氨基糖苷類抗生素應(yīng)用的新機遇

高 岳

蘇州農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇蘇州215008

氨基糖苷類抗生素是較早應(yīng)用于細(xì)菌性感染的一類抗生素，與其他抗生素和霉菌毒素一樣，氨基糖苷類抗生素也是某種微生物為對抗同一生境中其他微生物而產(chǎn)生的次級代謝產(chǎn)物。鏈霉素(streptomycin)是第一種被分離得到的氨基糖苷類抗生素，于1943年從灰鏈霉菌中被發(fā)現(xiàn)［1］。它也是第一種能夠有效治療結(jié)核病的抗生素，并于20世紀(jì)40年代中期開始應(yīng)用于臨床。自從鏈霉素被發(fā)現(xiàn)并成功地在臨床應(yīng)用以來，陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了幾種新的氨基糖苷類抗生素，比較有名的有1949年發(fā)現(xiàn)的新霉素(neomycin)、1963年發(fā)現(xiàn)的慶大霉素(gentamicin)、1967年發(fā)現(xiàn)的妥布霉素(tobramycin)，以及 1970年發(fā)現(xiàn)的西索米星(sisomicin)［2］。它們對革蘭氏陰性菌都有較好的抗菌活性，并對革蘭氏陽性球菌也有一定的選擇性活性。

隨著此類抗生素在臨床上的應(yīng)用越來越廣泛，耐藥性問題隨之而來，同時，毒副作用也影響了氨基糖苷類抗生素的使用，特別是耳毒性和腎毒性。這些問題促使科學(xué)家們更深入地研究氨基糖苷類抗生素的藥理學(xué)特性，也使第二代氨基糖苷類抗生素及半合成衍生物的研究進(jìn)入高潮，這個時期出現(xiàn)的氨基糖苷類抗生素主要有1971年的地貝卡星(dibekacin)、1972年的阿米卡星(amikacin)、1973 年的阿貝卡星(arbekacin)、1975年的異帕米星(isepamicin)，以及1976年的奈替米星(netilmicin)［3］。

20世紀(jì)70年代末，由于喹諾酮類、碳青霉烯類、頭孢菌素類廣譜且副作用少的抗生素的廣泛使用，人們對氨基糖苷類抗生素的研究漸漸失去了興趣。自從1988年和1990年分別批準(zhǔn)異帕米星及阿貝卡星使用以來，就再也沒有新的氨基糖苷類抗生素進(jìn)入醫(yī)療市場了。到了2010年，氨基糖苷類抗生素的市場份額只占2.7%［4］。

但氨基糖苷類抗生素一直都沒有從臨床上真正消失，由于氨基糖苷類抗生素相比其他抗生素的耐藥性要低，在越來越多的抗生素失去治療作用的時候，氨基糖苷類抗生素重新受到了重視，特別是用于革蘭氏陰性菌感染的治療。

1 氨基糖苷類抗生素的結(jié)構(gòu)

氨基糖苷類抗生素根據(jù)它們的化學(xué)結(jié)構(gòu)及生物合成可分成不同的種類，而它們不同的結(jié)構(gòu)決定了氨基糖苷類抗生素對氨基糖苷類修飾酶(aminoglycoside modifying enzymes，AME)的敏感程度，進(jìn)而影響它們的抗性大小。

它們的基本結(jié)構(gòu)單元由一個肌醇衍生物和至少一個氨基糖組成，完整的結(jié)構(gòu)還包括數(shù)個自由羥基以及至少兩個氨基(圖1)。這些羥基和氨基或者其他取代基是作用于30S核糖體亞單位的16S rRNA的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，它們能干擾蛋白質(zhì)的翻譯。

第一個被發(fā)現(xiàn)的氨基糖苷類抗生素鏈霉素，由一個二糖連接鏈霉胺組成(圖1)，此類結(jié)構(gòu)的氨基糖苷類抗生素只有少數(shù)。結(jié)構(gòu)中含2-脫氧鏈霉胺，從巴龍霉胺(paromamine)(圖1)生物合成衍生而來的氨基糖苷類抗生素種類較多，此類抗生素包括卡那霉素(kanamycin)、新霉素和慶大霉素(圖2)。

圖1 鏈霉素及氨基糖苷類抗生素核心結(jié)構(gòu)單元Fig.1 Core structural units of streptomycin and other aminoglycoside antibiotics.

圖2 三種巴龍霉胺衍生物的結(jié)構(gòu)Fig.2 Three structures of paromamine derivatives.

卡那霉素類是2-脫氧鏈霉胺4、6位取代衍生物，通常是4位被3-氨基葡萄糖取代形成環(huán)C，6位被2，6-二氨基葡萄糖(與圖2所示不對應(yīng))取代形成環(huán)B。新霉素類的結(jié)構(gòu)是在2-脫氧鏈霉胺的4位連有1～2個己糖，5位連有一個五環(huán)糖，而氨基單獨位于己糖上。第三種從巴龍霉胺衍生來的氨基糖苷類抗生素是慶大霉素，慶大霉素類也是在2-脫氧鏈霉胺的4、6位被兩個己糖取代，同時己糖上會有一些含碳側(cè)鏈或不飽和B環(huán)。

大多數(shù)臨床上應(yīng)用的氨基糖苷類抗生素都是由巴龍霉胺衍生而來，包括目前在臨床上使用的，也大多是此類抗生素的生物合成衍生物。

其他一些氨基糖苷類抗生素不是從巴龍霉胺衍生來的，比如潮霉素(hygromycin)和安普霉素(apramycin)，它們是一些不同類型的假二糖(圖3)。但是潮霉素和安普霉素仍然有2-脫氧鏈霉胺這個中心結(jié)構(gòu)，只是潮霉素在5位有取代基團(tuán)，而安普霉素在4位有取代基團(tuán)。

圖3 潮霉素、安普霉素和奇霉素的各類環(huán)狀結(jié)構(gòu)Fig.3 Various cyclic structures of hygromycin，apramycin and spectinomycin.

2 抗菌機理及耐藥機制

氨基糖苷類抗生素是直接與30S核糖體亞單位的16S rRNA解碼區(qū)的A部位結(jié)合，使細(xì)菌發(fā)生讀碼錯誤，干擾蛋白質(zhì)的合成，最終導(dǎo)致細(xì)菌死亡。氨基糖苷類藥物的結(jié)合位點都位于16S rRNA的保守區(qū)域，因此對于真核生物18S rRNA的作用不盡相同，導(dǎo)致真核生物對氨基糖苷類抗生素不敏感［5］。

常見病原菌耐氨基糖苷類抗生素的機制主要包括:細(xì)胞外膜通透性改變、內(nèi)膜轉(zhuǎn)運降低和主動外排系統(tǒng)高表達(dá)引起胞內(nèi)藥物濃度降低［6］;產(chǎn)生氨基糖苷類抗生素修飾酶(AME)，如氨基糖苷類抗生素磷酸轉(zhuǎn)移酶(APH)、氨基糖苷類抗生素乙酰轉(zhuǎn)移酶(AAC)，以及氨基糖苷類抗生素核苷轉(zhuǎn)移酶(ANT或AAD)。被此類酶修飾過的氨基糖苷類抗生素與細(xì)菌16S rRNA上的A位點的結(jié)合力下降，從而引起抗菌活性的喪失［5，7，8］。酶修飾的存在是細(xì)菌對此類抗生素產(chǎn)生耐藥性的最常見機制。表1列出了常見鈍化酶種類及其作用底物［9］;核糖體蛋白或16S rRNA突變導(dǎo)致的靶位修飾［10］。目前在革蘭陰性菌中已發(fā)現(xiàn)6種16S rRNA 甲基化酶基因，即 armA、rmtA、rmtB、rmtC、rmtD和npmA。甲基化修飾阻斷了抗生素與核糖體的結(jié)合，破壞了抗生素對核糖體的作用效應(yīng)［11］。

表1 常見鈍化酶種類及其作用底物Table 1 Common types of passivation enzyme and its substrate.

續(xù)表

3 最新發(fā)展

隨著耐多種藥物的病原菌，特別是革蘭氏陰性菌引起的感染病例越來越多，學(xué)術(shù)界和醫(yī)藥行業(yè)重新燃起了對氨基糖苷類抗生素的研究熱情。目前研究重點主要集中在通過阻斷AME的活性位點，或者設(shè)計 AME 抑制劑來克服抗性［12，13］;氨基糖苷類藥理學(xué)模塊化研究［14］;以及耳毒性［15，16］、腎毒性［17］等毒性問題的機理和如何克服毒性的研究。研究目標(biāo)是能開發(fā)出作用于RNA的抗病原菌氨基糖苷類抗生素［18］，并應(yīng)用于相關(guān)疾病的治療［19］。

當(dāng)前最受關(guān)注的氨基糖苷類抗生素是Achaogen 公司開發(fā)的 plazomicin［20］(圖4)，它是以西索米星為前體物質(zhì)，經(jīng)化學(xué)合成得到的。plazomicin結(jié)合了多種氨基糖苷類抗生素的結(jié)構(gòu)特點，脫氧糖及一些胺類取代基的存在，減少了plazomicin容易受AME影響的結(jié)構(gòu)元素的數(shù)量;它在2-脫氧鏈霉胺環(huán)的1位有一個羥基氨基丁酸(HABA)側(cè)鏈，與阿米卡星、阿貝卡星和異帕米星一樣，此結(jié)構(gòu)增強了plazomicin的抗菌活性;而6位的羥乙基鏈進(jìn)一步提高了它的藥理學(xué)活性。

圖4 Plazomicin結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure of plazomicin.

Plazomicin在革蘭氏陰性菌及陽性菌，包括有各類抗性機制的細(xì)菌中均進(jìn)行了測試。一些致病菌株能產(chǎn)生AME，比如從腸桿菌科(Enterobacteriaceae)中發(fā)現(xiàn)的三種主要的修飾酶，它們會影響阿米卡星及慶大霉素的抗菌活性，而Plazomicin對這些致病菌仍然有較好的活性。但與阿米卡星和慶大霉素類似，由于胞外膜透性的改變及甲基化酶的存在，它的最低抑菌濃度(minimum inhibitory concentration，MICs)仍然偏高［20，21］。

Plazomicin已于2012年成功完成了第二階段的臨床試驗，主要用于治療一些復(fù)雜的泌尿系統(tǒng)感染，到目前為止，未發(fā)現(xiàn)有任何耳毒性及腎毒性事件。

早期工業(yè)合成的一些氨基糖苷類抗生素衍生物，包括阿貝卡星、卡那霉素、新霉素、巴龍霉素和慶大霉素的衍生物，它們在一定的最低抑菌濃度(MICs)下，對一些耐藥菌株都有抑菌活性，但這些抗生素在各項性能的比較中都未能超過Plazomicin。

4 展望

近幾年，由于多藥耐藥(multidrug resistance，MDR)病原菌感染的治療遇到越來越大的挑戰(zhàn)，氨基糖苷類抗生素在臨床上的應(yīng)用熱情重新被燃起，科學(xué)家也顯現(xiàn)出了比以往更濃的研究興趣。隨著國家對治療藥物及治療劑量的監(jiān)管力度不斷增強，使氨基糖苷類抗生素用于經(jīng)驗性及指導(dǎo)性治療的安全性得到提高［22］。但此類抗生素應(yīng)用中存在的耳毒性和腎毒性等毒副作用仍然是關(guān)注的焦點。目前，我們對此類抗生素的耐藥性機理和抗菌模式都比以往更了解。學(xué)術(shù)界和醫(yī)藥行業(yè)經(jīng)過幾十年的努力，也已經(jīng)開發(fā)出了一些抗菌活性好且副作用小的臨床用藥物。隨著對氨基糖苷類抗生素研究的深入，對其進(jìn)行活性及藥理學(xué)特性的系統(tǒng)改造將變得越來越容易，臨床應(yīng)用的氨基糖苷類抗生素實現(xiàn)全人工合成也將成為可能。

伴隨著生物學(xué)、化學(xué)及藥理學(xué)研究的不斷深入，“第三代”氨基糖苷類抗生素的研究將進(jìn)入一個全新的時代，面對目前臨床應(yīng)用嚴(yán)重缺少新抗生素藥物，特別是抗革蘭氏陰性菌藥物的缺乏，我們有必要重新審視這類古老的抗生素，并寄希望于它能擔(dān)負(fù)起對抗多藥耐藥性病原菌的重任。

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