抗生素类药物的研究现状和进展

汤雨晴，叶倩，郑维义,*

(1 南京工业大学药学院，南京 211800； 2 南京工业大学生物与制药工程学院，南京 211800； 3 南京第二医院重症医学科，南京210003 )

目前，传染病是世界上最主要的致死原因之一，全世界每年有超过1700万人死于细菌感染[1]。近几十年来，由于抗生素的不断发现与发展，各种传染病都能够得到有效的治疗，由细菌感染导致的疾病的发病率和死亡率大幅下降，抗生素被誉为现代医学最伟大的进步之一[2]。按照化学结构，可将抗生素分为四种不同种类：四环素类、大环内酯类、β-内酰胺类和氨基糖苷类。因其具有高效的抑菌作用，抗生素被广泛用于人类和动物疾病的预防和治疗中。据统计显示，中国抗生素的产量和消费量居世界首位[3]。然而，抗生素的大量使用促使耐药菌的产生，这些细菌通过获得基因或染色体突变而进化成能够耐受这些药物，从而产生细菌耐药性。由此产生的抗生素耐药机制的发展和携带这些耐药基因的细菌的传播被认为是全球公共卫生面临的主要挑战之一，并且有可能破坏过去几十年取得的成果。细菌耐药性会导致细菌对药物的敏感度降低，使得多种传染病可能没有可行的抗生素治疗，对人类健康造成巨大的风险。更糟糕的是，由于种种原因，新型有效的抗生素的开发变得越来越艰难，呈稳步下降趋势，抗生素的开发速度难以跟上细菌产生耐药的速度。因此，我们要合理使用抗生素，避免因抗生素滥用而引起的耐药性问题。

1 四环素类抗生素

四环素类抗生素是20世纪40年代末发现的广谱抗生素，其结构特征是分子内含有由4个碳氢环组成的平面多环结构，因此得名四环素。四环素具有许多被认为是抗生素药物的理想性质，包括抑制革兰阳性菌和革兰阴性菌等病原体的活性、经证实的临床安全性以及可接受的耐受性。除了抗菌活性外，四环素类抗生素兼具抗炎、抗凋亡和神经保护作用，所以近年来临床上广泛使用，取得了显著的疗效[4]。

第一种四环素是源自放线菌发酵产生的天然产物[5]。1948年，Benjamin Duggar首次报道从金黄色链霉菌aureofacients中提取得到氯四环霉素，结构如图1左图所示。随后将其命名为金霉素进行销售，并于同年批准用于临床[6]。不久之后，辉瑞公司的科研人员也从链霉菌发酵液中分离出土霉素，结构见图1。该药物于1950年获得美国食品和药物管理局(FDA)的批准，并投放市场[7]。在随后的二十年中，其他四环素也是由链霉菌或半合成衍生物产生的天然产物，它们具有更高的抗菌效力、溶解度和口服生物利用度。

图1 金霉素和土霉素的化学结构

然而由于临床上过度使用四环素类抗生素，导致近年来不断涌现的耐药菌株在一定程度上限制了四环素的临床应用。四环素类药物发展的长期停滞之后，一直到20世纪80年代后期，人们对四环素类药物的优化才重新产生了兴趣。这引发了半合成衍生物的发现，它们对难以治疗的新型耐多药革兰阴性菌和革兰阳性菌(包括具有四环素特异性耐药机制的细菌)具有更好的抗菌活性。替加环素是一种半合成的肠外甘氨酰环素(如图2所示)，1993年由Lederle的科学家发现，并于2005年由FDA批准投入临床使用[8]。它对广泛耐药的金黄色葡萄球菌和万古霉素耐药菌具有明显抑制作用，是由耐药菌引起的严重感染疾病的首选治疗方案。

1.1 作用机制

核糖体是所有活细胞中蛋白质的合成位点，由蛋白质和RNA组成。许多研究表明，四环素与细菌核糖体的RNA组分结合从而发挥抗菌活性[9]。更具体地说，四环素类抗生素的抗菌机制是四环素类药物优先与细菌核糖体结合，并与30S核糖体亚基中的高度保守的16S rRNA靶点相互作用、形成可逆结合体，在延伸过程中通过空间干扰带电荷的氨基酰基tRNA与mRNA-核糖体复合物结合[10]，阻止新氨基酸进入新生肽链来抑制细菌生长和存活所必须的蛋白质的合成，从而起到抗菌效果。

1.2 耐药机制

在最近的监测研究中，四环素类药物被列为欧洲第三常使用的抗菌药物。长期广泛使用四环素类药物造成细菌对该类药物产生明显的耐药性。有数据表明，在某些欧洲国家中大肠埃希菌和肺炎克雷伯菌的四环素类耐药率分别达到66.9%和44.9%之高[11]。迄今为止，已有59个四环素耐药基因(tet)被报道过[12]。它们可以通过以下两种不同的机制介导对四环素类药物的抗性。

1.2.1 通过外排泵主动外排四环素

最常见的四环素特异性外排泵是转运蛋白主要异化子超家族(major facilitator superfamily, MFS)的成员[13]。最新的统计表明，细菌中有30种不同的四环素特异性外排泵。外排泵基因编码了膜相关的外排蛋白，能积极地将药物泵出细胞外，导致细胞内的药物浓度有所下降，减少了核糖体与四环素类药物的结合，从而产生耐药性。

图2 替加环素的化学结构

1.2.2 通过细菌核糖体保护蛋白的作用

四环素核糖体保护蛋白(ribosomal protection proteins, RPPs)最初描述于空肠弯曲杆菌和链球菌中，是与延伸因子EF-G和EF-Tu具有显著序列和结构相似性的GTP酶[14]。RPPs与核糖体结合可以逆转扭曲核糖体结构，引起核糖体构型的改变，直接干扰四环素D-环和16S rRNA碱基C1054的相互堆积作用，使四环素类药物不能与其结合并从结合位点30S亚基上解离，从而起到保护核糖体的作用。

2 大环内酯类抗生素

大环内酯类抗生素是一类由链霉菌产生的弱碱性的抗菌药物，其分子中均含有大环内酯环这一基本结构，并在环上通过糖苷键附着一个或多个脱氧糖或氨基糖残基。大环内酯类药物代表了一大类蛋白质合成抑制剂，由于它们在人类医学中的适用性，因此具有非常广泛的临床价值。

第一个大环内酯类抗生素于1950年从链霉菌属菌株中分离出来，由于其苦味而被命名为苦霉素[15]。苦霉素的主要化学特征是分子内存在大环内酯环，如图3所示，与后来所有分离得到的大环内酯类药物一致。大环内酯的名字就是从这个大环内酯环中衍生出来的，并且可以根据内酯环的大小进一步分为12、14、15和16元环大环内酯类抗生素。

由链霉菌产生的酒霉素是12元大环内酯的主要代表，但这类化合物中只有少数其它化合物。红霉素是14元环大环内酯类抗生素中最著名的成员，于1952年从红色链霉菌或节杆菌中分离得到，结构如图4所示。红霉素对革兰阳性菌有较强的抗菌作用，尤其是对耐青霉素的菌株有显著的抑制效果，可以用来治疗溶血性链球菌等所致的急性扁桃体炎以及蜂窝织炎等[16]。但红霉素对胃酸的低稳定性，导致其有较明显的胃肠道不良反应。10年后，16元环大环内酯类抗生素泰乐菌素和尼达霉素相继问市，它们有较广的抗菌谱，抗菌效力接近于14元大环内酯类抗生素。泰乐菌素还具有显著的抑支原体作用，是世界上公认的畜禽支原体感染的预防和治疗的首选药物[17]。

图3 苦霉素的化学结构

2.1 作用机制

总的来说，大环内酯类抗生素主要对革兰阳性菌有效，对革兰阴性菌的作用有限。它们对真核生物的活性很低，因为它们与真核生物核糖体的亲和力较弱。其作用机制是：无论大环内酯的类型或内酯环的大小，大环内酯类抗生素都能不可逆地结合到细菌核糖体50s亚基上，在肽转移酶中心附近的新生肽释放通道(nascent peptide exit tunnel, NPET)内占据一个位置，从而抑制蛋白质的合成。NPET长约100Å，宽约10～20Å，是合成蛋白离开核糖体的通道[18]。传统上，人们认为大环内酯仅仅通过阻塞NPET而阻断所有新生成的3～10个氨基酸大小的多肽的释放，从而停止翻译。但最新研究显示，大环内酯与NPET的结合后，能在肽链延长阶段使得肽酰基tRNA从核糖体上解离，导致与大环内酯结合的核糖体不能聚合新生蛋白中的特定氨基酸序列，从而阻断转肽作用和mRNA移位过程，由此阻碍肽链增长，抑制蛋白质的合成，最终起到抑菌作用[19]。

2.2 耐药机制

自20世纪50年代早期发现以来，大环内酯类抗生素已被大量用于农业和医药领域。鉴于这类抗生素的广泛使用，耐药性在致病菌中传播就不足为奇了。1956年，有报道表明葡萄球菌对红霉素产生细菌抗性，这仅仅发生在其引入临床实践几年之后。1959年，英国报道了第一个耐红霉素链球菌菌株。此后，大环内酯类抗生素的耐药菌株不断扩大，波及范围较广。科学家们不断对细菌耐药机制进行深入探索，目前研究发现的耐药机制大致分为下述两种。

2.2.1 核糖体修饰

图4 红霉素的化学结构

由红霉素耐药甲基转移酶(erythromycinresistance methyltransferases, erms)基因编码的甲基转移酶可以催化核苷酸A2058中的N6位置发生单甲基化或二甲基化作用[20]。这种核苷酸与位于大内酯环C5位置的糖类发生特定的相互作用，甲基化会干扰产生氢键的形成，导致大环内酯与核糖体50S亚基的亲和力明显下降，使得耐药菌株的产生。除了rRNA的甲基化外，rRNA的突变也能产生耐药性。A2058的突变会改变核糖体靶位点，阻止大环内酯的结合。

2.2.2 大环内酯的细胞内浓度降低

细菌能够逃避大环内酯类药物作用的一种方法是通过使用外排泵降低细胞内浓度。与大环内酯类密切相关的是外排泵的Mef和Msr亚家族，其在质粒上编码并且分别是MSF和ATP结合盒(ATP-binding cassette, ABC)家族的成员。Mef泵用作反向转运蛋白，用质子交换已结合的大环内酯。Mef蛋白不使用ATP作为能量源将抗生素泵送到细胞外，而是利用二级主动转运，此时ATP的能量不会直接用于大环内酯的跨膜转运。该亚族蛋白是大环内酯类药物耐药的重要决定因素之一，Mef(A)和Mef(E)是最为常见的，它们都可以导致细菌对14、15元大环内酯产生耐药性[21]。Msr蛋白通过结合大环内酯类药物来提供核糖体保护[22]。Msr蛋白有四类，分别为A型、C型、D型和E型，也会导致14和15元的大环内酯的耐药性。

3 β-内酰胺类抗生素

β-内酰胺类抗生素是一类具有共同化学特性的广谱抗生素，即分子结构中含有β-内酰胺环，占全世界抗生素使用量的60%，是治疗传染病最有效的药物之一。根据它们的化学结构，β-内酰胺可分为2种常用的类型，青霉素类和头孢菌素类。

青霉素类的基本结构如图5所示，由β-内酰胺环与另一个由5个组分组成的噻唑烷环组成，产生负责生物功能的母核，即6-氨基青霉烷酸(6-aminopenicilanic acid, 6-APA)。它有一个相关的侧链R，其多样性决定了不同青霉素的抗菌活性和药动学特征。1928年，亚历山大·弗莱明偶然发现青霉素，并在随后十多年中完成了分离和纯化，最终于1940年成功上市。因其安全性高、成本低、抗菌效果好，是革兰阳性菌所致感染的首选药物[23]。但是青霉素容易引起过敏反应，青霉素过敏是最普遍报道的药物过敏，在普通人群中过敏率为9%到12%之间，而在住院病人中可能高达15%[24]。

图5 青霉素的化学结构

头孢菌素类是头孢菌素C的产生菌中发现的一种抗生素，其母核为7-氨基头孢烷酸，类似于青霉素6-APA核，结构如图6所示。在头孢菌素核中，β-内酰胺环与6元二氢噻嗪环稠合，从而形成头孢烯核。头孢菌素在C7中具有侧链并且在C3中具有不同的取代基。C3侧链的化学变化影响药物代谢，而C7侧链的变化会改变对β-内酰胺酶的耐受性，并扩大其抗菌活性[25]。与青霉素相比，头孢菌素的β-内酰胺环张力较小，故具有较强的稳定性，同时还具有耐青霉素酶、过敏反应较少的特点[26]。

3.1 作用机制

不同结构的β-内酰胺类抗生素具有相同的作用机制。经典Park学说指出，该类药物的作用机制主要为药物抑制转肽酶的转肽作用，从而导致细菌细胞壁合成受阻，诱发细菌死亡[27]。肽聚糖是细菌细胞壁的主要成分，这种网状的聚合物完全包围着细胞，是革兰阳性菌抵御内部渗透压的唯一保护机制，使它们能够在低渗环境中生存。近年来，研究的主要结果表明，细菌细胞膜含有几种特殊的蛋白质分子，它们与青霉素能形成相对稳定的复合物，被称为青霉素结合蛋白(penicillin-binding proteins , PBPs)，是β-内酰胺类抗生素的主要靶位。PBPs是细胞壁关键成分肽聚糖合成的必要酶。青霉素和头孢菌素的结构与肽聚糖末端结构D-丙氨酰-D-丙氨酸相似，可以竞争性地与酶的活性中心以共价键结合，抑制黏肽转肽酶所催化的交联反应，严重破坏细菌细胞壁的形成，从而引起溶菌，导致细菌裂解死亡[28]。由于哺乳动物细胞无细胞壁，不受该过程影响，故此类抗生素的抗菌作用具有较高的选择性。在革兰阴性细菌中，只有暴露在高浓度青霉素的情况下才能发生细胞裂解；而低浓度的抗生素只会引起形态学异常[29]。因此，β-内酰胺类抗生素通常对阳性菌敏感度较高。

图6 头孢菌素的化学结构

3.2 耐药机制

细菌中有许多复杂的机制使它们对抗生素产生耐药性。与大多数抗菌药物一样，细菌通过三种主要机制产生对β-内酰胺类抗生素的抗性。PBPs表达减少或者突变是革兰阳性菌对β-内酰胺类抗生素耐药的重要机制。

3.2.1 产生β-内酰胺酶

这是最常见的耐药机制之一，特别是在革兰阴性细菌中。细菌产生的β-内酰胺酶能与抗生素的羰基部分共价结合，破坏其环状结构，导致β-内酰胺类抗生素在到达靶点之前就被降解。β-内酰胺酶还可非水解性地迅速牢固地结合β-内酰胺类抗生素，使其不能进入靶位发挥作用[30]。

3.2.2 PBPs的改变

这是引起革兰阳性菌对β-内酰胺产生耐药性的主要原因之一。PBPs为β-内酰胺类药物的作用靶点，当PBPs发生基因突变时，导致β-内酰胺类抗生素与其目标PBPs之间的亲和力丧失，药物无法通过与其作用部位结合而发挥药效，进而导致细菌耐药性的产生。

3.2.3 细胞外膜通透性的改变

细胞膜渗透性的改变或增加外排泵活性会使抗生素无法进入菌体内，导致药物与靶点的结合减少，从而使菌体内抗生素的活性浓度降低。例如，外排泵MexA或B-OprM的过表达是铜绿假单胞菌和其他致病性革兰阴性菌产生耐药的主要原因之一[31]。

4 氨基糖苷类抗生素

氨基糖苷是从放线菌中提取出的天然或半合成抗生素。自1943年首次发现第一种氨基糖苷类抗生素——链霉素以来，这类抗生素因其良好的抗菌活性和广泛的抗菌谱被大量用于治疗由革兰阴性和革兰阳性细菌引起的感染中。在发现链霉素后，通过开发从放线菌如链霉菌和小单孢菌中获得的几种密切相关的化合物，扩展了氨基糖苷类的研究，随后有超过3000种天然和半合成氨基糖苷类抗生素被报道[32]。氨基糖苷类的结构类似于碳水化合物，其骨架结构由饱和胺和羟基取代的氨基环醇环组成。近年来，由于受到不断涌现的耐药菌的影响，以及与长期使用有关的固有毒性(耳毒性和肾毒性)，氨基糖苷类药物的临床应用在一定程度上受到限制。

4.1 作用机制

氨基糖苷类通过以高亲和力结合30S核糖体亚基的16S r RNA解码区上的A位点来抑制蛋白质合成。尽管氨基糖苷类成员对A位点上的不同区域具有不同的特异性，但它们都改变了A位点的构象。由于这种相互作用，抗生素通过在传递氨酰基tRNA时诱导密码子误读而干扰翻译过程的准确性。这导致易错的蛋白质合成，允许不正确的氨基酸组装成多肽，随后释放该多肽，对细胞膜和其他部位造成损害[33]。一些氨基糖苷也可以通过阻断肽链延伸或直接抑制初始复合物的形成来影响蛋白质的合成[34]。氨基糖苷类抗生素的结合靶点都是16S r RNA的A位点，所以对于真核生物18S rRNA的作用较小，导致真核生物对氨基糖苷类抗生素不敏感。

4.2 耐药机制

氨基糖苷耐药有多种形式，包括酶修饰导致氨基糖苷类抗生素的失活、靶位点改变和膜渗透性降低。这些机制中的每一种对该类药物中的不同成员都具有不同的影响，并且通常在任何耐药菌中都涉及多种耐药机制。

4.2.1 膜通透性降低

细胞膜通透性发生改变可能会引起细菌对药物摄取和积累的减少，从而导致细菌耐药。革兰阴性菌的外膜同时是疏水性和亲水性物质的屏障。为了克服这种渗透性障碍，这些微生物进化出了毛细孔蛋白，例如大肠埃希菌中的OmpF和铜绿假单胞菌中的OprD，它们在抗生素和其他小分子有机化学物质中充当非特异性的出入口点。当这些毛细孔蛋白数目明显减少时，细菌产生耐药性[35]。

4.2.2 基糖苷类抗生素的失活

细菌能产生氨基糖苷修饰酶(aminoglycosidemodifying enzymes, AMEs)，钝化氨基糖苷类抗生素，导致抗菌素产生耐药性。AMEs有三种不同类型，包括氨基糖苷核苷转移酶(ANTs)，氨基糖苷乙酰转移酶(AACs)和氨基糖苷磷酸转移酶(APHs)[36]。酶修饰失活是细菌对氨基糖苷类抗生素最普遍的耐药机制。AMEs与-OH或-NH2等官能团共价结合，能干扰抗生素与16S rRNA中A位点的结合，从而导致抗生素与核糖酰-tRNA亲和力降低，使抗生素失活。

4.2.3 靶位点改变

核糖体是氨基糖苷类抗生素的作用靶点，rRNA在抗生素与核糖体结合中起着关键作用。由于靶点的改变，抗生素不能与核糖体结合。例如，质粒介导的16S rRNA甲基化酶(16S rRNA methyltransferases RMTs)会改变特定的rRNA核苷酸残基以阻止氨基糖苷有效结合到其位点，使细菌对该类药物产生高水平耐药[37]。RMTs可根据其修饰特定核苷酸残基的不同而分为两大类。一类是通过核苷酸G1405的N7位甲基化使细菌对4,6-二取代的氨基糖苷类产生抗性的酶，另一类通过核苷酸A1408的N1位点的甲基化来影响4,6-和4,5-二取代氨基糖苷的酶[38]。

5 结论

由病原体引起的感染仍然是全球最重要的健康问题之一，近几十年来，由于抗生素的不断发展，各种传染病都能得到有效的治疗，为广大患者带来了福音。但由于临床上的不合理使用，耐药的致病菌在人类和动物中蔓延，耐药性问题日益凸显，甚至出现超级耐药细菌。在医药中过度使用强效抗生素会导致耐药细菌的产生，致使药物对致病菌不产生作用[39]。细菌抗生素耐药性的传播已成为全球主要的公共卫生问题之一，它不仅导致卫生保健费用的增加，并且引起了国家财政负担的压力以及细菌感染病死亡率的上升[40]。且目前所有事实都表明，由于新型抗生素化合物的发展缓慢，而抗生素耐药性机制的发展和多样性不断提高，抗菌药物的开发速度难以跟上细菌产生耐药性的速度，今后这一问题将变得更加严重。因此，现在迫切需要研发针对新靶标和新作用机制的抗生素和抗菌肽，或者将目光转向从抗性基因的表达等方面来开发出新的抗菌策略[41]，阻止耐药菌的传播和进一步发展，以避免回到前抗生素时代。