氨基糖苷類抗生素治療藥物監(jiān)測及其毒理機(jī)制研究進(jìn)展

鄧 陽，肖亦莎，李 昕，徐 兵，黃珺晨

（1.長沙市第三醫(yī)院藥學(xué)部，湖南 長沙 410015；2.長沙市抗菌藥物臨床應(yīng)用研究所，湖南 長沙410015；3.長沙醫(yī)學(xué)院藥學(xué)院，湖南 長沙 410219）

氨基糖苷類抗生素（aminoglycoside antibiotics，AmAn）在臨床上主要用于需氧革蘭陰性桿菌引起的嚴(yán)重全身性感染，包括膽道感染、骨和關(guān)節(jié)感染、尿路感染、皮膚及軟組織感染等[1]。較早應(yīng)用的有鏈霉素（streptomycin）、慶大霉素（gentamicin）、妥布霉素（tobramycin）等天然來源的抗生素，但隨著這些抗生素副作用越來越明顯，如耳毒性和腎毒性，促使開發(fā)出第二代AmAn及半合成衍生物，如阿米卡星（amikacin）和依替米星（etimicin）等[2]。到20世紀(jì)末，隨著更廣譜、副作用更小的β內(nèi)酰胺類抗生素的使用，AmAn在臨床使用率逐漸下降，臨床濫用現(xiàn)象少，耐藥率較低。在越來越多的抗生素達(dá)不到治療效果時，AmAn又重新受到了重視。近年來CHINET細(xì)菌耐藥監(jiān)測網(wǎng)結(jié)果顯示，AmAn對耐藥革蘭陰性菌如銅綠假單胞菌、流感嗜血桿菌等保持良好的敏感率[3]，推薦單藥或聯(lián)合用藥用來治療多藥耐藥菌引起的嚴(yán)重感染如敗血癥、呼吸系統(tǒng)感染、中樞神經(jīng)系統(tǒng)感染等。

治療藥物監(jiān)測（therapeutic drug monitoring，TDM）是一種對生物樣本中藥物及相關(guān)代謝物濃度進(jìn)行檢測的技術(shù)。以藥動學(xué)（pharmacokinetics，PK）和藥效學(xué)（pharmacodynamics，PD）基礎(chǔ)理論為指導(dǎo)，借助分析技術(shù)檢測患者體內(nèi)藥物濃度，評估患者給藥方案是否合適，以提高療效，降低毒性反應(yīng)發(fā)生。對于治療窗窄、易發(fā)生不良反應(yīng)且個體差異較大的AmAn，尤其需要定期進(jìn)行TDM，以提高用藥安全，降低耳、腎毒性發(fā)生率，將臨床用藥從傳統(tǒng)的經(jīng)驗?zāi)Ｊ教岣叩骄珳?zhǔn)用藥水平。因此，本文從AmAn的TDM和耳、腎毒性的研究現(xiàn)狀出發(fā)，闡述AmAn的TDM主要分析方法、PK/PD、毒性機(jī)制及其毒性預(yù)防機(jī)制的研究進(jìn)展，以期為AmAn的TDM方法的建立、合理用藥和毒理機(jī)制的基礎(chǔ)和臨床研究提供參考。

1 治療藥物監(jiān)測

1.1 藥動學(xué)/藥效學(xué)

AmAn屬于靜止期殺菌藥，能與細(xì)菌核糖體中的30S亞基結(jié)合，抑制細(xì)菌蛋白質(zhì)的合成，也可改變細(xì)菌細(xì)胞壁的通透性，使細(xì)胞內(nèi)鹽類及營養(yǎng)物質(zhì)外漏，導(dǎo)致細(xì)菌迅速死亡[4]。其極性和解離度較大，口服很難吸收，在臨床以肌注和靜滴為主。同時該類藥物血漿蛋白結(jié)合率多數(shù)＜10%，穿透細(xì)胞膜能力很弱，主要分布于細(xì)胞外液，反復(fù)用藥后易在腎皮質(zhì)和內(nèi)耳內(nèi)、外淋巴液高濃度聚積，且不經(jīng)肝代謝，主要以原形從腎排泄，在腎、耳組織清除半衰期（t1/2）遠(yuǎn)長于血漿t1/2。眾所周知，藥物的療效、毒性均與血藥濃度相關(guān)。有研究顯示，依替米星在大鼠內(nèi)耳和腎清除t1/2分別可達(dá)155.96±19.95和（83.11±26.60）h[5]，表明其在體內(nèi)清除緩慢、蓄積嚴(yán)重，這也就從PK角度闡述了該類藥的可能毒性機(jī)制。此外，該類抗生素有較長的抗生素后效應(yīng)和首劑效應(yīng)，且是濃度依賴性抗生素，臨床療效與峰濃度（peak concentration，Cmax）/最低抑菌濃度（minimal inhibitory concentration，MIC）比值成正相關(guān)，當(dāng)Cmax/MIC≥8～10，或藥-時曲線下面積（area under the curve，AUC）/MIC≥100～125時對革蘭陰性菌可獲良好療效，也可防止在治療過程中產(chǎn)生耐藥突變株。因此，患者體內(nèi)AmAnCmax在安全范圍內(nèi)越高療效越好，谷濃度（trough concentration，Cmin）越低毒性發(fā)生率越低。

性別、年齡、種族和燒傷等因素都會影響患者的表觀分布容積，從而影響AmAn血藥濃度，且該類藥物治療濃度與中毒濃度接近，在給予相同劑量藥物后患者體內(nèi)的血藥濃度存在較大的差異，從而影響藥物的療效甚至發(fā)生毒性反應(yīng)，尤其在特殊人群中。此外有報道，我國182萬藥源性聾啞兒童中，有50%～73%為AmAn所致[6]。另外一項慶大霉素在兒童中的安全性以及TDM對兒童患者的實用性的研究表明，每天1次給藥治療時，其腎毒性不常見且可逆，而耳毒性經(jīng)常發(fā)生且不可逆，兩者之間存在密切聯(lián)系[7]。一般來說，腎毒性先于耳毒性發(fā)生，如在腎毒性發(fā)生之后立即停藥，可有效避免耳毒性發(fā)生[8]。與成年人相比，該類藥在兒童體內(nèi)的t1/2更長，Cmin更高，更易引起腎、耳毒性的發(fā)生，其原因可能是兒童患者因腎小球、腎小管發(fā)育不全導(dǎo)致腎清除率降低。有研究發(fā)現(xiàn)，老年人使用阿米卡星t1/2明顯較成年人長，這可能與老年人分布容積低于成年人，全身血管硬化，導(dǎo)致腎功能減退有關(guān)[9]。《抗菌藥物臨床應(yīng)用指導(dǎo)原則》規(guī)定，對腎功能不全患者、老人以及新生兒等在使用氨基糖苷類藥物均需要進(jìn)行TDM[7]，以提高療效和降低不良反應(yīng)。腎功能異?；颊咭嗽谟盟幒蟮?天測Cmax（給藥后5 min）；在用藥第4～5天檢測Cmin（給藥前5 min），通過TDM指導(dǎo)臨床合理用藥，以避免濃度過高而引起毒性反應(yīng)。

1.2 檢測方法

AmAn化學(xué)結(jié)構(gòu)中含有氨基醇環(huán)和氨基糖分子，由配糖鍵連接成苷，極性強(qiáng)，易溶于水，無典型紫外吸收[10]。因此，在使用HPLC-UV進(jìn)行檢測時，必須使用操作繁瑣的衍生化法[11-12]，實驗結(jié)果易受衍生化試劑干擾。所以目前大多研究主要用LC-MS/MS進(jìn)行檢測，常用的分析方法見表1。從表1及結(jié)合AmAn藥物本身性質(zhì)可以得知，目前監(jiān)測AmAn主要采用親水作用色譜，色譜柱為HILIC柱，流動相為含酸的強(qiáng)極性溶劑，內(nèi)標(biāo)為化學(xué)結(jié)構(gòu)相似同類抗生素，主要采用蛋白沉淀法進(jìn)行樣品處理。此類方法操作簡單，價格低廉，基質(zhì)效應(yīng)和萃取回收率均符合要求，且穩(wěn)定性好更易推廣。

1.3 給藥方案優(yōu)化

在AmAn的合理用藥過程中，臨床常需要在經(jīng)驗性給藥方案上根據(jù)TDM制定個體化給藥方案（常規(guī)給藥劑量見表2），來提高臨床治愈率，降低抗生素耐藥。但AmAn治療濃度與中毒濃度接近，易發(fā)生毒性反應(yīng)，使用時需要特別注意峰谷濃度值。該類抗生素治療濃度與中毒劑量具體數(shù)值見表3。大多數(shù)研究推薦AmAn每天1次給藥[15-17]，主要在于該類藥物對革蘭陽性菌和革蘭陰性菌均具有一定程度的抗生素后效應(yīng)，可通過延長給藥間隔、減少給藥次數(shù)、適當(dāng)增加給藥劑量來降低耳、腎毒性，也可避免耐藥突變菌株的產(chǎn)生。但由于其治療窗較窄、毒性反應(yīng)大，加上臨床患者病理生理情況的多樣性、復(fù)雜性，在沒有更多的AmAn的科學(xué)理論與合理用藥依據(jù)時，對于不同人群，臨床醫(yī)師更傾向于參考藥品說明書推薦的每天≥2次用藥方法，綜合患者病理生理情況制訂經(jīng)驗性的給藥方案，因而亟需開展TDM以及不同人群的PK/PD等研究，為其合理使用提供參考。此外，相關(guān)研究也表明，每天1次給藥方案，可以有效降低患者的Cmin，但Cmax會較高；而每天2次或3次給藥方案患者Cmax會降低，但Cmin會升高，2種給藥方案都是為了避免AmAn在人體內(nèi)濃度過高而引起毒性反應(yīng)[18]。臨床具體使用哪一種給藥方案，應(yīng)結(jié)合患者具體情況做出判斷，如果長期使用該類藥，隨著治療時間延長，藥物在體內(nèi)蓄積增多，將更易發(fā)生毒性危險。因此，需要結(jié)合患者的療效與相應(yīng)檢查結(jié)果與權(quán)威指南中推薦的PK/PD指數(shù)和患者血藥濃度值進(jìn)行比較分析，來調(diào)整給藥劑量和給藥間隔，優(yōu)化臨床給藥方案，進(jìn)行個體化給藥治療，達(dá)到提高療效和降低不良反應(yīng)的目的。

2 毒性機(jī)制與減毒

2.1 耳毒性機(jī)制與配伍減毒

AmAn耳毒性主要表現(xiàn)在前庭和耳蝸神經(jīng)等內(nèi)耳結(jié)構(gòu)的損傷造成聽覺障礙，而內(nèi)耳結(jié)構(gòu)又與平衡感有著密切的聯(lián)系，其損傷常導(dǎo)致眩暈、惡心、嘔吐、眼球震顫和平衡失調(diào)等不良反應(yīng)[18]。近年來，對AmAn耳蝸毒性機(jī)制研究形成多種觀點，如內(nèi)淋巴液藥物蓄積、氧化應(yīng)激損傷和溶酶體破壞引起細(xì)胞自溶等[19-21]。當(dāng)AmAn在體內(nèi)蓄積到一定濃度后，耳蝸氧自由基大量產(chǎn)生，并超過耳蝸組織的抗氧化能力，導(dǎo)致超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）和谷胱甘肽過氧化物歧化酶（glutathione peroxidase，GSH-Px）表達(dá)降低[22-24]。也有研究認(rèn)為，此類抗生素易與內(nèi)耳感覺細(xì)胞的磷酸肌醇酯結(jié)合[25]，結(jié)合后細(xì)胞內(nèi)Ca2+釋放出來，胞外 Ca2+增多從而激活胱天蛋白酶凋亡通路，增加活性氧（reactive oxygen species，ROS），進(jìn)一步對細(xì)胞產(chǎn)生毒性，從而造成聽覺系統(tǒng)損害。此外，分子遺傳學(xué)觀點提出，線粒體的A1555G和C1497T基因位點突變者易出現(xiàn)耳毒性反應(yīng)，且有家族聚集現(xiàn)象[26-27]。因此，通過基因檢測技術(shù)，方便臨床醫(yī)師獲得患者基因型，從而預(yù)知哪些患者在使用AmAn時更易發(fā)生耳毒性。

表1 氨基糖苷類抗生素常見LC-MS/MS分析檢測方法

表2 氨基糖苷類抗生素的給藥方案

表3 氨基糖苷類抗生素有效血藥濃度和中毒濃度

綜上，AmAn產(chǎn)生耳毒性最主要的原因是氧化應(yīng)激所致?lián)p傷。目前大多研究主要從抵御氧化應(yīng)激來拮抗其耳毒性：①中藥拮抗AmAn氧化應(yīng)激損傷。如川芎嗪可以通過增加豚鼠SOD和GSH-Px活性，減少丙二醛（malondialdehyde，MDA）的產(chǎn)生，抑制耳蝸細(xì)胞胱天蛋白酶的表達(dá)，以減少慶大霉素誘導(dǎo)的耳蝸細(xì)胞凋亡[23-24，28]，具體機(jī)制有待進(jìn)一步明確。于姝媛等[29]發(fā)現(xiàn)，紅景天苷可通過激活大鼠體內(nèi)核因子E2相關(guān)因子2-抗氧化反應(yīng)元件途徑，引起相關(guān)抗氧化酶如SOD和GSH-PX的表達(dá)水平增加，從而保護(hù)耳蝸螺旋神經(jīng)元。有研究報道，綠茶酚活性物質(zhì)表沒食子兒茶素表沒食子酸酯與阿米卡星合用，可以減輕阿米卡星誘導(dǎo)大鼠螺旋神經(jīng)元的凋亡，對大鼠聽功能有保護(hù)作用[30]。②化學(xué)藥物拮抗AmAn氧化應(yīng)激損傷。地塞米松和他克莫司可以緩解慶大霉素代謝物引起的氧化應(yīng)激細(xì)胞損傷[31]；非諾貝特通過恢復(fù)大鼠SOD活性，降低慶大霉素導(dǎo)致的聽力閾值[32]。有研究通過細(xì)胞內(nèi)鐵離子滴定證明去鐵離子螯合劑對AmAn耳損傷有保護(hù)作用，其主要機(jī)制與抗氧化有關(guān)[33]。此外，臨床使用該類抗生素時，應(yīng)盡量避免與其他潛在耳毒性藥物合用或者先后局部及全身使用，避免造成更嚴(yán)重的損傷。

2.2 腎毒性機(jī)制與配伍解毒

一般腎毒性在用藥后5～7 d發(fā)生，7～10 d腎毒性最強(qiáng)，可出現(xiàn)血尿、蛋白尿及腎功能不全，尿量減少或增多，大多數(shù)表現(xiàn)為非少尿性急性腎衰，通常表現(xiàn)為蛋白尿、管型尿和血尿，一般情況下停藥后腎功能可逆轉(zhuǎn)[8]。對AmAn的腎毒性進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)，首先藥物通過胞飲作用被近端小管細(xì)胞吸收后被轉(zhuǎn)運和聚集在溶酶體上，導(dǎo)致溶酶體磷脂變性，溶酶體破裂，出現(xiàn)磷脂尿，進(jìn)一步導(dǎo)致腎小管細(xì)胞壞死，甚至腎衰竭。主要機(jī)制可能有：①AmAn誘發(fā)氧化應(yīng)激導(dǎo)致腎損傷，如阿米卡星和慶大霉素可明顯降低人腎小管上皮細(xì)胞系HK-2的SOD活性，升高M(jìn)DA和乳酸脫氫酶含量，引發(fā)毒性[34-35]；②AmAn誘發(fā)正常細(xì)胞凋亡和壞死導(dǎo)致腎損傷，如慶大霉素和依替米星可以增加大鼠體內(nèi)白細(xì)胞介素1β（interleukin-1β，IL-1β）和腫瘤壞死因子α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）等促炎癥因子含量，導(dǎo)致腎小管上皮細(xì)胞凋亡[36-37]。

許多藥物都具有抑制AmAn腎毒性的作用，在AmAn致腎損傷期間，可以通過服用藥物減輕腎損傷程度，降低不良反應(yīng)。①與中藥配伍減毒。有研究表明，葛根素和蘆丁等黃酮類及三七和人參等皂苷類化合物可以調(diào)節(jié)氧化平衡和降低炎癥反應(yīng)，減輕慶大霉素所導(dǎo)致的急性腎損傷[35，38-39]；葛根素可以誘導(dǎo)大鼠體內(nèi)SOD、GSH-PX及總氧化能力恢復(fù)，明顯降低慶大霉素誘導(dǎo)大鼠腎損傷后的肌酐（creatinine，Cr）和血尿素氮（blood urine nitrogen，BUN）水平，從而減輕腎毒性損傷；椰子花序提取物可以抑制TNF-α和IL-6等促炎細(xì)胞因子表達(dá)，同時還可以增加SOD和GSH-PX活性，降低血清Cr和BUN水平，促進(jìn)腎組織病理改變修復(fù)[40]；姬松茸多糖可以降低小鼠BUN和Cr的含量[41]，減輕慶大霉素所致腎損傷；川芎嗪明顯抑制大鼠體內(nèi)MDA表達(dá)，降低血清Cr和BUN水平，從而預(yù)防慶大霉素導(dǎo)致的腎損傷[42]。②與化學(xué)藥物配伍解毒。如曲美他嗪可以通過預(yù)先給藥，在大鼠體內(nèi)與慶大霉素競爭Megalin受體，減少其在腎中的蓄積，減輕腎組織病理學(xué)改變[43]；如水楊酸可與氧自由基反應(yīng)生成2，3-二羥基苯甲酸清除慶大霉素誘發(fā)產(chǎn)生的氧自由基[17]；C1q/TNF 相關(guān)蛋白 6[36]和雙嘧達(dá)莫[44]可以通過預(yù)先給藥，抑制慶大霉素所導(dǎo)致的大鼠急性腎損傷腎組織中的TNF-α和IL-6相關(guān)炎癥體激活，從而減輕腎損傷，雙嘧達(dá)莫還可以降低大鼠體內(nèi)血尿酸升高保護(hù)腎組織；硝苯地平可以降低肌酐清除率[45]；羥苯磺酸鈣是一種強(qiáng)抗氧化劑，可以有效預(yù)防妥布霉素導(dǎo)致的氧化應(yīng)激，增加SOD表達(dá)，降低MDA產(chǎn)生，抑制炎癥反應(yīng)，從而保護(hù)腎小球和腎小管[46]，且有臨床研究發(fā)現(xiàn)，羥苯磺酸鈣治療的腎移植患者，治療后患者的Cr和BUN均較治療前明顯下降并維持穩(wěn)定[47]。

因此，針對AmAn腎毒性，研究者提出臨床上可以采取下列防護(hù)措施：①采用每天給藥1次的方案，通過降低胞飲作用而減少吸收[48]；②避免與其他腎毒性藥物局部或全身合用；③改變給藥途徑、研究毒性更低的抗生素，已有霧化氨基糖苷類藥物用于治療慢阻肺[49]，且伊娜等[37]發(fā)現(xiàn)，在大鼠中，第二代合成類依替米星導(dǎo)致的耳、腎組織病變比第一代慶大霉素輕；④與藥物合用降低腎毒性，如上述提到的中藥或者化藥。

3 耐藥機(jī)制和預(yù)防措施

細(xì)菌對AmAn產(chǎn)生抗性的機(jī)制主要有3種。①AmAn在細(xì)胞內(nèi)濃度過低而產(chǎn)生抗性：大部分假單胞菌屬、不動桿菌屬可以通過高效主動排除系統(tǒng)將氨基糖苷類藥物排出細(xì)胞外，使細(xì)胞內(nèi)濃度減少而導(dǎo)致耐藥[50]。②核糖體位點變化而產(chǎn)生抗性：銅綠假單胞菌、多藥耐藥鮑曼不動桿菌和肺炎克雷伯菌對AmAn耐藥[50-51]，主要原因是與細(xì)菌30S核糖體亞單位上的16SrRNA的甲基化阻礙細(xì)菌與藥物結(jié)合而產(chǎn)生耐藥。③耐藥菌表達(dá)的AmAn修飾酶能對抗生素分子的氨基或羥基進(jìn)行修飾[52]，使AmAn與核糖體的親和力下降而產(chǎn)生耐藥，在細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)對抗生素進(jìn)行修飾的修飾酶主要有3類，即氨基糖苷磷酸轉(zhuǎn)移酶、氨基糖苷乙酰轉(zhuǎn)移酶和氨基糖苷核苷轉(zhuǎn)移酶[53]。目前主要采取以下幾種措施來控制耐藥性：①對原有AmAn在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改造[54]，如1-N-取代衍生物和1-N-烷基衍生物等。②開發(fā)AmAn修飾酶抑制劑[55]，如帶正電荷的短肽可以吸引修飾酶負(fù)電荷中心，讓修飾酶失去活性。③與其他抗生素聯(lián)合用藥，合理使用抗生素。

4 展望

綜上所述，對AmAn進(jìn)行TDM極有必要，通過TDM制定個體化給藥方案，可以有效降低其耳、腎毒性和耐藥，提高患者治愈率。隨著生物檢測的方法不斷更新，生物分析方法靈敏度、精密度和選擇性也在不斷提高，迫切需要建立相應(yīng)的檢測方法，以滿足臨床TDM和研究需要。而耳、腎毒性是AmAn最常見的不良反應(yīng)，其毒性預(yù)防機(jī)制比較復(fù)雜，中藥和西藥防治毒性措施均停留在動物實驗階段，缺乏臨床研究資料。大多研究也顯示，氧化應(yīng)激是AmAn導(dǎo)致耳、腎毒性主要機(jī)制，提示拮抗耳、腎毒性可以從氧化應(yīng)激角度進(jìn)一步探討，如利用具有抗氧化應(yīng)激的藤茶二氫楊梅素和甘草等，通過激活氧化應(yīng)激防御通路，起到相應(yīng)的防治作用[56-57]。

目前抗生素的耐藥問題比較嚴(yán)重，細(xì)菌耐藥機(jī)制相當(dāng)復(fù)雜，隨著科研人員不斷深入研究，不斷完善細(xì)菌耐藥機(jī)制，對此類抗生素耐藥機(jī)制有了比較全面的認(rèn)知。但臨床上對于AmAn耐藥率不斷提高的問題值得深思，臨床給藥劑量是否合適、是否有此類藥物用藥指征以及是否考慮用中藥提取物或主要活性成分預(yù)防其耐藥性的產(chǎn)生等均待進(jìn)一步研究。