Molecular mechanisms of antimicrobial defense strategy of bacterial cell

封面

如何引用文章

全文:

开放存取 开放存取
受限制的访问 ##reader.subscriptionAccessGranted##
受限制的访问 订阅存取

详细

INTRODUCTION: Solution to the problem of antibiotic resistance (ABR) and the continuing spread of multidrug resistant strains is a strategic task of practical healthcare. An important tool for improving antimicrobial pharmacotherapy, along with active search for new effective drug compounds, can be a detailed investigation of the prime cause of the emergence and effect of the extracellular environment on the molecular mechanisms of bacterial resistance to chemotherapeutic drugs.

AIM: Analysis of the literature devoted to the molecular mechanisms of antimicrobial defense strategy of the bacterial cell against the effect of medical drugs, and to promising strategies of combating antibiotic-resistant agents.

MATERIALS AND METHODS: A search and analysis of the scientific literature was conducted in PubMed, eLibrary, Europe PMC, WoS, CyberLeninka and other databases for the last 5 years. The search queries included the following word combinations: for Russian-language publications the problem of ABR, environmental factors of antibiotic sensitivity, resistance mechanisms, resistance genes, mobile genetic elements; for English-language publications: antibiotic resistance evolution, antibiotic resistance genes, antibiotic resistance in biofilms, transmission of antibiotic resistance. A total of 100 literature sources published from 2018 to 2022 have been analyzed, of which 44 were included in the review.

An analysis of domestic and foreign sources showed that a significant role in the development of ABR in microorganisms is assigned to enzymatic beta-lactamase activity, specific protective proteins of microorganisms, as well as the ability of pathogenic strains to form biofilms. Besides, according to the results of studies, the main source of resistance genes is the environment, where the transfer of ABR genes between representatives of different bacterial taxa occurs. Promising areas in the fight against antibiotic-resistant pathogens are mathematical modeling, synthetic biology, phage therapy.

CONCLUSION: In modern studies, the tendency of microorganisms to ABR presents a serious evolutionary and ecological problem. The uncontrolled and unjustified current use of antibacterial drugs in medicine, veterinary medicine and agriculture provoked the activation of the mechanisms of bacterial cell defense known by the moment, and caused enhancement of the adaptive capacity of bacterial pathogens and spread of multidrug resistant strains. The review also provides data on various strategies aimed at solving the ABR problem.

作者简介

Anna Lutsenko

Astrakhan State Medical University; Astrakhan State Technical University

编辑信件的主要联系方式.
Email: ahrapova@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-8423-3351
SPIN 代码: 3292-9049

Cand. Sci. (Biol.)

俄罗斯联邦, Astrakhan; Astrakhan

Anna Yasenyavskaya

Astrakhan State Medical University

Email: yasen_9@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-2998-2864
SPIN 代码: 5809-5856

MD, Dr. Sci. (Med.), Associate Professor

俄罗斯联邦, Astrakhan

Marina Samotrueva

Astrakhan State Medical University

Email: ms1506@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-5336-4455
SPIN 代码: 5918-1341

MD, Dr. Sci. (Med.), Professor

俄罗斯联邦, Astrakhan

参考

  1. Uddin TM, Chakraborty AJ, Khusro A, et al. Antibiotic resistance in microbes: History, mechanisms, therapeutic strategies and future prospects. J Infect Public Health. 2021;14(12):1750–66. doi: 10.1016/j.jiph.2021.10.020
  2. Zubareva VD, Sokolova OV, Bezborodova NA, et al. Molecular mechanisms and genetic determinants of resistance to antibacterial drugs in microorganisms (review). Agricultural Biology. 2022;57(2):237–56. (In Russ). doi: 10.15389/agrobiology.2022.2.237eng
  3. Larsson DGJ, Flach C–F. Antibiotic resistance in the environment. Nat Rev Microbiol. 2022;20(5):257–69. doi: 10.1038/s41579-021-00649-x
  4. Davidovich NV, Solovieva NV, Bashilova EN, et al. Endoecological Aspects of Antibiotic Resistance: A Literature Review. Human Ecology. 2020;27(5):31–6. (In Russ). doi: 10.33396/1728-0869-2020-5-31-36
  5. Starikova AA, Gabitova NM, Tsibizova AA, et al. Study of antimicrobial activity of new Quinazolin-4(3n)-one derivatives with respect to Echerichia coli and Klebsiella pnevmoniae. Astrakhan Medical Journal. 2022;17(1):60–71. (In Russ). doi: 10.48612/agmu/2022.17.1.60.71
  6. Taggar G, Attiq Rehman M, Boerlin P, et al. Molecular Epidemiology of Carbapenemases in Enterobacteriales from Humans, Animals, Food and the Environment. Antibiotics (Basel). 2020;9(10):693. doi: 10.3390/antibiotics9100693
  7. Wilson DN, Hauryliuk V, Atkinson GC, et al. Target protection as a key antibiotic resistance mechanism. Nat Rev Microbiol. 2020;18(11):637–48. doi: 10.1038/s41579-020-0386-z
  8. Shur KV, Bekker OB, Zaichikova MV, et al. Genetic Aspects of Mycobacterium tuberculosis Drug Resistance and Virulence. Russian Journal of Genetics. 2018;54(12):1363–75. (In Russ). doi: 10.1134/S0016675818120147
  9. Zemlyanko OM, Rogoza TM, Zhouravleva GA. Mechanisms of bacterial multiresistance to antibiotics. Ecological Genetics. 2018; 16(3):4–17. (In Russ). doi: 10.17816/ecogen1634-17
  10. Felker IG, Gordeeva EI, Stavitskaya NV, et al. Prospects and Obstacles for Clinical Use of the Inhibitors of Mycobacterium tuberculosis Efflux Pumps. Biologicheskiye Membrany. Zhurnal Membrannoy i Kletochnoy Biologii. 2021;38(5):317–39. (In Russ). doi: 10.31857/S0233475521050054
  11. Gun MA, Bozdogan B, Coban AY. Tuberculosis and beta-lactam antibiotics. Future Microbiol. 2020;15(10):937–44. doi: 10.2217/fmb-2019-0318
  12. Fratoni AJ, Nicolau DP, Kuti JL. A guide to therapeutic drug monitoring of β-lactam antibiotics. Pharmacotherapy. 2021;41(2):220–33. doi: 10.1002/phar.2505
  13. Ibrahim ME, Abbas M, Al-Shahrai AM, et al. Phenotypic Characterization and Antibiotic Resistance Patterns of Extended-Spectrum β-Lactamase- and AmpC β-Lactamase-Producing Gram-Negative Bacteria in a Referral Hospital, Saudi Arabia. Can J Infect Dis Med Microbiol. 2019;2019:6054694. doi: 10.1155/2019/6054694
  14. Philippon A, Jacquier H, Ruppé E, et al. Structure-based classification of class A beta-lactamases, an update. Curr Res Transl Med. 2019;67(4):115–22. doi: 10.1016/j.retram.2019.05.003
  15. Tulara NK. Nitrofurantoin and Fosfomycin for Extended Spectrum Beta-lactamases Producing Escherichia coli and Klebsiella pneumonia. J Glob Infect Dis. 2018;10(1):19–21. doi: 10.4103/jgid.jgid_72_17
  16. Ero R, Yan X–F, Gao Y–G. Ribosome Protection Proteins — “New” Players in the Global Arms Race with Antibiotic-Resistant Pathogens. Int J Mol Sci. 2021;22(10):5356. doi: 10.3390/ijms22105356
  17. Khryanin AA. Microbial Biofilms: Modern Concepts. Antibiotics and Chemotherapy. 2020;65 5-6):70–7. (In Russ). doi: 10.37489/0235-2990-2020-65-5-6-70-77
  18. Ciofu O, Moser C, Jensen PØ, et al. Tolerance and resistance of microbial biofilms. Nat Rev Microbiol. 2022;20(10):621–35. doi: 10.1038/s41579-022-00682-4
  19. Muhammad MH, Idris AL, Fan X, et al. Beyond Risk: Bacterial Biofilms and Their Regulating Approaches. Front Microbiol. 2020; 11:928. doi: 10.3389/fmicb.2020.00928
  20. Zhou L, Zhang Y, Ge Y, et al. Regulatory Mechanisms and Promising Applications of Quorum Sensing-Inhibiting Agents in Control of Bacterial Biofilm Formation. Front Microbiol. 2020;11:589640. doi: 10.3389/fmicb.2020.589640
  21. Uruén C, Chopo–Escuin G, Tommassen J, et al. Biofilms as Promoters of Bacterial Antibiotic Resistance and Tolerance. Antibiotics (Basel). 2020;10(1):3. doi: 10.3390/antibiotics10010003
  22. Petukhova IN, Dmitriyeva NV, Grigor'yevskaya ZV, et al. Infektsii, svyazannyye s obrazovaniyem bioplenok. Malignant Tumours. 2019; 9(3s1):26–31. (In Russ). doi: 10.18027/2224-5057-2019-9-3s1-26-31
  23. Orazi G, O’Toole GA. “It Takes a Village”: Mechanisms Underlying Antimicrobial Recalcitrance of Polymicrobial Biofilms. J Bacteriol. 2019;202(1):e00530-19. doi: 10.1128/jb.00530-19
  24. Karkman A, Pärnänen K, Larsson DGJ. Fecal pollution can explain antibiotic resistance gene abundances in anthropogenically impacted environments. Nat Commun. 2019;10(1):80. doi: 10.1038/s41467-018-07992-3
  25. Burtseva SA, Byrsa MN, Chebotar' VI. Raznoobraziye predstaviteley klassa Actinobacteria v vodnoy tolshche ozernoy sistemy «La Izvor». In: Instruire prin cercetare pentru o societate prosperă; Chişinău, 20–21 March 2021. 8th ed. Chişinău; 2021;1:165–72. Available at: https://ibn.idsi.md/en/vizualizare_articol/127529. Accessed: 2023 September 12. (In Russ).
  26. Bengtsson–Palme J, Kristiansson E, Larsson DGJ. Environmental factors influencing the development and spread of antibiotic resistance. FEMS Microbiol Rev. 2018;42(1):fux053. doi: 10.1093/femsre/fux053
  27. Partridge SR, Kwong SM, Firth N, et al. Mobile genetic elements associated with antimicrobial resistance. Clin Microbiol Rev. 2018;31(4): e00088-17. doi: 10.1128/cmr.00088-17
  28. Andryukov BG, Besednova NN, Zaporozhets TS. Mobile Genetic Elements of Prokaryotes and Their Role in the Formation of Antibiotic Resistance in Pathogenic Bacteria. Antibiotics and Chemotherapy. 2022; 67(1-2):62–74. (In Russ). doi: 10.37489/0235-2990-2022-67-1-2-62-74
  29. Humphrey S, Fillol–Salom A, Quiles–Puchalt N, et al. Bacterial chromosomal mobility via lateral transduction exceeds that of classical mobile genetic elements. Nat Commun. 2021;12(1):6509. doi: 10.1038/s41467-021-26004-5
  30. Hall JPJ, Harrison E, Baltrus DA. Introduction: the secret lives of microbial mobile genetic elements. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci. 2022;377(1842):20200460. doi: 10.1098/rstb.2020.0460
  31. Mustafin RN. The Role of Mobile Genetic Elements in the Origin of Life on Earth. Uspekhi Fiziologicheskikh Nauk. 2019;50(3):45–64. (In Russ). doi: 10.1134/S0301179819020085
  32. Akrami F, Rajabnia M, Pournajaf A. Resistance integrons; A mini review. Caspian J Intern Med. 2019;10(4):370–6. doi: 10.22088/cjim.10.4.370
  33. Xu D, Lu W. Defensins: A Double-Edged Sword in Host Immunity. Front Immunol. 2020;11:764. doi: 10.3389/fimmu.2020.00764
  34. Shemyakin IG, Firstova VV, Fursova NK, et al. New-generation antibiotics, bacteriophage endolysins and nanomaterials for combating pathogens. Review. Biokhimiya. 2020;85(11):1615–32. (In Russ). doi: 10.31857/S0320972520110081
  35. Arepyeva MA, Kolbin AS, Sidorenko SV, et al. A mathematical model for predicting the development of bacterial resistance based on the relationship between the level of antimicrobial resistance and the volume of antibiotic consumption. J Glob Antimicrob Resist. 2017;8:148–56. doi: 10.1016/j.jgar.2016.11.010
  36. Pinzi L, Rastelli G. Molecular Docking: Shifting Paradigms in Drug Discovery. Int J Mol Sci. 2019;20(18):4331. doi: 10.3390/ijms20184331
  37. Jadhav PA, Baravkar A. Recent advances in antimicrobial activity of pyrimidines: a review. Asian J Pharm Clin Res. 2022;15(2):4–10. doi: 10.22159/ajpcr.2022.v15i2.43686
  38. Samotrueva MA, Gabitova NM, Genatullina GN, et al. Assessment of Antimycobacterial Activity of Newly Synthesized Pyrimidine Derivatives Against Mycobacterium tuberculosis. Antibiotics and Chemotherapy. 2022;67(3–4):4–15. (In Russ). doi: 10.37489/0235-2990-2022-67-3-4-4-15
  39. Gordillo Altamirano FL, Barr JJ. Phage Therapy in the Post-antibiotic Era. Clin Microbiol Rev. 2019;32(2):e00066-18. doi: 10.1128/cmr.00066-18
  40. Khan A, Ostaku J, Aras E, et al. Combating Infectious Diseases with Synthetic Biology. ACS Synth Biol. 2022;11(2):528–37. doi: 10.1021/acssynbio.1c00576
  41. Mokhov AA. «Synthetic» genom and products resultant using it as new objects of legal relations. Courier of Kutafin Moscow State Law University (MSAL)). 2020;(5):51–9. (In Russ). doi: 10.17803/2311-5998.2020.69.5.051-059
  42. Sineva ON. Isolation of rare Genera of actinomycetes — antibiotic producers from soils using Aloe Arborescens juice. Antibiotics and Chemotherapy. 2022;66(9–10):4–11. (In Russ). doi: 10.37489/0235-2990-2021-66-9-10-4-11
  43. Liu T, Wang J, Gong X, et al. Rosemary and Tea Tree Essential Oils Exert Antibiofilm Activities In Vitro Against Staphylococcus aureus and Escherichia coli. J Food Prot. 2020;83(7):1261–7. doi: 10.4315/0362-028x.jfp-19-337
  44. Knezevic P, Aleksic V, Simin N, et al. Antimicrobial activity of Eucalyptus camaldulensis essential oils and their interactions with conventional antimicrobial agents against multi-drug resistant Acinetobacter baumannii. J Ethnopharmacol. 2016;178:125–36. doi: 10.1016/j.jep.2015.12.008

补充文件

附件文件
动作
1. JATS XML
下载
2. Fig. 1. Basic mechanisms of antibacterial resistance.

下载 (171KB)
索引源数据
3. Fig. 2. Strategies for combating antibiotic-resistant pathogens.

下载 (86KB)
索引源数据

版权所有 © Eco-Vector, 2025


 


Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».