XVIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2026

Введение. Рост устойчивости бактерий к традиционным антибиотикам становится серьезной проблемой здравоохранения во всём мире. Высокая частота инфекций, вызванных мультирезистентными штаммами, заставляет искать альтернативные способы лечения и разрабатывать новые классы лекарственных препаратов. В этих условиях антибиотики группы фторхинолонов занимают особое положение, так как обладают широким спектром действия и высокой эффективностью против грамотрицательных и грамположительных бактерий [1, 2].

Несмотря на широкое применение, фторхинолоны подвергаются всё большему риску снижения терапевтической эффективности из-за быстрого распространения резистентности бактерий и высокой токсичности самих препаратов. Поэтому понимание молекулярных механизмов их действия крайне важно для разработки эффективной профилактики и преодоления сопротивления бактерий [3, 4].

Цель данного обзора – подробно рассмотреть молекулярные механизмы действия фторхинолонов, начиная от взаимодействия с бактериальными мишенями (топоизомеразой и ДНК-гиразой) и заканчивая возникновением и распространением резистентности.

Молекулярные мишени фторхинолонов. Группа фторхинолонов берет начало от простых хинолоновых соединений, впервые открытых в середине XX века. Первоначально ими были производные налидиксовой кислоты, действовавшие узконаправленно и имевшие ограниченную активность. Однако дальнейшие исследования позволили разработать новые высокоэффективные формы, которые появились в 1970-х годах и получили широкое распространение в клинической практике. Сейчас известно несколько поколений фторхинолонов, различающихся по своим свойствам и показаниям к применению. Фторхинолоны применяют для лечения инфекций дыхательных путей, мочеполовой системы, кожи, суставов, костей, брюшной полости, а также сепсиса и тяжёлых генерализованных инфекций, вызванных преимущественно грамотрицательными бактериями [5, 6].

Фторхинолоны представляют собой класс антибиотиков, механизм действия которых основан на ингибировании ключевых ферментов бактериальных ДНК-топоизомераз, что приводит к нарушению процессов репликации и транскрипции [1, 7, 8]. Эти антимикробные препараты специфически взаимодействуют на топоизомеразы типа II, которые играют центральную роль в поддержании топологической структуры бактериальной хромосомы [3, 4, 9]. Биохимически фторхинолоны стабилизируют ковалентные комплексы фермент-ДНК, предотвращая запечатывание разрывов в двойной спирали ДНК, что индуцирует летальные повреждения генома человека [2, 3, 10]. Эти мишени являются необходимыми для бактериальной жизнедеятельности, поскольку обеспечивают управление супервитками ДНК, необходимое для эффективного протекания клеточного цикла [9, 11].

ДНК-гираза, также известная как топоизомераза II, является первичной мишенью фторхинолонов у грамотрицательных бактерий, таких как Escherichia coli и Pseudomonas aeruginosa [1, 3, 7]. Физиологическая роль этого фермента заключается во внесении отрицательных супервитков в ДНК, что обеспечивает компактизацию генома и устранение топологических мутаций, возникающих во время репликации [9]. Это снижает энергию, необходимую для разделения двойной спирали перед репликационной вилкой [9, 12].

У грамположительных бактерий, таких как Staphylococcus aureus и Streptococcus spp., основной мишенью фторхинолонов служит топоизомераза IV [1, 3, 7]. Этот фермент выполняет функцию разделения дочерних хромосом после завершения репликации, предотвращая их сцепление, что позволяет клетке разделиться без повреждения генома [9].

Различие в предпочтительных мишенях между грамположительными и грамотрицательными бактериями обусловлено структурными особенностями их геномов и клеточных стенок [3, 9]. Это различие влияет на селективность фторхинолонов, делая их более эффективными против определенных патогенов, но также способствует развитию резистентности при мутациях в соответствующих генах [2, 3].

Ферментативный цикл топоизомераз типа II, включая ДНК-гиразу и топоизомеразу IV, представляет собой высокоупорядоченный биохимический процесс, состоящий из нескольких стадий, каждая из которых может быть ингибирована фторхинолонами [4, 9, 12].

Биохимический механизм ингибирования. Бактерицидный эффект фторхинолонов реализуется не через прямое ингибирование ферментативной активности топоизомераз, а через связывание с переходным комплексом «фермент-ДНК», который образуется на промежуточном этапе каталитического цикла. В норме этот комплекс крайне нестабилен и быстро разрушается в ходе реакции воссоединения разорванных связей. Фторхинолоны, проникая в активный сайт, специфически связываются с этим комплексом, повышая его стабильность и предотвращая завершение ферментативного акта [2, 3]. Таким образом, фторхинолоны не препятствуют первоначальному связыванию фермента с ДНК и даже его каталитической активности по расщеплению, а блокируют финальную, жизненно важную стадию восстановления целостности молекулы ДНК бактерий [4, 9].

Стабилизация комплекса «топоизомераза-ДНК-фторхинолон» имеет катастрофические последствия для бактериальной клетки, приводя к её гибели:

• Образующиеся комплексы мешают репликации и транскрипции, останавливая синтез ДНК и белка бактерии [3, 10].

• Непреодолимый барьер мешает репликативной вилке проходить дальше, вызывая смертельно опасные двухцепочечные разрывы ДНК. [3, 9].

• Повреждения ДНК запускают экстренную программу репарации (SOS-ответ), но масштабы повреждений настолько велики, что клетка погибает, подобно апоптозу у высших организмов. [2, 3, 4].

Структурно-функциональные взаимоотношения. Наиболее существенное влияние на антибактериальную активность фторхинолонов оказывает заместитель в положении C-6, где атом фтора резко увеличивает липофильность (способность растворятся в жирах/липидах) молекулы, облегчая её проникновение через бактериальные мембраны и улучшая доступность к внутриклеточным мишеням – ДНК-топоизомеразам. Это напрямую повышает бактерицидную активность препарата. Наличие фтора в положении C-6 также увеличивает сродство молекулы к комплексу «ДНК-топоизомераза», тем самым усиливая действие антибиотика как за счёт лучшего проникновения в клетку, так и за счёт повышенного связывания с мишенью [3, 7, 13].

Не менее важен заместитель в положении C-7, чаще всего представлен пиперазиновым кольцом или его производными. Наличие положительного заряда в кольце обеспечивает ионное взаимодействие с отрицательно заряженными группами в сайтах связывания топоизомераз, что значительно усиливает сродство молекулы к ферментам. Размер и природа заместителя влияют на спектр антимикробной активности, например, ципрофлоксацин эффективнее борется против грамотрицательных бактерий, в то время как левофлоксацина улучшает активность против грамположительных бактерий [3, 7, 14].

Наконец, заместитель в положении C-8 также оказывает влияние на активность и профиль препарата. Введение галогена или метоксигруппы в положение C-8 может усиливать антибактериальную активность, особенно против атипичных и грамположительных патогенов. Однако галогенирование в этом положении ассоциировано с повышением фототоксичности, тогда как метоксигруппа снижает этот риск, улучшая профиль безопасности препарата [3, 7].

Механизмы резистентности к фторхинолонам на молекулярном уровне. Развитие устойчивости к фторхинолонам является многофакторным процессом, реализуемым на молекулярном уровне через три основных механизма: хромосомные мутации в генах топоизомераз, активацию систем активного выведения антибиотика и приобретение плазмидных генов резистентности [2, 3]. Эти механизмы могут действовать изолированно или синергично, значительно снижая клиническую эффективность препаратов.

Основной причиной устойчивости бактерий к фторхинолонам являются точечные мутации в генах, кодирующие субъединицы ДНК-топоизомераз II типа (gyrA, gyrB, parC, parE). Эти гены содержат регионы, определяющие устойчивость к фторхинолонам, где мутации приводят к замене аминокислот, необходимых для связывания антибиотика с ферментом. Наиболее частые мутации у грамотрицательных бактерий возникают в гене gyrA, кодирующем А-субъединицу ДНК-гиразы, а у грамположительных – в гене parC, кодирующем А-субъединицу топоизомеразы IV [2, 3].

Биохимическая основа резистентности состоит в том, что мутантные аминокислоты меняют конфигурацию активного центра фермента, расположенного рядом с каталитическим тирозином, ответственным за реакцию обмена эфирных групп. Типичные мутации включают замену серина на лейцин или аспарагиновой кислоты на глицин, что нарушает электростатическое притяжение и организацию сайта связывания, снижая способность антибиотика формировать стабильный комплекс с ферментом [2, 3, 4].

Вторичным механизмом резистентности является снижение внутриклеточной концентрации антибиотика благодаря мембранным транспортным системам активного выведения. Наиболее известными являются системы NorA и MexAB-OprM. Эти системы состоят из трансмембранных белков, откачивающих антибиотик из клетки обратно в окружающую среду, снижая его концентрацию в цитоплазме [2, 3, 15].

Третий механизм связан с появлением мобильных генетических элементов, таких как плазмиды, несущие гены, защищающие бактерии от действия фторхинолонов. Например, гены qnr кодируют белки, которые физически защищают ДНК-топоизомеразы от связывания с антибиотиком, а ген aac(6')-Ib-cr кодирует фермент, ацетилирующий молекулу антибиотика, что лишает его активности [2, 3].

Эти механизмы способствуют широкому распространению устойчивости среди бактерий и усложняют лечение инфекций, вызванных резистентными микроорганизмами [2, 3, 4, 13].

Селективность действия и побочные эффекты. Фундаментальной основой терапевтической ценности антибиотиков фторхинолонового ряда является их селективная токсичность – способность избирательно ингибировать бактериальные топоизомеразы II типа (ДНК-гиразу и топоизомеразу IV), оказывая минимальное влияние на эукариотические топоизомеразы II типа у человека [1, 7, 8]. Эта избирательность заложена в ключевых биохимических и структурных различиях между ферментами-мишенями у прокариот и эукариот.

Низкая активность против эукариотических топоизомераз II обусловлена, прежде всего, различиями в строении и структуре активного центра ферментов. Бактериальные топоизомеразы II типа формируют уникальный каталитический домен, который эффективно связывает молекулу фторхинолона, что приводит к стабилизации тройного комплекса «фермент-ДНК-антибиотик» [3, 9]. Структура эукариотической топоизомеразы II, напротив, не является оптимальной для такого специфического связывания, что и обусловливает ее низкую чувствительность к действию фторхинолонов [3, 7]. Это обеспечивает высокий профиль безопасности препаратов для макроорганизма при их системном применении.

Однако, несмотря на общий принцип селективности, фторхинолоны могут вызывать ряд побочных эффектов. Одним из потенциальных механизмов их развития является влияние на митохондрии. Согласно одной из гипотез, это может быть связано с тем, что митохондрии, являющиеся энергетическими органеллами эукариотических клеток, предположительно произошли от симбиотических бактерий и сохранили некоторые черты прокариотической организации, включая наличие собственной ДНК и ферментных систем, которые могут быть уязвимы для действия антибиотиков [3, 8]. Предполагается, что фторхинолоны, особенно в высоких концентрациях, способны ингибировать процессы репликации митохондриальной ДНК или нарушать функцию ферментов, связанных с ее топологическим состоянием, что может приводить к нарушению клеточного дыхания и энергетического обмена в быстро пролиферирующих тканях, таких как хрящевая или нервная [3]. Этот биохимический механизм, наряду с индивидуальными особенностями метаболизма пациентов, рассматривается как одна из ключевых причин развития нежелательных лекарственных реакций, что диктует необходимость взвешенного подхода к назначению данной группы антибиотиков [13, 14].

Перспективы. Перспективы дальнейшего развития класса фторхинолонов многообразны и рассматриваются в нескольких направлениях.

Во-первых, предстоит создание новых синтетических аналогов, способных преодолеть действующие механизмы устойчивости, путём модификации структуры молекулы, чтобы улучшить её способность связываться с мутированными формами топоизомераз [8, 15].

Во-вторых, большой интерес представляет изучение возможностей комбинированной терапии, где фторхинолоны будут использоваться в комплексе с препаратами-синергистами, способными усилить их действие и замедлить развитие резистентности [13, 15].

Наконец, третьим перспективным направлением является улучшение физических и фармакокинетических свойств существующих препаратов, например, создание их комплексов или нанокапсул, которые смогут улучшить растворимость, биодоступность и контролировать высвобождение антибиотика, что повысит эффективность терапии и снизит риск побочных эффектов [15].

Таким образом, несмотря на существующие ограничения, фторхинолоны остаются важным и перспективным классом антибиотиков, требующих постоянного совершенствования и разработки новых подходов для успешного противостояния угрозе устойчивости и сохранения их эффективности в будущем.

Заключение.Антибиотики группы фторхинолонов, обладая широким спектром действия и высокой эффективностью против грамположительных и грамотрицательных бактерий, заняли уникальное место в области медицины. Их механизм действия основан на ингибировании бактериальных ДНК-топоизомераз, что нарушает репликацию и транскрипцию, приводя к быстрой гибели бактериальных клеток. Однако, широкое применение фторхинолонов сопровождается ростом устойчивости бактерий и токсичностью препаратов, что требует более глубоких исследований молекулярных механизмов их действия и разработки новых стратегий.

Понимание ключевых моментов, таких как точечные мутации в генах топоизомераз, работа систем активного выведения антибиотика и приобретение плазмидных генов резистентности, позволит улучшить действие препаратов и предупредить развитие устойчивости. Новые подходы откроют возможности для поддержания эффективности фторхинолонов в будущем.

Таким образом, углубленное изучение молекулярных механизмов действия и резистентности к фторхинолонам является необходимым условием для разработки более эффективных и безопасных лекарств, способных решать глобальные проблемы медицины XXI века.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Яковлев В. П. Антимикробные препараты группы фторхинолонов // CONSILIUM MEDICUM. - №4. - С. 8-14.

2. Ваганова А. Н. Молекулярные основы устойчивости патогенных для человека микоплазм к фторхинолонам // Инфекция и иммунитет. - 2017. - №3. - С. 231-244.

3. Сидоренко С. В., Тишков В. И. Молекулярные основы резистентности к антибиотикам // Успехи биологической химии. - 2004. - №44. - С. 263-306.

4. Полищук А.В.Карасева Э.Т.Карасев В.Е. Механизм биокаталитических процессов с участием фторхинолонов в бактериях // Вестник ДВО РАН. - 2010. - №5. - С. 138-141.

5. Глухарева, Т. В. Основы получения и применения антибиотиков: учебное пособие / Т. В. Глухарева, И. С. Селезнева, Е. Н. Уломский; Министерство науки и высшего образования Российской Федерации, Уральский федеральный университет. — Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та, 2021. - 150 с. ISBN 978-5-7996-3190-1.

6. Моисеева И.Я., Родина О.П., Кустикова И.Н. Основы клинической фармакологии противомикробных средств/ Моисеева И.Я., Родина О.П., Ктикова И.Н.- Пенза: 2004. - 72 с.

7. Сизенцов, А. Н. Антибиотики и химиотерапевтические препараты: учебник / А. Н. Сизенцов, И. А. Мисетов, И. Ф. Каримов; Оренбургский гос. ун-т – Оренбург : ОГУ, 2012. – 489 с.

8. Дмитриева Н. Б., Кукушкин Г. В. Антибиотики, общие сведения. Антибиотики, нарушающие синтез клеточной стенки и целостность цитоплазматической мебраны бактерий. - Москва: 2025. - 20 с.

9. Сутормин Д. А., Галивонджян А. Х., Полховский А. В., Камалян С. О., Северинов К. В., Дубилей С. А. Разнообразие и функции топоизомераз типа II // Acta Naturae. - 2021. - №1(48). - С. 58-75.

10. Chow KC, Ross WE. Topoisomerase-specific drug sensitivity in relation to cell cycle progression. Mol Cell Biol. 1987 Sep;7(9):3119-23. doi: 10.1128/mcb.7.9.3119-3123.1987. PMID: 2823120; PMCID: PMC367945.

11. Литусов Н.В. Морфология и структура бактерий. Иллюстрированное учебное пособие. – Екатеринбург: Изд-во УГМА, 2012. - 50 с.

12. Бугреев Д. В., Невинский Г. А. Структура и механизм действия ДНК-топоизомераз IA-типа // Успехи биологической химии. - 2009. - №49. - С. 129-158.

13. Портнягина Е. В. Рациональная антибактериальная терапия и вопросы предупреждения бактериальной резистентности : учебное пособие / Е. В. Портнягина, Г. Г. Раднаев ; Иркутский государственный медицинский университет, Кафедра эндокринологии, клинической фармакологии и иммунологии. – Иркутск: ИГМУ, 2022. – 135 с.

14. Яковлев С. В., Сидоренко С. В., Рафальский В. В., Спичак Т. В. Стратегия и тактика рационального применения антимикробных средств в амбулаторной практике: Евразийские клинические рекомендации / под ред. С. В. Яковлева, С. В. Сидоренко, В. В. Рафальского, Т. В. Спичак. М.: Издательство «Пре100 Принт», 2016 – 144 с.

15. Скуредина А. А. Молекулярные механизмы формирования комплексов включения фторхинолонов с мономерными и полимерными производными β- циклодекстрина как основа для регуляции свойств антибактериальных препаратов: дис. канд. хим. наук: 03.01.06 (Биотехнология). - Москва, 2021. - 157 с.