Enzyme biến đổi aminoglycoside là gì? Nghiên cứu liên quan

Giới thiệu về aminoglycoside và tầm quan trọng trong y học

Aminoglycoside là một nhóm kháng sinh có phổ kháng khuẩn rộng, đặc biệt hiệu quả với vi khuẩn Gram âm hiếu khí. Cơ chế hoạt động của nhóm thuốc này là ức chế quá trình tổng hợp protein vi khuẩn bằng cách gắn không hồi phục vào tiểu đơn vị 30S của ribosome. Tác động này gây lỗi trong quá trình dịch mã mRNA, dẫn đến sự tích tụ của các protein bất thường và hậu quả là tế bào vi khuẩn chết.

Các aminoglycoside được sử dụng phổ biến trong lâm sàng gồm: streptomycin, gentamicin, tobramycin, amikacin và netilmicin. Trong điều trị, chúng thường được phối hợp với các kháng sinh beta-lactam để tăng hiệu quả diệt khuẩn và giảm thiểu hiện tượng kháng thuốc. Đặc biệt, aminoglycoside được sử dụng trong các tình huống như nhiễm trùng huyết, viêm nội tâm mạc, viêm phổi bệnh viện và các nhiễm trùng nặng ở bệnh nhân ICU.

Một số đặc điểm đáng chú ý của aminoglycoside:

• Không hấp thu qua đường tiêu hóa, phải dùng qua đường tiêm.
• Thải trừ chủ yếu qua thận, cần điều chỉnh liều ở bệnh nhân suy thận.
• Gây độc trên thận và tai (độc tính thính giác và tiền đình).

Cơ chế kháng aminoglycoside ở vi khuẩn

Sự kháng aminoglycoside ở vi khuẩn được ghi nhận ngày càng phổ biến trong các bệnh viện và môi trường cộng đồng. Có ba cơ chế chính mà vi khuẩn sử dụng để kháng lại aminoglycoside:

1. Giảm khả năng xâm nhập của thuốc vào trong tế bào vi khuẩn hoặc tăng cường bơm ngược aminoglycoside ra khỏi tế bào.
2. Biến đổi cấu trúc ribosome mục tiêu, làm giảm ái lực gắn kết của thuốc.
3. Bất hoạt aminoglycoside bằng enzyme biến đổi hóa học.

Trong ba cơ chế trên, cơ chế phổ biến nhất và được nghiên cứu sâu rộng nhất là sự bất hoạt enzym thông qua các enzyme biến đổi aminoglycoside. Đây là nguyên nhân chính dẫn đến thất bại điều trị và làm hạn chế nghiêm trọng lựa chọn kháng sinh trong thực hành lâm sàng.

Enzyme biến đổi aminoglycoside (AMEs) là gì?

Enzyme biến đổi aminoglycoside (Aminoglycoside-Modifying Enzymes – AMEs) là các enzyme do vi khuẩn sản xuất có khả năng gắn thêm nhóm chức hóa học vào phân tử aminoglycoside. Những biến đổi này làm thay đổi cấu hình không gian hoặc điện tích của thuốc, từ đó làm giảm khả năng gắn kết của aminoglycoside với ribosome đích và mất hiệu lực kháng khuẩn.

Các nhóm enzyme AME được phân loại theo kiểu phản ứng hóa học mà chúng xúc tác. Cụ thể có ba nhóm chính:

• AAC – Aminoglycoside Acetyltransferases: Gắn nhóm acetyl (-COCH₃) vào vị trí amino.
• ANT – Aminoglycoside Nucleotidyltransferases: Gắn nhóm adenyl vào vị trí hydroxyl.
• APH – Aminoglycoside Phosphotransferases: Gắn nhóm phosphate vào vị trí hydroxyl.

Tác dụng của từng nhóm enzyme có thể được tổng quát như sau:

Loại enzyme	Nhóm chức thêm vào	Vị trí gắn trên aminoglycoside	Ví dụ điển hình
AAC	Acetyl (-COCH3)	Vị trí amino (N1, N3, N6')	AAC(6')-Ib
ANT	Adenyl (AMP)	Vị trí hydroxyl (O2'', O3'')	ANT(2'')-Ia
APH	Phosphate (PO43-)	Vị trí hydroxyl (O3', O2')	APH(3')-IIIa

Các loại AMEs phổ biến và cơ chế hoạt động

Các enzyme AMEs cụ thể sẽ có tên gọi dựa trên vị trí mà chúng tác động trên phân tử aminoglycoside. Ví dụ, enzyme AAC(6')-Ib có khả năng acetyl hóa vị trí amino tại carbon số 6’ của phân tử thuốc, đặc biệt phổ biến ở vi khuẩn Gram âm như Escherichia coli và Klebsiella pneumoniae.

Cơ chế phản ứng điển hình của từng loại enzyme:

• AAC: $\text{R-NH}_2 + \text{Acetyl-CoA} \rightarrow \text{R-NH-COCH}_3 + \text{CoA}$
• ANT: \text{R-OH} + \text{ATP} \rightarrow \text{R-O-AMP} + \text{PP_i}
• APH: $\text{R-OH} + \text{ATP} \rightarrow \text{R-O-PO}_3^{2-} + \text{ADP}$

Danh sách một số enzyme AME đã được ghi nhận phổ biến trong vi khuẩn lâm sàng:

Enzyme	Loại	Vi khuẩn thường gặp
AAC(6')-Ib	Acetyltransferase	K. pneumoniae, E. coli
ANT(2'')-Ia	Adenyltransferase	P. aeruginosa, Acinetobacter sp.
APH(3')-IIIa	Phosphotransferase	Enterococcus faecalis, S. aureus

Sự xuất hiện ngày càng nhiều của các biến thể enzyme mới làm phức tạp thêm công tác điều trị. Một số enzyme có khả năng biến đổi nhiều loại aminoglycoside khác nhau, từ đó tạo ra tình trạng kháng chéo trong nhóm thuốc này.

Các gen mã hóa AMEs và tính lan truyền

Các enzyme biến đổi aminoglycoside không phải là sản phẩm ngẫu nhiên mà được mã hóa bởi các gen chuyên biệt nằm trên những yếu tố di truyền có khả năng di chuyển, như plasmid, transposon và integron. Điều này cho phép các gen kháng thuốc lan truyền giữa các dòng vi khuẩn, kể cả giữa các loài khác nhau, thông qua các cơ chế truyền ngang gen như tiếp hợp (conjugation), biến nạp (transformation), hoặc tải nạp qua phage (transduction).

Một số gen AME phổ biến và vị trí mã hóa:

• aac(6')-Ib: Mã hóa enzyme acetyltransferase phổ biến trong K. pneumoniae, thường nằm trên plasmid loại IncF hoặc IncL/M.
• aph(3')-IIIa: Mã hóa enzyme phosphotransferase phổ biến ở Enterococcus spp. và Staphylococcus aureus.
• ant(2'')-Ia: Thường thấy ở các chủng P. aeruginosa kháng đa thuốc, nằm trong cấu trúc integron nhóm 1.

Sự lan truyền của gen kháng thường đi kèm với các gen kháng kháng sinh khác như beta-lactamase, mcr (colistin resistance), hoặc gen kháng carbapenem, làm gia tăng nguy cơ xuất hiện chủng vi khuẩn kháng thuốc toàn diện. Dưới đây là ví dụ về tổ hợp gen điển hình trên một plasmid kháng đa thuốc:

Gen kháng	Loại enzyme	Kháng sinh mục tiêu
aac(6')-Ib	Acetyltransferase	Aminoglycoside
blaCTX-M	Beta-lactamase	Cephalosporin thế hệ 3
mcr-1	Phosphoethanolamine transferase	Colistin

Phân bố toàn cầu và các chủng vi khuẩn liên quan

Enzyme AME được phát hiện trên toàn cầu, đặc biệt phổ biến ở khu vực Đông Nam Á, Ấn Độ, Trung Đông, và Nam Mỹ. Các nghiên cứu dịch tễ học cho thấy tỷ lệ vi khuẩn mang gen aac(6')-Ib trong các bệnh viện tại Việt Nam và Thái Lan vượt 60% trong nhóm vi khuẩn Gram âm đa kháng.

Các chủng vi khuẩn thường mang enzyme AME bao gồm:

• Escherichia coli: Thường mang AAC(3)-IIa và AAC(6')-Ib, đặc biệt trong chủng ST131.
• Klebsiella pneumoniae: Chủng ST258 thường mang các tổ hợp gen kháng aminoglycoside và carbapenem.
• Pseudomonas aeruginosa: Sở hữu ANT(2'')-Ia và APH(3')-VI.
• Acinetobacter baumannii: Mang nhiều biến thể AAC, bao gồm cả AAC(3)-Ia và AAC(6')-Ih.

Việc sử dụng aminoglycoside bừa bãi trong điều trị và chăn nuôi là yếu tố quan trọng thúc đẩy sự lan rộng của các chủng vi khuẩn mang AME. Các quốc gia có mức tiêu thụ kháng sinh cao thường cũng là nơi có tỷ lệ AME cao hơn rõ rệt.

Phương pháp phát hiện AMEs

Phát hiện AMEs là bước quan trọng trong giám sát kháng thuốc và chọn lựa liệu pháp điều trị thích hợp. Các phương pháp được áp dụng hiện nay bao gồm:

1. Phân tích kiểu hình: Sử dụng kháng sinh đồ (antibiogram) để đánh giá mức độ kháng với từng aminoglycoside. Sự kháng chọn lọc một số aminoglycoside gợi ý sự hiện diện của enzyme nhất định.
2. Kỹ thuật PCR và real-time PCR: Phát hiện sự hiện diện của các gen như aac(6')-Ib, ant(2'')-Ia, aph(3')-IIIa bằng mồi đặc hiệu.
3. Multiplex PCR: Cho phép phát hiện đồng thời nhiều gen kháng khác nhau trong cùng một phản ứng.
4. Giải trình tự toàn bộ genome (WGS): Cung cấp dữ liệu đầy đủ về các gen AMEs và bối cảnh di truyền liên quan (như plasmid, integron).

Một số nền tảng như Comprehensive Antibiotic Resistance Database (CARD) hoặc ResFinder được sử dụng để phân tích dữ liệu genome và xác định gen kháng.

Hậu quả lâm sàng và điều trị

Kháng aminoglycoside do AMEs dẫn đến nhiều thách thức trong điều trị, đặc biệt trong các trường hợp nhiễm khuẩn nặng, dai dẳng hoặc kháng thuốc đa dòng. Các nghiên cứu lâm sàng cho thấy tỷ lệ tử vong tăng đáng kể khi vi khuẩn gây bệnh có mang enzyme AME, đặc biệt là ở bệnh nhân ICU hoặc có miễn dịch kém.

Một số chiến lược điều trị đang được áp dụng hoặc nghiên cứu:

• Sử dụng phối hợp aminoglycoside với các kháng sinh không bị ảnh hưởng bởi AME (như colistin, tigecycline, fosfomycin).
• Dùng aminoglycoside thế hệ mới như plazomicin – được thiết kế để tránh bị bất hoạt bởi nhiều loại AME.
• Kết hợp với chất ức chế AME – tuy chưa có sản phẩm thương mại hóa, nhưng các chất ức chế tiềm năng đang được thử nghiệm trong tiền lâm sàng.

Tuy nhiên, việc sử dụng aminoglycoside cần thận trọng vì nguy cơ độc tính, đặc biệt trên thận và hệ thống thần kinh. Điều này càng trở nên nghiêm trọng hơn khi phải sử dụng liều cao để vượt qua mức đề kháng do enzyme.

Các hướng nghiên cứu và kiểm soát

Đối phó với kháng aminoglycoside do AMEs đòi hỏi sự phối hợp giữa nghiên cứu khoa học, chính sách y tế, và giáo dục cộng đồng. Một số hướng chính đang được tập trung:

1. Phát triển aminoglycoside thế hệ mới: Plazomicin là ví dụ điển hình, đã được FDA chấp thuận năm 2018.
2. Thiết kế chất ức chế enzyme AME: Sử dụng cấu trúc enzyme để thiết kế chất ức chế đặc hiệu thông qua kỹ thuật docking hoặc AI.
3. Giám sát dịch tễ học: Triển khai hệ thống cảnh báo sớm AMR, sử dụng dữ liệu từ các nền tảng như CDC Drug Resistance Tracking hoặc WHO GLASS.
4. Kiểm soát sử dụng kháng sinh: Hạn chế sử dụng aminoglycoside trong chăn nuôi, ban hành hướng dẫn kê đơn hợp lý, tăng cường đào tạo bác sĩ lâm sàng.

Ngoài ra, việc phát triển vaccine để phòng ngừa nhiễm khuẩn Gram âm, hoặc sử dụng liệu pháp phage nhằm tiêu diệt vi khuẩn mang AME cũng là những hướng tiếp cận dài hạn được quan tâm.

Tài liệu tham khảo

1. Ramirez, M. S., & Tolmasky, M. E. (2010). Aminoglycoside modifying enzymes. Drug Resistance Updates, 13(6), 151–171. https://doi.org/10.1016/j.drup.2010.08.003
2. Shaw, K. J., Rather, P. N., Hare, R. S., & Miller, G. H. (1993). Molecular genetics of aminoglycoside resistance genes and familial relationships of the aminoglycoside-modifying enzymes. Microbiological Reviews, 57(1), 138–163. Link
3. Poirel, L., Jayol, A., & Nordmann, P. (2017). Polymyxins: Antibacterial activity, susceptibility testing, and resistance mechanisms encoded by plasmids or chromosomes. Clinical Microbiology Reviews, 30(2), 557–596. https://doi.org/10.1128/CMR.00064-16
4. World Health Organization. Antimicrobial resistance. https://www.who.int/news-room/fact-sheets/detail/antimicrobial-resistance
5. Centers for Disease Control and Prevention (CDC). Drug Resistance Tracking. https://www.cdc.gov/drugresistance/tracking.html
6. Comprehensive Antibiotic Resistance Database (CARD). https://card.mcmaster.ca/
7. ResFinder – DTU Bioinformatics. https://resfinder.dtu.dk/