КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 14-15-00970

НазваниеРазработка новой методологии прогнозирования и предотвращения антибиотикорезистентности бактерий на основе фармакокинетико-фармакодинамического моделирования

РуководительФирсов Александр Алексеевич, Доктор биологических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Научно-исследовательский институт по изысканию новых антибиотиков имени Г.Ф.Гаузе", г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ 2014 г. - 2016 г. 

Конкурс№1 - Конкурс 2014 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 05 - Фундаментальные исследования для медицины, 05-503 - Фармакодинамика

Ключевые словаАнтибиотики, резистентность бактерий, фармакокинетико-фармакодинамическое моделирование, динамические системы in vitro, оптимальные режимы антибиотикотерапии, прогнозирование

Код ГРНТИ34.45.00


СтатусУспешно завершен


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Развитие антибиотикорезистентности патогенных бактерий – важнейший фактор снижения эффективности антибиотиков, который приобретает особое значение на фоне резкого сокращения числа оригинальных препаратов, созданных в последние годы. Это обстоятельство стимулирует поиск новых подходов к рациональному применению существующих и направленному поиску новых антибиотиков. Среди таких подходов наиболее перспективным считается фармакокинетико-фармакодинамическое моделирование. Его основным инструментом стали динамические системы, которые позволяют изучать кинетику гибели бактерий при моделировании in vitro фармакокинетических профилей, реализуемых у человека (in vitro dynamic models). С помощью таких систем оказалось возможным прогнозировать не только воздействие антибиотиков на патогенные бактерии, но и развитие антибиотикорезистентности при клинических режимах введения препаратов. Актуальность этих исследований определяется их направленностью на решение проблемы повышения эффективности антибиотикотерапии и повышения надежности отбора перспективных антибиотиков. Именно поэтому в 2014 г. Национальными Институтами Здоровья США (National Institutes of Health) была объявлена 5-летняя программа исследований антибиотикорезистентности с помощью динамических систем (10 грантов, каждый по 1-1,5 млн. долларов). Наряду с исследовательскими центрами США и Канады, подобные работы сегодня проводятся в Германии, Великобритании, а также в Корее и КНР. В нашей стране такие исследования осуществляются только в ФГБУ "НИИНА" РАМН, где разработан комплекс оригинальных методических подходов к фармакокинетико-фармакодинамическому моделированию, впервые установлен вид зависимости селекции резистентных бактерий от моделируемых значений площади по фармакокинетической кривой, отнесенной к МПК, а также получены прямые доказательства применимости новой концепции «окна резистентности» (Mutant Selection Window – MSW) для прогнозирования селекции резистентных мутантов патогенных бактерий при клинических схемах антибиотикотерапии. Несмотря на решающий прорыв, наметившийся в деле прогнозирования антибиотикорезистентности бактерий с помощью динамических систем, большинство работ, проведенных по данной тематике, пока касается ограниченного числа препаратов и лишь нескольких видов патогенных бактерий. В связи с этим предусматриваемое настоящим проектом распространение такого подхода на новые объекты может стать основой для создания общей методологии прогнозирования и предотвращения развития резистентности патогенных бактерий в процессе антибиотикотерапии. Для решения задач, предусмотренных предлагаемым проектом, будут использованы современные методы фармакокинетико-фармакодинамического моделирования, включая динамические системы нового типа, интегральные методы оценки антимикробного эффекта, хроматомасс-спектрометрические и хроматографические методы количественного определения антибиотиков, математическое моделирование процессов их взаимодействия с бактериями.

Ожидаемые результаты
В результате выполнения проекта предполагается разработать методологию прогнозирования и предупреждения антибиотикорезистентности патогенных бактерий на основе фармакодинамических исследований в системах in vitro, моделирующих фармакокинетику антибиотиков у человека, провести сравнительную оценку количественных соотношений между интегральными характеристиками процессов селекции резистентных мутантов и фармакокинетическими параметрами, рекомендовать фармакокинетические параметры для прогнозирования развития антибиотикорезистентности и разработать общие принципы оптимизации режимов дозирования, обеспечивающих снижение риска развития антибиотикорезистентности у человека. Выполнение проекта должно обеспечить не менее 7 публикаций в международных научных журналах с импакт-фактором не ниже 3. Выполнение проекта обеспечит возможность направленного поиска новых антибиотиков, способных преодолевать устойчивость патогенных бактерий к имеющимся препаратам, повысить прогностический потенциал доклинических исследований и рекомендовать оптимальные режимы применения новых антибиотиков в клинике. По результатам этих исследований планируется разработать методические указания по доклиническому изучению новых антибиотиков с использованием динамических систем.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2014 году
До последнего времени исследования резистентности бактерий с помощью динамических систем in vitro были проведены лишь с некоторыми антибиотиками, поэтому методология таких исследований пока еще находится в стадии разработки. Одним из спорных остается вопрос о выборе стартового инокулума. Использование высоких посевных доз, содержащих спонтанные резистентные мутанты, оказалось успешным в экспериментах со фторхинолонами и Staphylococcus aureus, Streptococcus pneumoniae, Enterococcus faecium и другими патогенными бактериями, но не с антибиотиками группы оксазолидинонов, для которых характерна очень низкая частота мутаций, по крайней мере, для S. aureus. Для решения этой проблемы и стандартизации условий экспериментов по изучению резистентности бактерий предложено использовать комбинированные инокулумы, содержащие наряду с чувствительными клетками предварительно культивированные резистентные мутанты родительского штамма. Применимость этого подхода доказана фармакодинамическими экспериментами с линезолидом и S. aureus с использованием динамической системы, моделирующей фармакокинетические профили у человека. Установленные взаимосвязи между селекцией резистентных стафилококков и концентрацией линезолида удалось объяснить в рамках недавно предложенной теории «окна резистентности мутантов» (MSW). Согласно этой теории селекция резистентных мутантов наиболее вероятна в тех случаях, когда концентрация антибиотика выше MIC, но ниже концентрации, предотвращающей селекцию мутантов (MPC). Поскольку длительность экспозиции микроорганизмов по отношению к антибиотику и продолжительность наблюдения за численностью мутантов могут быть критическими для установления соотношений «концентрация – резистентность», проведены фармакодинамические исследования с S. aureus, имитирующие 10-дневные курсы введения даптомицина человеку. Показано, что четкие взаимосвязи между площадью под кривой «концентрация антибиотика – время», отнесенной к МIC (AUC/MIC), и несмещенные оценки «антимутантных» значений AUC/MIC могут быть установлены и в более коротких экспериментах с 3-5-дневным введением антибиотика в динамическую систему. Для установления количественных соотношений «концентрация – резистентность» предложен новый интегральный параметр – площадь под кривой изменения численности резистентных мутантов (AUBCM- Area Under Bacterial concentration – time Curve for Mutants). С помощью этого параметра установлена зависимость селекции ципрофлоксацинорезистентных мутантов S. aureus и Escherichia coli от отношения AUC/MIC. Показано, что указанная селекция происходит в тех случаях, когда концентрация ципрофлоксацина находилась внутри «окна резистентности мутантов» на протяжении всего или большей части интервала дозирования, но не тогда, когда концентрация антибиотика близка к MIC или выше MPC.

 

Публикации

1. Alexander A. Firsov, Yury A. Portnoy, Elena N. Strukova, Darya S. Shlykova, Stephen H. Zinner. Predicting bacterial resistance using the time inside the mutant selection window: possibilities and limitations International Journal of Antimicrobial Agents, Volume 44, Issue 4, October 2014, Pages 301–305 (год публикации - 2014) https://doi.org/10.1016/j.ijantimicag.2014.06.013


Аннотация результатов, полученных в 2015 году
Динамические системы, которые позволяют моделировать in vitro фармакокинетические профили антибиотиков, реализуемые у человека, все шире применяются в исследованиях антибиотикорезистентности бактерий. Ранее с помощью этого подхода был установлен вид зависимости между селекцией резистентных стафилококков и площадью под кривой «концентрация фторхинолонов – время», отнесенной к MIC. Кривые этой зависимости имели куполообразную форму, которую удалось объяснить с позиций недавно предложенной концепции «окна резистентности». В соответствии с этой концепцией селекция резистентных мутантов наиболее вероятна, когда концентрация антибиотика выше MIC, но ниже MPC. Исследования, проведенные в 2015 г., позволили установить, что та же концепция применима и к грамотрицательным бактериям, подвергнутым воздействию фторхинолона (ципрофлоксацин), а также к стафилококкам, подвергнутым воздействию оксазолидинона (линезолид), глико- (ванкомицин) и липопептидов (даптомицин). По данным популяционного анализа антибиотикочувствительности бактерий кривые зависимости «AUC/MIC-резистентность» для изученных пар «патогенный микроорганизм – антибиотик» во всех случаях имели куполообразную форму. Это позволяет рассматривать отношение AUC/MIC как штаммо-независимый параметр, позволяющий прогнозировать селекцию резистентных мутантов одного и того же вида. Для установления количественных соотношений «концентрация – резистентность» был использован интегральный параметр AUBCM – площадь под кривой изменения численности резистентных мутантов во времени. Значения AUBCM были рассчитаны для каждой пары «бактериальный штамм – антибиотик», а также для объединенных данных по каждому виду бактерий для каждого из моделируемых режимов дозирования. Наряду с этим были рассчитаны значения времени, в течение которого концентрация антибиотика находилась в пределах между MIC и MPC, т.е. внутри «окна резистентности» (TMSW). В отличие от куполообразных кривых зависимости AUBCM от AUC/MIC, кривые зависимости AUBCM от TMSW содержали петлю гистерезиса. Для точек, относящихся к восходящей ветви кривой зависимости AUBCM от AUC/MIC (когда концентрации антибиотика ниже MPC), значения AUBCM при одном и том же значении TMSW были выше, чем для точек, относящихся к нисходящей ветви кривой зависимости AUBCM от AUC/MIC (время, в течение которого концентрация превышает MPC). Каждая из ветвей описывалась сигмоидой значительно лучше, чем объединенные данные по обеим ветвям. Таким образом, оказалось возможным объяснить противоречивые сообщения о прогностической ценности параметра TMSW и рекомендовать корректный способ его использования для штаммо-независимого прогнозирования селекции резистентных мутантов.

 

Публикации

1. Голикова, МВ, Струкова, ЕН, Портной, ЮА, Фирсов АА Прогнозирование антибиотикорезистентности бактерий методами фармакокинетико-фармакодинамического моделирования: альтернативные подходы к анализу экспериментальных данных Антибиотики и химиотерапия, №9-10, том 60, стр. 11-16 (год публикации - 2015)

2. Струкова Е.Н., Портной Ю.А., Зиннер С.Х., Фирсов А.А. Predictors of bacterial resistance using in vitro dynamic models: area under the concentration-time curve related to either the minimum inhibitory or mutant prevention antibiotic concentrations Journal of Antimicrobial Chemotherapy, #3, v. 71, pp. 678-684 (год публикации - 2015) https://doi.org/10.1093/jac/dkv387

3. Струкова Е.Н., Портной Ю.А., Романов А.В., Эдельштейн М.В., Зиннер С.Х., Фирсов А.А. Сiprofloxacin resistance in Klebsiella pneumoniae: searching for the optimal predictor using in vitro dynamic models Antimicrobial Agents and Chemotherapy, #3, v. 60, pp. 1208-1215 (год публикации - 2015) https://doi.org/10.1128/AAC.02334-15

4. Фирсов А.А., Струкова Е.Н., портной Ю.А., Зиннер С.Х. Bacterial antibiotic resistance studies using in vitro dynamic models: Population analysis versus susceptibility testing as endpoints of the mutant enrichment. International Journal of Antimicrobial Agents, Volume 46, Issue 3, Pages 313–318 (год публикации - 2015) https://doi.org/10.1016/j.ijantimicag.2015.06.007


Аннотация результатов, полученных в 2016 году
Впервые проведено сравнительное изучение фармакодинамики цефтаролина и линезолида с использованием динамической системы с диализными ячейками, позволяющими изучать фармакодинамику антибактериальных препаратов с короткими периодами полувыведения, в данном случае – цефтаролина. Для сравнительной оценки антистафилококковых эффектов цефтаролина и линезолида моделировали клинические схемы их введения: 60-минутные инфузии с интервалом в 12 ч. Моделируемые значения периодов полувыведения цефтаролина и линезолида соответствовали установленным при изучении фармакокинетики антибиотиков у человека. Заданные отношения площади под кривой «концентрация – время» (AUC) к MIC цефтаролина и линезолида были равны клинически достижимым значениям или были вдвое ниже их. Длительность многократного введения антибиотиков составляла 3 суток. В работе использовали клинический метициллинорезистентный штамм S. aureus. Отбор проб из диализных ячеек динамической системы осуществляли на протяжении 72 ч. Установлено, что в отношении стафилококков как при терапевтических, так и при субтерапевтических значениях AUC/MIC цефтаролин эффективнее линезолида. С целью оценки прогностического потенциала параметров AUC/MIC и AUC/MPC (MPC –концентрация, предотвращающая селекцию резистентных мутантов) для каждой пары антибиотик – патоген были установлены зависимости селекции мутантов от AUC/MPC, которые, как и в случае параметра AUC/MIC, удовлетворительно описывались функцией Гаусса, однако интенсивность селекции мутантов лучше коррелировала с AUC/MIC, чем с AUC/MPC. На основании проведенных исследований сделан вывод о преимуществах параметра AUC/MIC перед AUC/MРC для штаммо-независимого прогноза антибиотикорезистентности бактерий. Этот вывод был подтвержден применительно к штаммо-независимому прогнозированию анти-мутантных значений AUC/MIC и AUC/MPC. Для оценки анти-мутантных значений AUC/MIC и AUC/MPC проводили регрессионный анализ точек, относящихся к нисходящей ветви графиков зависимости площади под кинетической кривой изменения численности резистентных мутантов (AUBCM) или отношения конечного MIC к исходному от AUC/MIC или AUC/MPC. За анти-мутантное значение AUC/MIC или AUC/MPC принимали точку пересечения регрессионной прямой с абсциссой. Независимо от способа отображения резистентности коэффициенты корреляции регрессии были выше в случае AUC/MIC. Установленные анти-мутантные значения AUC/MIC были сопоставлены с клинически достижимыми для каждого из изученных штаммов (AUCTher/MIC), а также со значениями AUCTher/MIC50. Показано, что установленные анти-мутантные значения AUC/MIC ципрофлоксацина значительно ниже значений AUCTher/MIC для E.coli, но не для P. aeruginosa и K. pneumoniae. Таким образом, применение ципрофлоксацина при инфекциях, вызванных P. aeruginosa и K. pneumoniae, чревато развитием антибиотикорезистентности. Поскольку анти-мутантные значения AUC/MIC линезолида, ванкомицина и даптомицина значительно ниже соответствующих значений AUCTher/MIC, при клиническом применении этих антибиотиков селекция резистентных штаммов S. aureus (за исключением пары «ванкомицин – MRSA») маловероятна. В целом, расчеты для изученных нами штаммов каждого вида были близки к расчетам для гипотетических представителей того же вида.

 

Публикации

1. Алиева К.Н., Струкова Е.Н., Голикова М.В., Портной Ю.А., Фирсов А.А. Зависимая от концентрации антибиотика селекция линезолидоусточивых стафилококков в динамической системе in vitro Антибиотики и химиотерапия, - (год публикации - 2016)

2. Голикова МВ, Струкова ЕН, Портной ЮА, Довженко СА, Кобрин МБ, Зиннер СХ, Фирсов АА Predicting effects of antibiotic combinations using MICs determined at pharmacokinetically-derived concentration ratios: in vitro model studies with linezolid- and rifampicin-exposed Staphylococcus aureus Journal of Chemotherapy, №5, т. 29, стр. 267- 273 (год публикации - 2017) https://doi.org/10.1080/1120009X.2017.1281093

3. Струкова ЕН, Портной ЮА, Зиннер СХ, Фирсов АА Species differences in ciprofloxacin resistance among gram-negative bacteria: can "anti-mutant" ratios of the area under the concentration-time curve to the MIC be achieved clinically? Journal of Chemotherapy, 29 № 6, т. 29, стр. 351-357 (год публикации - 2017) https://doi.org/10.1080/1120009X.2017.1335980

4. Фирсов А.А., Голикова М.В., Струкова Е.Н., Портной Ю.А., Довженко С.А., Кобрин М.Б., Циннер С.Х. Pharmacokinetically based prediction of the effects of antibiotic combinations on resistant Staphylococcus aureus mutants: in vitro model studies with linezolid and rifampicin Journal of Chemotherapy, - (год публикации - 2016) https://doi.org/10.1080/1120009X.2016.1245174

5. Фирсов АА, Алиева КН, Струкова ЕН, Голикова МВ, Портной ЮА, Довженко СА, Кобрин МБ, Романов АВ, Эдельштейн МВ, Зиннер СХ Testing the mutant selection window hypothesis with Staphylococcus aureus exposed to linezolid in an in vitro dynamic model Journal of Antibiotic and Chemotherapy, т. 72, стр. 3100-3107 (год публикации - 2017) https://doi.org/10.1093/jac/dkx249


Возможность практического использования результатов
не указано