几种天然抗生素的作用机制和耐药机制

几种天然抗生素的作用机制和耐药机制
 Wed Jan 19 10:03:22 CST 2022 CPhI制药在线

文丨小泥沙

抗生素具有高效的抑菌作用,被广泛用于人类和动物疾病的预防和治疗中,其抑菌机制主要包括阻碍细菌细胞壁的合成、改变细胞膜的通透性、抑制细菌核糖体、RNA或其他相关酶的活性作用等。天然抗生素临床使用较早,工业生产体系也日趋完善,目前所占市场份额较大。天然抗生素可分为四环素类、大环内酯类、 β-内酰胺类、氨基糖苷类等。

1、四环素类抗生素 (tetracycline antibiotics)

四环素类抗生素是一类由放线菌产生的广谱抗生素,该类抗生素主要应用于由革兰阳性和阴性细菌、细胞内支原体、衣原体和立克次氏体引起的感染性疾病。

核糖体是所有活细胞中蛋白质的合成位点,由蛋白质和RNA组成。许多研究表明,四环素能与细菌核糖体的RNA组分结合从而发挥抗菌活性。即四环素类抗生素的抗菌机制是四环素类药物优先与细菌核糖体结合,并与30S核糖体亚基中高度保守的16S rRNA靶点相互作用、形成可逆结合体,在延伸过程中通过空间干扰带电荷的氨基酰基tRNA与mRNA-核糖体复合物结合,阻止新氨基酸进入新生肽链来抑制细菌生长和存活所必须的蛋白质的合成,从而起到抗菌效果。

耐药机制

长期广泛使用四环素类药物会造成细菌对该类药物产生明显的耐药性,迄今为止,已有59个四环素耐药基因被报道过。它们可以通过以下两种不同的机制介导对四环素类药物的抗性。其一是通过外排泵主动外排四环素。最常见的四环素特异性外排泵是转运蛋白主要异化子超家族的成员。最新统计表明,细菌中有30种不同的四环素特异性外排泵。外排泵基因编码了膜相关的外排蛋白,能积极地将药物泵出细胞外,导致细胞内的药物浓度有所下降,减少了核糖体与四环素类药物的结合,从而产生耐药性。其二是通过细菌核糖体保护蛋白的作用。四环素核糖体保护蛋白(ribosomal protection proteins, RPPs)最初描述于空肠弯曲杆菌和链球菌中,是与延伸因子EF-G和EF-Tu具有显著序列和结构相似性的GTP酶。RPPs与核糖体结合可以逆转扭曲核糖体结构,引起核糖体构型的改变,直接干扰四环素D-环和16S rRNA碱基C1054的相互堆积作用,使四环素类药物不能与其结合并从结合位点30S亚基上解离,从而起到保护核糖体的作用。

2、氨基糖苷类抗生素 (aminoglycoside antibiotics)

氨基糖苷是从放线菌中提取出的天然或半合成抗生素。自1943年首次发现第一种氨基糖苷类抗生素—链霉素以来,因其良好的抗菌活性和广泛的抗菌谱被大量用于治疗由革兰阴性和革兰阳性细菌引起的感染中。

氨基糖苷类抗生素属于静止期抑菌的药物,可与繁殖期抑菌药物(β-内酰胺类抗生素)合用进行协同抗菌。氨基糖苷类抗生素主要作用部位也是核糖体,通过阻止细菌蛋白质合成的起始阶段、肽链延伸阶段和终止阶段进行抑菌。在原核生物多肽链合成的起始过程中,氨基糖苷类抗生素可与30S亚基结合,干扰核糖体30S起始复合物的组装;在多肽链的延伸过程中,氨基糖苷类与30S亚基A位结合,使得读码错误,导致异常蛋白质的合成;在多肽链合成的终止阶段,氨基糖苷类抗生素可以阻止终止密码子与核糖体结合,进一步使已合成的肽链不能释放,并抑制70S核糖体的解离,阻止蛋白质的合成循环。

耐药机制

氨基糖苷耐药有多种形式,包括酶修饰导致氨基糖苷类抗生素的失活、靶位点改变和膜渗透性降低。①细胞膜通透性发生改变可能会引起细菌对药物摄取和积累的减少,从而导致细菌耐药。革兰阴性菌的外膜同时是疏水性和亲水性物质的屏障。为了克服这种渗透性障碍,这些微生物进化出了毛细孔蛋白,它们在抗生素和其他小分子有机化学物质中充当非特异性的出入口点。当这些毛细孔蛋白数目明显减少时,细菌产生耐药性。②细菌能产生氨基糖苷修饰酶,钝化氨基糖苷类抗生素,导致抗菌素产生耐药性。氨基糖苷修饰酶有三种不同类型,包括氨基糖苷核苷转移酶(ANTs),氨基糖苷乙酰转移酶(AACs)和氨基糖苷磷酸转移酶(APHs) 。酶修饰失活是细菌对氨基糖苷类抗生素最普遍的耐药机制。AMEs与-OH或-NH2等官能团共价结合,能干扰抗生素与16S rRNA中A位点的结合,从而导致抗生素与核糖酰-tRNA亲和力降低,使抗生素失活。③核糖体是氨基糖苷类抗生素的作用靶点,rRNA在抗生素与核糖体结合中起着关键作用。由于靶点的改变,抗生素不能与核糖体结合。例如,质粒介导的16S rRNA甲基化酶(16S rRNA methyltransferases RMTs)会改变特定的rRNA核苷酸残基以阻止氨基糖苷有效结合到其位点,使细菌对该类药物产生高水平耐药。

3、大环内酯类抗生素 (macrolide antibiotics)

大环内酯类抗生素的典型结构是母核中含有大环内酯环,大环内酯类抗生素主要对革兰阳性菌有效,对革兰阴性菌的作用有限。它们对真核生物的活性很低,因为它们与真核生物核糖体的亲和力较弱。其作用机制是大环内酯类抗生素不可逆地结合到细菌核糖体50s亚基上,在肽转移酶中心附近的新生肽释放通道(nascent peptide exit tunnel, NPET)内占据一个位置,从而抑制蛋白质的合成。大环内酯与NPET的结合后,能在肽链延长阶段使得肽酰基tRNA从核糖体上解离,导致与大环内酯结合的核糖体不能聚合新生蛋白中的特定氨基酸序列,从而阻断转肽作用和mRNA移位过程,由此阻碍肽链增长,抑制蛋白质的合成,最终起到抑菌作用。

耐药机制

目前,大环内酯类抗生素的耐药机制主要包括两种。其一是核糖体修饰,由红霉素耐药甲基转移酶基因编码的甲基转移酶可以催化核苷酸A2058中的N6位置发生单甲基化或二甲基化作用。这种核苷酸与位于大内酯环C5位置的糖类发生特定的相互作用,甲基化会干扰产生氢键的形成,导致大环内酯与核糖体50S亚基的亲和力明显下降,使得耐药菌株的产生。除了rRNA的甲基化外,rRNA的突变也能产生耐药性。A2058的突变会改变核糖体靶位点,阻止大环内酯的结合。其二是大环内酯的细胞内浓度降低,细菌能够逃避大环内酯类药物作用的一种方法是通过使用外排泵降低细胞内浓度。与大环内酯类密切相关的是外排泵的Mef和Msr亚家族,其在质粒上编码并且分别是MSF和ATP结合盒(ATP-binding cassette, ABC)家族的成员。Mef泵用作反向转运蛋白,用质子交换已结合的大环内酯。Mef蛋白不使用

ATP作为能量源将抗生素泵送到细胞外,而是利用二级主动转运,此时ATP的能量不会直接用于大环内酯的跨膜转运。该亚族蛋白是大环内酯类药物耐药的重要决定因素之一, Mef(A)和Mef(E)是最为常见的,它们都可以导致细菌对14、 15元大环内酯产生耐药性。Msr蛋白通过结合大环内酯类药物来提供核糖体保护。

4、β-内酰胺类抗生素 (β-lactam antibiotics)

β-内酰胺类抗生素是现有抗生素中应用最广的一类。β-内酰胺类均含有一个四元的β-内酰胺,多数情况下还存在一个五元或者六元的并环。根据并环结构的不同,β-内酰胺类抗生素又进一步分为青霉素类、头孢菌素类、非典型β-内酰胺类。不同结构的β-内酰胺类抗生素具有相同的作用机制,其作用机制主要为药物抑制转肽酶的转肽作用,从而导致细菌细胞壁合成受阻,诱发细菌死亡。

肽聚糖是细菌细胞壁的主要成分,这种网状的聚合物完全包围着细胞,是革兰阳性菌抵御内部渗透压的唯一保护机制,使它们能够在低渗环境中生存。近年来,研究结果表明,细菌细胞膜含有几种特殊的蛋白质分子,它们与青霉素能形成相对稳定的复合物,被称为青霉素结合蛋白(penicillin-binding proteins ,PBPs),是β-内酰胺类抗生素的主要靶位。PBPs是细胞壁关键成分肽聚糖合成的必要酶。青霉素和头孢菌素的结构与肽聚糖末端结构D-丙氨酰-D-丙氨酸相似,可以竞争性地与酶的活性中心以共价键结合,抑制黏肽转肽酶所催化的交联反应,严重破坏细菌细胞壁的形成,从而引起溶菌,导致细菌裂解死亡。而哺乳动物细胞无细胞壁,不受该过程影响,故此类抗生素的抗菌作用具有较高的选择性。

细菌中有许多复杂的机制使它们对抗生素产生耐药性。与大多数抗菌药物一样,细菌通过三种主要机制产生对β-内酰胺类抗生素的抗性。PBPs表达减少或者突变是革兰阳性菌对β-内酰胺类抗生素耐药的重要机制。①产生β-内酰胺酶。细菌产生的β-内酰胺酶能与抗生素的羰基部分共价结合,破坏其环状结构,导致β-内酰胺类抗生素在到达靶点之前就被降解。β-内酰胺酶还可非水解性地迅速牢固地结合β-内酰胺类抗生素,使其不能进入靶位发挥作用。②PBPs的改变。PBPs为β-内酰胺类药物的作用靶点,当PBPs发生基因突变时,导致β-内酰胺类抗生素与其目标PBPs之间的亲和力丧失,药物无法通过与其作用部位结合而发挥药效,进而导致细菌耐药性的产生。③细胞外膜通透性的改变。细胞膜渗透性的改变或增加外排泵活性会使抗生素无法进入菌体内,导致药物与靶点的结合减少,从而使菌体内抗生素的活性浓度降低。

参考文献

[1]冯凯,辛杰,田俊,常宏宏,高文超.天然抗生素结构与构效关系研究进展[J].中国抗生素杂志,2021,46(09):809-820.DOI:10.13461/j.cnki.cja.007125.

[2]汤雨晴,叶倩,郑维义.抗生素类药物的研究现状和进展[J].国外医药(抗生素分册),2019,40(04):295-301.DOI:10.13461/j.cnki.wna.005229.

*声明:本文由入驻新浪医药新闻作者撰写,观点仅代表作者本人,不代表新浪医药新闻立场。
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