ベータラクタマーゼ

このファミリーのメンバーは、一般的にβ-ラクタマーゼ（例：TEM-3、TEM-4 ^{[ 8 ]}、SHV-2 ^{[ 9 ]}）を発現し、広域スペクトル（拡張スペクトル）セファロスポリンに対する耐性を付与します。1980年代半ばに、この新しい酵素群である広域スペクトルβ-ラクタマーゼ（ESBL）が検出されました（最初に検出されたのは1979年）。^{[ 10 ]}急性期病院では、ESBL産生菌の蔓延が徐々に増加しています。^{[ 11 ]}一般集団における蔓延率は国によって異なり、例えばドイツ^{[ 12 ]}とフランス^{[ 13 ]}では約6%、サウジアラビアでは13% ^{[ 14 ]} 、エジプトでは63% ^{[ 15 ]となっています。}

ESBLは、オキシイミノ側鎖を持つ広域スペクトルセファロスポリンを加水分解するβ-ラクタマーゼです。これらのセファロスポリンには、セフォタキシム、セフトリアキソン、セフタジジム、およびオキシイミノモノバクタムであるアズトレオナムが含まれます。したがって、ESBLはこれらの抗生物質および関連するオキシイミノβ-ラクタムに対する多剤耐性を付与します。典型的な状況では、ESBLはTEM-1、TEM-2、またはSHV-1の遺伝子から、これらのβ-ラクタマーゼの活性部位周辺のアミノ酸配置を変化させる変異によって生じます。より広範囲のβ-ラクタム系抗生物質がこれらの酵素による加水分解を受けます。TEMまたはSHV系統ではないESBLが近年増加しています。^{[ 16 ]} ESBLはしばしばプラスミドにコードされています。 ESBL産生に関与するプラスミドは、他の薬剤クラス（例えばアミノグリコシド）に対する耐性をコードする遺伝子を保有していることが多い。そのため、ESBL産生菌の治療における抗生物質の選択肢は極めて限られている。カルバペネムはESBL産生菌による重篤な感染症の第一選択薬であるが、カルバペネム耐性（主にエルタペネム耐性）分離株が最近報告されている。^{[ 17 ]} ESBL産生菌は一部の広域スペクトルセファロスポリンに感受性を示すように見えるかもしれない。しかし、そのような抗生物質による治療は高い失敗率と関連付けられている。

阻害剤耐性β-ラクタマーゼはESBLではありませんが、古典的なTEM型またはSHV型酵素の誘導体であるため、ESBLと併せて議論されることがよくあります。これらの酵素は当初、阻害剤耐性TEMβ-ラクタマーゼの略称としてIRTと命名されましたが、その後すべて数値のTEMに改名されました。阻害剤耐性TEMβ-ラクタマーゼは少なくとも19種類存在します。阻害剤耐性TEMβ-ラクタマーゼは主に大腸菌の臨床分離株で発見されていますが、肺炎桿菌、オキシトカ桿菌、プロテウス・ミラビリス、シトロバクター・フロインディのいくつかの株でも発見されています。阻害剤耐性TEM変異株はクラブラン酸とスルバクタムによる阻害に耐性があり、アモキシシリン・クラブラン酸（コ・アモキシクラブ）、チカルシリン・クラブラン酸（コ・チカルクラブ）、アンピシリン/スルバクタムのβ-ラクタム-ラクタマーゼ阻害剤併用薬に対して臨床的耐性を示すが、通常はタゾバクタムによる阻害に感受性があり、その後ピペラシリン/タゾバクタム併用薬にも感受性があるが、耐性が報告されている。これはもはや主にヨーロッパの疫学ではなく、アメリカ北部でよく見られ、複雑な尿路感染症の場合には検査すべきである。^{[ 20 ]}

AmpC型β-ラクタマーゼは、広域スペクトルセファロスポリン耐性グラム陰性菌からよく分離されます。AmpC β-ラクタマーゼ（クラスCまたはグループ1とも呼ばれる）は、Citrobacter属、Serratia属、Enterobacter属など多くのグラム陰性菌の染色体にコードされており、その発現は通常誘導可能です。Escherichia coliにも存在することがありますが、通常は誘導可能ではなく、過剰発現させることは可能です。AmpC型β-ラクタマーゼはプラスミド上にも存在することがあります。^{[ 7 ]} AmpC β-ラクタマーゼは、ESBLとは対照的に、広域および拡張スペクトルセファロスポリン（セファマイシンおよびオキシイミノ-β-ラクタム）を加水分解しますが、β-ラクタマーゼ阻害剤であるクラブラン酸およびタゾバクタムによって通常は阻害されません。一方、アビバクタムはこのクラスのβ-ラクタマーゼに対する阻害活性を維持できます。^{[ 29 ]} AmpC型β-ラクタマーゼ菌は、臨床的にはしばしば「SPACE」という頭字語でグループ化されます。SPACE：Serratia、PseudomonasまたはProteus、Acinetobacter、Citrobacter、およびEnterobacter。

プラスミド媒介性IMP型カルバペネマーゼ（IMPはactive-on-imipenemの略）は、現在19種類が知られており、1990年代に日本の腸内グラム陰性菌、シュードモナス属菌、アシネトバクター属菌に定着した。IMP酵素は極東の他の国々へゆっくりと広がり、1997年にはヨーロッパで報告され、カナダやブラジルでも発見されている。

カルバペネマーゼの2番目に増加しているファミリーであるVIMファミリーは、1999年にイタリアで報告され、現在では10のメンバーが含まれており、ヨーロッパ、南米、極東に広く分布し、米国でも発見されています。VIM-1は1996年にイタリアのP. aeruginosaで発見されました。それ以来、現在主流となっているVIM-2はヨーロッパと極東で繰り返し発見されています。VIM-3とVIM-​​4は、それぞれVIM-2とVIM-​​1のマイナーな変異体です。

アミノ酸配列の多様性は、VIMファミリーでは最大10%、IMPファミリーでは15%、VIMとIMPの間では70%である。しかし、両ファミリーの酵素は類似している。どちらもインテグロンに関連しており、時にはプラスミド内に存在する。どちらもモノバクタムを除くすべてのβ-ラクタムを加水分解し、すべてのβ-ラクタム阻害剤を回避する。VIM酵素は最も広く分布しているMBLの一つであり、40を超えるVIM変異体が報告されている。生化学的および生物物理学的研究により、VIM変異体は速度論的パラメータにわずかな変動しかないが、熱安定性と阻害プロファイルには大きな違いがあることが明らかになった。^{[ 30 ]}

OXA グループの β- ラクタマーゼは主にアシネトバクター属に存在し、2 つのクラスターに分けられます。OXA カルバペネマーゼは、試験管内ではカルバペネムを非常にゆっくりと加水分解し、一部のアシネトバクター宿主で見られる高い MIC (>64  mg/L) は二次的なメカニズムを反映している可能性があります。臨床分離株では、不透過性や排出などの追加の耐性メカニズムによって増強されることがあります。OXA カルバペネマーゼは、ペニシリンやセファロスポリンに対する加水分解効率も低下する傾向があります。^{[ 31 ]}

クラスA酵素のうち、プラスミド媒介性KPC酵素が最もよく知られているものは、効果的なカルバペネマーゼでもある。KPC-2からKPC-11までの10種類の変異体が知られており、これらは1つまたは2つのアミノ酸置換によって区別される（KPC-1は2008年に再配列され、KPC-2の既発表配列と100%相同であることが判明した）。KPC-1はノースカロライナ州で、KPC-2はボルチモアで、KPC-3はニューヨーク州で発見された。これらはSMEおよびNMC/IMI酵素とは45%の相同性しかなく、それらとは異なり、自己伝達性プラスミドによってコードされる可能性がある。

2009年2月現在世界中で最も一般的なカルバペネマーゼはクラスAのKlebsiella pneumoniae carbapenemase（KPC ）であり、1996年に米国ノースカロライナ州で初めて検出されました。^{[ 32 ]} 2010年の出版物では、KPC産生腸内細菌科が米国で一般的になりつつあることが示されました。^{[ 33 ]}

最初のクラスCカルバペネマーゼは2006年に発見され、Enterobacter aerogenesの病原性株から分離された。^{[ 34 ]}これはプラスミドpYMG-1上に存在し、そのため他の細菌株に伝達可能である。^{[ 35 ]}

一般的に、これらの酵素の臨床的意義は限られています。^{[ 36 ]} CcrA（CfiAとも呼ばれる）は、Bacteroides fragilis分離株の約1～3%に存在する遺伝子によってコードされていますが、発現には通常、上流の挿入配列による活性化が必要なため、酵素を発現するのはごく一部です。^{[ 37 ]} CcrA産生株はイミペネムの臨床導入前に同定されており、その後、その蔓延はほとんど増加していません。^{[ 38 ]}

2009年にニューデリーで最初に記述されたこの遺伝子は、現在、インドとパキスタンの大腸菌と肺炎桿菌に広く分布しています。2010年半ばの時点で、NDM-1遺伝子を持つ細菌は他の国（米国や英国を含む）にも持ち込まれており、おそらく世界中を旅行する多数の観光客が環境からこの菌株を拾ったためと考えられます。インドの環境サンプルからNDM-1遺伝子を含む菌株が発見されています。^{[ 39 ]} NDMには、異なる特性を共有するいくつかの変異体があります。^{[ 30 ]}

一般的に、分離株がセファマイシン（セフォキシチン、セフォテタン）に対して試験管内感受性を示すが、第3世代セファロスポリンおよびアズトレオナムに対して耐性を示す場合、ESBL産生株であると疑われる。さらに、試験管内感受性が報告されているにもかかわらず、グラム陰性菌感染症に対するこれらの薬剤による治療が失敗した場合、これらの菌株を疑うべきである。ESBL産生株が検出された場合、試験管内感受性試験の結果であっても、検査機関はすべてのペニシリン、セファロスポリン、およびアズトレオナムに対して「耐性」と報告する必要がある。アミノグリコシドおよびトリメトプリム・スルファメトキサゾールに対する耐性、ならびにフルオロキノロン耐性の共存頻度が高いことが問題となる。クラブラン酸、スルバクタム、タゾバクタムなどのβ-ラクタマーゼ阻害剤は、 in vitroではほとんどのESBLを阻害しますが、β-ラクタム/β-ラクタマーゼ阻害剤の併用療法の臨床的有効性は、治療において一貫して信頼できるものではありません。セファマイシン（セフォキシチンおよびセフォテタン）は、大部分のESBLによって加水分解されませんが、関連するAmpC型β-ラクタマーゼによって加水分解されます。また、β-ラクタム/β-ラクタマーゼ阻害剤の併用療法は、AmpC型β-ラクタマーゼを産生する菌に対して有効でない場合があります。これらの菌株は、外膜タンパク質の発現を低下させ、セファマイシンに対する耐性を獲得することがあります。in vivo試験では、ESBL産生K. pneumoniaeに対して様々な結果が得られています。 （第4世代セファロスポリンであるセフェピムは、多くのESBL/AmpC株の存在下でin vitroでの安定性を示している。）現在、カルバペネム系薬剤は、一般的にESBL産生菌による感染症の治療において第一選択薬とみなされている。カルバペネム系薬剤はESBLによる加水分解に耐性があり、 ESBLを発現する腸内細菌科の菌株に対して優れたin vitro活性を示す。