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1 抗菌药物和细菌耐药性 (antibacterial agents and antibiotic resistance)

2 第一节 抗菌药物的种类及其作用机制

3 一 抗菌药物概念 1. 抗菌药物 (antibacterial agents) 指对病原菌具有抑制或杀灭作用 用于用于 预防和治疗细菌性感染的药物, 包括抗生素 (antibiotics) 和化学合成的药物 2. 抗生素 (antibiotic agents): 微生物在其代谢过程中产生的能杀灭或 抑制其它特异病原微生物的产物 抗生素分 子量小, 低浓度就能发挥其生物活性, 有天 然和人工半合成两类

4 抗微生物药物发展史 (I) 曲酸 (1912) 和青霉素酸 (1913); 格兰泰 (Gratia) 和帕斯 (Path) 发现的放线菌素, 威瑞德 (Wrede) 和斯特朗克 (Strack) 提出的绿脓菌素等 ; 弗莱明 (Fleming) 发现青霉素 (1929 年 ) 1932 年德国药学家 Gerhard Domagk 发现磺胺 ; 弗洛里 (Florey ) 钱恩 (Ernest Chain) 1940 年制备了纯度可满足 人体肌肉注射的青霉素制品 瓦克斯曼 (Waksman , 1952 年诺贝尔奖获得者 ) 1944 年发现了一种新抗生素 - 链霉素

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6 抗微生物药物发展史 (II) 金霉素 (1947), 氯霉素 (1948) 土霉素 (1950) 制霉菌素 (1950) 红霉素 (1952) 卡那霉素 (1958) 等 1958 年, 谢汉 (N.C.Sheehan) 合成了 6- 氨基青霉烷酸, 于是开 辟了生产半合成青霉素的道路 1961 年,Abraham 从头孢霉菌代谢产物中发现了头孢菌素 C 提高抗生素效能, 如 β 内酞胺增强剂 (MC ) 药物渗透 促进剂 ( 磷霉素 ) 抗生素钝化酶抑制剂 ( 棒酸 ) 药物排出阻滞 剂 (Verapamil) 细菌生物被膜形成抑制剂等

7 二 抗菌药物的种类 ( 一 ) 按抗菌药物化学结构和性质药物化学结构和性质分类 : 1.β- β 内酰胺类 (β-lactamβ lactam) 化学结构中含有 β- 内酰胺环的抗生素 β- 内酰胺抗生素分子侧链的组成形式多样, 形成了抗菌谱不同 临床药理学特性各异的 多种不同 β- 内酰胺抗生素酰胺抗生素 包括 : 青霉素 头孢菌素 头霉素 单头霉素 环 β- 内酰胺类 碳青霉素烯类 β- 内酰胺酶抑 制剂

8 2. 大环内酯类 (macrolides) 红霉素 螺旋霉素等 3. 氨基糖苷类 (aminoglycosides) 链霉素 庆大霉素 4. 四环素类 (tetracycline) 四环素 强力霉素等 5. 氯霉素类 (chloramphenic) 包括氯霉素 甲砜霉素

9 6. 化学合成的抗菌药物 磺胺类 : 磺胺嘧啶 (SD) 复方新诺明 (SMZco) 等 喹诺酮 (fluroqinolone fluroqinolone) 类 : 包括氟哌 7. 其他 酸 环丙沙星等环丙沙星等 抗结核药物 : 利福平 异烟肼 乙胺丁醇 吡嗪酰胺等 多肽类抗生素 : 多粘菌素类 万古霉素 杆菌肽 林可霉素和克林霉素等

10 ( 二 ) 按生物来源分类 1. 细菌产生的抗生素如多粘菌素和杆菌肽 2. 真菌产生的抗生素如青霉素及头孢菌素, 现在多用其半合成产物 3. 放线菌产生的抗生素放线菌是生产抗生素 的主要来源主要来源 其中链霉菌和小单孢菌产生的抗生素 最多 常见的抗生素包括链霉素常见的抗生素包括链霉素 卡那霉素卡那霉素 四环 素 红霉素红霉素 两性霉素 B 等

11 三 抗菌药物的作用机制 根据对病原菌的作用靶位, 将抗生素的作 用机制分为四类 ( 表 6-1) 甙类 ) 1. 抑制细菌细胞壁细胞壁合成 (β- 内酰胺类 ) 2. 影响胞浆膜胞浆膜通透性 ( 多粘菌素 ) 3. 抑制蛋白质合成 ( 大环内酯类 氨基糖 4. 抑制核酸代谢 : 叶酸代谢 ; 核酸合成 ( 喹诺酮 磺胺类 )

12 常用抗菌药物的主要作用部位 细胞壁 细胞膜渗透性 蛋白质合成 核酸合成 β- 内酰胺类 多粘菌素类 氯霉素 (50s) 磺胺药 万古霉素杆菌肽 两性霉素 B 制霉菌素 红霉素 (50s) 林可霉素类 (50s) 甲氧苄胺嘧啶利福平 环丝氨酸 酮康唑 氨基糖苷类 (30s) 四环素类 (30s) 喹诺酮类

13 1. 抑制细菌细胞壁的合成 抑制胞浆外交叉联接过程 ( 青霉素 头孢菌素 ) 抑制胞浆膜阶段粘肽合成 ( 万古霉素 杆菌肽 ) 抑制胞浆内粘肽前体的形成 ( 磷霉素 环丝氨酸 )

14 β- 内酰胺抗生素可与细胞膜上的可与细胞膜上的青霉素结 合蛋白 (penicillin-binding illi protein, PBP) 共 价结合 该蛋白质是青霉素作用的主要靶位, 当 PBPs 与青霉素结合后, 抑制转肽酶活性, 使细 菌的细胞壁形成受阻 细菌一旦失去细胞壁的保护作用, 在相对低渗环境中会变形 裂解而死亡裂解而死亡

15 青霉素作用机制 N- 乙酰葡糖胺 N- 乙酰胞壁酸 溶菌酶作用点 青霉素作用点

16 2. 损伤细胞膜的功能, 增加细胞膜的通透性 有两种机制 : 1 某些抗生素分子 ( 如多粘菌素类 ) 呈两极 性, 亲水端与细胞膜蛋白质部分结合, 亲脂端与 细胞膜内磷脂结合, 导致细菌胞膜裂开, 胞内成 分外漏, 细菌死亡 2 两性霉素 B 和制霉菌素制霉菌素能与真菌胞膜上能与真菌胞膜上固 醇类结合 ; 酮康唑抑制真菌胞膜中固醇类的生物 合成, 均致细胞膜通透性增加 细菌胞膜缺乏固细菌胞膜缺乏固 醇类, 故作用于真菌的药物对细菌无效

17 3. 抑制蛋白质的合成 抗生素可影响细菌蛋白质合成, 作用部位及作用时段各不相同 氨基糖苷类 蛋白质合成全过程抑制药 四环素类 30S 亚基抑制药 氯霉素 红霉素 林可霉素类 50S 亚基抑制药 大环内酯类 结果细菌蛋白质合成受到干扰

18 四环素的作用机制

19 4. 抑制核酸 (DNA/RNA DNA/RNA) 合成 抗生素可通过影响细菌核酸合成发挥抗菌作用 喹诺酮类 : 作用于 DNA 回旋酶, 抑制细菌繁殖 利福平 (RFP): 与依赖 DNA 的 RNA 多聚酶 (DNA 转录酶 ) 结合, 抑制 mrna 的转录 磺胺类药物 : 与对氨基苯甲酸 (PABA) 的化 学结构相似, 竞争二氢叶酸合成酶, 使二 氢叶酸合成减少, 影响核酸的合成, 抑制 细菌繁殖

20 喹诺酮类药物的作用机制 染色体长度为 1300 m 细胞壁大小为 2 m * 1 m 喹诺酮类作用机制为抑制 DNA 螺旋酶 (gyrase), 从而影响 DNA 的正常形态与功能达到抗菌目的 DNA 是以高度螺旋卷紧的形式存在于菌体内, 如果不卷紧, 则其长度远远超过细胞壁, 根本无法容纳在胞壁中, 也无法进行正常的 DNA 复制 转录 转运与重组 DNA 螺旋酶的作用就是使 DNA 保持高度卷紧状态 RNA 核心 DNA Gysase 螺旋酶 喹诺酮类药物 RNA 核心 高度卷紧

21 影响叶酸代谢 (TMP) TMP 与磺胺药合用 ( 复方新诺明 ) 有协同作用

22 抗菌药物作用机制总结图示

23 第二节细菌的耐药机制 一 细菌耐药性的概念 二 细菌耐药性的生化机制 三 细菌耐药性的细菌耐药性的遗传机制 四 细菌耐药性的防治原则

24 一 细菌耐药性的概念 细菌耐药性 (drug resistance) 亦称抗药性, 是指细菌对某抗菌药物 ( 抗 生素或消毒剂 ) 的相对抵抗性 指病原体或肿 瘤细胞对反复应用的化学治疗药物敏感性降低 或消失的现象 耐药性的程度 用某药物对细菌的最小抑菌浓度 (MIC) 表示 临床上有效药物治疗剂量在血清中浓度 大于最小抑菌浓度称为敏感, 反之称为耐药

25 Some of antibiotic-resistant bacteria M.tuberculolsis E.coli P.aeruginosa S.dysenteriae S.pneumoniae H.influenzae N.gonorrhoeae E.faecalis Acinetobacter S.aureaus

26 二 细菌耐药性的生化机制 细菌耐药的生化机制包括 : 钝化酶的产生 药物作用靶位的改变 抗菌药物的渗透障碍 主动外排机制 细菌自身代谢状态改变等

27 细菌耐药的主要机制 抗生素靶位点改变 孔蛋白改变, 细胞壁 / 膜通透性改变及其他 钝化酶产生

28 ( 一 ) 产生钝化酶使抗菌药物失效 钝化酶 (modified enzymes) 是耐药菌株产生的 具有破坏或灭活 抗菌药物活性的某种酶, 它通过水解 或修饰作用破坏抗生素的结构使其失 去活性, 如分解青霉素的酶或改变氨 基糖苷类抗生素结构的酶

29 重要的钝化酶有以下几种 : 1 - 内酰胺酶 : 特异性水解打开药物分子结构中的 β- 内酰胺 环, 使其完全失去抗菌活性, 又称灭活酶 (inactivated enzyme), 由染色体和质粒介 导 分青霉素型水解青霉素类 ; 头孢菌素型水解 头孢类和青霉素类 在 G - 杆菌中有两种 : 超广谱 β - 内酰胺酶 (extended spectrum β-lactamase, ESBL) 和 AmpC β- 内酰胺酶

30 2 氨基糖苷类钝化酶 : 由质粒介导, 其机制是通过羟基磷酸化磷酸化 氨基乙酰化乙酰化或羧基腺苷酰化羧基腺苷酰化作用, 将相应的化 学基团结合到药物分子上, 使药物的分子结构 发生改变, 失去抗菌作用 3 氯霉素乙酰转移酶 : 由质粒编码产生该酶, 使氯霉素乙酰化氯霉素乙酰化而 失去抗菌活性

31 ( 二 ) 药物作用靶位的结构和数量改变 抗菌药不易与细菌结合 导致与抗生素结合的有效部位发生 变异, 影响药物的结合, 对抗生素不再 敏感, 这种改变使抗生素失去作用位点 和亲和力降低, 但细菌的生理功能却正 常 如青霉素结合蛋白改变导致对 β- 内 酰胺类抗生素亲和力极低导致耐药

32 ( 三 ) 抗菌药物的渗透障碍 药物不易进入菌体内 细菌细胞壁的障碍和 / 或外膜通透性的改变将严重影响抗生素进入细菌内部到达作用靶位发挥抗菌效能, 耐药屏蔽也是耐药的一种机制 如细菌生物被膜 (bacterial biofilm, BF) 是细菌为适应环境而形成的, 可保护细菌逃逸抗菌药物的杀伤作用 又如又如细胞膜上微孔缺失时, 亚胺培南不能进入胞内而失去抗菌作用 铜绿假单胞菌对抗生素的通透性比其他 G - 菌差是该菌对多种抗生素固有耐药的主要原因之一

33 ( 四 ) 主动外排机制 药物被泵出菌体外 已发现数十种细菌外膜上有特殊的药物主动外排系统, 药物主动外排使菌体内抗菌药浓度下降, 难以发挥抗菌作用导致耐药, 主动外排耐药机制与细菌的多重耐药性有关 主动外排系统示意图

34 ( 五 ) 其他 1. 改变代谢途径细菌可通过改变代谢途径逃避 抗菌药物作用, 如呈休眠状态休眠状态的细菌或细菌的细菌或细菌营养 缺陷菌均可出现对多种抗生素耐药菌均可出现对多种抗生素耐药 耐磺胺药的耐磺胺药的 细菌自身产生 PABA 或直接利用叶酸转化为二氢 叶酸 2. 产生拮抗剂细菌也可以通过增加生产代谢颉 颃剂来抑制抗生素, 从而获得耐药性 耐药金黄耐药金黄 色葡萄球菌通过增加对氨基苯甲酸对氨基苯甲酸产量, 从而耐 受磺胺类药物的作用

35 三 细菌耐药细菌耐药的遗传的遗传性机制 非遗传性耐药 ( 基因未改变 ) 细菌生长速度 细菌中药物作用靶位 细菌生长部位与药物作用区域 遗传性耐药 固有耐药 获得性耐药

36 二 ) 细菌耐药性的遗传机制 遗传学上把细菌耐药性分为固有耐药性和获得耐药性 ( 一 ) 固有耐药 (intrinsic resistance) 固有耐药性指细菌对某些抗菌药物的天然不 敏感 固有耐药性细菌称为天然耐药性细菌, 其 耐药基因来自亲代, 由细菌染色体基因决定而代 代相传的耐药性, 存在于其染色体上, 具有种属 特异性 如肠道杆菌对青霉素的耐药, 固有耐药 性始终如一并可预测

37 ( 二 ) 获得耐药 (acquired q resistance) ) 1. 获得耐药性概念 获得耐药性指细菌 DNA 的改变导致其获得 耐药性表型 耐药性细菌的耐药基因来源于耐药性细菌的耐药基因来源于基 因突变或获得新基因, 作用方式为接合接合 转导或 转化 可发生于染色体 DNA 质粒质粒 转座子等结 构基因, 也可发生于某些调节基因 在原先对药物敏感的细菌群体中出现了对 抗菌药物的耐药性, 这是获得耐药性与固有耐 药性的重要区别

38 2. 获得耐药性基因突变类型 (1) 染色体突变 : 所有的细菌群体都会发 生自发的随机突变, 频率很低, 其中有些突 变赋予细菌耐药性 (2) 可传递的耐药性 ( 突变基因水平转移 方式 : 接合 转导转导 转化转化 )

39 耐药基因转移能依靠质粒 转座子和整合转座子和整合 子等可移动的遗传元件介导下, 进行传播 可传递耐药性传播的三种结构形式 :R 质 粒 转座子和整合子转座子和整合子 1R 质粒的转移 : 细菌中广泛存耐药质粒, 质 粒介导的耐药性传播在临床上占有非常重要的 地位 多数细菌的质粒具有传递和遗传交换能 力, 细菌质粒能在细胞中自我复制, 并随细菌分 裂稳定地传递给后代, 能在不同细菌间转移

40 2 转座子介导的耐药性 : 转座子 (transposon, Tn) 又名跳跃基因, 是比质粒更小的 DNA 片段, 可在染色体中跳跃, 实现菌间基因转移或交换, 使结构基因的产物大量增加, 使宿主细胞失去对抗菌药物的敏感性 3 整合子 (integron) 与多重耐药 : 整合子是移动性 DNA 序列, 可捕获外源基因并使之转变为功能性基因的表达单位 整合子在细菌耐药性的传播和扩散中起到重要的作用 同一的作类整合子可携带不同的耐药基因盒, 同一个耐药基因又可出现在不同的整合子上, 介导多重耐药

41 获得耐药性大多由质粒介导, 但亦 可由染色体介导的耐药性, 如金葡菌对 青霉素的耐药 影响获得耐药性发生率有三个因素 : 药物使用的剂量 细菌耐药的细菌耐药的自发突变 率和耐药基因的转移耐药基因的转移状况状况

42 抗菌药物的作用与细菌耐药性的关系抗菌药物的选择压力

43 Superbacteria?

44 四 细菌耐药性的防治原则 1. 合理使用抗菌药物 1 制定抗生素用药常规, 教育医务工作者和病人规范 化用药, 供临床选用抗菌药物参考 2 严格根据适应症选用药物 3 病人用药前应尽可能进行病原学检测, 并进行药敏 试验, 作为调整用药的参考 4 按药物的药动学特性, 制定合理的用药方案 5 用药疗程应尽量缩短, 一种抗菌药物可以控制的感 染则不任意采用多种药物联合则不任意采用多种药物联合 6 严格掌握抗菌药物的局部应用 预防应用和联合用 药, 避免滥用

45 2. 严格执行消毒隔离制度 对耐药菌感染的患者应予隔离, 防止 耐药菌的交叉感染 医务人员应定期检查 带菌情况, 以免传播医院内感染

46 3. 加强药政管理 1 加强细菌耐药性的检测, 建立细菌耐药监测网, 掌握本地区 本单位重要致病菌和抗菌药物的耐药本单位重要致病菌和抗菌药物的耐药 性变迁资料, 及时提为临床供信息 2 必须规定抗菌药物凭处方供应 3 农牧业应尽量避免供临床应用的抗菌药物作为 动物生长促进剂或用于牲畜的治疗, 以避免对医用 抗菌药物产生耐药性 4 细菌耐药性一旦产生后, 在停用有关药物一段 时期后敏感性有可能逐步恢复

47 4. 研发新抗菌药物 根据细菌耐药性的机制及其与抗菌药物 结构的关系, 改造化学结构, 使其具有耐酶 特性或易于透入菌体 寻找和研制具有抗菌活性, 尤其对耐药 菌有活性的新抗菌药物 ; 同时针对耐药菌产 生的钝化酶, 寻找有效的酶抑制剂

48 5. 破坏耐药基因 随着细菌基因组研究的进展, 学者们发现 通过破坏耐药基因可使细菌恢复对抗菌药物 的敏感性 耐药性质粒在细菌耐药性的产生 和传播方面占有重要的地位, 可筛选用于人 体的质粒消除剂或防止耐药性转移的药物

49 思考题 1. 简述抗菌药物类型 2. 抗菌药物作用机制又几种? 3. 简述细菌耐药性产生机制 4. 控制细菌耐药性策略?