抗菌药物的作用机制及细菌耐药性机制的研究进展

抗菌药物的作用机制及细菌耐药性机制的研究进展 (一) 自1940年青霉素问世以来，抗生素的开发与研究取得了迅速的发展。最初在土壤样品中寻找新品种，从微生物培养液中提取抗生素，继而开创了用化学方法全合成或半合成抗生素。β-内酰胺类抗生素品种经历了青霉素、半合成青霉素及头孢菌素等的飞跃发展;20世纪70年代末喹诺酮抗菌药物的问世及其新的衍生物的不断研究与开发，使该类药物的抗菌谱扩大和抗菌作用的增强;其他如氨基糖甙类及大环内酯类经过结构改造，各自均有新品种问世。随着抗生素研究的进展其作用原理及细菌的耐药机制的研究业已深入到分子生物学水平。 1 β-内酰胺类抗生素 1.1 β-内酰胺类抗生素的作用机制 β-内酰胺类抗生素为高效杀菌剂，对人的毒性极小，(过敏除外)。β-内酰胺类抗生素按其结构分为青霉烷、青霉烯、氧青霉烷、氧青霉烯、碳青霉烷、碳青霉烯、头孢烯、碳头孢烯、单环β-内酰胺(氮杂丁烷酮)等十类。其作用机制主要是阻碍细菌细胞壁的合成，导致胞壁缺损、水分内渗、肿胀、溶菌。而哺乳动物真核细胞无细胞壁，故不受影响。 细菌具有特定的细胞壁合成需要的合成酶，即青霉素结合蛋白(Penicillin binding proteins,PBP)当β-内酰胺类抗菌药物与PBP结合后，PBP便失去酶的活性，是细胞壁的合成受到阻碍，最终造成细胞溶解、细菌死亡。PBP按分子量的不同可分为五种:每种又有若干亚型，这些PBP存在于细菌细胞的质膜中，对细菌细胞壁的合成起不同的作用。 β-内酰胺类抗生素的抗菌活力，一是根据与PBP亲和性的强弱，二是根据其对PBP及其亚型的选择即对细菌的作用特点而决定的。同是β-内酰胺类抗生素的青霉素、头孢菌素和碳青霉烯类，对PBP的亲和性是不同的。β-内酰胺类抗生素通过与这些PBP的结合阻碍其活性而显示抗菌活性。MIC90的值可间接反映抗生素与PBP的亲和性。 1.2 细菌对β-内酰胺类抗生素产生耐药性的作用机制 随着β-内酰胺类抗生素的广泛大量使用，对β-内酰胺类抗生素耐药的细菌越来越多，其耐药机制涉及以下四个途径: 1.2.1 细菌产生β-内酰胺酶 产生β-内酰胺酶使β-内酰胺类抗生素开环失活，这是细菌对β-内酰胺类抗生素产生耐药的主要原因。迄今为止报道的β-内酰胺酶已超过300种。它通过与β-内酰胺环上的羰基共价结合，水解酰胺键使β-内酰胺类抗生素失活。1995年Bush等将β-内酰胺酶分为?型:第?型为不被克拉维酸乙酯的头孢菌素酶;第?型为常能被活性位点诱导的抑制剂抑制的β-内酰胺酶，第?型不被所有的β-内酰胺酶抑制剂(乙二胺四乙酸和对氯苯甲酸泵除外)抑制的金属β-内酰胺酶;第?型为不被克拉维酸抑制的青霉素酶。其中重要者为第?型和第?型。 第?型酶分为由染色体介导产生的Ampc型β-内酰胺酶，和由质粒介导产生的Ampc型β-内酰胺酶，前者的产生菌有阴沟肠杆菌、铜绿假单胞菌等，后者主要由肺炎克雷伯和大肠埃希氏菌产生。第?型酶主要作用于大多数青霉素，第一、二、三代头孢菌素和单环类抗生素。而第四代头孢菌素、碳青酶烯类不受该酶作用。该酶不能被β-内酰胺酶抑制剂所抑制。 AmpC型β,内酰胺酶的产生有2种可能:1)在诱导剂存在时暂时高水平产生，当诱导剂不存在时，酶产量随之下降;2)染色体上控制酶水平 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 达的基因发生突变，酶持续稳定水平产生。由这种耐药菌引起的感染死亡率很高。 以前认为第2组细菌(肠杆菌属)只产生典型的AmpC型β,内酰胺酶，但目前的一些研究提示它们也能产生第II型酶即超广谱β,内酰胺酶(ESBLs)。第II型酶是由质粒介导产生的ESBLs，主要由肺炎克雷伯氏菌、大肠埃希氏菌等产生。但该酶可被β,内酰胺酶抑制剂所抑制。ESBLs可将耐药质粒以转化、传导、整合、易位、转座等方式传播给其它细菌，从而导致多种细菌产生耐药性。一项肺炎克雷伯氏菌的研究发现，216株细菌中2株产生ESBLs(14.8%)，用过第三代头孢菌素的患者产生ESBLs肺炎克雷伯氏菌的分离率比未用过的患者明显增高(31% 比3%，P <0.01)，说明第三代头孢菌素菜与ESBLs的产生密切相关。故有人认为第三代头孢菌素类抗生素的滥用是引起这类耐药细菌出现的主要因素，调查还发现，β,内酰胺酶抑制和亚胺培南类药物不易诱导ESBLs产生。 1.2.2 改变抗生素与PBP的亲和力 改变参与细菌细胞壁合成的蛋白酶的分子结构，从而降低它们与β,内酰胺类抗生素的亲和性。β,内酰胺类抗生素的抗菌活性是根据其与PBP的亲和力强弱决定的。当β,内酰胺类抗生素与PBP结合后，便使PBP丧失酶活性，使细菌细胞壁的形成部位破损而引起溶菌，反之，则成为耐药菌。PBP基因的变异，使β,内酰胺类抗生素无法与之结合或结合能力降低，是形成耐药的根本原因。 1.2.3 细菌外膜通透性改变 改变细胞膜和细胞壁的结构，使药物难以进入细菌体内，引起细菌内药物摄取量减少而使细菌体内药物浓度低下。如愿以偿生物膜形成，使抗生素无法进入细菌体内。 1.2.4 主动外排 细菌的能量依赖性主动转运机制，能将已经进入细菌体内的抗生素泵出体外;降低了抗生素吸收速率或改变了转运途径，也导致耐药性的产生。 抗菌药物的作用机制及细菌耐药性机制的研究进展 (二) 2 氨基糖苷类抗生素 2.1 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，广泛用于革兰氏阴性杆菌所致的败血症、细菌性心内膜炎和其它严重感染。其作用机制是通过抑制细菌细胞膜蛋白质的合成并改变膜结构的完整性而发挥强有力的杀菌作用。同时氨基糖苷类快速杀菌作用提示某些细菌致死因素可能在抑制其蛋白质合成作用之前产生。 2.2 细菌对氨基糖苷类抗生素产生耐药性的作用机制 2.2.1 药物摄取的减少 药物摄取的减少主要是由于膜的通透性降低所引起，而基因突变可导致膜的通透性降低，可使能量代谢如电子转运受到影响而减少氨基糖苷类药物的吸收;也可使药物的转运系统缺损而减少药物的摄取量。 2.2.2 主动外排 主动外排系统作为细菌耐药机制之一，存在于许多细菌中。细菌的主动外排系统主要分为四大类:(1)主要易化超家族(Major facilitator superfamily, MFS)，与哺乳动物的葡萄糖易化转运器具有同源性;(2)耐药结节分化家族(Resistance-nodulation division(RND) family)，包括能够泵出镉、钴和镍离子的转运蛋白;(3)葡萄球菌多重耐药家族(staphylococal multidrug resistance(SMR) family)，由比较小的含有四个跨膜螺旋的转运器组成;(4)ATP组合盒(ATP-binding cassette(ABC)转运器，包括两个跨膜区和两个ATP结合亚单位。 2.2.3 酶的修饰钝化作用 这是细菌对氨基糖苷类抗生素发生耐药的主要机制。当氨基糖苷类抗生素依赖电子转运通过细菌内膜而到达胞质溶胶中后，与核糖本30S亚基结合，但这种结合并不阻止起始复合物的形成，而是通过破坏控制翻译准确性的校读过程来干扰新生链的延长。而异常蛋白插入细胞膜后，又导致通透性改变，促进更多氨基糖苷类药物的转运。氨基糖苷类药物修饰酶通常由质粒和染色体所编码，同时与可动遗传因子(整合子、转座子)也有关，质粒的交换和转座子的转座作用都有利于耐药基因掺入到敏感菌的遗传物质中去。氨基糖苷类药物修饰酶催化氨基糖苷药物氨基或羟基的共价修饰，使得氨基糖苷类药物与核糖体的结合减少，促进药物摄取EDP-II也被阻断，因而导致耐药。根据反应类型，氨基糖苷类药物修饰酶有N-乙酰转移酶(N-acetyltransferases, AAC)、O-核苷转移酶(O-nucleotidyltrferase ,ANT)和O-磷酸转移酶(O-phospotransferases, APH)。这些酶的基因决定簇即使在没有明显遗传关系的细菌种群间也能传播。 2.2.4 核糖体结合位点的改变 链霉素作用于核糖体30s亚基，导致基因密码的错读，引起mRNA翻译起始的抑制和异常校读。大量研究表明编码S12核糖体蛋白的rplS基因及编码16s rRNA的rrs基因突变都会使核糖体靶 位点改变，使细菌对链霉素产生显著水平的耐药。S12蛋白是30s亚基中的一个组分，主要控制链霉素与30s亚基的结合，它可以稳定由16s rRNA所形成的高度保守的假节结构，Rpsl氨基酸的置换将会影响16s rRNA的高级结构，导致对链霉素的耐药，而16s rRNA结构的改变又破坏了16s rRNA与链霉素的相互作用。 抗菌药物的作用机制及细菌耐药性机制的研究进展 (三) 3 喹诺酮类药物 喹诺酮类药物的作用机制主要是通过抑制DNA拓扑异构酶而抑制DNA的合成，从而发挥抑菌和杀菌作用。 细菌DNA拓朴异构酶有I、II、III、IV，分两大类，第一类有拓朴异构酶I、III，主要参与DNA的松解，第二类包括拓朴异构酶II、IV，其中拓朴异构酶II又称DNA促旋酶，参与DNA超螺旋的形成，拓朴异构酶IV则参与细菌子代染色质分配到子代细菌中。但拓朴异构酶I和III对喹诺酮类药物不敏感，喹诺酮类药物的主要作用靶位是DNA促旋酶和拓朴异构酶IV。革兰氏阴性菌中DNA促旋酶是喹诺酮类的第一靶位，而革兰氏阻性菌中拓朴异构酶IV是第一靶位。 DNA促旋酶通过暂时切断DNA双链，促进DNA复制转录过程中形成的超螺旋松解，或使松弛DNA链形成超螺旋空间构型。喹诺酮类药物通过嵌入断裂DNA链中间，形成DNA-拓朴异构酶-喹诺酮类三者复合物，阻止DNA拓朴异构变化，妨碍细菌DNA复制、转录、以达到杀菌目的。 3.2 细菌对喹诺酮类抗菌药物产生耐药性的作用机制 3.2.1 作用靶位的改变 1976年Gellert等发现DNA促旋酶，观察到萘啶酸能抑制大肠埃希氏菌DNA促旋酶，由萘啶酸耐药菌分离出的DNA促旋酶对萘啶酸表现出耐药性，据此确认喹诺酮类药物的作用靶位为DNA促旋酶。1990年加腾等发现大肠埃希氏菌拓朴异构酶IV能被喹诺酮类药物抑制，由喹诺酮耐药性MRSA克隆出的耐药基因之一的突变的拓扑异构酶IV基因，从而判明拓朴异构酶IV亦为喹诺酮类药物的靶位。 编码组成DNA促旋酶的A亚单位和B亚单位及parC和parE亚单位组成拓朴异构酶IV的parC和parE的耐药性。在所有的突变型中，以gyra的突变为主。Akasaka等研究发现:在150例临床分离的铜录假单胞菌的耐药株中，gyrA的突变占79.3%(119/150)。主要为Thr-83?Ile，Ala;Asp?87?Asn，Gly, Thr。其中又以Thr83?Ile的突变型为多见，约74.7%(112/150)，而其它的突变型罕见。在耐药菌株中，有20株在gyrA上有两个突变，以Thr-83和Asp-87的替换最常见有16株。GyrA双点突变仅发生在喹诺酮类高度耐药的菌株中，这是因为gryA上的83和87位的氨基酸在提供喹诺酮类的结合位点时具有重要的作用。 而gyrB的突变株则较gyrA的突变少见。在13株分离的耐药菌株中，仅1株有gyrB的突变;在150例耐药菌中，仅发现27株细菌在gyrB存在突变，分别为Glu-468?Tyr(1)、Ser-468?Phe(3)、Glu-469?Val(1)、Glu-470?Asp(13)、Thr-437?Met(1)、Ala-477?Val(7)、Glu-459?Ang(1)。 parC的突变主要为Ser-87?Leu,Trp。但值得注意的是所有存在parC改变的菌株上都已存在gyrA的改变。因此可以肯定的是parC突变的发生是在gyrA突变之后才发生的，在同时具有gyrA和parC突变的菌株中，以gyrA上的Thr-83?Ile和parC上的Ser-87?Leu类型为最多见。同样可以肯定的是，gyrA上的第二个点突变是发生在parC点突变之后。 parE的突变型为Asp-419?Asn、Ala-425?Val。但在parE出现突变极其罕见(3/150)。 除此之外，gyrA、gyrB、parC、parE基因上还出现一些不引起氨基酸改变的静止突变。它们的意义尚不清楚。 在所有这些突变类型中，若II型拓朴异构酶上存在2个突变点(如gyrA和parC)，它们引起对氟喹诺酮类的耐药远远大于只有一个突变点(如gyrA或gyrB上)，前者是后者的3,4倍。同时没有发现突变仅出现在parC基因这一现象。这可能是因为DNA促旋酶是氟喹诺酮类的重要靶位，gyrA亚单位的改变可引起酶结构发生变化致空间位障，阻止喹诺酮类进入喹诺酮类作用区，或引起物理化学变化，干扰喹诺酮-酶-DNA的相互作用。这些结果显示 gyrA上的突变的出现引起细菌对喹诺酮类发生耐药的主要机制，而parC突变只是进一步引起铜绿假单胞菌对喹诺酮的高度耐药。 主动外排 同氨基糖苷类药物，细菌中同样存在能泵出喹诺酮类药物的外排系统，降低菌体内药物的浓度而出现细菌的耐药性。 膜通透性改变 喹诺酮类药物与其它抗菌药物一样，依靠革兰氏阴性菌的外膜蛋白(OMP)和脂多糖的变异均可使细菌摄取药物的量减少而导致耐药。已发现多种喹诺酮耐药性外膜突变株如norB、norC、nfxC、nfxB和多种抗生素耐药的marA等。大肠埃希氏菌通透喹诺酮类药物的孔蛋白主要为OmpF和OmpC。在喹诺酮类药物作用下，发生变异而缺失OmpC。在喹诺酮类药物作用下，发生变异而缺失OmpF的菌株，药物不能进入细胞，出现耐药性，且常与四环素、氯霉素等抗生素交叉耐药。缺失OmpC的突变株敏感性变化较小。铜绿假单胞菌除上述变异外，还有OmpD2 、OmpG等变异，均可导致耐药性。 结束语 抗菌药物为人类的健康生存和发展作出了巨大的贡献。然而随后出现的细菌耐药性问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 近年来已经发展到了非常严重地地步。深入了解药物的作用机制及其相关的耐药机制对研制新的有效的抗菌药物是非常必需的。可通过对目前已有的抗菌药物的化学结构进行改造，或合理的联合用药，对控制临床日益严重的感染疾病应有一定的帮助。