Химическая структура, механизм действия и проблемы безопасности антибиотиков из группы макролидов

Выделение природных макролидов и их химическая структура

В 1950 году из актинобактерий рода Strepto myces был выделен первый макролидный антибиотик, названный пикромицином из-за горького вкуса (от древнегреческого pikro – горький) [8]. Основной особенностью структуры пикромицина, характерной и для всех позже выделенных макролидов, является наличие в молекуле макроциклического лактонного кольца [9], от которого и происходит название “макролиды", предложенное Woodward в 1957 году [10].

Макролидные антибиотики классифицируются по размеру макроциклического лактонного кольца в зависимости от количества атомов углерода и по своей химической структуре представляют собой 12-, 14-, 16или 18-членные полигидроксилактоны, подвергнутые O-гликозилированию как минимум по одному атому углерода: обычно кладинозой или десозамином, но иногда и другими дезокси- или аминодезоксисахарами [11]. Кроме того, описаны макролиды с более крупными макроциклическими кольцами, примерами которых являются цитотоксический свинхолид Н, обладающий 40-членным лактонным кольцом и полученный из новозеландской глубоководной морской губки Lamellomorpha strongylata, и 62-членный полиоловый симбиодинолид, полученный из симбиотических динофлагеллят рода Symbiodinium [12]. Поэтому макролиды можно рассматривать в более широком смысле как класс соединений, содержащих кольцо из двенадцати или более членов.

Кларитромицин (6-О-метилэритромицин) отличается от эритромицина наличием метокси-группы в положении C6 вместо гидроксильной группы [16]. Азитромицин (9-деоксо-9а-аза-9а-метил-9а-гомоэритромицин А) входит в подкласс азалидов и содержит 15членное кольцо, включающее метилзамещенный атом азота в положении 9a [2]. Вследствие особенностей химической структуры, метаболизм азитромицина протекает иначе, чем эритромицина и кларитромицина [17]

16-членные макролиды составляют значительный класс антибиотиков, которые в настоящее время остаются в тени более известных 14-членных макролидов [18]. Они используются преимущественно в ветеринарии. К числу 16-членных макролидов, одобренных для клинического применения, относятся антибактериальные средства природного происхождения джозамицин, спирамицин, тилозин и мидекамицин, а также полусинтетические препараты миокамицин, рокитамицин, тилмикозин и тилдипирозин [18]. Кроме того, природные 16-членные макролиды включают соединения с атипичной биологической активностью, например, авермектин B1a, выделенный из образца почвы в институте Китасато. В отличие от типичных макролактонов, авермектин B1a обладает антипаразитарной и инсектицидной активностью, но не является эффективным антибактериальным средством [19].

Помимо размера лактонного кольца, макролиды отличаются друг от друга по углеводным остаткам (дисахаридным или моносахаридным), присоединенным к лактонному кольцу [7].

Понимание структуры макролидов имеет решающее значение для определения их биологической активности. Недавние физико-химические исследования кларитромицина и азитромицина показывают, что их конформация в значительной степени определяет липофильность и способность препаратов накапливаться в клетках и влияние макролидов на бактериальные мембраны [20,21].

Механизм действия макролидов

Рибосома, отвечающая за синтез всех клеточных белков, является одной из лучших мишеней для антибиотиков [22]. Бактериальная рибосома имеет коэф фициент седиментации 70S и включает три типа РНК (23S, 5S и 16S) и более 50 белков, образующих две субъединицы: малую (30S) и большую (50S) [23].

Синтез белка начинается на малой субъединице с помощью факторов инициации, при участии которых инициаторная формил-метионил-тРНК поступает в Pсайт пептидилтрансферазного центра рибосомы (ПТЦ) и позиционируется на старт-кодоне [24]. Субъединицы 50S и 30S связываются, образуя 70S инициаторный комплекс, готовый к вступлению в фазу элонгации трансляции [25]. Первый кодон открытой рамки считывания, расположенный в A-сайте рибосомы, считывается тройным комплексом, состоящим из аминоацилтРНК (аа-тРНК), фактора элонгации Tu (EF-Tu) и гуанозинтрифосфата (ГТФ) [26,27]. Считывание кодона Aсайта родственной аа-тРНК запускает гидролиз ГТФ на EF-Tu и высвобождение аа-тРНК в А-сайт рибосомы [23]. 3′-CCA-концы аа-тРНК помещаются в ПТЦ субъединицы 50S, и спонтанно происходит реакция транспептидации, в результате которой растущая пептидная цепь удлиняется на один аминокислотный остаток [28]. Транслокация мРНК и тРНК катализируется фактором элонгации G (EF-G) и ГТФ. Элонгация повторяется до тех пор, пока стоп-кодон не войдет в A-сайт рибосомы [29]. Факторы терминации (RF1 и RF2) узнают стопкодон и катализируют гидролиз пептидил-тРНК в Pсайте, высвобождая синтезированный пептид из рибосомы [30]. Затем происходит рециркуляция, в ходе которой 70S рибосома диссоциирует на отдельные субъединицы при совместном воздействии EF-G и фактора рециркуляции рибосом (RRF) [31,32].

Многие антибактериальные средства ингибируют рост клеток, нарушая функционирование рибосом [23]. Недавние исследования показали, что макролиды являются модуляторами трансляции [22]. Молеку ляр ной мишенью макролидов является 50S субъединица бактериальной рибосомы [33-37]. Макролидные антибиотики ингибируют синтез белка путем связывания с большой субъединицей рибосомы в области выходного туннеля (nascent peptide exit tunnel, NPET) [38].

Макролиды имеют сродство к NPET, поскольку их сайт связывания расположен вблизи ПТЦ и занимает верхнюю часть туннеля [39]. Сайты связывания разных макролидных антибиотиков не идентичны, хотя и в значительной степени перекрываются [40]. В литературе описаны некоторые “навигационные точки", которые могут использоваться для определения сайта связывания макролида [41-43]. Cвязывание макролидов главным образом обусловлено формированием водородных связей и гидрофобных взаимодействий [22]. Макролиды взаимодействуют с азотистым основанием A2058 23S рРНК посредством формирования водородной связи между гидроксильной группой дезозамина и атомом N1 A2058. Связывание макролидов стабилизируется за счет плотной упаковки гидрофобной части лактонного кольца между 2611 и 2057 нуклеотидами рРНК [7]. Каждый из углеводных остатков образует минимум одну водородную связь с остатками рРНК. Чем больше углеводных остатков в структуре макролида, тем сильнее его взаимодействие с NPET [39].

NPET, который имеет длину около 100Å и ширину 10-20Å, является каналом, по которому синтезированный белок покидает рибосому [44]. Функция NPET заключается не только в обеспечении беспрепятственного прохода через рибосому для вновь синтезированных полипептидных цепей, но и в регуляции самого процесса трансляции [28,45]. Специфические элементы туннеля контролируют аминокислотную последовательность растущей полипептидной цепи, и остановка трансляции может происходить в ответ на конкретные лекарственные средства или метаболиты [23,46].

Традиционно считалось, что макролиды останавливают трансляцию, просто закупоривая NPET и тем самым блокируя прохождение всех синтезированных полипептидов, как только они увеличиываются до размера 3-10 аминокислот [22]. В некоторой степени это мнение было подтверждено структурными исследованиями, показавшими, что молекула макролида, связавшись с NPET, значительно сужает просвет туннеля (рис. 1А-С) [47]. Однако в последние годы были получены новые данные, показавшие, что макролиды пропускают некоторые синтезируемые пептиды через NPET (рис. 1D) и ингибируют трансляцию в конкретных условиях, препятствуя полимеризации лишь некоторых аминокислотных последовательностей [48,49].

Так, некоторые белки не имеют проблемных последовательностей и продолжают синтезироваться, когда макролидные антибиотики находятся в области NPET [23]. Телитромицин, оказывающий бактерицидное действие, пропускает большее количество растущих пептидов, чем эритромицин, который оказывает бактериостатическое действие, поэтому было высказано предположение, что избирательное ингибирование синтеза белка является более вредным для клетки, чем равномерное ингибирование [7]. Результаты исследований позволяют предполагать наличие в NPET маломолекулярного кофактора и специфического растущего пептида [22]. Кофактор, связанный с рибосомой, ограничивает продвижение растущего белка, заставляя его принимать конкретную траекторию. Рас тущий полипептид, заблокированный в определенной конформации, и молекула кофактора взаимодействуют со специфическими элементами NPET, в результате чего интегрированный сигнал передается в ПТЦ. Под действием сигнала остановки свойства ПТЦ изменяются таким образом, что образование пептидных связей между специфическими донорными и акцепторными субстратами становится неэффективным [22].

Кинетический анализ макролидов показал, что большинство из них действуют как медленно связывающиеся ингибиторы [50]. Кроме того, при практически идентичных значениях показателей константы скорости ассоциации (kon) показатели константы скорости диссоциации (k_off) у разных макролидов в значительной степени отличаются между собой. У некоторых макролидов значения koff чрезвычайно низкие, поэтому они почти необратимо связываются с рибосомой [7]. Высказано предположение, что столь низкие значения koff макролидов также могут способствовать их бактерицидному действию [51]. Рядом авторов показано, что макролиды ингибируют сборку рибосом [52,53], но это является вторичным эффектом, обусловленным ингибированием синтеза рибосомных белков [54]. Наконец, еще одним описанным механизмом действия макролидов является запуск рибосомного сдвига рамки, регулирующего экспрессию гена бактериальной защиты [7,55].

Нежелательные лекарственные реакции

Хотя применение макролидов считается в целом безопасным, оно может быть сопряжено с развитием дозозависимых нежелательных лекарственных реакций (НЛР). Рассмотрим основные из них более подробно.

Желудочно-кишечные нарушения. Одними из самых распространенных НЛР, возникающих при приеме макролидных антибиотиков, являются желудочно-кишечные нарушения, в том числе диарея, боли и дискомфорт в животе, тошнота и рвота [4,56-58]. По данным опубликованного в 2019 г. обзора Cochrane, нарушения со стороны желудочно-кишечного тракта являются наиболее частыми НЛР при лечении макролидами [58]. При этом явных различий в частоте их возникновения при использовании разных макролидов или разных путей введения установлено не было.

Возникновение указанных НЛР обусловлено, прежде всего, прокинетическими эффектами макролидов, впервые описанными для эритромицина в 1986 году [59]. В кислой среде желудка эритромицин разрушается до промежуточного соединения 8,9-ангидроэритромицин-6,9-гемикетала, которое действует как агонист мотилиновых рецепторов [60], расположенных преимущественно в теле и антральном отделе желудка и двенадцатиперстной кишки [57], стимулируя двигательную активность гладкой мускулатуры желудочно-кишечного тракта и вызывая нежелательные реакции [17, 61].

Азитромицин усиливает моторику желудочно-кишечного тракта и даже может использоваться для лечения гастропареза [62]. Примерно каждый пятый пациент, получающий азитромицин, жалуется на диарею [63]. Itoh и соавт. показали, что 14-членные макролиды эритромицин и олеандомицин оказывают сильное стимулирующее действие на моторную активность желудочно-кишечного тракта, в то время как 16-членные макролиды лейкомицин, ацетилспирамицин и тилозин не вызывают подобной реакции [64]. Приведенные данные указывают на наличие структурно-функциональных отношений между макролидными антибиотиками и НЛР со стороны желудочно-кишечного тракта [4].

Кишечная флора восприимчива к действию макролидов, поэтому их применение может вызвать дисбаланс между комменсальными бактериями, нативными для кишечника человека, и патогенными бактериями [65]. Продемонстрирована связь между использованием эритромицина в младенческом возрасте и развитием детского гипертрофического стеноза привратника [66].

В целом желудочно-кишечные нарушения являются наиболее частыми НЛР при назначении азитромицина и кларитромицина, но возникают реже, чем при использовании эритромицина [67].

Нарушения со стороны сердечно-сосудистой системы. В 2012 г. Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (Food and Drug Administration, FDA) опубликовало предостережение о возможном повышении риска смерти от сердечно-сосудистых заболеваний при назначении азитромицина. Это заявление основывалось на статье, опубликованной в том же году в журнале The New England Journal of Medicine [68]. В марте 2013 г. было опубликовано официальное сообщение FDA о том, что применение азитромицина может вызвать изменения электрической активности сердца, способные привести к развитию жизнеугрожающей аритмии [69]. Указы валось, что этот риск особенно велик у пациентов с удлинением интервала QT, нарушениями сердечного ритма и низкой концентрацией калия или магния в крови. Следствием публикации заявления FDA стали внесение изменений в инструкцию по медицинскому применению азитромицина, а также повышение обеспокоенности практикующих врачей [70].

В настоящее время известно, что прием макролидов может быть сопряжен с развитием ряда серьезных НЛР со стороны сердечно-сосудистой системы, наиболее значимыми из которых являются длительная реполяризация [71], проаритмогенное действие [72] и потенциально жизнеугрожающая желудочковая тахикардия по типу “пируэт" (torsades de pointes, TdP) [73-75].

За последние 20 лет более 60% отзывов препаратов с фармацевтического рынка были связаны с их влиянием на длительность интервала QT, причем наибольшую проблему представляют фторхинолоны и 14- и 15-членные макролиды [76,77], что может препятствовать их применению у отдельных категорий пациентов [78].

Удлинение интервала QT на фоне применения макролидов обусловлено их дозозависимым блокирующим действием на сердечные калиевые каналы – hERG (human ether-a-go-go related gene), обеспечивающие быстро активирующийся ток задержанного выпрямления (IKr) [77,79]. Таким образом, способность макролидов вызывать пролонгацию интервала QT определяется их антагонистической активностью в отношении IKr [78]. Влияние макролидов на реполяризацию отмечается только в волокнах пучка Гиса, Пуркинье и М-клетках миокарда желудочков и почти отсутствует в эндокарде и эпикарде, что приводит к дисперсии реполяризации миокарда и развитию аритмии [76].

Кроме того, результаты проведенных исследований показали, что при применении эритромицина одновременно с препаратами, ингибирующими CYP3A, риск внезапной сердечной смерти увеличивается в 2 раза, а риск сердечной смерти – почти в 5 раз [72].

Холестатический гепатит. Холестатический гепатит представляет собой редкую, но хорошо известную НЛР, которая может возникнуть при приеме макролидных антибиотиков [80,81]. Согласно опубликованным данным, у 1-2% взрослых пациентов на фоне лечения эритромицином возможно развитие лекарственного поражения печени, проявляющегося желтухой [82,83]. Холестаз может вызвать рвоту, а также служит причиной повышения активности аминотрансфераз и содержания билирубина. В пользу гепатоканаликулярного генеза желтухи свидетельствует высокий уровень щелочной фосфатазы в сыворотке крови при умеренном повышении активности аминотрансфераз [83]. Считается, что холестаз – это проявление гиперчувствительности к макролиду, а не следствие токсического действия лекарственного средства [84].

Нарушения со стороны органа слуха. Ототоксичность и конкретно нейросенсорная потеря слуха являются редкими, но серьезными НЛР, связанными с приемом макролидов [65]. Нарушения слуха чаще всего проявляются следующими симптомами, возникающими как по отдельности, так и в сочетании друг с другом: шум в ушах, расстройства звуковосприятия разной степени тяжести (от незначительного снижения слуха вплоть до полной глухоты), головокружение [85,86].

Большинство доступных публикаций, свидетельствующих о развитии НЛР со стороны органа слуха при назначении макролидов, представлены в форме описаний отдельных клинических случаев и серий случаев [87,88]. Так, Tseng и соавт. провели ретроспективный анализ историй болезней 46 пациентов с ВИЧ-инфекцией, получавших азитромицин. У 8 пациентов развилась ототоксичность, в среднем, через 9,4 недели применения азитромицина в средней дозе 600 мг/сут [89]. Пациенты не получали сопутствующей медикаментозной терапии, которая могла быть причиной НЛР, поэтому авторы предположили, что пациенты, длительно получающие макролиды, подвержены высокому риску развития ототоксичности [89]. В другом исследовании у пациентов, получавших азитромицин, нарушения слуха развивались достоверно чаще, чем у пациентов, получавших плацебо [90].

В литературе также описано развитие двусторонней непродолжительной потери слуха на высокие частоты в сочетании с высокочастотным шумом в ушах и головокружением на фоне назначения эритромицина в высоких дозах [91]. Описанная НЛР исчезла спустя 2 недели после отмены антибиотика. Другие случаи развития нейросенсорной тугоухости были связаны с использованием кларитромицина [92,93].

В 2018 году был опубликован систематический обзор 44 публикаций, в которых были описаны 78 подтвержденных случаев нейросенсорной тугоухости на фоне приема макролидов. Авторы обзора пришли к выводу о том, что она может развиться даже при назначении макролидов внутрь в стандартных дозах [94].

Синдром Стивенса-Джонсона и токсический эпидермальный некролиз. При назначении макролидов возможно развитие таких серьезных НЛР, как синдром Стивенса-Джонсона и токсический эпидермальный некролиз [95]. В 2021 году был опубликован обзор опубликованных описаний клинических случаев возникновения синдрома Стивенса-Джонсона/токсического эпидермального некролиза на фоне применения макролидов, в который были включены 25 публикаций [96]. Эти НЛР были зарегистрированы при лечении азитромицином (n=11), кларитромицином (n=7), эритромицином (n=5), рокситромицином (n=2) и телитромицином (n=2). Возраст пациентов составлял от 2 до 77 лет. Синдром Стивенса-Джонсона и токсический эпидермальный некролиз являются тяжелыми жизнеугрожающими состояниями, поэтому практикующие врачи должны помнить о том, что назначение макролидных антибиотиков может быть сопряжено с развитием указанных НЛР.