抗菌药物作用机制与细菌耐药性陈代杰ppt课件.ppt

抗菌药物作用机制与细菌耐药性,陈代杰上海医药工业研究院上海来益生物药物研究中心,研究抗菌药物作用机制和细菌耐药性的目的,指导临床和非临床的合理用药开发新的更为有效的药物,产生细菌耐药性的主要原因,抗菌药物的滥用，导致对细菌产生巨大的选择压力（selective pressure），使那些原来只占极小比例的耐药菌（10-610-9，自发突变频率），迅速繁殖。 动物很可能是一个蓄积耐药细菌，并向人体传递耐药细菌的储蓄库。,-内酰胺类抗生素作用机制及细菌耐药性,-内酰胺类抗生素的基本结构特征,细菌细胞壁结构 所有的细菌都具有环绕着细胞膜的细胞壁。细胞壁的主要功能是：保持细胞形态，以及保护细胞免受由于环境渗透压变化造成的细胞溶解。传统地可以把细菌分为革兰阳性菌、革兰阴性菌和耐酸菌三种。,一、 -内酰胺类抗生素作用机制,细菌细胞壁结构,在这三种细菌的细胞壁中都具有肽聚糖组分，其由N-乙酰胞壁酸（N-acetylmuramic acid，NAM）和N-葡萄糖胺（N-acetylglucosamine，NAG）。 NAM 和NAG紧密连接成线状，线与线之间通过连接在NAM 和NAG上的内肽桥的连接成片状（图），片与片的堆积成为细胞壁的肽聚糖（图）。,肽聚糖片的形成,革兰阴性菌和革兰阳性菌的细胞表面结构,肽聚糖的生物合成过程,革兰阳性菌肽聚糖细胞壁的形成,革兰阴性菌的细胞表面结构,脂多糖的构成,耐酸菌的表面结构,耐酸菌（如铜绿假单胞菌合分支杆菌）的肽聚糖层比较薄，其外膜结构也与革兰阴性菌不同，由被称之为分支酸的蜡脂组成。 这种分支酸与aribanogalactan糖脂可以调节合阻止某些药物或化学物质穿过细胞壁，使细胞具有较高的抗性。,耐酸菌的表面结构,三种不同细菌的细胞壁结构比较,-内酰胺类抗生素的作用机制,第一阶段 从Fleming观察到青霉素抑杀革兰氏阳性细菌要比革兰氏阴性细菌列为有效开始，至1945年观察到青霉素对细菌的形态学的效应为止，人们得出的结论是青霉素必定干扰了细菌细胞的表面结构。,-内酰胺类抗生素的作用机制,第二阶段 随着对细菌细胞壁的分离和粘肽组成的认识开始，人们观察到在青霉素的作用下，细菌细胞变成了球形，很类似受溶菌酶作用而产生的原生质体，由此认为青霉素必定影响了细胞壁的合成。Park及其同事则观察到受抑制的葡萄球菌累积了尿核苷，推测这是由于青霉素阻断了细菌细胞壁合成的某一步。,-内酰胺类抗生素的作用机制,第三阶段 开始于1957年，人们阐明了粘肽的结构及其生物合成，并确定青霉素是抑制了粘肽生物合成的最后一步(转肽反应)。,-内酰胺类抗生素的作用机制,各种青霉素类、头孢菌素类和非典型的-内酰胺类抗生素都能抑制粘肽合成的转肽反应而使两条聚糖链不能连接成交链结构。,交链系统酶促反应,DD-羧肽酶,DD-转肽酶,内肽酶,青霉素(A)和D-丙氨酰-D-丙氨酸(B)的立体模式,-内酰胺类抗生素的作用机制,近年来对细菌细胞膜进行了深入研究，发现细菌的细胞膜上有特殊的蛋白质分子，能与-内酰胺类抗生素结合，被称之为青霉素结合蛋白(Penicillin Bonding Proteins，PBPs)，它具有很高的转肽酶和羟肽酶活力，是这类抗生素抑制作用的靶蛋白。,二、细菌对-内酰胺类抗生素产生耐药性的作用机制,1、抗生素作用靶位PBPs亲和力发生改变；2、破坏-内酰胺类抗生素分子的-内酰胺酶；3、药物外排介导的耐药机制。,由PBPs-介导的对对-内酰胺类抗生素产生耐药性的作用机制,具有嵌入结构的青霉素耐药脑膜炎双球菌PBP2的基因结构,有嵌入结构的7种不同国家和地区来源的青霉素耐药脑膜炎球菌PBP2的基因结构,一些-内酰胺抗生素耐药性细菌与PBPs的改变情况,-内酰胺酶介导的对-内酰胺类抗生素产生耐药性的作用机制,在耐药性革兰阳性菌如葡萄球菌中的-内酰胺酶是以胞外酶的形式分泌至胞外来破坏这类抗菌药物，或是细菌含有的转肽酶不能与这类药物结合而产生耐药性。,-内酰胺酶介导的对-内酰胺类抗生素产生耐药性的作用机制,在革兰阴性菌中，这类抗菌药物透过细菌细胞外膜的孔蛋白进入细菌的周质，而在细胞周质中的-内酰胺酶能够破坏已经进入胞内的这类药物，致使药物不能与PBPs结合而产生耐药性。,-内酰胺酶介导的对-内酰胺类抗生素产生耐药性的作用机制,-内酰胺酶既能够存在于革兰氏阳性菌也能够存在于革兰氏阴性菌中，因而它对细菌的耐药性似乎所作的贡献更大； 由PBPs介导的细菌耐药性仅存在于革兰氏阳性菌。因此，革兰氏阳性菌对-内酰胺类抗菌药物的耐药性主要由-内酰胺酶和PBPs的亲和力降低或产生新的PBPs所致； 而革兰氏阴性菌对-内酰胺类抗菌药物的耐药性主要由-内酰胺酶和细胞膜渗透性屏障（药物难以透过或极慢透过孔蛋白）所致。,-内酰胺酶耐药性的发展,1、 1940年首次在大肠埃希氏菌中确定-内酰胺酶。随后这种酶在许多其它细菌中被检测到。2、1944年明确了产生-内酰胺酶(青霉素酶)是金葡菌对青霉素耐药的机理。当时这种耐药菌的产酶水平较低,但随着青霉素的广泛应用,产酶水平和机率都随之增加。3、20世纪50年代末在医院分离到的大多数金葡菌产生这种酶。,-内酰胺酶耐药性的发展,1957年,随着青霉素母核6-APA被分离,出现了半合成青霉素,-内酰胺酶作为一种耐药机理具有了重要意义。 例如,广谱青霉素类,氨苄青霉素和羧苄青霉素以及后来的羟氨苄青霉素和替卡西林,对金葡菌和肠杆菌科的许多细菌产生的-内酰胺酶是不稳定的,这些产生-内酰胺酶的菌株对这些广谱抗生素产生了耐药性。 拟杆菌属也产生-内酰胺酶,对氨苄青霉素和羟氨青霉素耐药。,-内酰胺酶耐药性的发展,1、在1961年氨苄青霉素首次应用时,在英国医院分离的大肠埃希氏菌耐药菌株占15%20%,而近年来在医院内和医院外这些耐药菌株已高达40%；2、今天所产生的-内酰胺酶粘膜炎布兰汉氏球菌比十年前更为常见，最近从各个不同国家分离出的这种耐药菌的比例已从38%上升到78%；3、另外,自半合成青霉素出现以来,过去-内酰胺酶呈阴性的某些病原菌中也已出现了产生-内酰胺酶菌株4、1974年,首次在流感嗜血杆菌中发现了产生-内酰胺酶的耐药菌；5、1976年,第一次报告在淋球菌中有产生-内酰胺酶的菌株；近来又在粪链球菌及脑膜炎双球菌中也出现了产生-内酰胺酶的菌株。,-内酰胺酶的作用特征,1、分布： -内酰胺酶广泛分布于革兰氏阳性和阴性菌及放线菌和分支杆菌中；它们既能在细菌壁外,也能在细菌壁内起作用。2、存在形式： 在革兰氏阳性细菌中,如金葡菌,这种酶分泌于细胞外,即为胞外酶,使菌体细胞上的抗生素失去活性；而在革兰氏阴性细菌中,-内酰胺酶常存在于细胞周质内，即为胞内酶,该处也有青霉素靶酶,在这种情况下,抗生素在周质中被广泛灭活,而在细菌壁外的灭活是微不足道的。 在有些情况下,产生-内酰胺酶的遗传信息存在于染色体中；而在另一些情况下则存在于质粒中。,-内酰胺酶的作用特征,3、传递： 质粒的复制可以很快地从一个细菌细胞传递到另一个细菌细胞,这种传递不仅可发生于同种细菌间,而且也可发生在不同种细菌间甚至不同的属间。因此,就产生了在不相关的细菌间耐药性散播的可能性。,-内酰胺酶的分类,Richmond和Sykes分类法（表）: 这种分类系统的依据有3点: 一是这种酶对不同-内酰胺类抗生素的水解速度； 二是对-内酰胺酶抑制剂的敏感度； 三是这种酶的产生是由质粒介导的还是由染色体介导的。 由此可将-内酰胺酶分成如下5种类型:,Richmond & Sykes-内酰胺酶分类法,Richmond & Sykes-内酰胺酶分类法,型:这种类型的酶是由能高速水解头孢菌素类的-内酰胺酶组成。因此通常被称为头孢菌素酶,它们是由染色体介导的。其典型酶是由大肠杆菌属、沙雷氏菌属和绿脓杆菌产生的。 型:这类酶是由变形杆菌所特有的-内酰胺酶组成,它们是由染色体介导的。由于这类酶水解青霉素的速率比水解头孢菌素更快,所以也被称为青霉素酶。 型:这类酶对青霉素和头孢菌素的活性大致相同,它们是由质粒介导的。 型:这类酶是典型的由染色体介导的肺炎克雷伯氏菌所产生的。 型:这类酶是由质粒介导的,包括大肠杆菌中的苯唑青霉素水解酶(该酶也能水解异恶唑类青霉素)以及与假单孢菌有关的,能很快水解羧苄青霉素的绿脓杆菌酶。,Bush-Jacoby-Medeiros-内酰胺酶分类法,三、克服细菌对-内酰胺抗生素产生耐药性的对策,一个好的-内酰胺类抗生素，能够有效地抑制粘肽的合成，则必须具备以下三个条件： 1)有好的渗透性,使药物能达到作用部位；2)对-内酰胺酶稳定，使-内酰胺环不被酶解；3)对靶酶，即对青霉素结合蛋白有高的亲和力，从而抑制PBPs的酶活力,使细菌生长抑制或死亡。,细菌对-内酰胺类抗生素的产生耐药性的三种主要机制,-内酰胺酶抑制剂的发展,1、早在20世纪40年代中期,已清楚地了解到抑制-内酰胺酶能增强青霉素G的效力。抑制-内酰胺酶的早期工作,包括抗-内酰胺酶血清应用可能性的研究,以及各种可能成为-内酰胺酶抑制剂的有机化合物的筛选。在这些化合物中,某些化合物显示了较弱的抑制活性,没有一个有希望可用于临床。,-内酰胺酶抑制剂的发展,2、20世纪60年代随着半合成青霉素的出现,发现某些青霉素(如甲氧西林、乙氧萘青霉素和异恶唑类青霉素)有这种酶抑制剂的作用,又重新唤起了人们对-内酰胺酶抑制剂的兴趣,并开始研究结合其它青霉素使用时的协同作用。但由于半合成青霉素作为-内酰胺酶抑制剂有着很大的局限性而没能应用于临床。尽管如此,这些药物在临床上的潜在效果是清楚的。,-内酰胺酶抑制剂的发展,3、 20世纪70年代初,开始从微生物中筛选-内酰胺酶抑制剂的研究,使这一研究领域出现了转机。抑制-内酰胺酶的作用首次在一株橄榄色链霉菌中被检测到,这种作用是由-内酰胺族化合物产生的,这些化合物被称为橄榄酸。某些产生-内酰胺酶的致病菌,包括肺炎克雷伯氏菌和金葡菌,在橄榄酸存在时,由于它抑制了-内酰胺酶,使这些致病菌对氨苄青霉素和羟氨苄青霉素变得敏感。但在另一些病原菌中,橄榄酸的作用则很小,这是因为它穿透细菌细胞壁或细胞膜的能力较差,且其在体内代谢很快,最终没能用于临床。,-内酰胺酶抑制剂的发展,4、虽然橄榄酸是一种-内酰胺酶抑制剂,但在临床上无应用价值。尽管如此,对微生物的筛选工作仍在不断开展。终于在1976年从棒状链霉菌的代谢产物中分离得到了具有强-内酰胺酶抑制作用的化合物,定名为克拉维酸(或称棒酸),它没有橄榄酸的缺点。,-内酰胺酶抑制剂的发展,5、 1978年Englikh等报道了青霉烷酸及其砜类的-内酰胺酶抑制剂。其中青霉烷砜(舒 巴克坦)就是一个很好的-内酰胺酶抑制剂。它本身不具抗菌活性,但它在较低的浓度时,对、和型酶都具有很强的不可逆抑制作用,它与多种-内酰胺类抗生素联合使用能产生明显的协同作用,从而对大部分耐药菌的最低抑菌浓度降至这些抗生素的敏感范围内。,-内酰胺酶抑制剂的发展,5、克拉维酸是第一个被应于临床的-内酰胺酶抑制剂,它具有氧杂青霉烯的化学结构,它本身所具有的抗菌活性很弱,但它与羟氨苄青霉素组成的复合剂奥格门汀、与羧噻吩青霉素组成的复合剂替门汀（timentin）都具有很好的协同作用。,-内酰胺酶抑制剂的发展,6、优立新(unaysn)是氨苄青霉素与青霉烷砜的复合剂,舒普深（sulperazon）是头孢呱酮与青霉烷砜组成的复合剂,这两个品种已经上市 。,-内酰胺酶抑制剂的发展,7、青霉烷砜的缺点是吸收不良,辉瑞公司合成了它的匹呋酯以改善它在给药后的利用度。 另外,为了克服青霉烷砜和-内酰胺类抗生素联合使用时二者在吸收速率、体内分布和有效作用等方面的差异,丹麦Leo公司Baltzer等根据互为前体药物的原理,将青霉烷砜和氨苄青霉素缩合成双酯化合物舒他西林（sultamicillin）,以克服青霉烷砜和-内酰胺类抗生素口服吸收差的缺点,并可以使青霉烷砜和-内酰胺类抗生素在相同的时间以相同的速率吸收,且有相似的血药半衰期。,组成奥格门汀 的两种化合物的结构,组成替门汀的两种化合物的结构,组成优力新的两种化合物的结构,舒巴坦 氨苄青霉素,组成舒普深的两种化合物的结构,组成他佐西林的两种化合物的结构,舒他西林的化学结构,-内酰胺酶抑制剂的作用机制,克拉维酸对-内酰胺酶的活性位点有高亲和力,能与催化中心相结合,以竞争性抑制剂的方式发挥作用。随后与酶分子中的丝氨酸的羟基发生反应,通过-内酰胺羰基和-内酰胺环打开而使酶酰化(图）。,克拉维酸的作用机制,克拉维酸的作用机制,这个反应和-内酰胺酶与敏感底物如苄青霉素之间发生的反应是一样的。 对于一般敏感底物,酰基-酶复合物迅速水解释放出活性酶和无抗菌活性的产物。 而由克拉维酸与酶形成的酰基-酶复合物则相对比较稳定,水解很慢,或者与酶发生进一步反应而达到更稳定。因为-内酰胺环的水解及随后的恶唑烷环打开暴露出了反应基团,在活性部分形成稳定的共价键。 产生这种类型的抑制作用的化合物被称为自杀性抑制剂或依赖失活作用机理的灭活剂。由于这些反应具时间依赖性,因此克拉维酸可称是一个进行性抑制剂。,克拉维酸的作用机制,酶与克拉维酸的内酰胺环反应,生成强的结合物(I)后,酶暂时被抑制,随后一部分水解为原来的酶和克拉维酸,另一部分脱酰化反应产生反应性很强的衍生物(和),再与酶作用形成无活性的不可逆的蛋白质(酶)结合物(、和),即酶被不可逆地钝化、抑制剂本身也被破坏。,人体内-内酰胺酶-肾脱氢肽酶抑制剂的研究开发肾肽酶的发现及作用机制,1976年发现的硫霉素(thienamycin)是第一个天然的碳青霉烯类抗生素,它开辟了-内酰胺抗生素研究的新纪元。硫霉素具有广谱、高效、对细菌产生的-内酰胺酶稳定等显著特点,但由于其化学不稳定,难以应用于临床。硫霉素的N-亚胺甲基衍生物-亚胺配能(imipenem)的获得,不仅解决了硫霉素的化学不稳定性,而且还进一步提高了其抗菌活性。亚胺配能是第一个用于临床的碳青霉烯类抗生素。,肾肽酶的发现及作用机制,亚胺配能在尿中回收率极低的原因经Kropp等人的研究发现:在人肾脏中存在着一种酶-肾脱氢肽酶(Dehydropeptidase-I,DHP-I.E.C.3.4.13.11),简称肾肽酶,对其降解所致。肾肽酶存在于肾小管近端的刷状边缘微细绒毛上,当碳青霉烯类从肾小球滤过和从肾小管分泌时被其降解。它的作用类似与细菌的-内酰胺酶,是人体内的-内酰胺酶。,肾肽酶底物脱氢二肽及类似物硫霉素和亚胺配能以及肾肽酶抑制剂西司他丁的结构,有青霉烷结构的青霉素G与具有碳青霉烯结构的硫霉素的比较,碳青霉烯是一组新型-内酰胺类抗生素，与传统的具有青霉烷结构的抗生素相比，其母核的五员环上由碳代替了硫，且2，3位之间存在一个C=C双键，另外，其6位羟乙基侧链为反式构像。,目前已经上市和即将上市品种简介,亚胺培南,西司他丁,帕尼培南 倍他米隆,美罗培南 比阿培南,羟苯胺培南,头孢菌素类抗生素的研究进展,头孢菌素类抗生素是包括头孢烯、氧头孢烯、碳头孢烯及7-甲氧头孢烯在内的一大类抗生素。这类药物经过四十多年的研究开发，至2000年，已经上市了56种产品，其中第一代13种、第二代15种、第三代24种以及第四代4种。一般认为，头孢类抗菌药物的分代是以抗菌谱的扩展为基本标准的，它们的抗菌特征如下。,第一代头孢菌素的特征是：,1、菌谱与氨苄西林等广谱青霉素相同；2、对产青霉素酶的金黄色葡萄球菌、大肠艾希菌、肺炎杆菌的抗菌活性比广谱青霉素强；3、抗容血链球菌、肺炎链球菌、肠球菌和流感杆菌的活性不如青霉素；4、对吲哚阳性变形杆菌、铜绿假单孢菌、沙雷菌无效；5、对青霉素酶稳定，但易被头孢菌素酶分解。,第二代头孢菌素的特征是：,1、抗革兰氏阳性菌活性与第一代相似或微弱；2、抗革兰氏阴性菌如流感杆菌、吲哚阳性变形杆菌、肠杆菌属和枸橼酸杆菌的活性较第一代增强；3、某些品种如头孢西丁、头孢美唑和头孢替坦对厌氧菌有效；4、某些品种如头孢孟多和头孢替安对青霉素酶稳定，但可被头孢菌素酶分解，但头孢呋辛对青霉素酶和头孢菌素酶都稳定。往往对革兰氏阳性菌的活性比较强，而第二代具有比较强的抗革兰氏阴性菌活性。,第三代头孢菌素的特征是：,1、抗金黄色葡萄球菌等革兰氏阳性菌的活性不如第一代和第二代，但头孢唑喃和氟氧头孢除外；2、对革兰氏阴性菌的作用优于第二代，抗菌活性增强，抗菌谱扩展到吲哚阳性变形杆菌、肠杆菌属、枸橼酸杆菌、沙雷菌和拟杆菌；头孢哌酮、头孢他丁、头孢咪唑和头孢匹胺对铜绿假单孢菌也有效；3、对大部分内酰胺酶（包括TEM-1、TEM-2和SHV-1等质粒介导的广谱内酰胺酶）稳定，但可被超广谱内酰胺酶分解。 头孢米诺、头孢替坦和头孢拉腙等在7位上具有甲氧基的头霉素类衍生物对大部分内酰胺酶，包括超广谱内酰胺酶都很稳定。由于第三代头孢菌素比第二代头孢菌素更优，其除具有第二代头孢菌素的抗菌作用特点外，还对铜绿假单胞菌和其他一些耐药菌有效，故也被称之为超广谱头孢菌素。,第四代头孢菌素的特征是：,1、对青霉素结合蛋白有高度亲和力；2、可通过革兰氏阴性菌的外膜孔道迅速扩散到细菌周质并维持高浓度；3、具有较低的内酰胺酶亲和性与诱导性，对染色体介导的和部分质粒介导的内酰胺酶稳定。 第四代头孢菌素对革兰阳性菌、阴性菌、厌氧菌显示广谱抗菌活性，与第三代头孢菌素相比，增强了抗革兰阳性菌的活性，特别是对链球菌、肺炎链球菌等有很强的活性。,-内酰胺类抗生素的研究动向,目前临床应用的-内酰胺类抗生素除青霉素G和V是天然产物外，其余均为半合成产品。这类半合成产品的主要研究动向可包括以下几个方面的内容：(1)增加对青霉素结合蛋白的亲和力，以扩展抗菌谱和提高抗菌活性；(2)增强对-内酰胺酶的稳定性；(3)力图将上述两方面的改进表达在同一个新化合物上；(4)在青霉烷砜中寻找具有特色的新-内酰胺酶抑制剂。,近年研究的主要动向为：,(1)提高抗革兰氏阳性菌、铜绿假单胞菌和临床上难控制细菌等活性，寻找新一代头孢菌素；(2)大力发展口服头孢菌素，研究开发中的基本上都是第三代的品种；(3)探索具有双重作用的头孢菌素，试图连接抗菌作用机制不同的喹诺酮类抗菌药，以期扩展抗菌谱、增强抗菌活性改善药代动力学性能。,青霉素类-内酰胺抗生素的研究进展,尽管临床应用的青霉素类的品种不如头孢菌素类的品种多，但由于这类品种具有疗效确切，毒副作用小以及价格便宜等优点，仍然广泛应用于临床。表所示为2001年日本、美国和中国等国临床选用的青霉素类-内酰胺抗生素品种。,五、其他非典型-内酰胺类抗生素的研究进展,1、青霉烯类；2、单环类 ；3、碳头孢烯类,安曲南的化学结构,Loracarbef的化学结构,氨基糖苷类抗生素的作用机制及细菌耐药性,氨基糖苷类抗生素的发展和结构特征,根据这类抗生素结构特征，卡那霉素等被列为第一代氨基糖苷类抗生素（如表所示）。 这一代抗生素的品种最多，应用范围涉及到农牧业，其结构特征为分子中含有完全羟基化的氨基糖与氨基环醇相结合。 本代抗生素均不抗铜绿假单胞菌。,第一代氨基糖苷类抗生素品种,第二代氨基糖苷类抗生素,以庆大霉素为代表的第二代氨基糖苷类抗生素的品种较第一代氨基糖苷类抗生素的品种少。但抗菌谱更广，对上述第一代品种无效的假单胞菌和部分耐药菌也有较强的抑杀作用，有替代部分前者抗感染品种的趋势。结构中含有脱氧氨基糖及对铜假单胞菌有抑杀能力是第二代品种的共同特征。,第二代氨基糖苷类抗生素,它们包括庆大霉素（GM）、妥布霉素（TOB）、西索霉素（Siso）、DKB（双脱氧卡那霉素B）、小诺霉素（NCR)和稀少霉素在内的拟三糖； 以及包括福提霉素、istamycin、sporaricin、sanamycin、dictimicin在内的拟二糖药物。,第三代氨基糖苷类抗生素,以奈替米星(NTL)为代表的第三代产品，全系1N(2-DOS)取代的半合成衍生物。 第一第二代都为直接来源于微生物代谢的天然产物。图所示为这些抗生素的化学结构。,链霉素 壮观霉素,小诺霉素,核糖霉素,春雷霉素,潮霉素,阿泊拉霉素,氨基糖苷类抗生素的发展和结构特征,有实用价值的氨基糖苷类抗生素应具有抗菌谱广、耐钝化酶强、低毒性的特点，这三者紧密相关。氨基越多，抗菌能力越强，但随之毒性也增大；而耐钝化酶广必然伴随着抗菌性能好。 从第一代氨基糖苷类抗生素发展到第三代氨基糖苷类抗生素基本上反应了上述的发展规律。,一、氨基糖苷类抗生素的作用机制,氨基糖苷类抗生素抑制蛋白质合成起始过程的位点有三个:一是特异性地抑制30S合成起始复合体的形成,如春日霉素；二是抑制70S合成起始复合体的形成和使fMet-tRNA从70S起始复合体上脱离,如链霉素、卡那霉素、新霉素、巴龙霉素、庆大霉素等；,氨基糖苷类抗生素的作用机制及细菌耐药性,三是这类抑制70S合成起始复合体的抗生素也能引起密码错读。链霉素等抗生素造成密码错读的原因是由于其分子中有造成读错密码的活性中心去氧链霉胺或链霉胺的缘故,而春日霉素分子中没有这种结构,也就没有造成读错密码的作用。其密码错读的结果影响了mRNA的密码子与tRNA的反密码子间的相互作用。,二、细菌对氨基糖苷类抗生素产生耐药性的作用机制,一是细菌产生一种或多种有关的钝化酶来修饰进入胞内的活性抗生素使之失去生物活性；二是氨基糖苷类抗生素的作用靶位核糖体或是与核糖体结合的核蛋白的氨基酸发生突变，而使进入胞内的活性抗生素不能与之结合或结合力下降。,钝化酶介导的耐药机制,酰基转移酶(acetyltransferases, AAC)腺苷转移酶(adenylytransferases, ANT)磷酸转移酶(phosphotransferases, APH),链霉素 大观霉素,一些抗生素产生菌对自身产物耐受的机制,一些抗生素产生菌对自身产物耐受的机制,作用靶位16SrRNA和S16核蛋白发生变异的耐药机制,研究证实链霉素的作用靶位是在细菌的核糖体上，它的抗菌作用是通过使tRNA阅读错误来实现的。,氨基糖苷类抗生素作用靶位16SrRNA和S16核蛋白发生变异的耐药机制,临床分离的许多细菌对氨基糖苷类抗生素产生抗性，主要通过如上所述的各种钝化酶对抗生素的修饰作用来实现的，而至今对链霉素抗性的结核分枝杆菌的研究还未发现有这种耐药机制。,氨基糖苷类抗生素作用靶位16SrRNA和S16核蛋白发生变异的耐药机制,这种细菌对链霉素的抗性是由于链霉素的作用靶位16SrRNA的某些碱基发生了突变（编码该核糖体的基因为rrs），或是与核糖体结合的核蛋白S16（该蛋白起到稳定核糖体三维结构的作用）的某些氨基酸发生了突变所致（编码该蛋白的基因为rpsL）。,大肠艾希氏菌16S rRNA的二级结构模型以及对链霉素产生抗性的结核分枝杆菌和大肠艾希氏菌的核糖体碱基发生突变的位点,对链霉素敏感的和具有抗性的结核分枝杆菌的遗传特性比较,从表6-4的研究结果可知，对链霉素具有抗性的结核分枝杆菌具有以下三种遗传特性,对链霉素敏感的和具有抗性的结核分枝杆菌的遗传特性比较,细胞通透性改变的耐药机制,第三种耐药菌的遗传特性还不甚了解，它们对链霉素的耐药程度增加了2550倍。另外，用细胞膜活性剂Tween80来试验细菌对药物的细胞通透性发现：对敏感菌和rpsL突变耐药菌基本无效；对rrs突变耐药菌有一定的效果；但对上述第三种耐药菌的效果最为明显，说明这种耐药菌的耐药机制可能与细胞膜的渗透性有关。,从不同国家和地区分离的对链霉素敏感的和耐受的结核分枝杆菌的遗传特性,三、 具有抗耐药菌作用的新的氨基糖苷类抗生素的研究开发,应用化学修饰的方法对那些易被各种钝化酶作用的位点进行结构改造，能够得到一系列非常有效的新的氨基糖苷类抗生素。结构修饰的位点可以是专一性酶作用的位点，也可以是多酶作用的位点。而根据氨基糖苷类抗生素钝化酶的特性，来设计开发全新的氨基糖苷类抗生素尚未取得实质性的进展。,依替米星、奈替米星及其母体庆大霉素C1a和西梭米星,阿米卡星,阿贝卡星,地贝卡星,异帕米星,几种克服或免遭APH(3)酶钝化氨基糖苷类抗生素的有效策略,MLS类抗生素的作用机制及细菌耐药性,MLS类抗生素的结构特性,MLS(macrolides-lincosamids-streptogramins)是一类包括十四、十五和十六元大环内酯类抗生素、氯林可霉素类抗生素和链阳性菌素类抗生素。,MLS类抗生素的结构特性,尽管这类抗生素的化学结构差异甚大，但其抗菌机制和细菌耐药性机制非常相似。它们的抗菌谱较窄，对革兰氏阳性球菌（特别是葡萄球菌、链球菌和肠球菌）和杆菌以及革兰氏阴性球菌有效。这些药物尤其是氯林可霉素对厌氧菌也有效。革兰氏阴性杆菌通常对这类药物不敏感，但某些肠杆菌和嗜血杆菌在体外对阿齐霉素敏感。,泰乐菌素,交沙霉素,竹桃霉素,林可霉素类抗生素的化学结构,一、MLS类抗生素的作用机制,一般认为：大环内酯类-林可类-链阳性药素类(macrolides-lincosamides-streptogramin，MLS)和氯霉素等抗生素为第类型的蛋白质合成抑制剂，即阻断50S中肽酰转移酶中心的功能，使P位上的肽酰tRNA不能与A位上的氨基酰tRNA结合形成肽键(如图所示)。,大环内酯类抗生素与50S核糖体亚单位可逆性地结合，阻断肽链的延伸,MLSB类抗生素对50S核糖体亚基结合位点的拓模式,MLS类抗生素对50S核糖体上肽酰基转移酶结构域的结合位点,MLSB类抗生素对50S核糖体亚基结合位点的拓模式,链阳性菌素的协同作用机制链阳菌素A和B组分在体内的协同作用,链阳菌素A和B组分在体内的协同作用,链阳菌素A和B组分在体内的协同作用,链阳性菌素独特的作用机制表现为:1)与核糖体非共价结合的强度异常大;2)当其A组分与50S 亚基结合后能够诱导产生永久性即使A组分去除的构像变化，这种变化一直保持到核糖体解离至亚基准备进入第二次循环。,链阳性菌素可能的分子作用模式,细菌对MLS类抗生素产生耐药性的作用机制,尽管MLS类抗生素的抗菌作用机制与其结构特征基本无关，但细菌对这类抗生素产生耐药性的作用机制是不同的，它包括： 内在性耐药（intrinsic resistance）； 获得性耐药（acquired resistance）。 所谓的内在性耐药即为细菌的天然耐药性，如许多革兰氏阴性杆菌尤其是一些肠杆菌、假单孢菌和不动杆菌对MLS类抗生素的耐药似乎是由于细胞外膜的渗透性所致。 这些细菌的细胞外膜限制脂溶性抗菌药物和分子量大于500的MLS类抗生素进入胞内。细菌的这种内在性耐药影响了所有的MLS类抗生素的抗菌活性。,葡萄球菌对MLS类抗生素产生耐药性的三种作用机制,细菌对红霉素产生耐药性的作用机制, 影响红霉素在胞内的积累（大环内酯的外排机制）； 破坏红霉素的结构使其失去抗菌作用； 改造或修饰红霉素在核糖体上的结合作用位点。,外排机制介导的细菌对大环内酯类抗生素产生的耐药性,革兰阳性菌和革兰氏阴性菌都可以通过过量表达外排泵这种膜蛋白来产生红霉素抗性作用。 外排泵是一种运输蛋白，用于将有毒物质（包括临床上所用的抗生素）排出细胞外。 当细胞膜上的外排泵蛋白将红霉素泵出细胞外的速度远远快于红霉素流进细胞内的速度时，胞内的红霉素浓度就会降低，于是大部分核糖体因没有红霉素的结合而继续合成蛋白，细胞也就能在存在红霉素的环境中存活下来。,外排机制,外排机制,钝化酶机制介导的细菌对大环内酯类抗生素产生的耐药性,红霉素酯酶的作用机制,核糖体改变或修饰机制介导的细菌对大环内酯类抗生素产生的耐药性,抗性细菌第三个产生耐药性的途径就是改造或修饰核糖体上的红霉素作用位点，也就是通过直接作用核糖体上的红霉素作用位点来影响红霉素抗菌作用，这种直接作用方式既可以通过突变作用位点的碱基及蛋白来完成，也可以通过产生一种抗性短肽直接将红霉素从核糖体的结合位点上替代下来。,核糖体大亚基的23SrRNA 碱基突变产生的抗性,核糖体大亚基的23 SrRNA 碱基突变引起红霉素耐药性的报道很多，主要集中在结构域和结构域V两个位置上发生突变；结构域V的碱基突变主要在G2057、A2058、A2059、C2611位置上：由于G2057C2611碱基对既能稳定核糖体23S rRNA的三级结构，又是红霉素在结构域上的结合位点。 所以由G2057、C2611碱基突变引起的20572611碱基对破坏能导致组成型核糖体变化，造成红霉素对核糖体亲和力降低，从而产生红霉素抗性。,肽酰转移酶环结构,肽酰转移酶环及邻近碱基的改变对抗生素敏感性的影响,甲基转移酶Erm家族催化的A2058甲基化引起的抗性,最广泛的红霉素抗性产生及传播的机制是通过在A2058的N6上单甲基和双甲基化来降低红霉素与RNA的亲和力而产生抗性，这个修饰是由S-腺苷-L-甲硫氨酸（AdoMet）依赖的甲基转移酶Erm家族催化的，Erm家族成员的序列具有24.6%85%的同源性。,甲基转移酶Erm家族催化的A2058甲基化引起的抗性,Erm机制是金黄色葡萄球菌产生红霉素抗性的主要原因，金黄色葡萄球菌主要靠ermA、ermB、ermC及ermF这四个基因的产物来甲基化修饰碱基而得到红霉素抗性的，这些红霉素抗性菌株可以分成两种类型： 一类是组成型抗性菌株，其能在超过100g/mL的红霉素浓度下生长； 另一类是诱导型抗性菌株，能在亚抑制单位的抗生素浓度诱导下对高浓度的红霉素形成抗性。这种诱导调节的作用机制可以用图来解释。,红霉素产生的诱导耐药性机制,不同微生物来源的甲基化酶的基因,核糖体大亚基上蛋白质突变引起的抗性,核糖体蛋白质L4和L22突变能引起红霉素抗性，在大肠埃希氏菌和肺炎链球菌的抗性菌株中均发现这一现象。对L4和L22蛋白突变所引起的抗性机制的解释是： 一是结合在23S rRNA 结构域 I上的L4和L22突变会造成整个23S rRNA的整体结构变化，从而影响了红霉素作用的其它靶位点与红霉素的结合； 二是L4和L22突变降低了红霉素与核糖体的结合作用，因为红霉素是通过结合在肽链释放隧道上L4和L22形成的狭小门防位置，而促使肽链无法进入才抑制蛋白合成的。,抗性短肽所引起的抗性,近来发现了一种新的红霉素抗性机制，是通过一些特殊的短肽与核糖体相互作用而产生的。在大肠埃希氏菌中一些23S rRNA片段（均包含碱基12331348）的过量表达能导致产生红霉素抗性的现象，这些片段称为E-RNA。经缺失分析发现其实只需有小片段（碱基12351268）的表达就足以提供红霉素的抗性了，这个片段称为E-RNA34。,细菌对链阳性菌素产生耐药性的作用机制,对链阳性菌素产生耐药性的问题首先在葡萄球菌中发现，其仅对链阳性菌素A组分产生耐药性。葡萄球菌中有很多编码对链阳性菌素A产生耐药性的基因如，编码酰基转移酶的vat(A)、vat(B)和vat(C)；编码涉及到外泵系统的ATP结合蛋白的vga(A)和vga(B)。 在肠球菌中，粪肠球菌对链阳性菌素A和B表现为天然抗性，而分离的大多数屎肠球菌对其是敏感的。在对链阳性菌素A和B产生耐药性的粪肠球菌中分离到了satA和satG两个编码酰基转移酶的基因，现在已经分别重新命名为vat(D)和vat(E)。,链阳性菌素A衍生物达福霉素被钝化酶（酰化酶）修饰的位点,链阳性菌素B衍生物喹奴普丁被钝化酶（裂合酶）修饰的作用位点,Vgb裂合酶最小底物的结构,细菌对林可霉素产生耐药性的作用机制,在这两种细菌中，通过钝化酶的作用使抗生素分子中的位核苷酰化成为4（5-核糖核苷）林可霉素或氯林可霉素（如图所示），这与在链霉菌中发现的钝化机制不同。,细菌对林可霉素产生耐药性的作用机制,三、 新型大环内酯类抗生素的研究开发,罗红霉素 地红霉素,克拉红霉素,氟红霉素,阿齐红霉素,罗他霉素,乙酰麦迪霉素,新大环内酯抗生素特征比较,泰莱霉素和其它一些抗菌药物的抗肺炎支原体活性比较,泰莱霉素的化学结构,和红霉素对立克次氏体、巴尔通氏体和伯氏考克氏体的MICs比较,Cethromycin的化学结构,Cethromycin与其它5种抗菌药物对20株肺炎衣原体分离株的体外活性,EA-0769的化学结构,四、大环内酯类抗生素的拓宽应用研究,1、支气管哮喘；2、肺囊性纤维症(DPB) ；3、肺炎衣原体感染 ；4、促进胃排空 ；5、恶性胸水 ；6、铜绿假单孢菌感染；7、其它 。,EM-574、EM523及其类似物的化学结构,EM-574、EM523及其类似物的药理学活性,当前大环内酯类抗生素结构改造的研究方向,(1)继续修饰红霉素化学结构；(2)寻找具有抗菌特点的新大环内酯；(3)探索具有抗菌活性以外其他生理活性的物质；(4)开辟新用途。,糖肽类抗生素的作用机制及细菌耐药性,糖肽类抗生素的结构特征,替考拉宁的化学结构,其他一些糖肽类抗生素的化学结构,一、 糖肽类抗生素的作用机制,就细胞水平而言万古霉素通过干扰细菌细胞壁的合成最终使细菌细胞发生溶解。 从分子水平上讲，万古霉素抑制细胞壁合成第二阶段(类脂结合)中一个关键的转化反应，即具有刚性交叉连接的7肽骨架识别未交叉连接肽聚糖链中N-酰基D-Ala4-D-Ala5中末端D,D-二肽，并在脂II分子中通过五个氢键形成具有高度亲和力的复合物，这些氢键从糖肽类抗生素分子的下表面与肽聚糖末端的酰胺基和羧基结合，如图所示。,万古霉素的作用机制,同时，研究发现有两种作用机制加强万古霉素中肽骨架与细菌细胞壁合成过程中的D-Ala-D-Ala的结合作用。（1）两个万古霉素分子间糖苷结构通过氢键的作用形成二聚体，万古霉素以这种聚合体形式存在增强了结构的稳定性，同时锁定了万古霉素中与D-Ala-D-Ala结合域（binding pocket）呈正确的构象（图）；（2）万古霉素结构中的亲脂部分使得抗生素位于细菌的表面上从而接近细胞壁合成前体 。,万古霉素与N-Acyl-D-Ala-D-Ala生交互作用时的氢键,万古霉素在细胞壁上作用位点及细胞壁中间体发生交互作用时的氢键,万古霉素与N2,6二（酰基）LLys-L-Ala-D-Ala结合的分子结构实体模型,二、 细菌对糖肽类抗生素产生耐药性的作用机制,万古霉素耐药肠球菌和金黄色葡萄球菌的发展随着上世纪80年代细菌耐药性的传播和扩散，特别是甲氧西林耐药金黄色葡萄球菌的爆发，万古霉素被广泛使用，成为拯救革兰氏阳性细菌感染危重病人的救命药物。但是，随着万古霉素的广泛使用，已经出现了万古霉素耐药的革兰氏阳性细菌，特别是万古霉素耐药肠球菌，以及万古霉素耐药的金黄色葡萄球菌，使人类的生命健康又受到了严重的威胁。,万古霉素耐药肠球菌,VRE 的发展很快，有报道数据显示：1987在医院临床分离株中为0.4，而到1993年高达16。VRE能引起危及生命的感染，病死率高达30%。其之所以危险，是因为控制这种感染的措施容易失败，且目前临床上尚无一种或几种抗生素联合使用，使治疗有效的办法。,万古霉素耐药肠球菌,VRE逐渐增加的原因除了耐万古霉素的遗传因子可以传播外；另一个重要的因素是将糖肽类抗生素作为动物生长促进剂用于食源性动物，提供VRE出现的选择压力。,万古霉素耐药金黄色葡萄球菌,为了解决金黄色葡萄球菌的耐药性问题，1959年半合成的青霉素类抗生素甲氧西林和苯唑西林投入临床使用。然而，仅两年之后的1961年于英国首次发现了耐甲氧西林的金黄色葡萄球菌（methicillin resistant Staphylococcus aureus，MRSA）。此后，MRSA遍及世界。,万古霉素耐药金黄色葡萄球菌,MRSA和MRCNS(甲氧西林耐药凝固酶阴性菌)感染的治疗主要局限在万古霉素上，尤其是对MRSA多重耐药株，万古霉素是有效治疗的唯一选择。最近，国外已有万古霉素耐药金黄色葡萄球菌的报道，但国内尚未有类似的发现。,万古霉素耐药金黄色葡萄球菌,值得注意的是：国外关于万古霉素对金黄色葡萄球菌最低抑菌浓度增高的报道，即出现万古霉素中等耐药金黄色葡萄球菌（vancomycin-intermidiate S.aureus，VISA），因此，由多重耐药的MRSA变迁为VISA，而引起的感染就会导致任何治疗无效。现已证明，VISA均来自于MRSA。万古霉素耐药金黄色葡萄球菌的出现仅是时间问题，这可从图中万古霉素对MRSA的抑菌圈变化可以清楚地看到。,1994年万古霉素对MRSA的抑菌圈直径