常见抗生素与新型抗菌药物在临床上的研究应用进展

潘智宇 印尤强 苏玉斌

(暨南大学生命科学技术学院，广州 510632)

抗生素是人类历史发展进程中最重要的药物之一，它贯穿世界上绝大多数人的一生，为人类的生命健康保驾护航。但众所周知抗生素是一把双刃剑，随着大量的滥用，越来越多的耐药菌出现，它们无情地夺去了许多人的生命。但如今由于新抗生素研发投资大、风险高、周期长，导致获批上市的新抗生素不断减少。因此，目前临床上仍有一些常用抗生素在使用。另一方面，逐渐也有新型抗菌药物相继应用到临床。本文介绍了临床上几种常见抗生素以及新型抗菌药物的研究与应用进展，着重讲述近些年常见抗生素以及具有抗菌潜力的抗菌药物的临床意义。

1 常见抗生素

1.1 β-内酰胺类

细菌抵抗β-内酰胺类药物主要的机制是产生β-内酰胺酶，它可以分为4类，其中A，C和D类为丝氨酸β-内酰胺酶，而B类则为金属β-内酰胺酶，需要结合Zn2+才有活性[1]。能够灭活β-内酰胺酶或对其作用稳定的药物能在解决细菌耐β-内酰胺类药物的问题上起到重要作用，除开发新药外，β-内酰胺药物联合β-内酰胺酶抑制剂(BL-BLI)是一个简便高效的方法。头孢唑烷，氧亚氨基头孢菌素，具有较广抗菌谱，它能用于治疗产头孢菌素酶的铜绿假单胞菌，且有着很不错的成效。但头孢唑烷局限性在于对A类β-内酰胺酶中的广谱β-内酰胺酶不稳定，这会出现产超广谱β-内酰胺酶(ESBLS)的菌株耐药的现象。为此联合经典BLI他唑巴坦使用能提高头孢唑烷的药效。头孢唑烷/他唑巴坦(cefzoxane/tazobactam)能有效地抑制各种ESBLS肠杆菌科病原菌和铜绿假单胞菌，在联合甲硝唑的前提下能够用于治疗肾盂肾炎和腹腔内感染，且还能用来治疗≥18岁的医院获得性肺炎和呼吸机相关性细菌性肺炎患者[2]。

阿维巴坦(avibatan)是一个新的二氮杂双环辛烷(DBO)BLI，为目前最有应用前景的BLI之一。它能抑制A类、C类β-内酰胺酶，与头孢和碳青霉烯类药物联合时展现出广谱的抗菌活性，作用机制为β-内酰胺酶丝氨酸亲核攻击阿维巴坦氨基甲酰基的羰基，开环形成共价结合物，得到酶-抑制剂复合体，且不发生水解和诱导β-内酰胺酶产生，从而起到保护β-内酰胺类药物的作用[2-3]。其获批使用的联合制剂头孢他啶/阿维巴坦(ceftazidime/averbactam)已经被证实对多种临床上的需氧革兰阴性菌有着很好的效果，包括产ESBLS的肠杆菌科病原菌、肺炎克雷伯菌以及难治性铜绿假单胞菌，据CHINET数据显示，头孢他啶/阿维巴坦对上述细菌大多保持着一个较低的最低抑菌浓度(MIC)。头孢他啶/阿维巴坦被用来治疗复杂的尿路感染、腹腔感染和医院获得性肺炎等由严重的革兰阴性菌感染所致疾病[4]。碳青霉烯酶类肠杆菌(CRE)具有多重耐药的特性，给人类生命健康带来很大的威胁。为治疗CRE感染患者，在专门针对碳青霉烯酶的一项计划中发现了维博巴坦(Vaborbactam)，它是第一个进入临床的基于环硼酸酯的BLI，能有效地抑制A类碳青霉烯酶KPC-2和KPC-3以及C类β-内酰胺酶[5]。美罗培南/维博巴坦(meropenem/vaborbactam)，对CRE有着稳定的抑制效果，尤其是CRE类别中最重要的产碳青霉烯酶肺炎克雷伯菌[6]。

除BL-BLI外，杀菌作用更强大的新型β-内酰胺类药物也是解决细菌耐药的好方案。头孢洛林，第五代头孢菌素的代表，得益于能稳定地与6种青霉素结合球蛋白结合，所以对革兰阴性菌和革兰阳性菌有很强的杀菌活性。它保留了前代头孢菌素类抗菌谱广、高效、低毒性的优点。据报道头孢洛林在复杂的皮肤和软组织感染中产生很不错的效果，而且它表现出了对耐甲氧西林金黄色葡萄球(MRSA)和甲氧西林敏感性金黄色葡萄球菌(MSSA)强大的体外抑制活性[7]，已在日本、美国等国家用于临床治疗。总之，目前解决细菌抵抗β-内酰胺类药物的最优方法是找到抑菌活性更强BLI或者抑制效果更稳定的β-内酰胺类药物。另外，还必须严格限制使用上述常见β-内酰胺类抗生素的衍生物，它们强大的抗菌活性意味着可能会带来更多棘手的耐药菌产生，因此切不能滥用。为了更好对抗出现的各种病原菌，人们也在不断发现和开发不同种类的抗生素来与之抗衡。例如，喹诺酮类、氨基糖苷类、大环内酯类等抗生素不断再更新并广泛应用在临床上。

1.2 喹诺酮类

喹诺酮分为2-喹诺酮和4-喹诺酮，是人工合成的一种含有喹诺酮结构的化合物，它通过抑制细菌的DNA回旋酶和拓扑异构酶活性，使得细菌脱氧核糖核酸不能复制以实现杀菌的效果，第一代喹诺酮萘啶酸出现至今，已发展至第四代[8]。细菌主要通过靶酶染色体突变、外排泵介导的耐药、外膜孔蛋白表达下调膜的通透性改变、质粒获得性耐药来抵抗喹诺酮类药物[9]。因为抗菌谱广和抑菌活性强，喹诺酮药物曾受到人们的青睐，一时间被大量应用，以致大部分临床常见病原菌产生耐药性。解决耐药性的方法主要有两种，一为鉴定出新作用机制的新靶标，但绝大部分的4-喹诺酮类药物都是通过与细菌的DNA回旋酶和拓扑异构酶Ⅳ结合发挥活性，因此该方法几乎是不可行的。其次是通过修饰现有的化合物或合成新的衍生物，该方法已经成功地筛选出大量新药物。在已有化合物的N-1、C-1、C5、C-6、C-7等位置上进行修饰得到的喹诺酮衍生物，能产生意想不到的抗菌效果，包括对许多耐药菌如MRSA表现出优异的体内体外抑制活性[10]。例如，在最适合修饰的C-7位上修改得到的含腈氟喹诺酮对革兰阳性菌MRSA、肺炎链球菌等有着极佳的抗菌活性[11]。另外，可通过把不同生物活性的药效基团结合到喹诺酮支架上以达到互补的目的。如把头孢菌素的肟官能团吡咯烷或哌啶等掺入喹诺酮结构中得到了具有比母体效果好毒性低的药物[12]。IMB-070593[10]为新近开发的4-喹诺酮及肟的杂化物，其抗MRSA的活性很强，远远强于参考药物环丙沙星和左氧氟沙星，最重要的是IMB-070593的毒性非常低。目前已进入临床试验阶段，很有希望能应用到一线临床上。

喹诺酮类衍生物，许多文章报道了其具有体外和体内抵抗疟疾的活性。如Aaron等[13]筛选出喹诺酮-3-二芳基醚为具有抗疟疾活性的临床前候选药物。除此之外因为喹诺酮分子能够与DNA拓扑异构酶结合，这使得喹诺酮药物能用于抗癌治疗。体外实验证明环丙沙星具有能抑制细胞增殖，诱导细胞凋亡的效果，有很大的抗癌潜力，包括对前列腺癌细胞、人结肠直肠癌细胞、白血病细胞等癌症细胞有抑制增殖的效果[14]。喹诺酮支架与拓扑异构酶Ⅰ和Ⅱ抑制剂、唑类、查尔酮和亚胺等化合物杂合得到的衍生物有可观的抗癌活性，为开发热点[15]。杂化的喹诺酮衍生物无论在抗细菌、抗癌、抗疟疾、抗真菌等方面都有生物学价值，并且不少的衍生物表现出了比母体药物更安全，效果更优的特点。相信未来喹诺酮衍生物能在各种领域中实际应用起来并能起到很好的效果。

1.3 氨基糖苷类

氨基糖苷类药物按来源可分为链霉菌产生的和小单胞菌产生的。抑菌机制为药物与细菌核糖体30s亚基的16S rRNA A区域结合干扰蛋白质的合成[16]。氨基糖苷类药物存在着较大的肾毒性和耳毒性，导致后来临床上使用氨基糖苷类药物的量大大减少[17]。但近年来因为多重耐药的现象越来越严重，氨基糖苷类药物又慢慢地重回我们的视野。那么如何解决药物副作用大的问题显得尤为重要，新的给药方式以及低毒药物研发成为该药物开发的热点。吸入性妥布霉素制剂来治疗支气管扩张症和多囊纤维化，通过直接吸入抗生素使得药物能在感染部位富集达到一个较高的浓度从而使全身性的吸收减少，毒害作用降低。实验表明吸入性妥布霉素能对患者起到不错的疗效并且耳毒性和肾毒性降低[18]。脂质体技术是把药物包裹在脂质中的技术，能起到降低毒性和缓释的效果。阿米卡星脂质体制剂已被FDA批准使用治疗鸟分枝杆菌复合体引起的肺部感染，已被证实有着不错的抑制能力和一定的安全性[19]。通过较少的药物用量达到抑菌效果从而相对减少药物毒性即为增强氨基糖苷药物的活性为近年来兴起的研究策略。本课题组研究表明添加外源性的代谢物如丙氨酸、丝氨酸、苏氨酸和葡萄糖等能逆转细菌的耐药性使其恢复对卡那霉素的敏感性，达到杀菌的效果。其作用机制为外源的代谢物通过底物激活三羧酸循环，增加NADH生成和质子动力，从而刺激细菌对药物的吸收[20]。此外，Christopher[21]通过实验证明添加甘露醇可以保护肾脏细胞免受氨基糖苷类药物的毒害。这些代谢物在正常的浓度范围内不会表现出毒害作用，且不会诱导细菌产生耐药性，因而能为解决氨基糖苷类药物毒害作用大的问题上提供具有可行性的方案。

普拉佐米星(plazomicin)是一种新开发的氨基糖苷类药物，是西索米星经过修饰而来的衍生物，具有广谱的革兰阴性菌抗菌活性并且肾毒性和耳毒性相对于传统的氨基糖苷类药物小[22]。普拉佐米星对产ESBLS肠杆菌以及CRE有着很好的作用效果并且已由FDA批准用来治疗复杂的尿路感染[23]。

1.4 大环内酯类

大环内酯类药物是由链霉菌产生的，以一个大环内酯环(14～16元环)为母体通过羟基，以苷键和1-3个糖分子相连的一类抗生素物质，通过与细菌细胞核糖蛋白体50S亚单位结合阻碍蛋白质的合成达到抑菌的效果。最早应用在临床的是红霉素A，数十年来被广泛地用来治疗上呼吸道感染，随后人们发现它在胃酸中易发生化学修饰降解为无活性的产物，因此红霉素衍生物相继问世，第二代大环内酯类药物有罗红霉素、阿奇霉素、克拉霉素和氟红霉素等。第二代药物提高了对胃酸的稳定性和生物利用度，抗菌活性得到改善，抗生素后效应(PEA)也加强了，但没有办法很好地解决细菌耐药的问题。这促使人们不断努力地研发新一代药物，因此产生了泰利霉素，喹红霉素等第三代药物。第三代药物不仅增大抗菌谱，并能对耐药菌有不错的效果。泰利霉素为酮内脂类的代表药物，21世纪初进入市场。它对多种类型的呼吸道感染有不错的效果，能抑制大环内酯类敏感或耐药的肺炎链球菌、金黄色葡萄球菌、黏膜炎莫拉菌、肺炎支原体和流感嗜血杆菌等[24]。但遗憾的是，尽管第一、二代大环内酯类药物安全性和耐受性是良好的，泰利霉素却展示出较为严重的不可逆肝毒性。其它不良反应有视觉味觉障碍、重症肌无力等，FDA也重新评估了该药物，并对其适应症作出了严格的规定，目前该药物多被用于治疗轻度或中度的肺炎[25]。

大环内酯类药物良好的抗菌活性和巨大的市场，使人们不甘停止对其的开发，因此研发出了第四代大环内酯类药物——索利霉素。它与泰利霉素相似，使用酮功能团代替C-3cladinose这使得其能更紧密地结合到核糖体上，并且在C-11和C-12碳原子上包含一个烷基-芳基侧链，能在核糖体结合位点的锚定效果更好[26]。它对耐药的肺炎链球菌，金黄色葡萄菌、肺炎支原体等保持着很好的活性，将有可能成为社区获得性肺炎的首选治疗药物[27]。因为索利霉素不含有吡啶环这一会抑制烟碱乙酰胆碱受体的结构，所以具有较低的肝毒性[28]。多项研究表明，口服索利霉素组均没有表现出严重的不良反应，多为轻度的胃肠不适反应，相比于口服莫西沙星组，索利霉素的安全性与莫西沙星相近[29]。Myers等[30]通过全合成平台技术大大扩展了结构的多样性，合成新的大环内酯类药物方法在于降低分子量和增加极性，去除亲脂的基团，并且引入小的叔胺和仲胺产生可自我吸收的阳离子物质，最终提供了新的大环内酯类药物。但是关于这方面的报道还不算多，因此还需要加强在这方面的研究。伴随分子模拟，生物信息学等新兴学科高速发展，新的大环内酯类开发的平台越来越多，2016年Seiple等[31]发表了介绍一种全新的能合成绝大部分的大环内酯类药物的方法。即从简单的化学结构单位中将多环内酯类化合物进行连接组装，其利用8个初始的结构块，它们可以引入许多不同的结构并遵循着一系列的偶联反应，形成两个基本的中间体，接着进行大环化步骤。因此，通过此方法他们构建了一个大环内酯类药物文库，并挑选出了抗菌活性很高的新型药物进行了评估。

至于大环内酯类的临床应用除一般的抗菌作用外，它的许多功能也被一一阐明，例如非特异性的抗炎、促进胃肠动力、抗肿瘤、改善细胞通透性、心血管疾病的防治等[32]。

1.5 林可酰胺类

林可酰胺类药物仅包含一小类抗生素，最初是从土壤中的链霉菌分离出的抗菌物质其化学结构由氨基酸和糖部分组成，该类药物的天然成员有林可霉素和塞来西丁，但后者的生物活性很低。人工制备了许多林可霉素的衍生物但效果都不理想，只有氯化衍生物克林霉素被应用到临床。林可霉素和克林霉素是主要应用在临床上的林可酰胺类药物，以克林霉素占主导地位。该类药物的作用机制与大环内酯类药物的机制类似即是与细菌核糖体50S亚基结合阻止翻译的进行从而抑制蛋白质的合成。克林霉素的活性比林可霉素活性强4～8倍，对各种厌氧菌有强大的抗菌效果，对许多需养的革兰阳性球菌(如MRSA)有显著的活性[33]。随着滥用和耐药菌的增多，林可霉素和克林霉素逐渐地难以满足临床的需求在市场上占比也越来越小，究其原因是一直无法研发出能应用到市场的新的衍生物。最近Hirai等[34]研发出了一种林可霉素衍生物化合物A，他们评估了该药物的生物学活性。化合物A对克林霉素敏感的MRSA的MIC50和MIC90的值分别为1和2 μg/mL,并且在克林霉素敏感性和耐药性MRSA感染的动物模型中展现出比克林霉素和利奈唑胺更好的疗效。

目前临床对于这些常见抗生素的使用，其实是对它们进一步改造，最终达到老药新用的目的。但随着长期使用和细菌的进化，难免仍对这些改造过的抗生素产生新的耐药性。因此，新型抗菌药物的出现与发展能在一定程度上解决这个难题。

2 新型抗菌药物

2.1 抗菌肽

抗菌肽(AMPs)，别称宿主防御肽，是天然存在于生命体中的多肽物质，各种生命体都可以产生包括细菌，植物，动物等，第一个被发现的抗菌肽是天蚕素—20世纪80年代，科学家使用阴沟肠杆菌和大肠埃希菌诱导惜古比天蚕蛹产生的活性多肽。经多年研究，AMPs已发展成一个具有大量成员的家族，它们大都具有广谱的抗菌活性不仅表现在细菌上，而且还包括抗真菌、抗癌和抗病毒[35]。AMPs根据普遍接受的结构分类方法可分为三类：α-螺旋AMPs、β-折叠AMPs、延伸／弹性结构，已有多个报告叙述了AMPs的作用机制，但目前被广泛认可的是膜通透性：阳离子AMPs对带有负电荷的细菌细胞膜有很高的亲和力，两者的结合使得细胞膜的电化学势改变，从而引起细胞膜损伤抗菌肽倒插膜上并且引起大分子物质渗透，因而导致细菌的死亡[36]。相比于传统的抗生素，AMPs具有更加广的杀菌谱，尤其是表现出对革兰阴性菌强大的抑制效果，因为革兰阴性菌的细胞膜能阻挡很多常规的抗生素进入，而AMPs正好作用于细胞膜。相对安全和低毒性是AMPs的一大优势此外相比于常规抗生素细菌对其更难产生耐药[37]。

目前临床上使用的AMPs有(部分)：达托霉素，能与细胞膜结合使其膜损伤溶解，从而达到抑制革兰阳性菌的效果；多黏菌素B，能使相应的革兰阴性菌膜溶解，用来治疗尿路和血液感染，但具有较明显的肾毒性；万古霉素和替考霉素都是强效的抗菌肽，能对革兰阳性菌有强大的抑菌活力，用于治疗严重的细菌感染[36-37]。除了已在临床上使用的药物外，近期Lewis等[38]在发光杆菌的代谢产物中提取出了一种命名为darobactin的短肽。Darobactin由沉默的操纵子编码，该肽有两个稠合环能通过与BamA膜蛋白结合，导致细菌的外膜致使细菌破裂死亡。Darobactin能选择性地杀伤革兰阴性菌，对阳性菌没有活性，且未展示出细胞毒性，对野生型或有抗性的铜绿假单胞菌、大肠埃希菌和肺炎克雷伯菌都有极好的效果。

AMPs的广谱杀菌活性，治疗期间不可避免地会杀灭体内正常的定植菌群，众所周知，定植菌有许多益处，因此研发具有高选择性的靶向AMPs是以后此类药物开发的重点方向。特异性靶向的抗菌肽(STAMP)能定位到特定的病原菌并杀灭它们，减少对体内的定植菌群的伤害，目前虽在研发的STAMP有很多，但能获批用于临床治疗的少之又少，因此有必要加速地研发这类药物[39]。

2.2 纳米粒子

由于抗生素的滥用和细菌耐药的产生，常规的抗生素已越来越难满足临床需求了，因此纳米粒子的出现为解决这一难题提供了一个新的方案。纳米粒子(NP)是一类基本单位在1～100 nm的物质。被广泛研究且认可的是金属及其氧化物纳米粒子(NPs)，展示出了不错的抗菌活性。NPs的作用机制[40]：①带有正电荷的NPs和负电荷的细菌通过静电力和范德华力作用结合一起，使得细菌的细胞壁被破坏。②金属离子的溶解作用：金属离子从NPs表面溶解出来直接与细菌的核酸或蛋白质结合，破坏酶的完整性使细菌代谢紊乱，抑制菌的生长。③活性氧(ROS)产生氧化应激：此机制是NPs最重要的抑菌机制，ROS包含羟自由基、超氧阴离子、过氧化氢、有机氢过氧化合物。细菌能对ROS的产生和清除保持一个动态平衡，但NPs产生的过量ROS会导致细菌不堪重负从而发生氧化应激，导致细菌多个组分被破坏如蛋白质、脂质、DNA。被证实有抗菌活性的NPs：Ag、TiO2、CuO、ZnO、MgO、Fe3O4、Au和Al2O3等。据研究表明NPs的抑菌效果会受到本身很多性质的影响如大小、电荷、形状和粗糙度等[41]，这些因素在一定程度上制约其快速地应用到临床。并且，NPs潜在的风险还未被阐明，尽管在体外表现出不错的抑菌效果。缺乏体内实验数据的支持将不能说服公众将其大量生产应用。除了金属及其氧化物的纳米粒子抗菌作用之外。纳米药物输送系统是纳米技术在制药领域的应用(如脂质体技术和聚合纳米载体技术)，在靶向诊断和治疗，延迟药物释放，改善药物溶解度和利用率，减少药物副作用以及克服人体障碍方面显示了发展前景。根据脂质双层，它们可以包装疏水性或亲水性化合物。已有多种脂质体被FDA批准使用，如阿霉素和两性霉素B脂质体药物等。现阶段多用于治疗呼吸系统疾病，如前面所介绍，阿米卡星脂质体能对鸟分枝杆菌引起的感染有着很好的治疗效果，延缓药物释放的特性使得药物在肺部能较长时间存留，从而能帮助抗生素发挥作用。聚合纳米载体，由许多较小均质分子组成的大分子化合物，基于不同的材料(天然化合物或人工合成化合物)可以进行不同药物的递送。脂肪族聚酯是常用的聚合物纳米载体其中聚乳酸-乙醇酸共聚物(PLGA)因其优越的缓释特性，生物相容性等优点被FDA批准使用[42]。已有报道把环丙沙星组装在PLGA上，发现该药物有较高的载药量和通透性能在局部达到较高且持久的药物浓度还能降低药物的副作用[43]。另外还有树枝状聚合物，蛋白质纳米载体等与脂质体和聚合物纳米载体作用相似的纳米技术。作为一个新兴的热门研究方向，它还需要更多深层次的研究，需要投入更多的时间精力去解决现阶段存在的问题，希望不久的将来NPs能作为新型抗菌药物被广泛应用于抗击细菌等感染性疾病。

3 结语

自抗生素被发现以来，它就拯救了无数的生命，为人类抗击细菌感染做出了巨大的贡献。人类与细菌的斗争还远未能结束，抗菌药将在这个艰难的持久战中继续发挥作用，因此不断研发出效果更优、毒性更低及适合大量生产的抗菌药是帮助我们走出细菌耐药窘境的一个好方法。另外我们还应关注药物的合理使用，寻找出更好的治疗策略如优化剂量、改变给药方式、药物联合使用等等，达到老药新用的效果，以缓解面对顽固耐药菌时无药可用的尴尬局面。