Czym jest kandydoza i jakie mechanizmy oporności występują?
Kandydoza to pierwotne lub wtórne zakażenie grzybicze, które może być wywołane przez różne gatunki Candida. Może przebiegać ostro, podostro lub przewlekle, obejmując różne powierzchnie ciała człowieka, takie jak skóra, paznokcie, błony śluzowe i narządy wewnętrzne. Kandydoza błon śluzowych jest jednym z najczęstszych typów tego zakażenia, które głównie dotyczy błony śluzowej jamy ustnej i przełyku. Warto zaznaczyć, że kilka gatunków Candida, a zwłaszcza C. albicans, może wywoływać tę chorobę. Do leczenia tego zakażenia grzybiczego stosuje się różne leki przeciwgrzybicze, takie jak azole, szczególnie flukonazol. W ostatnich latach liczne doniesienia podkreślały oporność C. albicans na ten lek przeciwgrzybiczy u różnych pacjentów, co ostatecznie powodowało niepowodzenie leczenia w tych przypadkach.
Różne mechanizmy powodują oporność C. albicans na flukonazol, w tym zmiany w 14α-demetylazie, zwiększona produkcja 14α-demetylazy, zjawisko wypompowywania leku i zmiany w szlaku syntezy ergosterolu. Jednym z genów, który odgrywa ważną rolę w mechanizmach oporności na flukonazol, jest ERG11. Gen ten koduje enzym 14α-demetylazę, a mutacja w tym genie zmniejsza powinowactwo 14α-demetylazy do flukonazolu. Poprzez zmiany strukturalne w 14α-demetylazie uniemożliwia przyłączanie się leków azolowych do tego enzymu, prowadząc do oporności grzybów. Mutacje w genie UPC2, który kontroluje poziom ekspresji genu ERG11, mogą zwiększyć ekspresję genu ERG11 i liczbę jego kopii, ostatecznie prowadząc do nadprodukcji 14α-demetylazy, co jest uważane za kolejny mechanizm oporności na flukonazol u C. albicans.
Geny CDR1, CDR2 i MDR1, które kodują pompy efflux błony komórkowej Candida, należą do genów wpływających na oporność na azole, szczególnie flukonazol. CDR1 i CDR2 kodują pompy ATP-binding cassette (ABC), a MDR1 koduje pompy major facilitator superfamily, które ostatecznie powodują uwalnianie toksycznych cząsteczek, takich jak leki azolowe, z komórek Candida. Geny TAC1 i MRR1 kontrolują ekspresję genów CDR1, CDR2 i MDR1; ponadto mutacja w każdym z nich zwiększy ekspresję CDR1, CDR2 i MDR1, a w rezultacie zwiększy oporność na leki azolowe.
Innym genem zaangażowanym w oporność Candida na azole jest ERG3. Należy zauważyć, że leki azolowe, w tym flukonazol, poprzez hamowanie enzymu 14α-demetylazy, powodują akumulację 14α-metylo-3,6-diolu w błonach C. albicans, a te metylowane sterole są przekształcane przez enzym delta 5-6 desaturazę (kodowany przez ERG3). Staje się on toksyczny dla produktów, a akumulacja tych toksycznych substancji powoduje śmierć grzyba. Gdy dochodzi do mutacji w genie ERG3, toksyczne produkty nie są wytwarzane, a C. albicans przeżywa w obecności flukonazolu. Ten mechanizm oporności został wykazany eksperymentalnie przez ukierunkowaną delecję genu ERG3 w szczepach laboratoryjnych.
Oprócz mutacji genetycznych lub zmian ekspresji, czynniki środowiskowe, takie jak status immunologiczny gospodarza, tworzenie biofilmu, pompy efflux i czynniki stresogenne środowiskowe (stres oksydacyjny i ograniczenie składników odżywczych) odgrywają znaczącą rolę w modulowaniu oporności na flukonazol u gatunków Candida. Badania przeprowadzone w ostatnich latach miały na celu analizę ekspresji genów zaangażowanych w oporność C. albicans u osób z różnymi chorobami podstawowymi. Dzięki uzyskaniu kompleksowych informacji na temat aktywności tych genów można zapobiegać powstawaniu oporności na flukonazol i inne azole oraz identyfikować odpowiednie metody leczenia.
Kluczowe mechanizmy oporności Candida albicans:
- Zmiany w enzymie 14α-demetylaza (kodowanym przez gen ERG11)
- Zwiększona produkcja 14α-demetylazy
- System pomp efflux (geny CDR1, CDR2, MDR1)
- Modyfikacje w szlaku syntezy ergosterolu (gen ERG3)
- Tworzenie biofilmu
- Wpływ czynników środowiskowych i stanu immunologicznego gospodarza
Jak przeprowadzono systematyczny przegląd badań?
W tym systematycznym przeglądzie przeprowadzono kompleksowe wyszukiwanie w kilku bazach danych, takich jak PubMed (Medline), Scopus i Web of Science, aby zebrać wszystkie badania oceniające poziom ekspresji kluczowych genów zaangażowanych w oporność C. albicans na flukonazol od 1997 do 2024 roku. Wyszukiwanie w wymienionych bazach danych przeprowadzono przy użyciu określonego zestawu terminów medycznych. Należy zauważyć, że oprócz artykułów wybranych do badania, przeszukano również odniesienia do tych badań i powiązanych artykułów. W przeglądzie wykorzystano tylko artykuły opublikowane w języku angielskim.
Kryteria włączenia i wykluczenia badań w tym przeglądzie systematycznym są następujące. Wszystkie zebrane oryginalne badania w języku angielskim miały trzy główne kryteria: 1) izolaty C. albicans zostały pobrane od osób z różnymi chorobami podstawowymi związanymi z kandydozą, 2) zbadano wrażliwość przeciwgrzybiczą klinicznych izolatów C. albicans na flukonazol, oraz 3) zbadano zwiększoną ekspresję genów oporności na flukonazol w izolatach C. albicans.
Wzorce oporności w zależności od choroby podstawowej:
- Pacjenci HIV-pozytywni: dominująca nadekspresja genu CDR1
- Pacjenci onkologiczni: zwiększona ekspresja CDR1 i CDR2
- Pacjenci po przeszczepach: głównie nadekspresja genu ERG11
- Pacjenci z cukrzycą: dominująca rola genu MDR1
- Pacjenci z APECED: podwyższona ekspresja CDR1 i CDR2
Jakie są wyniki badań klinicznych dotyczących oporności Candida?
W ostatnich latach oporność C. albicans na środki azolowe, szczególnie flukonazol, który jest powszechnie stosowany w leczeniu kandydozy jamy ustnej i gardła u pacjentów z wirusem ludzkiego niedoboru odporności (HIV), spowodowała niepowodzenie leczenia u tych pacjentów. Na podstawie przeprowadzonych badań zidentyfikowano 16 badań od 1995 roku, które badały poziom ekspresji genów odpowiedzialnych za oporność na flukonazol w C. albicans izolowanych od pacjentów zakażonych HIV. Badania wykazały, że większość szczepów C. albicans opornych na flukonazol jest izolowana od pacjentów HIV-pozytywnych, z których wielu było poddawanych długoterminowej terapii flukonazolem.
U pacjentów zakażonych HIV większość izolatów opornych na flukonazol wykazuje niższy poziom wewnątrzkomórkowej akumulacji flukonazolu niż wrażliwe szczepy C. albicans. Wśród badanych genów, geny CDR1/2 były najwyżej wyrażone w gatunkach Candida opornych na flukonazol izolowanych od pacjentów HIV-pozytywnych, a następnie ERG11, MEDR1, BENr i FLU1. Jednak ważne jest, aby wspomnieć, że niektóre z tych genów nie miały nadekspresji w kilku izolatach opornych na flukonazol, a w niektórych przypadkach ich ekspresja nawet zmniejszyła się. Ta sprzeczność może wynikać z istnienia różnych mechanizmów oporności na flukonazol w C. albicans, a także różnic w szczepach C. albicans badanych w różnych badaniach.
W badaniach wykazano, że CDR1 miał największe znaczenie w tworzeniu opornego fenotypu Candida u pacjentów HIV-pozytywnych (ze wzrostem ekspresji od 2 do 17 razy), a następnie CDR2, CDR3 i CDR4, które również badano w niektórych z tych badań. Jednak w przeciwieństwie do genów CDR1/2, nie były one związane z opornością C. albicans na flukonazol.
Dane z tych 16 badań, przeprowadzonych w różnych krajach, takich jak USA, Niemcy i Japonia, wskazują, że CDR1, a następnie geny ERG11 odgrywają najważniejszą rolę w tworzeniu fenotypu opornego na flukonazol. Zidentyfikowane zmiany genetyczne w tym kontekście sugerują, że oporność C. albicans na flukonazol rozwija się stopniowo i że jedna lub więcej z tych zmian prowadzi do ostatecznego fenotypu opornego.
Łącznie 2 z 25 zebranych badań badało poziom ekspresji genów odpowiedzialnych za oporność na flukonazol w C. albicans izolowanych od pacjentów z rakiem. Na podstawie tych dwóch badań, wzrost poziomu ekspresji genów CDR1 i CDR2 w C. albicans izolowanych od tych pacjentów może powodować oporność C. albicans na flukonazol. Jednak CDR1 odgrywa większą rolę niż CDR2 w tej oporności. Według badania przeprowadzonego przez Maheronnaghsh i wsp., MDR1 jest kolejnym genem, który okazał się znacznie nadekspresjonowany w C. albicans opornym na flukonazol izolowanym od pacjentów z rakiem. Poziom ekspresji tego genu jest bezpośrednio związany z poziomem oporności na flukonazol.
Maheronnaghsh i wsp. oraz Jahanshiri i wsp. zauważyli, że leki stosowane w leczeniu niektórych nowotworów, takie jak kabazytaksel i idarubicyna, które są również zatwierdzone przez FDA, mają negatywny wpływ na przeciwgrzybiczą aktywność flukonazolu. Leki te zwiększają ekspresję genów kodujących białka uwalniające leki, takie jak MDR1 lub ABC (CDR1 i CDR2), a także ekspresję genu ERG11, i ostatecznie zwiększają oporność C. albicans na flukonazol od 4 do 16 razy. Stosowanie niektórych leków chemicznych u osób cierpiących na różne rodzaje nowotworów może powodować fenotyp oporny na C. albicans w tej kategorii pacjentów poprzez wpływ na poziom ekspresji wyżej wymienionych genów.
Przeprowadzono trzy badania dotyczące gatunków C. albicans izolowanych od pacjentów po przeszczepach. U tych osób, podobnie jak u pacjentów zakażonych HIV i chorych na raka, kilka genów odgrywa istotną rolę, a kombinacja tych genów prowadzi do pojawienia się fenotypów C. albicans opornych na flukonazol. W 2006 roku Xu i wsp. zbadali kilka opornych gatunków C. albicans izolowanych od pacjentów po przeszczepie szpiku kostnego pod względem poziomów ekspresji genów powodujących oporność. Odkryli, że poziomy mRNA genu CDR (w tym CDR1 i CDR2), a także niektórych genów zaangażowanych w oporność na leki, takich jak IFU5, RTA2 i IFD6, wzrosły 2,5 do 7 razy w porównaniu z gatunkami wrażliwymi.
Ważne jest, aby wskazać, że gen IFU5 może zwiększyć patogeniczność C. albicans poprzez interakcję z genem Efg1. Ponadto geny RTA2 zwiększają oporność C. albicans na flukonazol, a gen IFD6 zwiększa zdolność C. albicans do tworzenia biofilmów. Wzrost ekspresji mRNA genu CDR jest głównie związany z CDR1, a poziom ekspresji CDR2 nie wykazał dużej różnicy między izolatami opornymi i wrażliwymi. Badanie przeprowadzone przez Morio i wsp. we Francji na C. albicans opornym na flukonazol izolowanym od biorców przeszczepów krwiotwórczych komórek macierzystych i biorców przeszczepów serca wykazało, że spośród badanych genów PMA1, ERG11, MDR1, CDR1 i ERG3, tylko gen ERG11 wykazał zwiększoną ekspresję w opornych izolatach w porównaniu z izolatami wrażliwymi.
Te obserwacje są zgodne z wynikami badania przeprowadzonego przez Eddouzi i wsp. (2015). W swoim badaniu Eddouzi, podobnie jak Morio, stwierdził, że poziom ERG11 w opornych izolatach wykazał znaczący wzrost. We wspomnianym badaniu, oprócz genu ERG11, ekspresja genu MDR1 również wzrosła w opornych izolatach.
Według badania przeprowadzonego przez Hiyama i wsp., oporność C. albicans na flukonazol jest znacząco wynikiem zwiększonej ekspresji genów transporterów prądu błonowego. W przeciwieństwie do izolatów Candida z innych chorób podstawowych, MDR1 wykazał najwyższy wzrost ekspresji w C. albicans w porównaniu z gatunkami wrażliwymi, a następnie CDR2, CDR1 i ERG11.
W dwóch badaniach przeprowadzonych przez Siikala i wsp. w 2013 i 2010 roku w Finlandii na opornych izolatach C. albicans uzyskanych od pacjentów z autoimmunologiczną poliendokrynopatią-kandydozą-dystrofią ektodermalną (APECED), geny CDR1 i CDR2 miały wyższy poziom ekspresji. Ten wzrost ekspresji, w porównaniu do gatunków dzikich, jest spowodowany obecnością mutacji gain-of-function w czynnikach regulacyjnych tych trzech genów.
W innym badaniu przeprowadzonym w Iranie przez Alizade i wsp. na pacjentach z immunosupresją, poziom ekspresji genu ERG11 nie różnił się znacząco między szczepami opornymi na flukonazol a wrażliwymi na flukonazol.
Flukonazol jest uważany za jeden z głównych leków przeciwgrzybiczych do leczenia kandydozy. Pomimo tego, długoterminowe leczenie i nieracjonalne stosowanie leków z rodziny azoli stworzyło izolaty oporne na te azole. Te oporne izolaty są jednym z głównych problemów w leczeniu kandydozy. Identyfikacja przyczyny oporności na leki azolowe w izolatach klinicznych C. albicans może pomóc w zapewnieniu bardziej odpowiedniego leczenia oraz zapobieganiu lub kontrolowaniu kandydozy w przyszłości. Komórki C. albicans mogą rozwinąć oporność na flukonazol na poziomie molekularnym poprzez różne mechanizmy, które są szczegółowo wyjaśnione w sekcji wprowadzenia.
Na podstawie badań przeprowadzonych od 1995 roku, gen CDR1 ma najwyższy poziom ekspresji wśród genów zaangażowanych w oporność, a następnie geny ERG11, MDR1 i CDR2. Gen CDR1 ma najwyższą ekspresję u pacjentów zakażonych HIV, chorych na raka i pacjentów z APECED, co czyni oporność zapośredniczoną przez CDR1 najważniejszym mechanizmem oporności C. albicans na flukonazol u tych pacjentów. Jednak u pacjentów po przeszczepach gen ERG11 ma najwyższą ekspresję, a mechanizm oporności u tych pacjentów jest związany z tym genem. Ponadto gen MDR1 wykazał najwyższy wzrost ekspresji izolatów uzyskanych od pacjentów z cukrzycą.
W C. albicans opornym na flukonazol izolowanym od pacjentów HIV-pozytywnych, rozwój oporności zależy nie tylko od ciągłego i przerywanego podawania tego leku, ale także od skumulowanej dawki otrzymanego flukonazolu (skumulowana dawka flukonazolu>10 g). Akumulacji tego leku zapobiega C. albicans ze względu na znaczący wzrost poziomu ekspresji genów CDR1 i BENr. Zarówno CDR1, jak i BENr są genami transporterów wielolekowych, z których każdy należy do innej klasy transporterów.
U pacjentów z nowotworami akumulacja leków chemioterapeutycznych w komórkach C. albicans stymuluje czynniki regulacyjne, zwiększa ekspresję genów CDR1 i MDR1 i ostatecznie indukuje oporność. Ponieważ wzrost ekspresji tych dwóch genów u pacjentów z rakiem i zakażonych HIV powoduje oporność C. albicans na flukonazol, izolaty, w których promotor MDR1 jest bardziej aktywny, będą rosły pod wpływem flukonazolu lub innego selektywnego ciśnienia i przeżyją dłużej niż izolaty wrażliwe. Zapewnia to liczne możliwości tworzenia mutacji, które nadają wysoki poziom oporności na leki. Badanie łącznego wpływu niektórych zatwierdzonych przez FDA leków onkologicznych z flukonazolem wykazało, że szereg leków onkologicznych ma negatywny wpływ na aktywność przeciwgrzybiczą. Leki onkologiczne w połączeniu z azolami nasilają oporność przeciwgrzybiczą w C. albicans in vitro. Należą do nich tamoksyfen, epirubicyna, idarubicyna, nilotynib, cerytynib, daunorubicyna, kabazytaksel i doksorubicyna, które są przepisywane na chłoniaka, raka prostaty, raka pęcherza moczowego i mięsaka.
Pacjenci z cukrzycą typu 2 są bardziej narażeni na kandydozę narządów wewnętrznych. Wzrost poziomu glukozy, a także wzrost poziomu fruktozy w surowicy, jest jedną z ważnych przyczyn oporności C. albicans na leki azolowe u tych pacjentów. Ponadto, według badania przeprowadzonego przez Hiyama i wsp., wzrost stężenia glukozy w moczu sprzyja wzrostowi C. albicans, a także znacząco zwiększa ekspresję genów zaangażowanych w oporność C. albicans na flukonazol, szczególnie CDR2 i MDR1. Zwiększona ekspresja tych dwóch genów odgrywa ważną rolę w oporności na flukonazol w gatunkach Candida izolowanych od tych pacjentów.
W badaniu opublikowanym w 2009 roku, Uittamo i wsp. odkryli, że C. albicans izolowany od pacjentów z APECED był w stanie produkować wysokie poziomy rakotwórczego aldehydu octowego in vitro. W C. albicans dehydrogenaza alkoholowa, kodowana przez ADH1, katalizuje utlenianie etanolu do aldehydu octowego. Ekspresja ADH1 jest konieczna do produkcji ADH i aldehydu octowego z etanolu. Zgodnie z wynikami badania przeprowadzonego przez Sikala w 2013 roku, ekspresja genu ADH1 jest silnie zwiększona w izolatach o niskim poziomie ekspresji CDR1 i CDR2. Innymi słowy, poziomy ekspresji genów ADH1, CDR1 i CDR2 mają odwrotną zależność. Większość izolatów C. albicans opornych na flukonazol ma znacznie zwiększone poziomy ekspresji CDR1 i CDR2, podczas gdy ADH1 ma najniższy poziom ekspresji. To ważne odkrycie demonstruje związek między genami metabolizmu aldehydu octowego C. albicans u tych pacjentów a opornością na azole.
Ważne jest, aby wspomnieć, że w wielu badaniach nadekspresja genów odpowiedzialnych za oporność zaobserwowano tylko w niektórych izolatach, a nie we wszystkich. Ponieważ gen ERG11 został zbadany w kilku badaniach, zidentyfikowano więcej aspektów tego genu w porównaniu z innymi głównymi genami powodującymi oporność. Należy zauważyć, że oporność na flukonazol w C. albicans jest wynikiem różnych mechanizmów kontrolowanych przez różne geny, przy czym gen ERG11 jest tylko jednym z nich. Jeden lub więcej innych genów może być również zaangażowanych w tworzenie opornego fenotypu.
Ograniczenia finansowe i brak zaawansowanych obiektów laboratoryjnych w krajach słabo rozwiniętych lub mniej rozwiniętych doprowadziły badaczy do wyboru mniejszej liczby genów do badania, a czasami te wybrane geny nie wykazują nadekspresji zarówno w izolatach opornych, jak i wrażliwych. W tym przypadku mechanizm oporności może być związany z innymi genami, których badacz nie badał. Na przykład w badaniu przeprowadzonym przez Alizadeh i wsp. w Iranie, tylko gen ERG11 był badany w opornych izolatach C. albicans izolowanych od pacjentów z immunosupresją. Ostatecznie okazało się, że ERG11 nie był nadekspresjonowany w izolatach opornych i wrażliwych.
Obszerne badanie różnych genów zaangażowanych w oporność, przy użyciu technik molekularnych, takich jak mikromacierz i RNA-seq, może ujawnić nowe i szersze aspekty ich roli. W izolatach uzyskanych od pacjentów zakażonych HIV z kandydozą, gen CDR1 był najwyżej ekspresjonowanym genem, podczas gdy u pacjentów po przeszczepach gen ERG11 był najwyżej ekspresjonowanym genem. Ta różnica w ekspresji genów oporności w izolatach od pacjentów z innymi chorobami podstawowymi, jak wspomniano w sekcji wyników, również istnieje i może mieć kilka potencjalnych przyczyn.
Różnice genotypowe między izolatami z różnych części świata, rodzaj choroby podstawowej, interakcje lekowe między lekami przeciwgrzybiczymi a lekami, które dana osoba przyjmowała z powodu choroby podstawowej, a także dawka i czas trwania leków przeciwgrzybiczych, mogą odgrywać ważną rolę w określeniu mechanizmu oporności C. albicans. Zgodnie z przeprowadzonymi badaniami można powiedzieć, że poziom ekspresji genów oporności na flukonazol różni się w gatunkach C. albicans izolowanych od osób z różnymi chorobami podstawowymi. Niemniej jednak, aby lepiej wyjaśnić tę kwestię, należy przeprowadzić więcej badań z większą liczbą izolatów opornych na flukonazol i większą liczbą genów.
Podsumowanie
Systematyczny przegląd badań z lat 1997-2024 pokazuje, że oporność Candida albicans na flukonazol jest złożonym zjawiskiem, w które zaangażowanych jest wiele mechanizmów molekularnych. Kluczową rolę odgrywają geny CDR1, ERG11, MDR1 i CDR2, których ekspresja różni się w zależności od choroby podstawowej pacjenta. U osób zakażonych HIV i chorych na nowotwory dominuje nadekspresja genu CDR1, u pacjentów po przeszczepach – ERG11, a u diabetyków – MDR1. Na rozwój oporności wpływają czynniki takie jak długotrwała terapia flukonazolem, interakcje z lekami stosowanymi w chorobie podstawowej oraz stan immunologiczny pacjenta. Istotną rolę odgrywają także czynniki środowiskowe i tworzenie biofilmu. Zrozumienie tych mechanizmów jest kluczowe dla skutecznego leczenia kandydozy i zapobiegania rozwojowi oporności.
