necessário desenvolver novos métodos que permitam caracterizar esta resistência, mediada pelos sistemas de efluxo. Nos últimos anos, uma série de métodos têm sido desenvolvidos com este intuito e podem contribuir para a rápida identificação de estirpes multi-resistentes. De entre a metodologia usualmente utilizada, o método que tem recebido particular destaque, tem sido o que se baseia no efluxo do brometo de etídeo. O brometo de etídeo é um conhecido substrato de bombas de efluxo e dadas as suas propriedades fluorescentes, permite a monitorização em tempo real dos sistemas de efluxo que se encontram activados numa dada estirpe bacteriana. A criação e o desenvolvimento deste e de outros métodos, torna-se portanto uma importante ferramenta para estudar e caracterizar grandes colecções de isolados clínicos que apresentam um fenótipo multi-resistente. A combinação das novas abordagens descritas anteriormente, i.e., a caracterização de isolados que apresentam um fenótipo multiresistente mediado por sistemas de efluxo, aliada à busca de novos e efectivos EPIs, pode contribuir para o controlo e tratamento eficaz de infecções multi-resistentes. O futuro o dirá…Multidrug resistance (MDR) to antibiotics presents a serious therapeutic problem in the treatment of infections. The importance of this mechanism of resistance in clinical settings is reflected in the increasing number of reports of MDR isolates. The most common mechanisms of resistance to antibiotics in bacteria are: i) the inactivation of the antibiotic by bacterial enzymes; ii) mutations in the structural or regulatory genes of the target protein; iii) alterations in the outer membrane that will contribute to decreased drug permeability, being this more preponderant on Gram-negative bacteria, due to their outer membrane structure; and iv) extrusion of the antibiotic from the cell by the activation of the efflux systems. These last systems are often associated with the over-expression of transporters (efflux pumps) that recognize and efficiently expel from the cells a wide gamut of structurally unrelated compounds. These transporter proteins involved in the extrusion of toxic substrates are found in both Gram-positive and -negative bacteria as well as in eukaryotic organisms. They can be specific for one substrate or may transport a range of structurally distinct compounds, including antibiotics of multiple classes. There are five major families of efflux transporters, described until the present date, namely, the: (1) Major Facilitator Superfamily (MFS); (2) Small Multidrug Resistance (SMR) family; (3) Multidrug And Toxic compound Extrusion (MATE) family; (4) Resistance Nodulation Division (RND) superfamily; and (5) Adenosine Triphosphate (ATP)- Binding Cassette (ABC) superfamily. All these systems utilize the proton motive force as an energy source, apart from the ABC family, which utilizes ATP hydrolysis to drive the export of substrates. One of the recent challenges in this area is to develop new compounds that inhibit these efflux systems and subsequently potentiate the activity of co-administered antibiotics thus extending the clinical utility of existing antibiotics. Unfortunately and although several efflux pump inhibitors (EPIs) have been characterized, none of them has yet resulted in a clinical useful compound that could be applied in the clinical setting to treat MDR infections. However, the search continues and among the distinct types of EPIs we can find a large and distinct number of compounds, such as: peptidomimetics; phenothiazines; a class of natural products produced by Streptomyces spp., the benastatins; tetracycline derivatives/homologues; compoundsisolated from plant extracts; quinoline and its derivatives; arylpiperidines and arylpiperazines; microbial-derived EPIs and a distinct group of compounds, the energy uncouplers. If these EPIs be used as “helper compounds” in combination with antibiotics to which the organism is initially resistant, then the required cure may be achieved. This new approach will bring back to action the re-use of various antibiotics that are affected by the efflux systems as well as the control of the emergence and the dissemination of MDR-associated efflux strains. However, we know very little about the mechanisms and function of these efflux systems. New methods to assess this efflux-mediated resistance are therefore needed. In the last few years, a series of methods have been developed and may contribute to the rapid screening of MDR strains. Among the commonly used methods, one has received particular relevance, and it is based on the efflux of ethidium bromide. Ethidium bromide is a common substrate of efflux pumps and due to its fluorescent properties, it allows the monitoring in a real time basis of the efflux systems that are activated on a bacterial strain. The design and improvement of this and other methods is therefore one important tool to screen large collections of clinical isolates showing an MDR phenotype. The combined approaches, i.e., screening of MDR-efflux mediated isolates and the search for new and effective EPIs can bring to date the control and treatment of MDR infectious. The future will show us the results