Các cơ chế kháng fluoroquinolone ở vi khuẩn lao cũng tương tự như ở các vi khuẩn khác. Các cơ chế này bao gồm: sự đột biến dẫn đến thay đổi đích tác động của FQ, giảm mức độ hấp thụ thuốc vào bên trong tế bào vi khuẩn, và bảo vệ DNA gyrase khỏi ảnh hưởng của thuốc (56).
1.5.2.1. Đích tác động của fluoroquinolone trên vi khuẩn lao
Một cách tổng quát thì đích tác động của các quinolone là DNA topoisomerase loại II là các enzyme cần thiết cho quá trình đóng và tháo xoắn của vi khuẩn (51). DNA topoisomerase loại II bao gồm topoisomerase II (DNA gyrase) và topoisomerase IV.
Các DNA topoisomerase loại II cần thiết cho quá trình sao chép DNA cũng như phiên mã RNA ở vi khuẩn. Bình thường, DNA của vi khuẩn ở dạng đóng vòng và siêu
xoắn nên khi bước vào sao chép hay phiên mã, DNA cần được tháo xoắn trước khi tách mạch nhằm giảm áp lực lên cấu trúc phân tử DNA, tránh đứt gãy DNA dẫn đến
chết tế bào. Thông thường, DNA gyrase sẽ chịu trách nhiệm tạo xoắn từ DNA dạng thả lỏng còn topoisomerase IV sẽ làm nhiệm vụ tháo xoắn cho DNA (xem Hình 1.8).
Tuy nhiên, khi có sự hiện diện của các quinolone, hoạt động đóng và tháo xoắn này của các enzyme sẽ bị gián đoạn, dẫn đến đứt gãy DNA và chết tế bào (46).
Hình 1.8. Hoạt động của DNA gyrase và topoisomerase IV
Tuy nhiên, kết quả giải trình tự bộ gen của vi khuẩn lao chủng H37Rv (ATCC 27294) cho thấy không có vùng tương đồng của gen mã hóa cho DNA topoisomerase IV (57). Do vậy, DNA gyrase của vi khuẩn lao chính là đích tác động duy nhất của các FQ. DNA dạng thả lỏng DNA bị cắt một mạch DNA dạng đóng xoắn (siêu xoắn)
DNA gyrase là một enzyme gồm 4 tiểu phần: 2 tiểu phần A (mã hóa bởi gene
gyrA) và 2 tiểu phần B (mã hóa bởi gene gyrB) (xem Hình 1.9). Sự tương tác giữa enzyme DNA gyrase và các thuốc quinolone có thể liên quan đến các vùng bảo tồn gọi là vùng quy định tính kháng quinolone (QRDR) trên 2 gene gyrA và gyrB.
Hình 1.9. Hình minh họa cấu trúc của DNA gyrase và phức hợp DNA-enzyme DNA gyrase-fluoroquinolone
Vùng QRDR của vi khuẩn lao trên gene gyrA nằm trong khoảng codon 74 đến 113 (tương ứng với 67 đến 106 trên gyrA của E.coli) (xem Hình 1.10) (28). Các đột biến tại codon 90 và 94 trên gene gyrA (tương ứng với 83 và 87 trên gene gyrA của
E.coli) và codon 495, 516 và 533 trên gene gyrB (tương ứng với 426, 447 và 464 trên gene gyrB của E.coli) của vi khuẩn lao thường thấy nhất trong các chủng vi khuẩn lao kháng FQ (37). Fluoro -quinolone Vị trí gắn ATP trên DNA gyrase Phân tử DNA Enzyme DNA gyrase
Hình 1.10. Vùng quyết định tính kháng quinolone (QRDR) của gene gyrA. Hình nhỏ ở góc phải mô tả cấu trúc dưới dạng ribbon của phân mảnh protein gyrA (59 kiloDalton), trong đó, phần có màu xám đậm chính là vùng QRDR. Hình chính là vùng QRDR được phóng lớn. Tyrosine ở vị trí 122 là trung tâm hoạt động của protein. Các serine ở vị trí 83 và aspartate ở vị trí 87 nằm ở vị trí tiếp xúc với dung môi. Số thứ tự của các vị trí được ghi nhận theo thứ tự của gene gyrA trên vi khuẩn E.coli. (28)
1.5.2.2. Cơ chế kháng fluoroquinolone ở vi khuẩn lao
Năm 1994, Howard E. Takiff và cộng sự đã tạo dòng thành công và giải trình tự các gene gyrA và gyrB (GenBank L27512) mã hóa cho các protein cấu trúc của DNA gyrase của vi khuẩn lao. Đồng thời, Takiff cũng giải trình tự vùng QRDR cho gyrA và
gene gyrA (36). Đây là tiền đề để nghiên cứu cơ chế kháng thuốc fluoroquinolone ở vi khuẩn lao.
Tương tự như các thuốc kháng lao khác, tính kháng fluoroquinolone của vi khuẩn lao có thể do sự đột biến ngẫu nhiên hay dưới áp lực chọn lọc của việc sử dụng thuốc. Các đột biến xuất hiện ngẫu nhiên tại vùng QRDR của gyrA trong phòng thí
nghiệm có tần suất là 2x10-6 đến 1x10-8
(31). Hình 1.11 minh họa các vị trí phát hiện thấy đột biến trên gene gyrA trong các chủng kháng FQ trong nghiên cứu của Takiff và cộng sự. Đột biến trên gyrB trên các chủng kháng fluoroquinolone cũng được báo cáo nhưng rất hiếm và nằm rãi rác trong vùng QRDR (7, 8, 53, 64). Tuy nhiên, các nghiên cứu chức năng của các đột biến này vẫn chưa được công bố.
Hình 1.11. Trình tự của vùng QRDR trên gene gyrA của vi khuẩn lao (từ nucleotide thứ 78 đến 397) với các dạng đột biến có thể tìm thấy trong các chủng kháng quinolone (tại các codon 88, 90, 91 và 94).(36)
Các cơ chế khác liên quan tới tính kháng fluoroquinolone ở vi khuẩn lao có thể là do sự thay đổi mức tích lũy thuốc nội bào và/hay do các bơm đẩy thuốc ngược ra khỏi tế bào như ở các loại vi khuẩn khác (6, 10, 62).
Bên cạnh đó, một cơ chế kháng FQ khác ở vi khuẩn lao mới được phát hiện vào năm 2005. Cơ chế này liên quan đến một loại protein thuộc họ “penta peptide repeats” và được đặt tên là MtMfpA (do gene Rv3361c mã hóa) trong vi khuẩn lao (35). Họ protein này có chứa các protein đặc biệt mà cứ mỗi 5 amino acid (aa) thì aa thứ năm sẽ hoặc là leucine hoặc là phenylalanine (19). Cấu trúc này tạo ra một dạng protein mô phỏng DNA với các xoắn helix có độ rộng và tích điện âm tương tự các B-helix DNA (35). Một vài thành viên trong họ protein này có thể kể đến là MfpA trong
Mycobacterium smegmatis, McbG trong Escherichia coli và Qnr trên plasmid của Klebsiella pneumoniae và các vi khuẩn đường ruột khác (Enterobacteriaceae) ... Sự liên quan giữa sự hiện diện của các protein này và tính kháng FQ đã được đề xuất bởi Dryden và cộng sự (23).