抗生素類藥物的研究現狀和進展

湯雨晴，葉倩，鄭維義,*

(1 南京工業大學藥學院，南京 211800； 2 南京工業大學生物與制藥工程學院，南京 211800； 3 南京第二醫院重癥醫學科，南京210003 )

目前，傳染病是世界上最主要的致死原因之一，全世界每年有超過1700萬人死于細菌感染[1]。近幾十年來，由于抗生素的不斷發現與發展，各種傳染病都能夠得到有效的治療，由細菌感染導致的疾病的發病率和死亡率大幅下降，抗生素被譽為現代醫學最偉大的進步之一[2]。按照化學結構，可將抗生素分為四種不同種類：四環素類、大環內酯類、β-內酰胺類和氨基糖苷類。因其具有高效的抑菌作用，抗生素被廣泛用于人類和動物疾病的預防和治療中。據統計顯示，中國抗生素的產量和消費量居世界首位[3]。然而，抗生素的大量使用促使耐藥菌的產生，這些細菌通過獲得基因或染色體突變而進化成能夠耐受這些藥物，從而產生細菌耐藥性。由此產生的抗生素耐藥機制的發展和攜帶這些耐藥基因的細菌的傳播被認為是全球公共衛生面臨的主要挑戰之一，并且有可能破壞過去幾十年取得的成果。細菌耐藥性會導致細菌對藥物的敏感度降低，使得多種傳染病可能沒有可行的抗生素治療，對人類健康造成巨大的風險。更糟糕的是，由于種種原因，新型有效的抗生素的開發變得越來越艱難，呈穩步下降趨勢，抗生素的開發速度難以跟上細菌產生耐藥的速度。因此，我們要合理使用抗生素，避免因抗生素濫用而引起的耐藥性問題。

1 四環素類抗生素

四環素類抗生素是20世紀40年代末發現的廣譜抗生素，其結構特征是分子內含有由4個碳氫環組成的平面多環結構，因此得名四環素。四環素具有許多被認為是抗生素藥物的理想性質，包括抑制革蘭陽性菌和革蘭陰性菌等病原體的活性、經證實的臨床安全性以及可接受的耐受性。除了抗菌活性外，四環素類抗生素兼具抗炎、抗凋亡和神經保護作用，所以近年來臨床上廣泛使用，取得了顯著的療效[4]。

第一種四環素是源自放線菌發酵產生的天然產物[5]。1948年，Benjamin Duggar首次報道從金黃色鏈霉菌aureofacients中提取得到氯四環霉素，結構如圖1左圖所示。隨后將其命名為金霉素進行銷售，并于同年批準用于臨床[6]。不久之后，輝瑞公司的科研人員也從鏈霉菌發酵液中分離出土霉素，結構見圖1。該藥物于1950年獲得美國食品和藥物管理局(FDA)的批準，并投放市場[7]。在隨后的二十年中，其他四環素也是由鏈霉菌或半合成衍生物產生的天然產物，它們具有更高的抗菌效力、溶解度和口服生物利用度。

圖1 金霉素和土霉素的化學結構

然而由于臨床上過度使用四環素類抗生素，導致近年來不斷涌現的耐藥菌株在一定程度上限制了四環素的臨床應用。四環素類藥物發展的長期停滯之后，一直到20世紀80年代后期，人們對四環素類藥物的優化才重新產生了興趣。這引發了半合成衍生物的發現，它們對難以治療的新型耐多藥革蘭陰性菌和革蘭陽性菌(包括具有四環素特異性耐藥機制的細菌)具有更好的抗菌活性。替加環素是一種半合成的腸外甘氨酰環素(如圖2所示)，1993年由Lederle的科學家發現，并于2005年由FDA批準投入臨床使用[8]。它對廣泛耐藥的金黃色葡萄球菌和萬古霉素耐藥菌具有明顯抑制作用，是由耐藥菌引起的嚴重感染疾病的首選治療方案。

1.1 作用機制

核糖體是所有活細胞中蛋白質的合成位點，由蛋白質和RNA組成。許多研究表明，四環素與細菌核糖體的RNA組分結合從而發揮抗菌活性[9]。更具體地說，四環素類抗生素的抗菌機制是四環素類藥物優先與細菌核糖體結合，并與30S核糖體亞基中的高度保守的16S rRNA靶點相互作用、形成可逆結合體，在延伸過程中通過空間干擾帶電荷的氨基酰基tRNA與mRNA-核糖體復合物結合[10]，阻止新氨基酸進入新生肽鏈來抑制細菌生長和存活所必須的蛋白質的合成，從而起到抗菌效果。

1.2 耐藥機制

在最近的監測研究中，四環素類藥物被列為歐洲第三常使用的抗菌藥物。長期廣泛使用四環素類藥物造成細菌對該類藥物產生明顯的耐藥性。有數據表明，在某些歐洲國家中大腸埃希菌和肺炎克雷伯菌的四環素類耐藥率分別達到66.9%和44.9%之高[11]。迄今為止，已有59個四環素耐藥基因(tet)被報道過[12]。它們可以通過以下兩種不同的機制介導對四環素類藥物的抗性。

1.2.1 通過外排泵主動外排四環素

最常見的四環素特異性外排泵是轉運蛋白主要異化子超家族(major facilitator superfamily, MFS)的成員[13]。最新的統計表明，細菌中有30種不同的四環素特異性外排泵。外排泵基因編碼了膜相關的外排蛋白，能積極地將藥物泵出細胞外，導致細胞內的藥物濃度有所下降，減少了核糖體與四環素類藥物的結合，從而產生耐藥性。

圖2 替加環素的化學結構

1.2.2 通過細菌核糖體保護蛋白的作用

四環素核糖體保護蛋白(ribosomal protection proteins, RPPs)最初描述于空腸彎曲桿菌和鏈球菌中，是與延伸因子EF-G和EF-Tu具有顯著序列和結構相似性的GTP酶[14]。RPPs與核糖體結合可以逆轉扭曲核糖體結構，引起核糖體構型的改變，直接干擾四環素D-環和16S rRNA堿基C1054的相互堆積作用，使四環素類藥物不能與其結合并從結合位點30S亞基上解離，從而起到保護核糖體的作用。

2 大環內酯類抗生素

大環內酯類抗生素是一類由鏈霉菌產生的弱堿性的抗菌藥物，其分子中均含有大環內酯環這一基本結構，并在環上通過糖苷鍵附著一個或多個脫氧糖或氨基糖殘基。大環內酯類藥物代表了一大類蛋白質合成抑制劑，由于它們在人類醫學中的適用性，因此具有非常廣泛的臨床價值。

第一個大環內酯類抗生素于1950年從鏈霉菌屬菌株中分離出來，由于其苦味而被命名為苦霉素[15]。苦霉素的主要化學特征是分子內存在大環內酯環，如圖3所示，與后來所有分離得到的大環內酯類藥物一致。大環內酯的名字就是從這個大環內酯環中衍生出來的，并且可以根據內酯環的大小進一步分為12、14、15和16元環大環內酯類抗生素。

由鏈霉菌產生的酒霉素是12元大環內酯的主要代表，但這類化合物中只有少數其它化合物。紅霉素是14元環大環內酯類抗生素中最著名的成員，于1952年從紅色鏈霉菌或節桿菌中分離得到，結構如圖4所示。紅霉素對革蘭陽性菌有較強的抗菌作用，尤其是對耐青霉素的菌株有顯著的抑制效果，可以用來治療溶血性鏈球菌等所致的急性扁桃體炎以及蜂窩織炎等[16]。但紅霉素對胃酸的低穩定性，導致其有較明顯的胃腸道不良反應。10年后，16元環大環內酯類抗生素泰樂菌素和尼達霉素相繼問市，它們有較廣的抗菌譜，抗菌效力接近于14元大環內酯類抗生素。泰樂菌素還具有顯著的抑支原體作用，是世界上公認的畜禽支原體感染的預防和治療的首選藥物[17]。

圖3 苦霉素的化學結構

2.1 作用機制

總的來說，大環內酯類抗生素主要對革蘭陽性菌有效，對革蘭陰性菌的作用有限。它們對真核生物的活性很低，因為它們與真核生物核糖體的親和力較弱。其作用機制是：無論大環內酯的類型或內酯環的大小，大環內酯類抗生素都能不可逆地結合到細菌核糖體50s亞基上，在肽轉移酶中心附近的新生肽釋放通道(nascent peptide exit tunnel, NPET)內占據一個位置，從而抑制蛋白質的合成。NPET長約100?，寬約10～20?，是合成蛋白離開核糖體的通道[18]。傳統上，人們認為大環內酯僅僅通過阻塞NPET而阻斷所有新生成的3～10個氨基酸大小的多肽的釋放，從而停止翻譯。但最新研究顯示，大環內酯與NPET的結合后，能在肽鏈延長階段使得肽酰基tRNA從核糖體上解離，導致與大環內酯結合的核糖體不能聚合新生蛋白中的特定氨基酸序列，從而阻斷轉肽作用和mRNA移位過程，由此阻礙肽鏈增長，抑制蛋白質的合成，最終起到抑菌作用[19]。

2.2 耐藥機制

自20世紀50年代早期發現以來，大環內酯類抗生素已被大量用于農業和醫藥領域。鑒于這類抗生素的廣泛使用，耐藥性在致病菌中傳播就不足為奇了。1956年，有報道表明葡萄球菌對紅霉素產生細菌抗性，這僅僅發生在其引入臨床實踐幾年之后。1959年，英國報道了第一個耐紅霉素鏈球菌菌株。此后，大環內酯類抗生素的耐藥菌株不斷擴大，波及范圍較廣。科學家們不斷對細菌耐藥機制進行深入探索，目前研究發現的耐藥機制大致分為下述兩種。

2.2.1 核糖體修飾

圖4 紅霉素的化學結構

由紅霉素耐藥甲基轉移酶(erythromycinresistance methyltransferases, erms)基因編碼的甲基轉移酶可以催化核苷酸A2058中的N6位置發生單甲基化或二甲基化作用[20]。這種核苷酸與位于大內酯環C5位置的糖類發生特定的相互作用，甲基化會干擾產生氫鍵的形成，導致大環內酯與核糖體50S亞基的親和力明顯下降，使得耐藥菌株的產生。除了rRNA的甲基化外，rRNA的突變也能產生耐藥性。A2058的突變會改變核糖體靶位點，阻止大環內酯的結合。

2.2.2 大環內酯的細胞內濃度降低

細菌能夠逃避大環內酯類藥物作用的一種方法是通過使用外排泵降低細胞內濃度。與大環內酯類密切相關的是外排泵的Mef和Msr亞家族，其在質粒上編碼并且分別是MSF和ATP結合盒(ATP-binding cassette, ABC)家族的成員。Mef泵用作反向轉運蛋白，用質子交換已結合的大環內酯。Mef蛋白不使用ATP作為能量源將抗生素泵送到細胞外，而是利用二級主動轉運，此時ATP的能量不會直接用于大環內酯的跨膜轉運。該亞族蛋白是大環內酯類藥物耐藥的重要決定因素之一，Mef(A)和Mef(E)是最為常見的，它們都可以導致細菌對14、15元大環內酯產生耐藥性[21]。Msr蛋白通過結合大環內酯類藥物來提供核糖體保護[22]。Msr蛋白有四類，分別為A型、C型、D型和E型，也會導致14和15元的大環內酯的耐藥性。

3 β-內酰胺類抗生素

β-內酰胺類抗生素是一類具有共同化學特性的廣譜抗生素，即分子結構中含有β-內酰胺環，占全世界抗生素使用量的60%，是治療傳染病最有效的藥物之一。根據它們的化學結構，β-內酰胺可分為2種常用的類型，青霉素類和頭孢菌素類。

青霉素類的基本結構如圖5所示，由β-內酰胺環與另一個由5個組分組成的噻唑烷環組成，產生負責生物功能的母核，即6-氨基青霉烷酸(6-aminopenicilanic acid, 6-APA)。它有一個相關的側鏈R，其多樣性決定了不同青霉素的抗菌活性和藥動學特征。1928年，亞歷山大·弗萊明偶然發現青霉素，并在隨后十多年中完成了分離和純化，最終于1940年成功上市。因其安全性高、成本低、抗菌效果好，是革蘭陽性菌所致感染的首選藥物[23]。但是青霉素容易引起過敏反應，青霉素過敏是最普遍報道的藥物過敏，在普通人群中過敏率為9%到12%之間，而在住院病人中可能高達15%[24]。

圖5 青霉素的化學結構

頭孢菌素類是頭孢菌素C的產生菌中發現的一種抗生素，其母核為7-氨基頭孢烷酸，類似于青霉素6-APA核，結構如圖6所示。在頭孢菌素核中，β-內酰胺環與6元二氫噻嗪環稠合，從而形成頭孢烯核。頭孢菌素在C7中具有側鏈并且在C3中具有不同的取代基。C3側鏈的化學變化影響藥物代謝，而C7側鏈的變化會改變對β-內酰胺酶的耐受性，并擴大其抗菌活性[25]。與青霉素相比，頭孢菌素的β-內酰胺環張力較小，故具有較強的穩定性，同時還具有耐青霉素酶、過敏反應較少的特點[26]。

3.1 作用機制

不同結構的β-內酰胺類抗生素具有相同的作用機制。經典Park學說指出，該類藥物的作用機制主要為藥物抑制轉肽酶的轉肽作用，從而導致細菌細胞壁合成受阻，誘發細菌死亡[27]。肽聚糖是細菌細胞壁的主要成分，這種網狀的聚合物完全包圍著細胞，是革蘭陽性菌抵御內部滲透壓的唯一保護機制，使它們能夠在低滲環境中生存。近年來，研究的主要結果表明，細菌細胞膜含有幾種特殊的蛋白質分子，它們與青霉素能形成相對穩定的復合物，被稱為青霉素結合蛋白(penicillin-binding proteins , PBPs)，是β-內酰胺類抗生素的主要靶位。PBPs是細胞壁關鍵成分肽聚糖合成的必要酶。青霉素和頭孢菌素的結構與肽聚糖末端結構D-丙氨酰-D-丙氨酸相似，可以競爭性地與酶的活性中心以共價鍵結合，抑制黏肽轉肽酶所催化的交聯反應，嚴重破壞細菌細胞壁的形成，從而引起溶菌，導致細菌裂解死亡[28]。由于哺乳動物細胞無細胞壁，不受該過程影響，故此類抗生素的抗菌作用具有較高的選擇性。在革蘭陰性細菌中，只有暴露在高濃度青霉素的情況下才能發生細胞裂解；而低濃度的抗生素只會引起形態學異常[29]。因此，β-內酰胺類抗生素通常對陽性菌敏感度較高。

圖6 頭孢菌素的化學結構

3.2 耐藥機制

細菌中有許多復雜的機制使它們對抗生素產生耐藥性。與大多數抗菌藥物一樣，細菌通過三種主要機制產生對β-內酰胺類抗生素的抗性。PBPs表達減少或者突變是革蘭陽性菌對β-內酰胺類抗生素耐藥的重要機制。

3.2.1 產生β-內酰胺酶

這是最常見的耐藥機制之一，特別是在革蘭陰性細菌中。細菌產生的β-內酰胺酶能與抗生素的羰基部分共價結合，破壞其環狀結構，導致β-內酰胺類抗生素在到達靶點之前就被降解。β-內酰胺酶還可非水解性地迅速牢固地結合β-內酰胺類抗生素，使其不能進入靶位發揮作用[30]。

3.2.2 PBPs的改變

這是引起革蘭陽性菌對β-內酰胺產生耐藥性的主要原因之一。PBPs為β-內酰胺類藥物的作用靶點，當PBPs發生基因突變時，導致β-內酰胺類抗生素與其目標PBPs之間的親和力喪失，藥物無法通過與其作用部位結合而發揮藥效，進而導致細菌耐藥性的產生。

3.2.3 細胞外膜通透性的改變

細胞膜滲透性的改變或增加外排泵活性會使抗生素無法進入菌體內，導致藥物與靶點的結合減少，從而使菌體內抗生素的活性濃度降低。例如，外排泵MexA或B-OprM的過表達是銅綠假單胞菌和其他致病性革蘭陰性菌產生耐藥的主要原因之一[31]。

4 氨基糖苷類抗生素

氨基糖苷是從放線菌中提取出的天然或半合成抗生素。自1943年首次發現第一種氨基糖苷類抗生素——鏈霉素以來，這類抗生素因其良好的抗菌活性和廣泛的抗菌譜被大量用于治療由革蘭陰性和革蘭陽性細菌引起的感染中。在發現鏈霉素后，通過開發從放線菌如鏈霉菌和小單孢菌中獲得的幾種密切相關的化合物，擴展了氨基糖苷類的研究，隨后有超過3000種天然和半合成氨基糖苷類抗生素被報道[32]。氨基糖苷類的結構類似于碳水化合物，其骨架結構由飽和胺和羥基取代的氨基環醇環組成。近年來，由于受到不斷涌現的耐藥菌的影響，以及與長期使用有關的固有毒性(耳毒性和腎毒性)，氨基糖苷類藥物的臨床應用在一定程度上受到限制。

4.1 作用機制

氨基糖苷類通過以高親和力結合30S核糖體亞基的16S r RNA解碼區上的A位點來抑制蛋白質合成。盡管氨基糖苷類成員對A位點上的不同區域具有不同的特異性，但它們都改變了A位點的構象。由于這種相互作用，抗生素通過在傳遞氨酰基tRNA時誘導密碼子誤讀而干擾翻譯過程的準確性。這導致易錯的蛋白質合成，允許不正確的氨基酸組裝成多肽，隨后釋放該多肽，對細胞膜和其他部位造成損害[33]。一些氨基糖苷也可以通過阻斷肽鏈延伸或直接抑制初始復合物的形成來影響蛋白質的合成[34]。氨基糖苷類抗生素的結合靶點都是16S r RNA的A位點，所以對于真核生物18S rRNA的作用較小，導致真核生物對氨基糖苷類抗生素不敏感。

4.2 耐藥機制

氨基糖苷耐藥有多種形式，包括酶修飾導致氨基糖苷類抗生素的失活、靶位點改變和膜滲透性降低。這些機制中的每一種對該類藥物中的不同成員都具有不同的影響，并且通常在任何耐藥菌中都涉及多種耐藥機制。

4.2.1 膜通透性降低

細胞膜通透性發生改變可能會引起細菌對藥物攝取和積累的減少，從而導致細菌耐藥。革蘭陰性菌的外膜同時是疏水性和親水性物質的屏障。為了克服這種滲透性障礙，這些微生物進化出了毛細孔蛋白，例如大腸埃希菌中的OmpF和銅綠假單胞菌中的OprD，它們在抗生素和其他小分子有機化學物質中充當非特異性的出入口點。當這些毛細孔蛋白數目明顯減少時，細菌產生耐藥性[35]。

4.2.2 基糖苷類抗生素的失活

細菌能產生氨基糖苷修飾酶(aminoglycosidemodifying enzymes, AMEs)，鈍化氨基糖苷類抗生素，導致抗菌素產生耐藥性。AMEs有三種不同類型，包括氨基糖苷核苷轉移酶(ANTs)，氨基糖苷乙酰轉移酶(AACs)和氨基糖苷磷酸轉移酶(APHs)[36]。酶修飾失活是細菌對氨基糖苷類抗生素最普遍的耐藥機制。AMEs與-OH或-NH2等官能團共價結合，能干擾抗生素與16S rRNA中A位點的結合，從而導致抗生素與核糖酰-tRNA親和力降低，使抗生素失活。

4.2.3 靶位點改變

核糖體是氨基糖苷類抗生素的作用靶點，rRNA在抗生素與核糖體結合中起著關鍵作用。由于靶點的改變，抗生素不能與核糖體結合。例如，質粒介導的16S rRNA甲基化酶(16S rRNA methyltransferases RMTs)會改變特定的rRNA核苷酸殘基以阻止氨基糖苷有效結合到其位點，使細菌對該類藥物產生高水平耐藥[37]。RMTs可根據其修飾特定核苷酸殘基的不同而分為兩大類。一類是通過核苷酸G1405的N7位甲基化使細菌對4,6-二取代的氨基糖苷類產生抗性的酶，另一類通過核苷酸A1408的N1位點的甲基化來影響4,6-和4,5-二取代氨基糖苷的酶[38]。

5 結論

由病原體引起的感染仍然是全球最重要的健康問題之一，近幾十年來，由于抗生素的不斷發展，各種傳染病都能得到有效的治療，為廣大患者帶來了福音。但由于臨床上的不合理使用，耐藥的致病菌在人類和動物中蔓延，耐藥性問題日益凸顯，甚至出現超級耐藥細菌。在醫藥中過度使用強效抗生素會導致耐藥細菌的產生，致使藥物對致病菌不產生作用[39]。細菌抗生素耐藥性的傳播已成為全球主要的公共衛生問題之一，它不僅導致衛生保健費用的增加，并且引起了國家財政負擔的壓力以及細菌感染病死亡率的上升[40]。且目前所有事實都表明，由于新型抗生素化合物的發展緩慢，而抗生素耐藥性機制的發展和多樣性不斷提高，抗菌藥物的開發速度難以跟上細菌產生耐藥性的速度，今后這一問題將變得更加嚴重。因此，現在迫切需要研發針對新靶標和新作用機制的抗生素和抗菌肽，或者將目光轉向從抗性基因的表達等方面來開發出新的抗菌策略[41]，阻止耐藥菌的傳播和進一步發展，以避免回到前抗生素時代。