β-ラクタマーゼ

β-ラクタマーゼは、細菌が産生する酵素（EC 3.5.2.6）であり、ペニシリン系、セファロスポリン系、セファマイシン系、カルバペネム系などのβ-ラクタム系抗菌薬に対する多剤耐性を付与する。なお、カルバペネム系はβ-ラクタマーゼに対して比較的安定である。β-ラクタマーゼは、抗菌薬の構造を破壊することにより耐性を付与する。これらの抗菌薬はいずれも分子構造に共通して四員環のβ-ラクタム環を有しており、ラクタマーゼ酵素は加水分解によりβ-ラクタム環を開環させ、分子の抗菌活性を失活させる。β-ラクタム系抗菌薬は、一般にグラム陽性菌およびグラム陰性菌の広範な菌種による感染症治療に用いられる。β-ラクタマーゼは通常、グラム陰性菌により分泌され、特に環境中に抗菌薬が存在する場合に顕著である。

進化

β-ラクタマーゼは古来の細菌酵素であり、クラスBのβ-ラクタマーゼ（メタロ-β-ラクタマーゼ、MBL）はB1、B2、B3の3つのサブクラスに分類される。サブクラスB1およびB2は10億年以上前に進化したと推定され、サブクラスB3は約20億年前のグラム陽性およびグラム陰性の真正細菌の分岐に伴って進化したと推測されている。サブクラスB3に属するMBLの最初の例として報告されたパプアニューギニア由来メタロ-β-ラクタマーゼは、抗菌薬時代以前の深海堆積物から作製された機能メタゲノムライブラリーに由来する。これに対し、他のクラスA、C、Dはセリン酵素であり、相互の相同性は低い。クラスAとクラスDは姉妹群であることが示され、クラスCはAおよびDから分岐している。一方、これらの酵素もクラスBのβ-ラクタマーゼと同様に古い起源を有し、約20億年前に進化したと推定されている。特にクラスDのOXA（オキサシリナーゼ）群は、染色体上で進化した後、少なくとも2回独立してプラスミドへ移行したと考えられている。

分類

β-ラクタマーゼは主として、ペニシリナーゼ、基質拡張型β-ラクタマーゼ（ESBL）、阻害薬抵抗性β-ラクタマーゼ、AmpC型β-ラクタマーゼ（クラスC）、およびカルバペネマーゼに大別される。ESBLには、TEM型β-ラクタマーゼ（クラスA）、SHV型β-ラクタマーゼ（クラスA）、CTX-M型β-ラクタマーゼ（クラスA）、OXA型β-ラクタマーゼ（クラスD）、ならびにその他のプラスミド媒介性ESBLが含まれる。カルバペネマーゼはさらに、IMP型カルバペネマーゼ（メタロ-β-ラクタマーゼ、クラスB）、VIM（Verona integron-encoded metallo-β-lactamase、クラスB）、OXA群β-ラクタマーゼ（クラスD）、KPC（K. pneumoniae carbapenemase、クラスA）、CMY（クラスC）、NDM-1（New Delhi metallo-β-lactamase、クラスB）、SME（Serratia marcescens enzymes）、IMI（イミペネム加水分解性β-ラクタマーゼ）、NMC、CcrAに分類される。

a. ペニシリナーゼ

ペニシリナーゼは最初に同定されたβ-ラクタマーゼであり、β-ラクタム環を破壊することによりペニシリン系に対して特異性を示す。各種ペニシリナーゼの分子量は概ね50 kDa前後である。臨床でペニシリンが使用される以前に、グラム陰性菌であるE. coliから初めて分離された。ペニシリナーゼ産生は、従来産生しなかった、またはごく少量しか産生しなかった細菌へ急速に拡散した。ペニシリナーゼ耐性β-ラクタム薬が開発されたものの、これらの抗菌薬に対しても広範な耐性が生じている。

b. 基質拡張型β-ラクタマーゼ（ESBL）

オキシイミノ側鎖を有する基質拡張型セファロスポリンを加水分解するESBLは1979年に初めて検出され、ESBL発現菌の有病率は急性期病院において徐々に増加している。これらのセファロスポリンには、セフォタキシム、セフトリアキソン、セフタジジムが含まれ、さらにオキシイミノ-モノβ-ラクタムであるアズトレオナムも含まれる。これらはESBLにより多剤耐性が付与される。通常、TEM-1、TEM-2、またはSHV-1の遺伝子が、β-ラクタマーゼの活性部位周辺のアミノ酸配列を変化させる変異を経てESBLをコードする。広範なβ-ラクタム系抗菌薬がこれら酵素による分解の影響を受ける。ESBLは、他系統薬に対する耐性遺伝子も搭載するプラスミドによりコードされることが多い。そのため、ESBL産生菌感染症の治療における抗菌薬選択には大きな制約がある。ESBL産生菌による重症感染症では、カルバペネム系が常に第一選択とされる。しかし、これら抗菌薬の投与は高い治療失敗率と関連することが報告されている。

c. 阻害薬抵抗性β-ラクタマーゼ

阻害薬抵抗性β-ラクタマーゼは、従来型のTEM型またはSHV型酵素に由来する点でESBLと併せて論じられることが多い。当初、これらの酵素は阻害薬抵抗性TEM型β-ラクタマーゼとしてIRT（inhibitor-resistant TEM）の名称が付与されたが、その後はいずれもTEMの番号付けにより再命名された。阻害薬抵抗性TEM型β-ラクタマーゼは主として臨床分離のE. coliに存在するが、K. pneumoniae、Klebsiella oxytoca、Citrobacter freundii、P. mirabilisの一部株でも認められる。阻害薬抵抗性TEM変異体は、記載される耐性にもかかわらず、通常タゾバクタムによる阻害およびピペラシリン／タゾバクタム配合剤に対する感受性を保持する。

d. AmpC型β-ラクタマーゼ

AmpC型β-ラクタマーゼは、基質拡張型セファロスポリン耐性のグラム陰性菌から一般に検出され、Citrobacter、Serratia、Enterobacter属など多くのグラム陰性菌では染色体上に保持され、その発現は通常誘導性である。AmpC型β-ラクタマーゼはプラスミド上にコードされる場合もある。ESBLと異なり、AmpC β-ラクタマーゼはクラブラン酸などのβ-ラクタマーゼ阻害薬による阻害を受けることなく、広域および基質拡張型セファロスポリンを加水分解し得る。

e. カルバペネマーゼ

カルバペネム系は、AmpC β-ラクタマーゼおよび基質拡張型β-ラクタマーゼに対して安定であることから高い評価を得てきた。しかし、オキシイミノ-セファロスポリンおよびセファマイシンに活性を示すカルバペネマーゼの触媒作用により失活する。カルバペネマーゼは従来、クラスA、B、Dにのみ由来すると考えられていたが、クラスCのカルバペネマーゼも報告されている。

グラム陰性菌における耐性

グラム陰性菌における広域セファロスポリン耐性の出現は重大な懸念事項である。当初、限られた細菌種のみが変異により染色体性クラスC β-ラクタマーゼを過剰産生するようになった。その数年後、AmpC酵素を自然に産生するだけでなく、TEM型またはSHV型の基質拡張型β-ラクタマーゼ（ESBL）も分泌する細菌種において耐性が出現した。特徴として、このような耐性はクラブラン酸、スルバクタム、タゾバクタムなどの阻害薬により抑制されてきた。染色体媒介性AmpC β-ラクタマーゼは新たな脅威となっており、セフォキシチンやセフォテタンなどの7-α-メトキシ-セファロスポリンに対する耐性を付与する一方、市販のβ-ラクタマーゼ阻害薬では抑制されない。さらに、外膜ポーリンの欠失を伴う株ではカルバペネム系に対する耐性も付与し得る。

ESBL／AmpC／カルバペネマーゼの治療

一般に、分離株が第2世代セファロスポリンに対してはin vitroで感受性を示す一方、第3世代セファロスポリンおよびアズトレオナムに耐性を示す場合、ESBL産生菌である可能性が推定される。いったんESBL産生菌と判定された株は、測定されたin vitro感受性にかかわらず、すべてのペニシリン系、セファロスポリン系、およびアズトレオナムに対して耐性として取り扱うべきである。β-ラクタマーゼ阻害薬は多くのESBLの活性をin vitroで阻害するが、β-ラクタム系とβ-ラクタマーゼ阻害薬の配合剤の臨床的有効性は治療において一貫して信頼できるとは限らない。セファマイシン系は大多数のESBLにより不活化されないが、併存するAmpC型β-ラクタマーゼにより加水分解され得る。同様に、AmpC型β-ラクタマーゼを分泌する菌に対しては、β-ラクタム系とβ-ラクタマーゼ阻害薬の配合剤が有効でない場合があり、これらの菌は外膜タンパク質の発現を低下させることがあり、その結果セファマイシン系に対して耐性となる。現在、ESBL産生菌による感染症の治療にはカルバペネム系が望ましい薬剤と考えられている。ESBL媒介性加水分解に安定なカルバペネム系は、ESBLを発現するEnterobacteriaceae株に対しても優れたin vitro阻止活性を示す。

参考文献