内酰胺酶抑制剂与内酰胺类抗生素

一、概述

抗菌药物作用主要通过干扰细菌的生化代谢过程,影响其结构与功能而产生抗菌作用,主要包括抑制细菌细胞壁合成、抑制细胞膜功能、抑制或干扰蛋白质合成、影响核酸代谢等。

细菌细胞膜外是一层坚韧的细胞壁,能抗御菌体内强大的渗透压,具有保护和维持细菌正常形态的功能。细菌细胞壁主要结构成分是胞壁黏肽,由N-乙酰葡萄糖胺和与五肽相连的N-乙酰胞壁酸重复交替联结而成。胞壁黏肽的生物合成可分为胞浆内、胞浆膜与胞浆外3个阶段。胞浆内黏肽前体的形成可被磷霉素与环丝氨酸所阻碍。磷霉素抑制有关酶系阻碍N-乙酰胞壁酸的形成,环丝氨酸通过抑制D-丙氨酸的消旋酶和合成酶阻碍了N-乙酰胞壁酸五肽的形成。胞浆膜阶段的黏肽合成可被万古霉素和杆菌肽所破坏,它们能分别抑制MNAc-五肽与脂载体结合并形成直链十肽二糖聚合物和聚合物转运至膜外受体的过程及脱磷酸反应。青霉素、头孢菌素类等β-内酰胺类抗生素能阻碍直链十肽二糖聚合物在胞浆外的交叉联接过程,其作用靶位是胞浆膜(细胞膜)上的青霉素结合蛋白,表现为抑制转肽酶的转肽作用,阻碍了交叉连接,阻碍细胞壁合成,导致细菌细胞壁缺损。由于菌体内处于高渗透压状态,在等渗环境中胞外水分不断渗入,致使细菌膨胀、变形,在自溶酶影响下,细菌破裂溶解而死亡。

细菌胞浆膜主要是由类脂质和蛋白质分子构成的一种半透膜,具有渗透屏障和运输物质的功能。多黏菌素类抗生素具有表面活性物质,能选择性地与细菌胞浆膜中的磷酯结合,制霉菌素和两性霉素等多烯类抗生素则仅能与真菌胞浆膜中固醇类物质结合。它们均能使胞浆膜通透性增加,导致菌体内的蛋白质、核苷酸、氨基酸、糖和盐类等外漏,从而使细菌死亡。

细菌为原核细胞,其核蛋白体为70S,由30S和50S亚基组成,哺乳动物是真核细胞,其核蛋白体为80S,由40S与60S亚基构成,因而它们的生理、生化与功能不同,抗菌药物对细菌的核蛋白体有高度的选择性毒性,而不影响哺乳动物的核蛋白体和蛋白质合成。多种抗生素能抑制细菌的蛋白质合成,但它们的作用点有所不同:氯霉素、林可霉素和大环内酯类抗生素能与细菌核蛋白体50S亚基结合,使蛋白质合成呈可逆性抑制;氨基糖苷类抗生素、四环素能与核蛋白体30S亚基结合,阻止氨基酰tRNA向30S亚基的A位结合,从而抑制蛋白质合成,其中氨基糖苷类抗生素的抑菌作用是多环节的,能影响蛋白质合成的全过程,因而具有杀菌作用。

磺胺类与甲氧苄啶可分别抑制二氢叶酸合成酶与二氢叶酸还原酶,阻碍叶酸代谢。喹诺酮类药物能抑制细菌DNA的合成,利福平能抑制以DNA为模板的RNA多聚酶。这些药物最终影响细菌核酸合成,从而抑制细菌的生长和繁殖。

各类药物对细菌的抑制、杀灭作用见图4-1。

图4-1　细菌结构与各类抗菌药物作用机制示意

二、几类儿童常用抗生素的作用机制

(一)β-内酰胺类抗生素的作用机制

1.分类　β-内酰胺类抗生素(β-lactams)系指化学结构中具有β-内酰胺环的一大类抗生素,包括临床最常用的青霉素与头孢菌素(含复方β-内酰胺酶抑制药),以及头孢霉素类、碳青霉烯类、单环β-内酰胺类等其他非典型β-内酰胺类抗生素。

(1)青霉素类:按抗菌谱和耐药性分为5类。

①窄谱青霉素类,以青霉素G、青霉素V为代表。

②耐酶青霉素类,以苯唑西林、氯唑西林、氟氯西林为代表。

③广谱青霉素类,以氨苄西林、阿莫西林为代表。

④抗铜绿假单胞菌广谱青霉素类,以羧苄西林、替卡西林、氨苄西林、哌拉西林为代表。

⑤革兰阴性菌青霉素类,以美西林、匹美西林为代表。

(2)头孢菌素类:按抗菌谱、耐药性和肾毒性分为一、二、三、四代。

①第一代头孢菌素,以头孢拉定、头孢氨苄为代表。

②第二代头孢菌素,以头孢呋辛、头孢克洛为代表。

③第三代头孢菌素,以头孢哌酮、头孢噻肟、头孢曲松、头孢他啶、头孢克肟为代表。

④第四代头孢菌素,以头孢吡肟、头孢匹罗为代表。

(3)β-内酰胺类抗生素的复方制剂:以阿莫西林克拉维酸钾、替卡西林克拉维酸钾、哌拉西林舒巴坦、哌拉西林他唑巴坦、头孢哌酮舒巴坦为代表。

(4)其他β-内酰胺类:包括头孢霉素类、碳青霉烯类、单环β-内酰胺类、氧头孢烯类等。

①头孢霉素类:以头孢西丁、头孢美唑为代表。

②碳青霉烯类:以亚胺培南、美罗培南、帕尼培南为代表。

③单环β-内酰胺类:以氨曲南为代表。

④氧头孢烯类:以拉氧头孢为代表。

2.作用机制　各种β-内酰胺类抗生素的作用机制均相似,其作用的靶分子是一系列存在于细菌细胞内膜上的青霉素结合蛋白(penicillin binding proteins,PBPs)。PBPs是细菌细胞壁合成过程中不可缺少的具有催化活性的蛋白质,在细菌生长、繁殖中发挥重要作用。各种细菌细胞膜上的PBPs种类、数目、分子量不同,如大肠埃希菌有7种PBPs、葡萄球菌有4种PBPs。但分类学上相近的细菌的PBPs类型及生理功能则是相似的。PBPs中最重要的一种即为转肽酶,其在细菌细胞壁主要成分胞壁黏肽(肽聚糖)的生物合成中发挥重要作用:肽聚糖单体进入细胞壁通过转糖基作用使主链延伸,相邻短肽间的交叉联接是通过转肽酶的催化作用。β-内酰胺类抗生素含有高活性β-内酰胺环,与连接乙酰胞壁五肽的最后二肽即D-丙氨酰-D-丙氨酸的结构相类似,其酰胺键可与转肽酶共价结合,形成乙酰化转肽酶而使转肽酶失活,转肽作用不能进行,肽聚糖交叉联结受阻,致细胞壁缺损而失去对细菌的保护屏障。由于菌体内渗透压高,在等渗环境中水分不断渗入而致细胞肿胀、变形,菌体膨胀裂解。除此之外,β-内酰胺类抗生素还可使细菌细胞壁中的自溶酶抑制药失活,使自溶酶活化而导致菌体细胞裂解、细菌死亡。β-内酰胺类抗生素对繁殖期的敏感细菌有极强的杀灭作用,但对细菌已合成的细胞壁无影响,故此类药物中多数为繁殖期杀菌剂。哺乳动物和人的细胞结构中无细胞壁,不受β-内酰胺类药物的影响,所以此类药物对人和哺乳动物等毒性极小。

各种细菌的PBPs对β-内酰胺类药物敏感性也不同,不同的抗生素通过与不同的PBPs蛋白结合而产生不同的抗菌活性。β-内酰胺类抗生素的抗菌活力主要取决于其与PBPs亲和性的强弱、对细菌PBPs及其亚型的选择性大小。

(二)氨基糖苷类抗生素的作用机制

氨基糖苷类抗生素临床应用迄今为止已有50多年,因其具有浓度依赖性快速杀菌作用、与β-内酰胺类抗菌药物产生协同作用、细菌的耐药性低、临床有效和价廉等优点,它仍是目前临床常用药物,广泛用于革兰阴性杆菌所致的败血症、细菌性心内膜炎和其他严重感染。

氨基糖苷类抗生素主要作用于细菌体内的核糖体(16S核糖体RNA,16S r RNA),与其A位结合,抑制细菌蛋白质的合成过程,使其合成异常的蛋白,阻碍已合成蛋白的释放,使细菌细胞膜通透性增加而导致一些重要生理物质的外漏,引起细菌死亡。

近年来的研究认为,氨基糖苷类抗生素强大的抑菌作用机制包括:氨基糖苷类分子吸附于菌体表面,造成细菌细胞膜轻度损伤;少量氨基糖苷类分子进入菌体,在细菌蛋白质肽链延伸阶段通过依赖于能量的Ⅱ期转运系统的参与选择性地与核糖体30S亚基上的靶蛋白结合,使A位变形,造成m RNA上密码错译而形成无功能蛋白质(异常蛋白质),影响肽链延长过程;形成的无功能蛋白质结合进入细菌细胞膜,致膜通透性增加,细菌胞内重要物质如钾离子、腺嘌呤、核苷酸等重要物质外漏,加速细菌死亡;大量氨基糖苷类分子进入菌体,形成更多的无功能蛋白质,加重了细胞膜的渗漏和药物摄入量;氨基糖苷类药物在细菌蛋白合成终止阶段阻止终止因子RF进入A位,阻止已形成的肽链释放,并使70S亚基不能解离,最终造成菌体核蛋白消耗及蛋白合成受阻,当进入菌体内的氨基糖苷类分子显著超过核糖体数时,核糖体内进行的蛋白质合成的起始阶段全部停止,此作用是不可逆的,因此导致细菌迅速死亡。氨基苷类分子大量进入菌体细胞是一个需氧耗能过程,在缺氧环境下这一过程受到抑制。目前,临床所用的氨基糖苷类均可在达到治疗浓度(≤25μg/ml)时抑制原核细胞合成蛋白质。

对生长繁殖旺盛(繁殖期)的细菌,氨基糖苷类通过细菌的细胞外膜扩散后,与其内(细胞质)膜上具有跨膜摄取功能的一种能量依赖性(限速)转运系统——Ⅰ相转运蛋白呈低亲和力结合,因此,氨基糖苷类抗生素对繁殖期细菌的杀灭作用弱,对静止期细菌的杀灭作用强,常称为静止期杀菌药。

(三)大环内酯类抗生素的作用机制

1.分类　大环内酯类抗生素是一类以一个大环内酯(14、15和16元环)为母核,经羟基以苷键与1~3个分子糖相连,能够抑制蛋白质合成的具有抗菌作用的抗生素。14元环大环内酯抗生素以红霉素(erythromycin)为代表,包括克拉霉素(clarithromycin)、罗红霉素(roxithromycin)、竹桃霉素(oleandomycin)、地红霉素(dirithromycin)、泰利霉素(telithromycin)和喹红霉素(cethromycin)等。阿奇霉素(azithromycin)是目前已上市的唯一15元环大环内酯抗生素。16元环大环内酯抗生素包括麦迪霉素(medecamycin)、醋酸麦迪霉素(acetylmedecamycin)、吉他霉素(kitasamycin)、乙酰吉他霉素(acetylkitasamycin)、交沙霉素(josamycin)、螺旋霉素(spiramycin)、乙酰螺旋霉素(acetylspiramycin)、罗他霉素(rokitamycin)等。

2.作用机制　大环内酯类抗生素可透过细胞膜直接进入菌体内与细菌70S核糖体50S亚基可逆性结合,结合的部位在核蛋白体的供位(P位),此位点是蛋白质合成过程中肽链延长阶段所必须的,正在延长中的肽链与肽链相连接的转移核糖核酸(t RNA)每接受一个新的氨基酸都是在受位(A位)接受后移至P位。由于大环内酯类抗生素能竞争与P位结合,阻断t RNA结合至P位上,同时也阻断了多肽链自A位移至P位,从而阻断肽链延长,抑制菌体蛋白质的合成。由于细菌核糖体为70S,由50S和30S亚基构成,而哺乳动物核糖体为80S,由60S和40S亚基构成,因此大环内酯类抗生素对哺乳动物核糖体几无影响。14元环或15元环大环内酯存在时细菌核糖体仍然有能力合成短肽,16元环大环内酯存在时核糖体合成肽链的能力被完全抑制,可能因为16元环大环内酯在C5位上有双糖侧链而14元环或15元环大环内酯为单糖侧链所致。