Effect of antibacterial agent PK/PD index on efficacy of lower urinary tract infection therapy

Full Text

Ве основные характеристики отличают один антимикробный препарат (АМП) от другого, определяя спектр чувствительных к нему микроорганизмов, способ применения, режим и схему дозирования [1]. К ним относятся фармакокинетика и фармакодинамика АМП (рис. 1). Что стоит за этими понятиями и почему они напрямую определяют эффективность антимикробной терапии (АМТ) инфекций мочевыводящих путей (ИМП)? Фармакокинетический/фармакодинамический профиль, типы антимикробной активности Антибиотики относятся к современному классу таргетных лекарственных препаратов (от англ. target - мишень). Фосфодиэстераза 5-го типа, a-адренорецепторы 1А типа, 5a-редуктаза, М2-холинорецепторы детрузора - все это молекулярные мишени действия активных веществ препаратов, широко используемых в урологической практике в настоящее время. Обязательным условием эффективной медикаментозной терапии является связывание таргетного препарата с соответствующей терапевтической мишенью действия, сопровождаемое, как правило, блокадой ее активности (ингибиторы ферментов, антагонисты или блокаторы рецепторов, переносчиков, ионных каналов) [2]. Для идеального с точки зрения фармакодинамики таргетного препарата количество активных молекул, содержащееся в разовой терапевтической дозе (в таблетке или капсуле), сопоставимо с числом его молекулярных мишеней в организме. На практике данное соотношение составляет более 1:1000, поэтому такое важное значение приобретает селективность таргетного препарата [3]. Общее свойство мишеней действия антибиотиков1 (различных структур бактериальной клетки) заключается в том, что у них нет аналогов в клетках человека. Это характерные только для прокариотической/бактериальной клетки структуры [4]: 1) клеточная стенка, точнее ферменты, участвующие в ее построении (мишени действия b-лактамов, фосфомицина, ванкомицина); 2) бактериальные рибосомы, белоксинтезирующие органеллы, которые отличаются строением от рибосом эукариотической клетки (мишени действия аминогликозидов, тетрациклинов, макролидов, линкозамидов); 3) кольцевая ДНК и специфические ферменты-упаковщики и ферменты-полимеразы (мишени действия фторхинолонов, рифампицина). Эти три группы мишеней не содержатся в клетках человека, что позволяет АМП избирательно подавлять активность и рост бактериальной клетки, оказывая точечное воздействие. На этом основаны показатели высокой безопасности и переносимости практически всех классов АМП в терапевтическом диапазоне доз. Количественные параметры фармакодинамических свойств АМП включают показатели микробиологической активности: минимальная ингибирующая концентрация антибиотика (МИК)2, бактериологическая эрадикация, частота рецидивирования, реинфекции, суперинфекции, наличие персистенции (рис. 2). Клинические показатели эффективности и переносимости терапии определяются конкретной нозологией. Фармакокинетические свойства АМП описываются в следующих терминах: всасывание, распределение, метаболизм и выведение из организма (ADME - в англоязычной литературе) [6]. К основным фармакокинетическим параметрам относятся значения: Cmax - максимальная плазменная концентрация АМП, Tmax - время до достижения Cmax, AUC - площадь под фармакокинетической кривой «концентрация-время». Системы ADME распознают лекарственные вещества исключительно как химические соединения, они не отличают фармакодинамических характеристик лекарственных препаратов, т.е. не отличают антибиотик от антидепрессанта, миорелаксант - от спазмолитика и т.д. Для ключевых участников ADME все АМП являются чужеродными для организма, перед ними стоит задача по их быстрой элиминации АМП, настолько быстрой, насколько это возможно, так как нормальная физиологическая концентрация АМП равна нулю. Путь элиминации АМП, траектория прохождения в организме зависят исключительно от химической природы конкретного АМП. Идеальный с точки зрения фармакокинетики ксенобиотик нигде не задерживается и не накапливается в тканях, не метаболизируется в печени, выводится в неизменном виде. Какими фармакодинамическими свойствами должно обладать действующее начало препарата, соответствующее таким требованиям? Это инертное соединение, неактивное, у него нет предпочтений, и, следовательно, оно лишено селективности/избирательности. Очевидно, что при выборе эффективного и безопасного препарата для АМТ необходимо согласовать его фармакодинамические обязательства/предпочтения/ потребности с сопутствующими фармакокинетическими задачами организма. Фармакокинетический/фармакодинамический профиль АМП Фармакологический профиль, включающий показатели фармакокинетики/фармакодинамики (pharmacokinetic/pharmacodynamics), обозначается как PK/PD-профиль (или PK/PD-индекс) [7]. Расчетными показателями PK/PD-индекса АМП являются: Cmax/МИК; AUC/МИК и T>МИК. Они отражают различные типы антимикробной активности: наличия концентрация-зависимых АМП и время-зависимых АМП (рис. 3). Для концентрация-зависимых АМП критерием эффективности АМТ является величина Cmax/MИK или AUC/MИK. Примерами таких АМП служат аминогликозиды, фторхинолоны, амфотерицин В, нитроимидазолы [8]. Чем выше пиковые значения (пусть даже кратковременные) Cmax в плазме крови, чем выше превышение МИК (1:5, 1:10), тем выше антимикробная активность. Несоблюдение фармакодинамического индекса увеличивает риск селекции резистентных штаммов микробов. Так, для ципрофлоксацина оптимальный PK/PD-профиль соответствует Cmax/МИК>10, AUC/МИК>100, минимальные ингибирующие концентрации - между 0,01 и 2 мкг/мл [9, 10]. Фактором, определяющим клиническую эффективность время-зависимых АМП, является длительность интервала времени, в течение которого концентрация свободного антибиотика в крови превышает МИК в отношении возбудителя, обозначается как Т>МИК. К АМП этого типа антимикробной активности относятся b-лактамы, макролиды, гликопептиды, линкозамиды [11]. Например, снижение обсемененности очага инфекции в эксперименте и клиническую эффективность цефалоспоринов наблюдают при T>МИК в течение не менее 40% от интервала дозирования [12]. Возможности эффективной АМТ существенно ограничивает антибиотикорезистентность - снижение чувствительности микроорганизмов к АМТ, которая воспринимается в настоящее время как угроза национальной стабильности и безопасности [13]. Механизмы антибиотикорезистентности включают 4 основных типа [14]. 1. Снижение внутриклеточной концентрации антибиотика. • Препятствие входу антибиотика извне. Особенно выражено влияние этого механизма на формирование устойчивости грамотрицательных бактерий - возбудителей нозокомиальных инфекций (псевдомонад, клебсиелл, ацинетобактера), возбудителей инфекций, передаваемых половым путем (гонококк). • Стимуляция выброса (эффлюкс) антибиотика из клетки за счет повышенной продукции (гиперэкспрессии) белка-переносчика, например MDR (multi drug resistance), ответственного за мультилекарственную резистентность. Эффлюкс индуцируется небольшими молекулами, такими как хинолы, желчь, содержание которых может повышаться при инфекционном процессе или активироваться в ответ на дефицит железа. 2. Инактивация антибиотика путем гидролиза или изменения его структуры. Наиболее полно изученные примеры включают гидролиз b-лактамных антибиотиков бактериальными ферментами b-лактамазами (пенициллиназы, карбепенемазы, IMP/VIM/KPC, b-лактамазы цефалоспоринов широкого спектра действия - ESBL). Аминогликозидмодифицирующие ферменты снижают активность антибактериальной терапии в результате ацетилирования, присоединения фосфатного или нуклеотидильного остатка к гидроксильным или аминным группам молекулы антибиотика. При этом значительно или полностью изменяется способность антибиотика находить и связывать мишень действия. 3. Амплификация гена, кодирующего белок-мишень (увеличение числа мишеней с сотен до тысяч, десятков тысяч в одной бактериальной клетке). 4. Модификация мишени действия, когда АМП перестает распознавать и связываться с привычной для него мишенью в бактериальной клетке. Ключевые механизмы формирования устойчивости к фторхинолонам включают активацию эффлюксных помп и возможную модификацию двух мишеней действия - ферментов топоизомеразы IV и ДНК-гиразы. В связи с наличием у фторхинолонов двух мишеней действия устойчивость к ним формируется ступенеобразно [15]. После возникновения и селекции мутаций в генах фермента, являющегося первичной мишенью, антибактериальный эффект проявляется за счет подавления активности второго фермента, являющегося вторичной мишенью. Если воздействие фторхинолонов на микроорганизм продолжается, то возможны возникновение и селекция мутаций во вторичной мишени и как следствие - дальнейшее повышение МИК. У штаммов микроорганизмов с высоким уровнем устойчивости обычно обнаруживают несколько мутаций в генах обеих топоизомераз. Фторхинолоны, обладающие приблизительно одинаковым сродством к топоизомеразам (ципрофлоксацин, левофлоксацин), по-видимому, в наименьшей степени способствуют селекции резистентности, так как для формирования устойчивого штамма мутации должны произойти одновременно в генах обоих ферментов [16]. Детальное изучение антимикробной резистентности фторхинолонов от концентрации АМП в среде инкубации позволило установить закономерности доза-зависимых эффектов [17]. Частота мутаций скорее всего не зависит от воздействия фторхинолонов и составляет около 10-7. Вероятность одновременной двойной мутации в генах двух мишеней - 10-14. Учитывая, что количество патогенных микроорганизмов в очаге инфекции обычно не превышает 1010 клеток, возможностью образования бактериальных клеток с двойной мутацией можно пренебречь. На фоне действия фторхинолонов in vitro или in vivo происходит лишь селекция устойчивых микроорганизмов в результате подавления размножения чувствительных. Вполне очевидно, что выживание мутантных штаммов возможно лишь в том случае, если уровень приобретенной резистентности окажется выше той концентрации препарата, на фоне которой велась селекция. Соответственно, чем выше концентрация препарата, при которой ведется селекция, тем менее вероятно формирование устойчивости. При определенных концентрациях фторхинолонов селекции устойчивых мутантов вообще не происходит. Такие концентрации получили название «концентрации, предотвращающие мутации» (mutation prevention concentration - MPC). В результате целенаправленных исследований установлен диапазон концентраций фторхинолонов между МРС и МИК, в котором наблюдается селекция устойчивых к фторхинолонам штаммов (рис. 4) [18]. Он получил название «окно селекции мутации». Таким образом, в задачи фармакотерапии фторхинолонами входит создание максимальных концентраций, превышающих верхнюю границу «окна селекции мутации». К возможным способам повышения эффективности АМП для лечения ИМП за счет изменения PK/PD-индекса относятся [19-22]: • основной путь выведения с мочой в неизменном виде; • высокая концентрация в моче, многократно (в 100-1000 раз) превышающая минимальную подавляющую концентрацию, - необходимое свойство для АМП, используемых для лечения неосложненных ИМП; • высокая проникающая способность в ткани мочеполовой системы, уроэпителий - необходимое свойство для АМП, используемых для лечения осложненных ИМП, рецидивирующих форм ИМП; • снижение риска «селекции мутации» основных уропатогенов за счет создания более высокой концентрации Cmax - необходимое свойство для АМП, используемых для лечения неосложненных и осложненных ИМП. Все перечисленные подходы призваны замедлить скорость мутационного процесса и препятствовать селекционному отбору резистентных штаммов уропатогенов на фоне АМТ. Фармакокинетические факторы, влияющие на активность АМП. Понятие «окна всасывания» Ципрофлоксацин относится к группе фторхинолонов, для которых важна пиковая концентрация действующего вещества для достижения бактерицидного эффекта [23]. Однако применение пероральных форм ципрофлоксацина сталкивается с фармакокинетическими ограничениями - наличием узкого «окна всасывания». В силу химической природы ципрофлоксацина площадь и время всасывания в желудочно-кишечный тракт (ЖКТ) существенно ограничены. Двенадцатиперстная кишка (ДПК) - основное место всасывания ципрофлоксацина, поэтому по мере пассажа от проксимального к конечным отделам ЖКТ шансы ципрофлоксацина на абсорбцию неуклонно снижаются. В результате биодоступность обычной формы ципрофлоксацина не превышает 70-80% [24]. Неабсорбированный фторхинолон остается в ЖКТ, повышая риск нежелательного действия на ЖКТ. Узкое «окно всасывания» ципрофлоксацина создает предпосылки повышения риска неудач АМТ для вариабельности PK/PD-профиля ципрофлоксацина; снижение всасывания и концентрации АМП в месте действия является основой для селекции устойчивых к нему микроорганизмов - резистентности к АМП [25]. С целью совершенствования фармакокинетических свойств лекарственных препаратов разработаны задерживающиеся в желудке (gastroretention) лекарственные формы (ЛФ) [26]. При этом фармацевтическая композиция таблетки остается в желудке в течение длительного времени для обеспечения адекватной абсорбции. Три системы позволяют задерживать ЛФ в ЖКТ, увеличивать «окно всасывания» и биодоступность, а также решать задачи целенаправленной доставки и всасывания лекарственных средств (рис. 5). 1. Expandable systems. Увеличение размера ЛФ препятствует ее прохождению через привратник в нижний отдел ЖКТ и, таким образом, высвобождение лекарственного средства происходит в желудке и верхнем отделе ЖКТ. Активный ингредиент диспергирован во множестве полимерных частиц, которые обладают способностью абсорбировать воду, что вызывает их набухание и постепенное выделение препарата - диспергирование и диффундирование. 2. Флотирующие системы. Механизм действия флотирующих систем доставки основан на изменении объемной плотности ЛФ. Плотность меньшая, чем плотность жидкости в желудке, позволяет ЛФ плавать на поверхности, избегая приближение к привратнику и эвакуацию из желудка, - флотирование. Увеличение времени нахождения в желудке способствует повышению абсорбции и биодоступности лекарственных веществ, а при сочетании с технологиями замедленного высвобождения - ФДД-технология: флотирования, диспергирования и диффундирования - поддерживается стабильная концентрация препарата в плазме крови. 3. Био/мукоадгезивные системы. Фиксация, задержка таблетки с контролируемой скоростью выделения действующего начала над «окном всасывания». Адгезия таких систем доставки может осуществляться с помощью специальных биоадгезивных материалов (желатин, хитозан, лектин, полимеры) непосредственно к слизистой оболочке ЖКТ или слою слизи, выстилающему ее поверхность. Как обеспечить стабильную эффективность ципрофлоксацина, не повышая общую суточную дозу? Для этого необходимо повысить его абсорбцию за один прием. Улучшение PK/PD-профиля ципрофлоксацина достигается за счет использования ФДД-технологии в виде ЛФ Цифран® ОД 1000 мг, которая характеризуется увеличением времени прохождения ципрофлоксацина через «окно всасывания» [24]. ЛФ Цифран® ОД сочетает преимущества в виде ФДД-технологии (рис. 6): включает пероральную рецептуру в виде таблеток с контролируемым высвобождением, применяемую 1 раз в сутки, которая содержит 1000 мг ципрофлоксацина и загуститель гидроксипропил-метилцеллюлозу, гелеобразующий агент альгинат натрия, газообразующий агент (гидрокарбонат натрия) и агент, вызывающий набухание (сшитый поливинилпирролидон) кросповидон. Таким образом, препарат Цифран® ОД - ципрофлоксацин 1000 мг/сут оригинальной системы пролонгированного высвобождения за счет механизмов флотирования, диспергирования и диффундирования (ФДД-технология) достигает оптимального всасывания ципрофлоксацина в ДПК. Клинические преимущества ципрофлоксацина с пролонгированным высвобождением Использование ЛФ пролонгированного высвобождения ципрофлоксацина с улучшенным PK/PD-профилем позволило повысить эффективность АМТ ципрофлоксацином за счет снижения выраженности межиндивидуальной вариабельности PK/PD-профиля (показателей Cmax, Cmax/МИК) и как следствие - повысить предсказуемость антимикробного действия (повышение эффективности АМП); снизить риск развития антимикробной резистентности (повышение безопасности АМП) [27-29]. При приеме ципрофлоксацина 1000 мг 1 раз в сутки величина Cmax составляет 3,11±1,08 мг/л, в то время как прием обычной формы ципрофлоксацина 500 мг 2 раза в сутки сопровождался увеличением плазменных концентраций, не превышающих значение 2,06±0,41 мг/л [30]. Следовательно, достигается увеличение Cmax ципрофлоксацина на 40-50%, а с ним и повышение ключевого индикатора PK/PD-профиля фторхинолонов - Cmax/МИК. Поскольку Сmax у Цифран® ОД выше, чем у обычной формы ципрофлоксацинов, ОД-форма обладает преимуществом в преодолении «окна селекции мутации» по сравнению с обычным ципрофлоксацином двукратного приема в сутки. Клинические исследования подтверждают, что назначение ципрофлоксацина с пролонгированным высвобождением снижает частоту терапевтических неудач (therapeutic failure); рис. 7. Сформулируем место ципрофлоксацина в лечении ИМП. В соответствии с актуальными на данный момент федеральными клиническими рекомендациями Цифран® ОД как препарат 1-й линии терапии применяется для лечения: • острого неосложненного пиелонефрита нетяжелого течения - 1000 мг каждые 24 ч продолжительностью 7 дней; • острого неосложненного пиелонефрита тяжелого течения - после курса парентеральной терапии - 1000 мг 1 раз в сутки до 7 дней. При осложненных инфекциях нижних мочевыводящих путей препаратом стартовой эмпирической терапии служат фторхинолоны (включая ципрофлоксацин), длительность курса терапии - от 7 до 14 дней. И в заключение отметим перспективные направления создания новых форм АМП. Антивирулентная терапия, поиск и разработка препаратов, не приводящих к селекции резистентных штаммов возбудителей [32]. Это новое направление АМТ находится в начале своего развития. От антибиотиков антивирулентные препараты выгодно отличаются тем, что напрямую не влияют на рост и размножение бактерий, тем самым не оказывая селективного давления. Влияние на межклеточную кооперацию. Взаимодействие между бактериями в колонии, биопленке является аналогом гуморальной регуляции в организме млекопитающих. Вмешательство в активную кооперацию между отдельными бактериями, так называемую кворумную сигнализацию (quorum sensing), представляется перспективным фармакологическим инструментом регуляции вирулентности, формирования биопленки и патогенности микроорганизмов [33]. Патологическая биопленка при ИМП как перспективная терапевтическая мишень. Существует потребность в поиске, разработке и оценке безопасных и эффективных препаратов, способных нарушать и устранять биопленку мочеполового тракта, они могут быть включены в комбинированную терапию наряду с противомикробными препаратами. Наблюдается повышенный интерес к исследованию роли биопленок в этиопатогенезе ИМП и как следствие - поиск фармакологических агентов, способных разрушать биопленку, включая антисептики (октенидин, хлоргексидин), ДНКазы, соединения пептидной структуры (синтетический полимер поли-L-лизин, антимикробные пептиды ретроциклин и субтилозин). К настоящему времени проведены успешные исследования по профилактике образования и удалению биопленок внутрисосудистых катетеров и имплантируемых устройств, протезов, используя различные экспериментальные модели in vitro [34]. 1Более корректно для обозначения лекарственных веществ с антимикробным действием использовать термин АМП, объединяющий антибактериальные средства различного происхождения - природные молекулы, синтетические или полусинтетические соединения. 2МИК способна подавлять патогенные микроорганизмы, входящие в спектр активности антибиотика; МИК50 - подавляет рост 50% штаммов.

About the authors

Aleksandr S. Dukhanin

Pirogov Russian National Research Medical University

Email: das03@rambler.ru
D. Sci. (Med.), Prof. Moscow, Russia

References

Supplementary files