Clasificarea Β Lactamazelor

β-lactamazele sunt enzime produse de multe bacterii Gram negative care pot hidroliza antibioticele β-lactamice. Enzima distruge antibioticul, având proprietatea de a lega proteinele penicilinei (PBPs) la membrana citoplasmatică bacteriană. Până astăzi, mai multe tipuri de β-lactamaze au fost descoperite, în funcție de activitatea hidrolitică. β-lactamazele cu spectru extins (ESBLs) reprezintă unul din cele mai importante grupuri de β-lactamaze. Acest grup de enzime poate hidroliza majoritatea antibioticelor cu nucleu β-lactamic incluzând penicilinele, oxiimino cefalosporinele (a treia generație de cefalosporine) și aztreonam. Detectarea acestor enzime este o mare problemă pentru prevenirea răspândirii bacteriilor rezistente la β-lactami și pentru tratarea acestora.

β-lactamaze cu spectru larg

Bacteriile au dobândit mecanisme de rezistență încă de la descoperirea primului antibiotic, penicilina. De atunci, rezistența s-a răspândit și la bacteriile Gram negative, care sunt capabile să transfere informația genetică între specii. Plasmida care codifică β-lactamaza, responsabilă de generarea rezistenței, a fost detectată prima dată în 1960. Plasmida a fost izolată de la un pacient de origine greacă numit Temoniera și de aici numele dat plasmidei a fost TEM-1. În prezent, enzima TEM-1 a fost semnalată la multe specii bacteriene incluzând Escherichia coli și alte specii din familia Enterobacteriaceae cum ar fi Klebsiella pneumoniae. De la descoperirea lui TEM-1, noi generații de antibiotice cu nucleu β-lactamic au fost descoperite pentru a extinde spectrul antibioticelor și să devină mai rezistente la enzimele β-lactamice. Totodată, β-lactamazele au suferit mutații, de la cele care hidrolizează un spectru restrâns, la cele care hidrolizează mai multe tipuri mai multe tipuri de antibiotice cu nucleu β-lactamic, incluzând a treia generație de cefalosporine, în special oxiimino cefalosporine. Conform acestei abilități, a acestor bacterii, de a hidroliza multe dintre antibioticele cu nucleu β-lactamic, incluzând cefalosporinele cu spectru extins, aceste enzime au fost denumite β-lactamaze cu spectru extins (ESBLs).

ESBLs sunt un grup de enzime capabile să hidrolizeze penicilinele, incluzând prima, a doua și a treia generație de cefalosporine. Principala caracteristică a acestor enzime este abilitatea de a hidroliza structura β-lactamică a tuturor claselor de antibiotice cu nucleu β-lactamic incluzând penicilinele, cefalosporinele cu spectru restrâns sau cele cu spectru larg cum ar fi oxiiminocefalosporine (cefotaxim,ceftazidim), a patra generație de cefalosporine (cefipim) și monobactami (aztreonam). Aceste enzime sunt sensibile la inhibitori de β-lactamaze (sublactam, acid clavulanic și tazobactam). În prezent, ESBLs sunt prezente numai în bacteriile Gram negative cum ar fi K. pneumonie, E. coli, Salmonella typhimurium, Pseudomonas aeruginosa și Enterobacteriaceae-le.

Ezistă două scheme pentru clasificarea β-lactamazelor: clasificarea după structura moleculară realizată de Ambler și clasificare funcțională a lui Bush-Jacoby-Medieros. În schema lui Amber, β-lactamaele sunt clasificate în 4 clase, de la A până la D, bazându-se pe asemănarea aminoacidului la situsul activ. La început, erau două clase, β-lactamaze care conțin serină la situsul activ (clasa A) și metalo-β-lactamaze (clasa B) care necesită unul sau 2 ioni de Zn2+, pentru a fi active, Datorită descoperirii a unor noi tipuri de β-lactamaze din clasa A, acestei clase i s-au mai adăugat clasa C și clasa D de β-lactamaze.

Clasificarea moleculară a β-lactamazelor a lui Ambler:

Clasa A:

Din această clasă fac parte ESBLs ,care sunt formate din 3 mari grupuri: TEM, SHV, CTX-M și OXA. Totuși, au fost descrise și alte grupuri de ESBLs cum ar fi VEB, PER, GES, TLA, IBC, SFO-1, BES-1 și BEL-1.

β-lactamazele TEM

TEM-1 este β-lactamaza cu prevalența cea mai ridicată din acest grup. A fost semnalat faptul că această enzimă este responsabilă de producere a peste 90% din tulpinile de E. coli rezistente la ampicilină, dar conferă rezistență și la peniciline și la prima generație de cefalosporine. TEM-2 derivă din TEM-1 și se deosebește de aceasta prin substituirea unui aminoacid. TEM-3 este prima β-lactamază TEM care prezintă caracteristici fenotipice ale ESBLs. Cu toate că β-lactamazele TEM sunt prezente în mare parte la E. coli și K. Pneumoniae, acest grup de β-lactamaze a fost semnalat și la alte bacterii Gram negative, bacterii ca Enterobacter aerogenes, Proteus mirabilis și Salmonella spp. Variațiile fenotipice ale ESBLs sunt cauzate de modificarea secvenței de aminoacizi la situsul activ. Această modificare a aminoacizilor face ca enzima să se lege de oxiimino β-lactami. Deschizând situsul activ și unindu-se cu inelul β-lactamic, enzima este mai sensibilă la inhibitori de β-lactamază. Schimbare poziție aminoacizilor, la poziția 104, 164, 238 și 240 determină variații fenotipice a ESBLs. Majoritatea ESBLs au schimbări ale aminoacizilor în mai multe locuri. Până la această dată, au fost descoperite 190 de tipuri de β-lactamaze TEM. TEM-10, TEM-12 și TEM-26 sunt cele mai întâlnite în SUA.

β-lactamazele SHV

β-lactamaza SHV-1 are aproximativ 68% asemănare a secvenței de aminoacizi a β-lactamazei TEM-1. Ele au de asemenea structuri similare. β-lactamaza SHV-1 este prezentă la K. pneumoniae și e implicată în rezistența față de peniciline și față de prima generație de cefalosporine. Acest grup de ESBLs de asemenea pezintă schimbări ale aminoacizilor la situsurile active similare cu cele ale β-lactamazei TEM-1, care de obicei sunt la poziția 238 sau 238 și 240. Au fost detectate 141 tipuri de β-lactamaze SHV.

β-lactamazele SHV-2 și TEM-3 au fost denumite ca β-lactamaze cu spectru extins (ESBL). Majoritatea ESBLs sunt considerate mutante ale TEM-1, TEM-2 și SHV-1, cu 1 până la 6 secvențe de aminoacizi substituite. La ora actuală, sunt 222 de β-lactamaze TEM (~86 ESBLs) și 190 de β-lactamaze SHV (~43 ESBLs), multe dintre acestea neavând caracterul fenotipic al ESBLs. Noi β-lactamaze continuă să fie descoperite în lume. O bază de date actualizată periodic de către George Jacoby este disponibilă pe site-ul: www.lahey.org/studies

β-lactamazele CTX-M

Numele acestui grup provine din faptul ca aceste β-lactamaze sunt mai rezistente la cefotaxim, față de alți oxiimino β-lactami cum ar fi ceftiazim, cftriaxon și cefepim. Apariția acestei enzime nu derivă dintr-o mutație, ci prin achiziția unei plasmide care codifică β-lactamaza, provenind din cromozomul unei bacterii nepatogene din genul Kluyvera, în special K. ascorbata și K. georgiana. Prima izolare clinică a acestei enzime, a fost raportată la o tulpină de E. coli din Munich, Germania în 1989. Această enzimă prezintă numai 40% asemănare față de TEM și SHV. Au fost detectate 120 tipuri de β-lactamaze CTX-M și care pot fi clasificate după secvența de aminoacizi, în 5 subrupe: CTX-M1, CTX-M2, CTX-M8, CTX-M9 și CTX-M25. Acest grup de β-lactamaze se întâlnește de obicei la Salmonella enterica, Salmonella typhimurium, E.coli și uneori la alte Enterobacteriaceae. Prevalența cea mai mare a acestor ESBLs este în Africa de Sud. În prezent CTM-M15 este cea mai comună β-lactamază CTX-M, regăsită în tulpinile de E. coli din Regatul Unit

β-lactamazele OXA sunt numite în acest mod, deoarece ele hidrolizează preferențial oxacilina și cloxacilina. Aceste enzime conferă rezisternță la ceftazidim și sunt slab inhibate de acidul clavulanic. Ele au fost adesea observate în izolatele de P. aeruginosa. Nu toate enzimele OXA sunt ESBLs; de fapt, câteva dintre ele (grupul 2d) sunt simple oxacilinaze, altele au caracteristici fenotipice ale ESBL (grupul 2de), iar altele sunt carbapenemaze (gupul 2df). Din totatul de 244 de β-lactameze de tipul OXA, cel puțin 16 sunt recunoscute ca având caracterele fenotipice ale ESBL.

Alte tipuri de β-lactamaze ESBLs

β-lactamazele PER (Psudomonas extended rezistence) au aproximativ 25-27% asemănare a secvenței de aminoacizi față de β-lactamazele TEM și SHV. Au fost descrise în total 7 β-lactamazele PER. Enzimele de acest tip conferă o rezistență sporită la ceftazidim, dar un nivel scăzut de rezistență față de celelalte cefalosporine sau peniciline. Ca și ESBLs din cadrul enzimelor TEM, enzimele PER sunt ineficiente împotriva cefamicinelor și carbapenemelor. Ele sunt inactivate de către acidul clavulanic, dar nu și de către tazobactami. În trecut, β- lactamaza PER a fost de obicei izolată de la P. aeruginosa, dar în prezent a fost izolată de la Salmonella enterica, serovarietatea Typhimurium și Acinetobacter sp. β-lactamaza PER poate fi regăsită în toată țara, dar e mai frecventă în Europa.

β-lactamazele VEB (Vietnamese extended spectrum beta-lactamase) au 38% asemănare a secvenței de aminoacizi față de β-lactamazele PER-1 și PER-2. VEB-1 a fost prima dată descrisă la o tulpină de E. coli dintr-un spital din Franța, din puroiul unui băiețel vietnamez, în vârstă de 4 luni de zile, în anunl 1996. Enzimele ESBL de tipul VEB-1, sunt răspândite în Asia de S-E, dar deasemenea au fost raportate și în Franța, Belgia, Regatul Unit, Bulgaria, Iran, Kuwait, Algeria, China, Korea și India.

Alte enzime ESBL minore sunt: SFO-1 (Serrafia fonticola), TLA-1 (TLAhuicas (trib indian)), BES-1 (ESBL din Brazilia), GES-1 (ESBL din Guyana) și BEL-1 (ESBL din Belgia). SFO-1 a fost gasită într-o singură probă cu Enterobacter cloacae în Japonia, în Japonia, în 1988; pe baza asemănării secvenței de aminoacizi cu cea a β-lactamazei S. fonticola, enzima a fost numită SFO-1. Această enzimă hidrolizează cefotaxim foarte eficient, ceftazidim cu o eficacitate scăzută, dar nu hidrolizează cefamicinele sau carbapenemele. Activitatea acestei enzime e inhibată de acidul clavulanic sau imipenem. Enzima TLA-1 a fost izolată la o tulpină de E. coli, izolată de la un pacient din Mexic, în 1993. Această enzimă e inhibată de tazobactam și într-o mai mică măsură de către clavulanat și sulbactam.

Din această clasă mai fac parte:

-penicilinaze și cefalosporinaze timpurii (TEM-1, TEM-2, SHV-1) hidrolizează penicilinazele și cefalosporinele timpurii, dar sunt inhibate de acidul clavulanic;

-penicilinazele (TEM-30, SHV-10) sunt inhibate de acidul clavulanic, tazobactam și sulbactam;

-cefalosporinaze cu spectru extins (TEM-50), care hidrolizează cefalosporinele cu spectru extins și monobactamii, dar sunt rezistente la acidul clavulanic,

-carbapenemaze (KPC-2, IMI-1, SME-1), care hidrolizează oxiimino-cefalosforinele, cefamicinele și carbapenemele. Aceste enzime sunt inhibate variabil de către acid clavulanic. Se regăsesc la Enterobacter cloacae, Serratia marcescens și K. pneumonie.

2. Clasa B:

Din această clasă fac parte carbapenemaze cu ion de Zn2+ la situsul lor activ. Sunt cunoscute sub denumirea de metalo-β-lactamaze. Ele sunt capabile să hidrolizeze penicilinele, cefalosporinele și carbapenemele și sunt rezistente inhibitorii uzuali ai β-lactamazelor.

3. Clasa C:

Aceste enzime sunt cefalosporinaze (AmpC) cu serină la situsul lor activ. Acestea sunt codificate de gene localizate pe cromozomii bacteriali la Enterobacter spp și Citrobacter spp, dar pot fi codificate și de plasmide la Klebsiella spp, Salmonella spp și Proteus spp. Tulpinile care produc aceste enzime sunt rezistente la aminopeniciline, oxiimino-cefalosporine, cefamicine și inhibitorii β-lactamazelor. Aceste enzime hidrolizează peniciline, cefalosporine cu spectru extins, cefoxitin, monobactami și nu prezintă sensibilitate la inhibitori.

4. Clasa D:

Aceste enzime au fost inițial categorizate ca “oxacilinaze”, datorită abilității acestora de a hidroliza oxacilinele. Prin urmare aceste enzime au fost numite β-lactamaze de tip OXA. Semnalate prima dată în Turcia, în 1991, aceste enzime conferă rezistență la peniciline și cefalosporine. ESBLs de tip OXA (OXA-11, -15) conferă rezistență la oxiimino-cefalosporine. Carbapenemele de tip OXA (OXA -23, -48) poate hidroliza carbpenemele. Majoritatea enzimelor OXA sunt rezistente la inhibitori ca acidul clavulanic, sulbactam și tazobactam. Totuși, există câteva excepții: OXA-2 și OXA-32 sunt inhibate de tazobactam, dar nu și de sulbactam și clavulanat, iar OXA-53 este inhibată de clavulanat. Aproximativ 240 de enzime de tip OXA descrise până acum.

Clasificarea fenotipică a β-lactamazelor după Bush, Jacoby și Madeiros:

Grupul 1- Cuprinde enzime care sunt cefalosporinaze care corespund la clasa C de enzime a lui Ambler. Acestea sunt inhibate de cloxacilină și aztreonam, dar nu și de acidul clavulanic. Enzime mediate de plasmide sunt CMY, ACT, DHA, FOX și MIR. Ele sunt active asupra cefamicinelor, cum ar fi cefoxitin și au o mare afinitate pentru aztreonam. Când sunt produse în cantitate mare, grupul 1 poate conferi o rezistență mare la carbapeneme, în special ertapenem. Grupul 1e e constituit din enzime care sunt niște variante ale grupului 1, ca rezultat al substituiri aminoacizilor, inserțillor sau delețiilor. Aceste enzime au o mare activitate asupra ceftazidimului și altor oxiimino-cefalosporine.

Grupul 2- Cuprinde penicilinaze, cefalosporinaze, β-lactamaze cu spectru restrâns și carbapenemaze cu serină la situsul activ. Aceste enzime sunt în general inhibate de acidul clavulanic. β-lactamazele clasice, de tipul OXA, Kpc, ca și ESBLs sunt cuprinse, de asemenea, aici.

Subgrupul 2a- penicilinaze care sunt adesea regăsite la coci Gram pozitivi, incluzând stafilococi și ocazional enterococi. Aceste enzime hidrolizează preferențial benzilpenicilinele, iar cefalosporinele la o rată cu 10% mai mică față de benzilpeniciline sau ampiciline. Sunt inhibate de acid clavulanic și tazobactam.

Subgrupul 2b- β-lactamaze care hidrolizează penicilinele și cefalosporinele timpurii, cum ar fi cefaloridin și cefalotin, dar sunt puternic inhibate de acidul clavulanic și tazobactam. Exemple de enzime sunt TEM-1, TEM-2 și SHV-1, dar acest grup conține cel puțin 13 TEM și 33 SHV.

Subgrupul 2be- Întrucât ESBLs sunt derivate din grupul 2b de enzime, acestea sunt plasate în sugrupul 2be. Ele hidrolizează unul sau mai mulși oxiimino- β-lactami, cum ar fi cefotaxim, ceftazidim și aztreonam la o rată în general mai mare cu 10% ca a benzilpenicilinelor.

Subgrupul 2br- β-lactamaze care sunt structural înrudite cu enzimele din grupul 2b, dar sunt slab afectate de inhibitorii β-lactamazelor. Acest grup cuprinde 36 TEM și 7 SHV. Ex: TEM-30, SHV-10.

Subgrupul 2ber- enzime care derivă din TEM care sunt rezistente la acidul clavulanic și posedă activitate hidrolitică împotriva oxiimino-cefalosporinelor. Acestea sunt denumite enzime complexe mutante TEM (CMT). Sunt în total 11 CMT. Ex: TEM-50, -68, -89.

Subgrupul 2c- penicilinaze, care sunt caracterizate funțional de către abilitatea lor de a hidroliza carbenicilina sau ticarcilina la o rată de peste 60% față de cea a benzil-penicilinelor, dar hidrolizează cloxacilina sau oxacilina la rate sub 50% față de cea benzil-penicilinelor. Acestea sunt ușor inhibate de acid clavulanic sau tazobactam. Ex: PSE-1, CARB-3.

Subgrupul 2d- β-lactamaze care au abilitatea de a hidroliza cloxacilina sau oxacilina cu o rată mai mare de 50% față de cea a benzilpanicilinei, așadar sunt cunoscute ca enzime de tip OXA. Ex: OXA-1, -2, -10.

Subgrupul 2de- enzime care hidrolizează cloxacilina și oxacilina cu un spectru extins, care includ oxiimino-β-lactamii, dar nu și carbapenemele. Multe dintre ele sunt derivate din OXA-2 și OXA-10 prin substituirea aminoacizilor. Rezistența la ceftazidim este de obicei mai pronunțată decât rezistența pentru cefotaxim și aztreonam. Multe β-lactamaze din acest subgrup sunt inhibate de NaCl și sunt slab inhibate de acidul clavulanic. Se cunosc 16 enzime tip OXA cu spectru larg. Ex: OXA-11, OXA-15.

Subgrupul 2df- carbapenemaze cu serină la situsul activ care hidrolizează oxacilina și carbapenemele (OXA-23, -48). Acestea sunt enzime codificate de o plasmidă întâlnite la Enterobacteriaceae. Aceste enzime nu sunt inhibate de acidul clavulanic.

Subgrupul 2e- cefalosporinaze care hidrolizează eficient cefalosporinele cu spectru extins, dar ineficient penicilinele și sunt inhibate de acidul clavulanic sau tazobactam. Aceste enzime pot fi diferențiate față de AmpC, cu deosebirea că au afinitate slabă față de aztreonam.

Subrupul 2f- carbapenemaze cu serină la situsul activ, care corespund clasei A a lui Ambler. Cefalosporine cu spectru extins, precum ceftazidim, nu sunt bine hidrolizate de către enzimele SME și IMI-1, dar aztreonamul poate fi degradat de majoritatea enzimelor, cu excepția GES-3 și GES-4.

Grupul 3: Include metalo- β-lactamazele (MBL), care necesită un ion de zinc la situsul activ. Spre deosebire de β-lactamazele cu serină la situsul activ, MBL au slabă capacitate hidrolitică pentru monobactami și nu sunt inhibate de acidul clavulanic sau tazobactam. Ele sunt inhibate de către agenți de chelatare cu ioni de metal, ca EDTA sau acidul dipinocolinic. Aceste metalo-enzime au fost subdivizate, pe structurii lor (subclasele B1, B2 și B3) sau funției lor (subgrupele 3a și 3b).

Subgrupul 3a- MBL codificate de către o plasmidă, cum ar fi IMP și VIM. Aceste enzime aparțin subclasei moleculare B1, care necesită 2 atomi de zinc pentru activitatea hidrolitică. Enzime din subclasa B3 aparțin deasemenea acestui subgrup: L1, CAU-1, GOB-1 sau FEZ-1.

Subgrupul 3b- un grup mai mic de MBL care hidrolizează carbapenemele, dar nu și penicilinele și cefalosporinele. Enzimele conțin numai un atom de zinc la situsul activ.Ele corespund la subclaseimoleculare B2. Ex: CphA, Sfa-1.