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(lèi)抗生素是較早應(yīng)用于細(xì)菌性感染的一類(lèi)抗生素，與其他抗生素和霉菌毒素一樣，氨基糖苷類(lèi)抗生素也是某種微生物為對(duì)抗同一生境中其他微生物而產(chǎn)生的次級(jí)代謝產(chǎn)物。鏈霉素(streptomycin)是第一種被分離得到的氨基糖苷類(lèi)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(kāi)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(lái)，陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了幾種新的氨基糖苷類(lèi)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(duì)革蘭氏陰性菌都有較好的抗菌活性，并對(duì)革蘭氏陽(yáng)性球菌也有一定的選擇性活性。

隨著此類(lèi)抗生素在臨床上的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，耐藥性問(wèn)題隨之而來(lái)，同時(shí)，毒副作用也影響了氨基糖苷類(lèi)抗生素的使用，特別是耳毒性和腎毒性。這些問(wèn)題促使科學(xué)家們更深入地研究氨基糖苷類(lèi)抗生素的藥理學(xué)特性，也使第二代氨基糖苷類(lèi)抗生素及半合成衍生物的研究進(jìn)入高潮，這個(gè)時(shí)期出現(xiàn)的氨基糖苷類(lèi)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(lèi)、碳青霉烯類(lèi)、頭孢菌素類(lèi)廣譜且副作用少的抗生素的廣泛使用，人們對(duì)氨基糖苷類(lèi)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(lái)，就再也沒(méi)有新的氨基糖苷類(lèi)抗生素進(jìn)入醫(yī)療市場(chǎng)了。到了2010年，氨基糖苷類(lèi)抗生素的市場(chǎng)份額只占2.7%［4］。

但氨基糖苷類(lèi)抗生素一直都沒(méi)有從臨床上真正消失，由于氨基糖苷類(lèi)抗生素相比其他抗生素的耐藥性要低，在越來(lái)越多的抗生素失去治療作用的時(shí)候，氨基糖苷類(lèi)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(lèi)抗生素的結(jié)構(gòu)

氨基糖苷類(lèi)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(lèi)，而它們不同的結(jié)構(gòu)決定了氨基糖苷類(lèi)抗生素對(duì)氨基糖苷類(lèi)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(gè)肌醇衍生物和至少一個(gè)氨基糖組成，完整的結(jié)構(gòu)還包括數(shù)個(gè)自由羥基以及至少兩個(gè)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(gè)被發(fā)現(xiàn)的氨基糖苷類(lèi)抗生素鏈霉素，由一個(gè)二糖連接鏈霉胺組成(圖1)，此類(lèi)結(jié)構(gòu)的氨基糖苷類(lèi)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(lái)的氨基糖苷類(lèi)抗生素種類(lèi)較多，此類(lèi)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(lèi)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(lèi)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(duì)應(yīng))取代形成環(huán)B。新霉素類(lèi)的結(jié)構(gòu)是在2-脫氧鏈霉胺的4位連有1～2個(gè)己糖，5位連有一個(gè)五環(huán)糖，而氨基單獨(dú)位于己糖上。第三種從巴龍霉胺衍生來(lái)的氨基糖苷類(lèi)抗生素是慶大霉素，慶大霉素類(lèi)也是在2-脫氧鏈霉胺的4、6位被兩個(gè)己糖取代，同時(shí)己糖上會(huì)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(lèi)抗生素都是由巴龍霉胺衍生而來(lái)，包括目前在臨床上使用的，也大多是此類(lèi)抗生素的生物合成衍生物。

其他一些氨基糖苷類(lèi)抗生素不是從巴龍霉胺衍生來(lái)的，比如潮霉素(hygromycin)和安普霉素(apramycin)，它們是一些不同類(lèi)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(gè)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(lèi)環(huán)狀結(jié)構(gòu)Fig.3 Various cyclic structures of hygromycin，apramycin and spectinomycin.

2 抗菌機(jī)理及耐藥機(jī)制

氨基糖苷類(lèi)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(cuò)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(lèi)藥物的結(jié)合位點(diǎn)都位于16S rRNA的保守區(qū)域，因此對(duì)于真核生物18S rRNA的作用不盡相同，導(dǎo)致真核生物對(duì)氨基糖苷類(lèi)抗生素不敏感［5］。

常見(jiàn)病原菌耐氨基糖苷類(lèi)抗生素的機(jī)制主要包括:細(xì)胞外膜通透性改變、內(nèi)膜轉(zhuǎn)運(yùn)降低和主動(dòng)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(lèi)抗生素修飾酶(AME)，如氨基糖苷類(lèi)抗生素磷酸轉(zhuǎn)移酶(APH)、氨基糖苷類(lèi)抗生素乙酰轉(zhuǎn)移酶(AAC)，以及氨基糖苷類(lèi)抗生素核苷轉(zhuǎn)移酶(ANT或AAD)。被此類(lèi)酶修飾過(guò)的氨基糖苷類(lèi)抗生素與細(xì)菌16S rRNA上的A位點(diǎn)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(duì)此類(lèi)抗生素產(chǎn)生耐藥性的最常見(jiàn)機(jī)制。表1列出了常見(jiàn)鈍化酶種類(lèi)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(duì)核糖體的作用效應(yīng)［11］。

表1 常見(jiàn)鈍化酶種類(lèi)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(lái)越多，學(xué)術(shù)界和醫(yī)藥行業(yè)重新燃起了對(duì)氨基糖苷類(lèi)抗生素的研究熱情。目前研究重點(diǎn)主要集中在通過(guò)阻斷AME的活性位點(diǎn)，或者設(shè)計(jì) AME 抑制劑來(lái)克服抗性［12，13］;氨基糖苷類(lèi)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(wèn)題的機(jī)理和如何克服毒性的研究。研究目標(biāo)是能開(kāi)發(fā)出作用于RNA的抗病原菌氨基糖苷類(lèi)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(lèi)抗生素是Achaogen 公司開(kāi)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(lèi)抗生素的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，脫氧糖及一些胺類(lèi)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(gè)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(qiáng)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(yáng)性菌，包括有各類(lèi)抗性機(jī)制的細(xì)菌中均進(jìn)行了測(cè)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(huì)影響阿米卡星及慶大霉素的抗菌活性，而Plazomicin對(duì)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(lèi)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(yàn)，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(lèi)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?cè)谝欢ǖ淖畹鸵志鷿舛?MICs)下，對(duì)一些耐藥菌株都有抑菌活性，但這些抗生素在各項(xiàng)性能的比較中都未能超過(guò)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(lái)越大的挑戰(zhàn)，氨基糖苷類(lèi)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(guó)家對(duì)治療藥物及治療劑量的監(jiān)管力度不斷增強(qiáng)，使氨基糖苷類(lèi)抗生素用于經(jīng)驗(yàn)性及指導(dǎo)性治療的安全性得到提高［22］。但此類(lèi)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(diǎn)。目前，我們對(duì)此類(lèi)抗生素的耐藥性機(jī)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(guò)幾十年的努力，也已經(jīng)開(kāi)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(duì)氨基糖苷類(lèi)抗生素研究的深入，對(duì)其進(jìn)行活性及藥理學(xué)特性的系統(tǒng)改造將變得越來(lái)越容易，臨床應(yīng)用的氨基糖苷類(lèi)抗生素實(shí)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(lèi)抗生素的研究將進(jìn)入一個(gè)全新的時(shí)代，面對(duì)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(lèi)古老的抗生素，并寄希望于它能擔(dān)負(fù)起對(duì)抗多藥耐藥性病原菌的重任。

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