氨基糖苷类抗生素应用的新机遇

高 岳

苏州农业职业技术学院，江苏苏州215008

氨基糖苷类抗生素是较早应用于细菌性感染的一类抗生素，与其他抗生素和霉菌毒素一样，氨基糖苷类抗生素也是某种微生物为对抗同一生境中其他微生物而产生的次级代谢产物。链霉素(streptomycin)是第一种被分离得到的氨基糖苷类抗生素，于1943年从灰链霉菌中被发现［1］。它也是第一种能够有效治疗结核病的抗生素，并于20世纪40年代中期开始应用于临床。自从链霉素被发现并成功地在临床应用以来，陆续发现了几种新的氨基糖苷类抗生素，比较有名的有1949年发现的新霉素(neomycin)、1963年发现的庆大霉素(gentamicin)、1967年发现的妥布霉素(tobramycin)，以及 1970年发现的西索米星(sisomicin)［2］。它们对革兰氏阴性菌都有较好的抗菌活性，并对革兰氏阳性球菌也有一定的选择性活性。

随着此类抗生素在临床上的应用越来越广泛，耐药性问题随之而来，同时，毒副作用也影响了氨基糖苷类抗生素的使用，特别是耳毒性和肾毒性。这些问题促使科学家们更深入地研究氨基糖苷类抗生素的药理学特性，也使第二代氨基糖苷类抗生素及半合成衍生物的研究进入高潮，这个时期出现的氨基糖苷类抗生素主要有1971年的地贝卡星(dibekacin)、1972年的阿米卡星(amikacin)、1973 年的阿贝卡星(arbekacin)、1975年的异帕米星(isepamicin)，以及1976年的奈替米星(netilmicin)［3］。

20世纪70年代末，由于喹诺酮类、碳青霉烯类、头孢菌素类广谱且副作用少的抗生素的广泛使用，人们对氨基糖苷类抗生素的研究渐渐失去了兴趣。自从1988年和1990年分别批准异帕米星及阿贝卡星使用以来，就再也没有新的氨基糖苷类抗生素进入医疗市场了。到了2010年，氨基糖苷类抗生素的市场份额只占2.7%［4］。

但氨基糖苷类抗生素一直都没有从临床上真正消失，由于氨基糖苷类抗生素相比其他抗生素的耐药性要低，在越来越多的抗生素失去治疗作用的时候，氨基糖苷类抗生素重新受到了重视，特别是用于革兰氏阴性菌感染的治疗。

1 氨基糖苷类抗生素的结构

氨基糖苷类抗生素根据它们的化学结构及生物合成可分成不同的种类，而它们不同的结构决定了氨基糖苷类抗生素对氨基糖苷类修饰酶(aminoglycoside modifying enzymes，AME)的敏感程度，进而影响它们的抗性大小。

它们的基本结构单元由一个肌醇衍生物和至少一个氨基糖组成，完整的结构还包括数个自由羟基以及至少两个氨基(图1)。这些羟基和氨基或者其他取代基是作用于30S核糖体亚单位的16S rRNA的关键结构，它们能干扰蛋白质的翻译。

第一个被发现的氨基糖苷类抗生素链霉素，由一个二糖连接链霉胺组成(图1)，此类结构的氨基糖苷类抗生素只有少数。结构中含2-脱氧链霉胺，从巴龙霉胺(paromamine)(图1)生物合成衍生而来的氨基糖苷类抗生素种类较多，此类抗生素包括卡那霉素(kanamycin)、新霉素和庆大霉素(图2)。

图1 链霉素及氨基糖苷类抗生素核心结构单元Fig.1 Core structural units of streptomycin and other aminoglycoside antibiotics.

图2 三种巴龙霉胺衍生物的结构Fig.2 Three structures of paromamine derivatives.

卡那霉素类是2-脱氧链霉胺4、6位取代衍生物，通常是4位被3-氨基葡萄糖取代形成环C，6位被2，6-二氨基葡萄糖(与图2所示不对应)取代形成环B。新霉素类的结构是在2-脱氧链霉胺的4位连有1～2个己糖，5位连有一个五环糖，而氨基单独位于己糖上。第三种从巴龙霉胺衍生来的氨基糖苷类抗生素是庆大霉素，庆大霉素类也是在2-脱氧链霉胺的4、6位被两个己糖取代，同时己糖上会有一些含碳侧链或不饱和B环。

大多数临床上应用的氨基糖苷类抗生素都是由巴龙霉胺衍生而来，包括目前在临床上使用的，也大多是此类抗生素的生物合成衍生物。

其他一些氨基糖苷类抗生素不是从巴龙霉胺衍生来的，比如潮霉素(hygromycin)和安普霉素(apramycin)，它们是一些不同类型的假二糖(图3)。但是潮霉素和安普霉素仍然有2-脱氧链霉胺这个中心结构，只是潮霉素在5位有取代基团，而安普霉素在4位有取代基团。

图3 潮霉素、安普霉素和奇霉素的各类环状结构Fig.3 Various cyclic structures of hygromycin，apramycin and spectinomycin.

2 抗菌机理及耐药机制

氨基糖苷类抗生素是直接与30S核糖体亚单位的16S rRNA解码区的A部位结合，使细菌发生读码错误，干扰蛋白质的合成，最终导致细菌死亡。氨基糖苷类药物的结合位点都位于16S rRNA的保守区域，因此对于真核生物18S rRNA的作用不尽相同，导致真核生物对氨基糖苷类抗生素不敏感［5］。

常见病原菌耐氨基糖苷类抗生素的机制主要包括:细胞外膜通透性改变、内膜转运降低和主动外排系统高表达引起胞内药物浓度降低［6］;产生氨基糖苷类抗生素修饰酶(AME)，如氨基糖苷类抗生素磷酸转移酶(APH)、氨基糖苷类抗生素乙酰转移酶(AAC)，以及氨基糖苷类抗生素核苷转移酶(ANT或AAD)。被此类酶修饰过的氨基糖苷类抗生素与细菌16S rRNA上的A位点的结合力下降，从而引起抗菌活性的丧失［5，7，8］。酶修饰的存在是细菌对此类抗生素产生耐药性的最常见机制。表1列出了常见钝化酶种类及其作用底物［9］;核糖体蛋白或16S rRNA突变导致的靶位修饰［10］。目前在革兰阴性菌中已发现6种16S rRNA 甲基化酶基因，即 armA、rmtA、rmtB、rmtC、rmtD和npmA。甲基化修饰阻断了抗生素与核糖体的结合，破坏了抗生素对核糖体的作用效应［11］。

表1 常见钝化酶种类及其作用底物Table 1 Common types of passivation enzyme and its substrate.

续表

3 最新发展

随着耐多种药物的病原菌，特别是革兰氏阴性菌引起的感染病例越来越多，学术界和医药行业重新燃起了对氨基糖苷类抗生素的研究热情。目前研究重点主要集中在通过阻断AME的活性位点，或者设计 AME 抑制剂来克服抗性［12，13］;氨基糖苷类药理学模块化研究［14］;以及耳毒性［15，16］、肾毒性［17］等毒性问题的机理和如何克服毒性的研究。研究目标是能开发出作用于RNA的抗病原菌氨基糖苷类抗生素［18］，并应用于相关疾病的治疗［19］。

当前最受关注的氨基糖苷类抗生素是Achaogen 公司开发的 plazomicin［20］(图4)，它是以西索米星为前体物质，经化学合成得到的。plazomicin结合了多种氨基糖苷类抗生素的结构特点，脱氧糖及一些胺类取代基的存在，减少了plazomicin容易受AME影响的结构元素的数量;它在2-脱氧链霉胺环的1位有一个羟基氨基丁酸(HABA)侧链，与阿米卡星、阿贝卡星和异帕米星一样，此结构增强了plazomicin的抗菌活性;而6位的羟乙基链进一步提高了它的药理学活性。

图4 Plazomicin结构图Fig.4 Structure of plazomicin.

Plazomicin在革兰氏阴性菌及阳性菌，包括有各类抗性机制的细菌中均进行了测试。一些致病菌株能产生AME，比如从肠杆菌科(Enterobacteriaceae)中发现的三种主要的修饰酶，它们会影响阿米卡星及庆大霉素的抗菌活性，而Plazomicin对这些致病菌仍然有较好的活性。但与阿米卡星和庆大霉素类似，由于胞外膜透性的改变及甲基化酶的存在，它的最低抑菌浓度(minimum inhibitory concentration，MICs)仍然偏高［20，21］。

Plazomicin已于2012年成功完成了第二阶段的临床试验，主要用于治疗一些复杂的泌尿系统感染，到目前为止，未发现有任何耳毒性及肾毒性事件。

早期工业合成的一些氨基糖苷类抗生素衍生物，包括阿贝卡星、卡那霉素、新霉素、巴龙霉素和庆大霉素的衍生物，它们在一定的最低抑菌浓度(MICs)下，对一些耐药菌株都有抑菌活性，但这些抗生素在各项性能的比较中都未能超过Plazomicin。

4 展望

近几年，由于多药耐药(multidrug resistance，MDR)病原菌感染的治疗遇到越来越大的挑战，氨基糖苷类抗生素在临床上的应用热情重新被燃起，科学家也显现出了比以往更浓的研究兴趣。随着国家对治疗药物及治疗剂量的监管力度不断增强，使氨基糖苷类抗生素用于经验性及指导性治疗的安全性得到提高［22］。但此类抗生素应用中存在的耳毒性和肾毒性等毒副作用仍然是关注的焦点。目前，我们对此类抗生素的耐药性机理和抗菌模式都比以往更了解。学术界和医药行业经过几十年的努力，也已经开发出了一些抗菌活性好且副作用小的临床用药物。随着对氨基糖苷类抗生素研究的深入，对其进行活性及药理学特性的系统改造将变得越来越容易，临床应用的氨基糖苷类抗生素实现全人工合成也将成为可能。

伴随着生物学、化学及药理学研究的不断深入，“第三代”氨基糖苷类抗生素的研究将进入一个全新的时代，面对目前临床应用严重缺少新抗生素药物，特别是抗革兰氏阴性菌药物的缺乏，我们有必要重新审视这类古老的抗生素，并寄希望于它能担负起对抗多药耐药性病原菌的重任。

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