微生物药物学--β-内酰胺类抗生素课件

第五章第五章 -内酰胺类抗生素及细菌耐药性内酰胺类抗生素及细菌耐药性第一节第一节 -内酰胺类抗生素的基本结构特征内酰胺类抗生素的基本结构特征军军事事医医学学科科学学院院附附属属医医院院Affiliated Hospital of the Academy of Military Medical Sciences第二节第二节 -内酰胺类抗生素的作用机制内酰胺类抗生素的作用机制 军军事事医医学学科科学学院院附附属属医医院院Affiliated Hospital of the Academy of Military Medical Sciences一、细菌细胞壁结构一、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。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。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。和耐酸菌三种。在这三种细菌的细胞壁中都具有肽聚糖组分，其在这三种细菌的细胞壁中都具有肽聚糖组分，其由由N-N-乙酰胞壁酸（乙酰胞壁酸（N-acetylmuramic acidN-acetylmuramic acid，NAMNAM）和和N-N-葡萄糖胺（葡萄糖胺（N-acetylglucosamineN-acetylglucosamine，NAGNAG）构）构成。成。NAM NAM 和和NAGNAG紧密连接成线状，线与线之间通过紧密连接成线状，线与线之间通过连接在连接在NAM NAM 和和NAGNAG上的内肽桥的连接成片状，片与上的内肽桥的连接成片状，片与片的堆积成为细胞壁的肽聚糖。片的堆积成为细胞壁的肽聚糖。军军事事医医学学科科学学院院附附属属医医院院Affiliated Hospital of the Academy of Military Medical Sciencesu 肽聚糖片的形成肽聚糖片的形成军军事事医医学学科科学学院院附附属属医医院院Affiliated Hospital of the Academy of Military Medical Sciences革兰阳性菌肽聚糖细胞壁的形成革兰阳性菌肽聚糖细胞壁的形成 军军事事医医学学科科学学院院附附属属医医院院Affiliated Hospital of the Academy of Military Medical Sciences革兰阴性菌的细胞表面结构革兰阴性菌的细胞表面结构军军事事医医学学科科学学院院附附属属医医院院Affiliated Hospital of the Academy of Military Medical Sciences 脂多糖的构成脂多糖的构成 军军事事医医学学科科学学院院附附属属医医院院Affiliated Hospital of the Academy of Military Medical Sciences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。结构也与革兰阴性菌不同，由被称之为分支酸的蜡脂组成。这种分支酸与这种分支酸与aribanogalactanaribanogalactan糖脂可以调节合阻止某些药物或化学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。物质穿过细胞壁，使细胞具有较高的抗性。u耐耐酸酸菌菌的的表表面面结结构构军军事事医医学学科科学学院院附附属属医医院院Affiliated Hospital of the Academy of Military Medical Sciences三种不同细菌的细胞壁结构比较三种不同细菌的细胞壁结构比较 军军事事医医学学科科学学院院附附属属医医院院Affiliated Hospital of the Academy of Military Medical Sciences二、二、-内酰胺类抗生素的作用机制内酰胺类抗生素的作用机制 第一阶段第一阶段 从从FlemingFleming观察到青霉素抑杀革兰氏阳性细菌要比革兰氏阴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，至性细菌列为有效开始，至19451945年观察到青霉素对细菌的形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态学的效应为止，人们得出的结论是青霉素必定干扰了细干扰了细菌细胞的表面结构。菌细胞的表面结构。军军事事医医学学科科学学院院附附属属医医院院Affiliated Hospital of the Academy of Military Medical Sciences-内酰胺类抗生素的作用机制内酰胺类抗生素的作用机制第二阶段第二阶段 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生的原生质体，由此认为青霉素必定影响了细胞壁的合成。影响了细胞壁的合成。ParkPark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是由于青霉素阻断了细菌细胞壁合成的某一步阻断了细菌细胞壁合成的某一步。军军事事医医学学科科学学院院附附属属医医院院Affiliated Hospital of the Academy of Military Medical Sciences-内酰胺类抗生素的作用机制内酰胺类抗生素的作用机制第三阶段第三阶段 开始于开始于19571957年，人们阐明了粘肽的结构及其生物合成，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并确定青霉素是抑制了粘肽生物合成的最后一步粘肽生物合成的最后一步(转肽反应转肽反应)。军军事事医医学学科科学学院院附附属属医医院院Affiliated Hospital of the Academy of Military Medical Sciences-内酰胺类抗生素的作用机制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各种青霉素类、头孢菌素类和非典型的-内酰胺类抗生素内酰胺类抗生素都能抑制粘肽合成的转肽反应而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使两条聚糖链不能连接成交链结构交链结构。军军事事医医学学科科学学院院附附属属医医院院Affiliated Hospital of the Academy of Military Medical Sciences 交链系统酶促反应交链系统酶促反应 uDD-DD-羧肽酶羧肽酶uDD-转肽酶转肽酶u内肽酶内肽酶军军事事医医学学科科学学院院附附属属医医院院Affiliated Hospital of the Academy of Military Medical Sciences-内酰胺类抗生素的作用机制内酰胺类抗生素的作用机制 转肽反应包括两个步骤：转肽反应包括两个步骤：首先首先是转肽酶与酰基是转肽酶与酰基-D-D-丙氨酰丙氨酰-D-D-丙氨酸供体底物形成酰基丙氨酸供体底物形成酰基-D-D-丙氨酰酶中间体，同时释出丙氨酰酶中间体，同时释出1 1分子分子D-D-丙氨酸；丙氨酸；然后然后这个中间体将酰基这个中间体将酰基D-D-丙氨酰基因转给一个带有游离氨基酸的丙氨酰基因转给一个带有游离氨基酸的受体底物。受体底物。青霉素等青霉素等-内酰胺类抗生素则以它们的结构与供体底物内酰胺类抗生素则以它们的结构与供体底物(D-(D-丙氨丙氨酰酰-D-D-丙氨酸丙氨酸)结构相似结构相似(二者都有高度反应性的二者都有高度反应性的-C-N-C-N-键键)而与转肽酶而与转肽酶起作用起作用,从而干扰了正常的转肽反应。从而干扰了正常的转肽反应。军军事事医医学学科科学学院院附附属属医医院院Affiliated Hospital of the Academy of Military Medical Sciences青霉素青霉素(A)(A)和和D-D-丙氨酰丙氨酰-D-D-丙氨酸丙氨酸(B)(B)的立体模式的立体模式 军军事事医医学学科科学学院院附附属属医医院院Affiliated Hospital of the Academy of Military Medical Sciences-内酰胺类抗生素的作用机制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，能与膜上有特殊的蛋白质分子，能与-内酰胺类抗生素结合，内酰胺类抗生素结合，被称之为青霉素结合蛋白被称之为青霉素结合蛋白(Penicillin Bonding Protein(Penicillin Bonding Protein，PBP)PBP)，它具有很高的转肽酶和羟肽酶活力，是这类抗生素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抑制作用的靶蛋白。第三节第三节 细菌对细菌对-内酰胺类抗生素内酰胺类抗生素产生耐药性的作用机制产生耐药性的作用机制军军事事医医学学科科学学院院附附属属医医院院Affiliated Hospital of the Academy of Military Medical Sciences细菌对细菌对-内酰胺类抗生素产生耐药性的作用机制内酰胺类抗生素产生耐药性的作用机制 1 1、破坏、破坏-内酰胺类抗生素分子的内酰胺类抗生素分子的-内酰胺酶；内酰胺酶；2 2、抗生素作用靶位、抗生素作用靶位PBPsPBPs亲和力发生改变；亲和力发生改变；3 3、以及药物外排机制。、以及药物外排机制。军军事事医医学学科科学学院院附附属属医医院院Affiliated Hospital of the Academy of Military Medical Sciences细菌对细菌对-内酰胺类抗生素产生耐药性的作用机制内酰胺类抗生素产生耐药性的作用机制军军事事医医学学科科学学院院附附属属医医院院Affiliated Hospital of the Academy of Military Medical Sciences一、一、PBPsPBPs与与-内酰胺酶内酰胺酶-内酰胺酶是引起细菌对内酰胺酶是引起细菌对-内酰胺类抗生素内酰胺类抗生素耐药性的主要原因，有许多结构与功能不同的耐药性的主要原因，有许多结构与功能不同的-内酰胺酶。已有研究表明有四种结构类别内酰胺酶。已有研究表明有四种结构类别的的-内酰胺酶（内酰胺酶（A A、B B、C C和和D D），其中三种为），其中三种为活性活性-位点丝氨酸酶（位点丝氨酸酶（active-site serine active-site serine enzymeenzyme），另一类（），另一类（B B类）为锌类）为锌-依赖性酶（受依赖性酶（受EDTAEDTA抑制）。抑制）。从结构研究可以证明从结构研究可以证明-内酰胺酶来源于细菌内酰胺酶来源于细菌细胞壁合成酶，即所谓的青霉素结合蛋白细胞壁合成酶，即所谓的青霉素结合蛋白(penicillin-binding proteins,PBPs)(penicillin-binding proteins,PBPs)。军军事事医医学学科科学学院院附附属属医医院院Affiliated Hospital of the Academy of Military Medical Sciences一、一、PBPsPBPs与与-内酰胺酶内酰胺酶与细菌细胞壁的合成、维持以及肽聚糖结构特与细菌细胞壁的合成、维持以及肽聚糖结构特征的调节等有关的一组酶通常即被称之为征的调节等有关的一组酶通常即被称之为PBPs;PBPs;PBPsPBPs确实具有很多功能，它们具有转肽酶确实具有很多功能，它们具有转肽酶(transpeptidase)(transpeptidase)、转葡基酶、转葡基酶(trnsglycosylase)(trnsglycosylase)和羧肽酶和羧肽酶(carboxypeptidase)(carboxypeptidase)活性活性;PBPsPBPs大多定位在细菌的内膜，在细胞周质中可大多定位在细菌的内膜，在细胞周质中可以发挥它们的活性。以发挥它们的活性。军军事事医医学学科科学学院院附附属属医医院院Affiliated Hospital of the Academy of Military Medical Sciences二、由二、由PBPs-PBPs-介导的细菌介导的细菌对对-内酰胺类抗生素产生耐药性的作用机内酰胺类抗生素产生耐药性的作用机制制青霉素作为转肽反应中的底物结构类似物与转肽酶形成一种青霉素作为转肽反应中的底物结构类似物与转肽酶形成一种不可逆的青霉素不可逆的青霉素-酶复合物。由于转肽酶的测定非常困难，酶复合物。由于转肽酶的测定非常困难，因此通常用青霉素结合蛋白（因此通常用青霉素结合蛋白（PBPsPBPs）来表征）来表征;细菌在不同细胞周期合成肽聚糖的过程中，有多种不同功能细菌在不同细胞周期合成肽聚糖的过程中，有多种不同功能的转肽酶的转肽酶-PBPs-PBPs。军军事事医医学学科科学学院院附附属属医医院院Affiliated Hospital of the Academy of Military Medical Sciences二、由二、由PBPs-PBPs-介导的细菌介导的细菌对对-内酰胺类抗生素产生耐药性的作用机内酰胺类抗生素产生耐药性的作用机制制由由PBPs-PBPs-介导的介导的-内酰胺类抗菌药物的耐药性是内酰胺类抗菌药物的耐药性是由多种因素决定的，因为这种药物有多个作用靶由多种因素决定的，因为这种药物有多个作用靶位。因此，只有当所有的位。因此，只有当所有的-内酰胺类药物作用靶内酰胺类药物作用靶位的亲和力降低时细菌才能达到对药物较高的耐位的亲和力降低时细菌才能达到对药物较高的耐药性。药性。例如，淋病奈瑟氏菌具有三种例如，淋病奈瑟氏菌具有三种PBPsPBPs：PBP1PBP1和和PBP2PBP2是细菌生存所必须的酶，因而这两种酶的任一种是细菌生存所必须的酶，因而这两种酶的任一种的失活将导致细菌死亡；而的失活将导致细菌死亡；而PBP3PBP3是一种低分子量是一种低分子量酶，它的失活并不会引起细菌死亡。酶，它的失活并不会引起细菌死亡。淋病奈瑟氏菌的耐药性发展一方面是使具有最高淋病奈瑟氏菌的耐药性发展一方面是使具有最高亲和力的高亲和力的高Mr-PBP2Mr-PBP2的亲和力下降，另一方面是使的亲和力下降，另一方面是使PBP1PBP1的亲和力下降。的亲和力下降。军军事事医医学学科科学学院院附附属属医医院院Affiliated Hospital of the Academy of Military Medical Sciencesu 耐药菌名称耐药菌名称uPBPsPBPs改变情况改变情况u 革革兰兰阳阳性性菌菌u枯草芽孢杆菌枯草芽孢杆菌uPBP2亲和力下降亲和力下降u产气夹膜梭菌产气夹膜梭菌uPBP亲和力下降亲和力下降u南非肺炎链球菌南非肺炎链球菌uPBP2a亲和力下降亲和力下降u新出现新出现PBP2a（为高分子量（为高分子量PBP2a）uPBP2b丧失丧失uPBP1a和和PBP1b亲和力下降亲和力下降u美国肺炎链球菌美国肺炎链球菌uPBP1和和PBP1亲和力下降亲和力下降uPBP2b含量降低含量降低u新出现新出现PBP2u屎链球菌屎链球菌u新新出出现现缓缓慢慢反反应应的的或或可可诱诱导导的的PBPsuS.faurensu同上同上u屎链球菌屎链球菌u具有缓慢反应的具有缓慢反应的PBPsu革革兰兰阴阴性性菌菌u奈瑟氏淋球菌奈瑟氏淋球菌uPBP2亲亲和和力力降降低低、外外膜膜蛋蛋白白缺失缺失u铜绿假单胞菌铜绿假单胞菌u对所有对所有PBPs的亲和力降低的亲和力降低u大肠埃希氏菌大肠埃希氏菌uPBP3中中的的四四个个氨氨基基酸酸被被取取代代、亲亲和和力力降低降低u嗜血流感菌嗜血流感菌uPBP3a和和PBP3b亲和力降低亲和力降低u一些一些u-内内u酰胺酰胺u抗生素抗生素u耐药性耐药性u细菌与细菌与uPBPsPBPs的的u改变改变u情况情况 军军事事医医学学科科学学院院附附属属医医院院Affiliated Hospital of the Academy of Military Medical Sciences具有嵌入结构的青霉素具有嵌入结构的青霉素耐药脑膜炎双球菌耐药脑膜炎双球菌PBP2PBP2的基因结构的基因结构 军军事事医医学学科科学学院院附附属属医医院院Affiliated Hospital of the Academy of Military Medical Sciences具有嵌入结构的具有嵌入结构的7 7种不同国家和地区来源的青霉素种不同国家和地区来源的青霉素耐药脑膜炎球菌耐药脑膜炎球菌PBP2PBP2的基因结构的基因结构 军军事事医医学学科科学学院院附附属属医医院院Affiliated Hospital of the Academy of Military Medical Sciences三、三、-内酰胺酶介导的细菌对内酰胺酶介导的细菌对-内酰胺内酰胺类抗生素产生耐药性的作用机制类抗生素产生耐药性的作用机制 除了上面所阐述的由除了上面所阐述的由PBPs-PBPs-介导的对介导的对-内酰胺药物的耐药机制内酰胺药物的耐药机制外，细菌产生外，细菌产生-内酰胺酶是导致细菌对这一类抗菌药物产生耐药内酰胺酶是导致细菌对这一类抗菌药物产生耐药性的又一重要原因（可以说是最重要的原因）。性的又一重要原因（可以说是最重要的原因）。细菌渗透性屏障是细菌对药物产生耐药性的细菌渗透性屏障是细菌对药物产生耐药性的普遍性机制（非特普遍性机制（非特异性），异性），而由而由PBPs-PBPs-介导的和由介导的和由-内酰胺酶介导的耐药机制是细菌内酰胺酶介导的耐药机制是细菌对对-内酰胺药物产生耐药性的内酰胺药物产生耐药性的特有机制（特异性特有机制（特异性）。）。军军事事医医学学科科学学院院附附属属医医院院Affiliated Hospital of the Academy of Military Medical Sciences三、三、-内酰胺酶介导的细菌对内酰胺酶介导的细菌对-内酰胺内酰胺类抗生素产生耐药性的作用机制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在耐药性革兰阳性菌如葡萄球菌中的-内酰胺酶是以内酰胺酶是以胞外酶胞外酶的形式分泌至胞外来破坏这类抗菌药物，或是细菌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。含有的转肽酶不能与这类药物结合而产生耐药性。军军事事医医学学科科学学院院附附属属医医院院Affiliated Hospital of the Academy of Military Medical Sciences三、三、-内酰胺酶介导的细菌对内酰胺酶介导的细菌对-内酰胺内酰胺类抗生素产生耐药性的作用机制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，而在细胞蛋白进入细菌的周质，而在细胞周质中的周质中的-内酰胺酶内酰胺酶能够能够破坏已经进入胞内的这类药物，致使药物不能与破坏已经进入胞内的这类药物，致使药物不能与PBPsPBPs结合结合而产生耐药性。而产生耐药性。军军事事医医学学科科学学院院附附属属医医院院Affiliated Hospital of the Academy of Military Medical Sciences三、三、-内酰胺酶介导的细菌对内酰胺酶介导的细菌对-内酰胺内酰胺类抗生素产生耐药性的作用机制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；中，因而它对细菌的耐药性似乎所作的贡献更大；由由PBPsPBPs介导的细菌耐药性仅存在于革兰氏阳性菌。介导的细菌耐药性仅存在于革兰氏阳性菌。因此，革兰氏阳因此，革兰氏阳性菌对性菌对-内酰胺类抗菌药物的耐药性主要由内酰胺类抗菌药物的耐药性主要由-内酰胺酶和内酰胺酶和PBPsPBPs的亲的亲和力降低或产生新的和力降低或产生新的PBPsPBPs所致；所致；而革兰氏阴性菌对而革兰氏阴性菌对-内酰胺类抗菌药物的耐药性主要由内酰胺类抗菌药物的耐药性主要由-内酰胺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。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。军军事事医医学学科科学学院院附附属属医医院院Affiliated Hospital of the Academy of Military Medical Sciences-内酰胺酶耐药性的发展内酰胺酶耐药性的发展1 1、19401940年年首首次次在在大大肠肠埃埃希希氏氏菌菌中中确确定定-内内酰酰胺胺酶酶。随随后后这这种种酶酶在在许多其它细菌中被检测到。许多其它细菌中被检测到。2 2、19441944年年明明确确了了产产生生-内内酰酰胺胺酶酶(青青霉霉素素酶酶)是是金金葡葡菌菌对对青青霉霉素素耐耐药药的的机机理理。当当时时这这种种耐耐药药菌菌的的产产酶酶水水平平较较低低,但但随随着着青青霉霉素素的的广广泛泛应应用用,产酶水平和机率都随之增加。产酶水平和机率都随之增加。3 3、2020世纪世纪5050年代末在医院分离到的大多数金葡菌产生这种酶。年代末在医院分离到的大多数金葡菌产生这种酶。军军事事医医学学科科学学院院附附属属医医院院Affiliated Hospital of the Academy of Military Medical Sciences-内酰胺酶耐药性的发展内酰胺酶耐药性的发展 19571957年年,随着随着青霉素母核青霉素母核6-APA6-APA被分离被分离,出现了半合出现了半合成青霉素成青霉素,-,-内酰胺酶作为一种耐药机理具有了重要内酰胺酶作为一种耐药机理具有了重要意义。意义。例如例如,广谱青霉素类广谱青霉素类,氨苄青霉素和羧苄青霉素以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及后来的羟氨苄青霉素和替卡西林,对金葡菌和肠杆菌对金葡菌和肠杆菌科的许多细菌产生的科的许多细菌产生的-内酰胺酶是不稳定的内酰胺酶是不稳定的,这些产这些产生生-内酰胺酶的菌株对这些广谱抗生素产生了耐药性。内酰胺酶的菌株对这些广谱抗生素产生了耐药性。拟杆菌属也产生拟杆菌属也产生-内酰胺酶内酰胺酶,对氨苄青霉素和羟对氨苄青霉素和羟氨青霉素耐药。氨青霉素耐药。军军事事医医学学科科学学院院附附属属医医院院Affiliated Hospital of the Academy of Military Medical Sciences-内酰胺酶耐药性的发展内酰胺酶耐药性的发展1 1、在、在19611961年氨苄青霉素首次应用时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在英国医院分离的大肠埃希氏菌耐药菌株占菌株占15%15%20%,20%,而近年来在医院内和医院外这些耐药菌株已高达而近年来在医院内和医院外这些耐药菌株已高达40%40%；2 2、今天、今天所产生的所产生的-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近从各个不同国家分离出的这种耐药菌的比例已从38%38%上升到上升到78%78%；军军事事医医学学科科学学院院附附属属医医院院Affiliated Hospital of the Academy of Military Medical Sciences-内酰胺酶耐药性的发展内酰胺酶耐药性的发展3 3、另外、另外,自半合成青霉素出现以来自半合成青霉素出现以来,过去过去-内酰内酰胺酶呈阴性的某些病原菌中也已出现了产生胺酶呈阴性的某些病原菌中也已出现了产生-内酰胺酶菌株内酰胺酶菌株4 4、19741974年年,首次在流感嗜血杆菌中发现了产生首次在流感嗜血杆菌中发现了产生-内酰胺酶的耐药菌；内酰胺酶的耐药菌；5 5、19761976年年,第一次报告在淋球菌中有产生第一次报告在淋球菌中有产生-内内酰胺酶的菌株；近来又在粪链球菌及脑膜炎双酰胺酶的菌株；近来又在粪链球菌及脑膜炎双球菌中也出现了产生球菌中也出现了产生-内酰胺酶的菌株。内酰胺酶的菌株。军军事事医医学学科科学学院院附附属属医医院院Affiliated Hospital of the Academy of Military Medical Sciences-内酰胺酶的作用特征内酰胺酶的作用特征1 1、分布：、分布：-内酰胺酶广泛分布于革兰氏阳性和阴性菌及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放线菌和分支杆菌中；它们既能在细菌壁外,也能在也能在细菌壁内起作用。细菌壁内起作用。2 2、存在形式：、存在形式：在革兰氏在革兰氏阳性阳性细菌中细菌中,如金葡菌如金葡菌,这种酶分泌于这种酶分泌于细胞外细胞外,即为即为胞外酶胞外酶,使菌体细胞上的抗生素失去活使菌体细胞上的抗生素失去活性；而在革兰氏性；而在革兰氏阴性阴性细菌中细菌中,-,-内酰胺酶常存在于内酰胺酶常存在于细胞周质内，即为细胞周质内，即为胞内酶胞内酶,该处也有青霉素靶酶该处也有青霉素靶酶,在在这种情况下这种情况下,抗生素在周质中被广泛灭活抗生素在周质中被广泛灭活,而在细菌而在细菌壁外的灭活是微不足道的。壁外的灭活是微不足道的。在有些情况下在有些情况下,产生产生-内酰胺酶的遗传信息存内酰胺酶的遗传信息存在于在于染色体染色体中；而在另一些情况下则存在于中；而在另一些情况下则存在于质粒质粒中。中。军军事事医医学学科科学学院院附附属属医医院院Affiliated Hospital of the Academy of Military Medical Sciences-内酰胺酶的作用特征内酰胺酶的作用特征3 3、传递：、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菌细胞,这种传递不仅可发生于同种细菌间这种传递不仅可发生于同种细菌间,而且也可发生而且也可发生在不同种细菌间甚至不同的属间。因此在不同种细菌间甚至不同的属间。因此,就产生了在不相关就产生了在不相关的细菌间耐药性散播的可能性。的细菌间耐药性散播的可能性。军军事事医医学学科科学学院院附附属属医医院院Affiliated Hospital of the Academy of Military Medical Sciences-内酰胺酶的分类内酰胺酶的分类RichmondRichmond和和SykesSykes分类法（表）分类法（表）:这种分类系统的依据有这种分类系统的依据有3 3点点:一是这种酶对不同一是这种酶对不同-内酰胺类抗生素内酰胺类抗生素的水解速度；的水解速度；二是对二是对-内酰胺酶抑制剂的敏感度；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。由染色体介导的。由此可将由此可将-内酰胺酶分成如下内酰胺酶分成如下5 5种类型种类型:军军事事医医学学科科学学院院附附属属医医院院Affiliated Hospital of the Academy of Military Medical SciencesRichmond&Sykes-Richmond&Sykes-内酰胺酶分类法内酰胺酶分类法分类分类底物底物抑制剂抑制剂基因定位基因定位I I头孢菌素类头孢菌素类邻氯青霉素邻氯青霉素染色体染色体IIII青霉素类青霉素类邻氯青霉素和邻氯青霉素和棒酸棒酸染色体染色体IIIIII青霉素类和头青霉素类和头孢菌素类孢菌素类邻氯青霉素和邻氯青霉素和棒酸棒酸质粒质粒IVIV青霉素类和头青霉素类和头孢菌素类孢菌素类对对-氯汞苯甲酸氯汞苯甲酸酯和棒酸酯和棒酸染色体染色体V V青霉素类青霉素类棒酸棒酸质粒质粒军军事事医医学学科科学学院院附附属属医医院院Affiliated Hospital of the Academy of Military Medical SciencesRichmond&Sykes-Richmond&Sykes-内酰胺酶分类法内酰胺酶分类法型型:这种类型的酶是由能高速水解头孢菌素类的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内酰胺酶组成。因此通常被称为头孢菌素酶,它它们是由染色体介导的。其典型酶是由大肠杆菌属、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。沙雷氏菌属和绿脓杆菌产生的。型型:这类酶是由变形杆菌所特有的这类酶是由变形杆菌所特有的-内酰胺酶组内酰胺酶组成成,它们是由染色体介导的。由于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这类酶水解青霉素的速率比水解头孢菌素更快,所所以也被称为青霉素酶。以也被称为青霉素酶。军军事事医医学学科科学学院院附附属属医医院院Affiliated Hospital of the Academy of Military Medical SciencesRichmond&Sykes-Richmond&Sykes-内酰胺酶分类法内酰胺酶分类法型型:这类酶对青霉素和头孢菌素的活性大致这类酶对青霉素和头孢菌素的活性大致相同相同,它们是由质粒介导的。它们是由质粒介导的。型型:这类酶是典型的由染色体介导的肺炎克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。雷伯氏菌所产生的。型型:这类酶是由质粒介导的这类酶是由质粒介导的,包括大肠杆菌中包括大肠杆菌中的苯唑青霉素水解酶的苯唑青霉素水解酶(该酶也能水解异恶唑类该酶也能水解异恶唑类青霉素青霉素)以及与假单孢菌有关的以及与假单孢菌有关的,能很快水解羧能很快水解羧苄青霉素的绿脓杆菌酶。苄青霉素的绿脓杆菌酶。军军事事医医学学科科学学院院附附属属医医院院Affiliated Hospital of the Academy of Military Medical SciencesBush-Jacoby-Medeiros-Bush-Jacoby-Medeiros-内酰胺酶分类法内酰胺酶分类法分类法分类法优先被水解的底物优先被水解的底物抑制剂抑制剂代表性酶代表性酶Bush-Jacoby-Bush-Jacoby-MedeirosMedeirosRichmond&Richmond&SykesSykes棒酸棒酸EDTAEDTAa a1 1（C C类）类）Ia,Ib,IdIa,Ib,Id头孢菌素类头孢菌素类-革兰氏阴性菌革兰氏阴性菌AmpCAmpC酶；酶；MIR-1MIR-12a2a（A A类）类）未包括未包括青霉素类青霉素类+-革兰氏阳性菌青霉素革兰氏阳性菌青霉素酶酶2b2b（A A类）类）IIIIII头孢菌素类头孢菌素类青霉素类青霉素类+-TEM-1TEM-1、TEM-2TEM-2、SHV-1SHV-12be2be（A A类）类）除除IVIV类中的类中的K1K1外，其余外，其余未包括未包括青霉素类、窄谱和青霉素类、窄谱和广谱头孢菌素广谱头孢菌素类、单环类类、单环类+-TEM-1TEM-1至至TEM-26TEM-26、SHV-1SHV-1至至SHV-6SHV-6、OxytocaOxytoca克雷伯氏克雷伯氏K1K12br2br（A A类）类）未包括未包括青霉素类青霉素类-TEM-30TEM-30至至TEM-36TEM-36、TRC-1TRC-1军军事事医医学学科科学学院院附附属属医医院院Affiliated Hospital of the Academy of Military Medical Sciences2c2c（A A类）类）IIII，IVIV青霉素类青霉素类羧苄青霉素羧苄青霉素+-PSE-1PSE-1、PSE-3PSE-3、PSE-4PSE-42d2d（D D类）类）V V青霉素青霉素邻氯青霉素邻氯青霉素-OXA-1OXA-1至至OXA-11OXA-11、PSE-2(OXA-10)PSE-2(OXA-10)2e2e（A A类）类）IcIc头孢菌素类头孢菌素类+-普通变形杆菌的诱普通变形杆菌的诱导性头孢菌素酶导性头孢菌素酶2f2f（A A类）类）未包括未包括青霉素类、头孢菌青霉素类、头孢菌素类、碳青霉素类、碳青霉烯类烯类+-阴沟肠杆菌阴沟肠杆菌NMC-ANMC-A、粘质沙雷氏菌粘质沙雷氏菌Sme-1Sme-13(B3(B类，金属类，金属-内酰内酰胺酶胺酶)未包括未包括大多数大多数-内酰胺内酰胺类包括碳青霉类包括碳青霉烯类烯类-+X.maltophilia X.maltophilia L1 L1 脆弱拟杆菌脆弱拟杆菌CcrACcrA4 4（其它类）（其它类）未包括未包括青霉素类青霉素类-？P.cepaciaP.cepacia青霉素酶青霉素酶第四节第四节 克服细菌对克服细菌对-内酰胺抗生素产内酰胺抗生素产生耐药性的对策生耐药性的对策军军事事医医学学科科学学院院附附属属医医院院Affiliated Hospital of the Academy of Military Medical Sciences一个好的一个好的-内酰胺类抗生素，能够有效地抑制粘内酰胺类抗生素，能够有效地抑制粘肽的合成，则必须具备以下三个条件：肽的合成，则必须具备以下三个条件：1)1)有好的渗透性有好的渗透性,使药物能达到作用部位；使药物能达到作用部位；2)2)对对-内酰胺酶稳定，使内酰胺酶稳定，使-内酰胺环不被酶解；内酰胺环不被酶解；3)3)对靶酶，即对青霉素结合蛋白有高的亲和力，从而对靶酶，即对青霉素结合蛋白有高的亲和力，从而抑制抑制PBPsPBPs的酶活力的酶活力,使细菌生长抑制或死亡。使细菌生长抑制或死亡。军军事事医医学学科科学学院院附附属属医医院院Affiliated Hospital of the Academy of Military Medical Sciences细菌对细菌对-内酰胺类抗生素的产生耐药性的三种主要机制内酰胺类抗生素的产生耐药性的三种主要机制 军军事事医医学学科科学学院院附附属属医医院院Affiliated Hospital of the Academy of Military Medical Sciences一、一、-内酰胺酶抑制剂的研究开发内酰胺酶抑制剂的研究开发-内酰胺酶抑制剂的发展内酰胺酶抑制剂的发展1 1、早在早在2020世纪世纪4040年代中期年代中期,已清楚地了解到抑制已清楚地了解到抑制-内酰胺酶能增强青霉素内酰胺酶能增强青霉素G G的效力。的效力。抑制抑制-内酰胺酶的早期工作内酰胺酶的早期工作,包括抗包括抗-内酰内酰胺酶血清应用可能性的研究胺酶血清应用可能性的研究,以及各种可能成以及各种可能成为为-内酰胺酶抑制剂的有机化合物的筛选。内酰胺酶抑制剂的有机化合物的筛选。在这些化合物中在这些化合物中,某些化合物显示了较弱的抑某些化合物显示了较弱的抑制活性制活性,没有一个有希望可用于临床。没有一个有希望可用于临床。军军事事医医学学科科学学院院附附属属医医院院Affiliated Hospital of the Academy of Military Medical Sciences-内酰胺酶抑制剂的发展内酰胺酶抑制剂的发展2 2、2020世纪世纪6060年代年代随着半合成青霉素的出现随着半合成青霉素的出现,发现发现某些青霉素某些青霉素(如甲氧西林、乙氧萘青霉素和异如甲氧西林、乙氧萘青霉素和异恶唑类青霉素恶唑类青霉素)有这种酶抑制剂的作用有这种酶抑制剂的作用,又重新又重新唤起了人们对唤起了人们对-内酰胺酶抑制剂的兴趣内酰胺酶抑制剂的兴趣,并开并开始研究结合其它青霉素使用时的协同作用。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但由于半合成青霉素作为-内酰胺酶抑制剂内酰胺酶抑制剂有着很大的局限性而没能应用于临床。尽管如有着很大的局限性而没能应用于临床。尽管如此此,这些药物在临床上的潜在效果是清楚的。这些药物在临床上的潜在效果是清楚的。军军事事医医学学科科学学院院附附属属医医院院Affiliated Hospital of the Academy of Military Medical Sciences-内酰胺酶抑制剂的发展内酰胺酶抑制剂的发展3 3、2020世纪世纪7070年代初年代初,开始从微生物中筛选开始从微生物中筛选-内酰胺内酰胺酶抑制剂的研究酶抑制剂的研究,使这一研究领域出现了转机。使这一研究领域出现了转机。橄榄酸的发现：橄榄酸的发现：某些产生某些产生-内酰胺酶的致病菌内酰胺酶的致病菌,包包括肺炎克雷伯氏菌和金葡菌括肺炎克雷伯氏菌和金葡菌,在橄榄酸存在时在橄榄酸存在时,由于由于它抑制了它抑制了-内酰胺酶内酰胺酶,使这些致病菌对氨苄青霉素使这些致病菌对氨苄青霉素和羟氨苄青霉素变得敏感；和羟氨苄青霉素变得敏感；但在另一些病原菌中但在另一些病原菌中,橄榄酸的作用则很小橄榄酸的作用则很小,这是因这是因为它穿透细菌细胞壁或细胞膜的能力较差为它穿透细菌细胞壁或细胞膜的能力较差,且其在且其在体内代谢很快体内代谢很快,最终没能用于临床。最终没能用于临床。军军事事医医学学科科学学院院附附属属医医院院Affiliated Hospital of the Academy of Military Medical Sciences-内酰胺酶抑制剂的发展内酰胺酶抑制剂的发展4 4、虽然橄榄酸是一种虽然橄榄酸是一种-内酰胺酶抑制剂内酰胺酶抑制剂,但在临床上但在临床上无应用价值。尽管如此无应用价值。尽管如此,对微生物的筛选工作仍在不对微生物的筛选工作仍在不断开展。断开展。终于在终于在19761976年年从棒状链霉菌的代谢产物中分离得到了从棒状链霉菌的代谢产物中分离得到了具有强具有强-内酰胺酶抑制作用的化合物内酰胺酶抑制作用的化合物,定名为定名为克拉维克拉维酸酸(或称棒酸或称棒酸),),它没有橄榄酸的缺点。它没有橄榄酸的缺点。军军事事医医学学科科学学院院附附属属医医院院Affiliated Hospital of the Academy of Military Medical Sciences-内酰胺酶抑制剂的发展内酰胺酶抑制剂的发展5 5、19781978年年EnglikhEnglikh等报道了青霉烷酸及其砜类等报道了青霉烷酸及其砜类的的-内酰胺酶抑制剂。内酰胺酶抑制剂。其中青霉烷砜其中青霉烷砜(舒巴克坦舒巴克坦)就是一个很好的就是一个很好的-内酰胺酶抑制剂。它本身不具抗菌活性内酰胺酶抑制剂。它本身不具抗菌活性,但它但它在较低的浓度时在较低的浓度时,对对、和和型酶都具型酶都具有很强的不可逆抑制作用有很强的不可逆抑制作用,它与多种它与多种-内酰胺内酰胺类抗生素联合使用能产生明显的协同作用类抗生素联合使用能产生明显的协同作用,从从而对大部分耐药菌的最低抑菌浓度降至这些抗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。生素的敏感范围内。军军事事医医学学科科学学院院附附属属医医院院Affiliated Hospital of the Academy of Military Medical Sciences-内酰胺酶抑制剂的发展内酰胺酶抑制剂的发展5 5、克拉维酸、克拉维酸是第一个被应于临床的是第一个被应于临床的-内酰胺酶内酰胺酶抑制剂抑制剂,它具有氧杂青霉烯的化学结构它具有氧杂青霉烯的化学结构,它本身它本身所具有的抗菌活性很弱所具有的抗菌活性很弱,但它与但它与羟氨苄青霉素羟氨苄青霉素组成的复合剂组成的复合剂奥格门汀奥格门汀、与、与羧噻吩青霉素羧噻吩青霉素组成组成的复合剂的复合剂替门汀（替门汀（timentintimentin）都具有很好的协都具有很好的协同作用。同作用。军军事事医医学学科科学学院院附附属属医医院院Affiliated Hospital of the Academy of Military Medical Sciences-内酰胺酶抑制剂的发展内酰胺酶抑制剂的发展6 6、优立新、优立新(unaysn)(unaysn)是氨苄青霉素与青霉烷砜的复合剂是氨苄青霉素与青霉烷砜的复合剂,舒普深舒普深（sulperazonsulperazon）是头孢呱酮与青霉烷砜组成的复合剂。）是头孢呱酮与青霉烷砜组成的复合剂。军军事事医医学学科科学学院院附附属属医医院院Affiliated Hospital of the Academy of Military Medical Sciences-内酰胺酶抑制剂的发展内酰胺酶抑制剂的发展7 7、青霉烷砜的缺点是吸收不良、青霉烷砜的缺点是吸收不良,辉瑞公司合成了它辉瑞公司合成了它的匹呋酯以改善它在给药后的利用度。的匹呋酯以改善它在给药后的利用度。另外另外,为了克服青霉烷砜和为了克服青霉烷砜和-内酰胺类抗生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作用等方面的差异,丹麦丹麦LeoLeo公司公司BaltzerBaltzer等根据互等根据互为前体药物的原理为前体药物的原理,将将青霉烷砜和氨苄青霉素缩合青霉烷砜和氨苄青霉素缩合成双酯化合物舒他西林（成双酯化合物舒他西林（sultamicillinsultamicillin）,以克以克服青霉烷砜和服青霉烷砜和-内酰胺类抗生素口服吸收差的缺内酰胺类抗生素口服吸收差的缺点点,并可以使青霉烷砜和并可以使青霉烷砜和-内酰胺类抗生素在相内酰胺类抗生素在相同的时间以相同的速率吸收同的时间以相同的速率吸收,且有相似的血药半衰且有相似的血药半衰期。期。军军事事医医学学科科学学院院附附属属医医院院Affiliated Hospital of the Academy of Military Medical Sciences组成奥格门汀组成奥格门汀 的两种化合物的结构的两种化合物的结构u棒酸棒酸u羟羟氨氨苄苄青青霉霉素素军军事事医医学学科科学学院院附附属属医医院院Affiliated Hospital of the Academy of Military Medical Sciences组成替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u棒酸棒酸 u羧噻吩青霉素羧噻吩青霉素军军事事医医学学科科学学院院附附属属医医院院Affiliated Hospital of the Academy of Military Medical Sciences组成优力新的两种化合物的结构组成优力新的两种化合物的结构u舒巴坦舒巴坦 氨苄青霉素氨苄青霉素军军事事医医学学科科学学院院附附属属医医院院Affiliated Hospital of the Academy of Military Medical Sciences组成舒普深的两种化合物的结构组成舒普深的两种化合物的结构u舒巴坦舒巴坦u头孢哌酮头孢哌酮军军事事医医学学科科学学院院附附属属医医院院Affiliated Hospital of the Academy of Military Medical Sciences组成他佐西林的两种化合物的结构组成他佐西林的两种化合物的结构u他佐巴坦他佐巴坦u氧哌嗪青霉素氧哌嗪青霉素军军事事医医学学科科学学院院附附属属医医院院Affiliated Hospital of the Academy of Military Medical Sciences舒他西林的化学结构舒他西林的化学结构军军事事医医学学科科学学院院附附属属医医院院Affiliated Hospital of the Academy of Military Medical Sciences-内酰胺酶抑制剂的作用机制内酰胺酶抑制剂的作用机制 克拉维酸对克拉维酸对-内酰胺酶的活性位点有高亲和力内酰胺酶的活性位点有高亲和力,能与催化能与催化中心相结合中心相结合,以竞争性抑制剂的方式发挥作用。随后与酶分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子中的丝氨酸的羟基发生反应,通过通过-内酰胺羰基和内酰胺羰基和-内内酰胺环打开而使酶酰化。酰胺环打开而使酶酰化。军军事事医医学学科科学学院院附附属属医医院院Affiliated Hospital of the Academy of Military Medical Sciences克拉维酸的作用机制克拉维酸的作用机制 军军事事医医学学科科学学院院附附属属医医院院Affiliated Hospital of the Academy of Military Medical Sciences克拉维酸的作用机制克拉维酸的作用机制 这个反应和这个反应和-内酰胺酶与敏感底物如苄青霉素之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。间发生的反应是一样的。对于一般敏感底物对于一般敏感底物,酰基酰基-酶复合物迅速水解释酶复合物迅速水解释放出活性酶和无抗菌活性的产物。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而由克拉维酸与酶形成的酰基-酶复合物则相酶复合物则相对比较稳定对比较稳定,水解很慢水解很慢,或者与酶发生进一步反应而达或者与酶发生进一步反应而达到更稳定。因为到更稳定。因为-内酰胺环的水解及随后的恶唑烷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环打开暴露出了反应基团,在活性部分形成稳定的共在活性部分形成稳定的共价键。价键。产生这种类型的抑制作用的化合物被称为产生这种类型的抑制作用的化合物被称为自自杀性抑制剂杀性抑制剂或依赖失活作用机理的灭活剂。由于这些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反应具时间依赖性,因此克拉维酸可称是一个因此克拉维酸可称是一个进行性进行性抑制剂抑制剂。军军事事医医学学科科学学院院附附属属医医院院Affiliated Hospital of the Academy of Military Medical Sciences克拉维酸的作用机制克拉维酸的作用机制 酶与克拉维酸的内酰胺环反应酶与克拉维酸的内酰胺环反应,生成强的结合物生成强的结合物(I)(I)后后,酶酶暂时被抑制暂时被抑制,随后一部分水解为原来的酶和克拉维酸随后一部分水解为原来的酶和克拉维酸,另一另一部分脱酰化反应产生反应性很强的衍生物部分脱酰化反应产生反应性很强的衍生物(和和),),再与酶再与酶作用形成无活性的不可逆的蛋白质作用形成无活性的不可逆的蛋白质(酶酶)结合物结合物(、和和),),即酶被不可逆地钝化、抑制剂本身也被破坏。即酶被不可逆地钝化、抑制剂本身也被破坏。军军事事医医学学科科学学院院附附属属医医院院Affiliated Hospital of the Academy of Military Medical Sciences二、人体内二、人体内-内酰胺酶内酰胺酶-肾脱氢肽酶抑制剂的研究开肾脱氢肽酶抑制剂的研究开发发肾肽酶的发现及作用机制肾肽酶的发现及作用机制 1976 1976年发现的年发现的硫霉素硫霉素(thienamycin)(thienamycin)是第一个天然是第一个天然的碳青霉烯类抗生素的碳青霉烯类抗生素,它开辟了它开辟了-内酰胺抗生素内酰胺抗生素研究的新纪元。硫霉素具有广谱、高效、对细菌研究的新纪元。硫霉素具有广谱、高效、对细菌产生的产生的-内酰胺酶稳定等显著特点内酰胺酶稳定等显著特点,但由于其化但由于其化学不稳定学不稳定,难以应用于临床。难以应用于临床。硫霉素的硫霉素的N-N-亚胺甲基衍生物亚胺甲基衍生物-亚胺配能亚胺配能(imipenem)(imipenem)的获得的获得,不仅解决了硫霉素的化学不稳定性不仅解决了硫霉素的化学不稳定性,而且而且还进一步提高了其抗菌活性。还进一步提高了其抗菌