头孢地尔对产金属β-内酰胺酶革兰阴性菌的作用现状研究

冯广伟

产金属β-内酰胺酶革兰阴性菌可引起多种严重感染, 其中产金属β-内酰胺酶肺炎克雷伯菌(Klebsiella pneumoniae, KP)是目前医院内感染中最常见的病原菌之一, 给临床治疗带来了严峻挑战。目前, 产金属酶革兰阴性菌在国内医院内主要以产超广谱β-内酰胺酶(ESBLs)的肺炎克雷伯菌(KP)为主。在其治疗过程中, 通常需要应用广谱β-内酰胺类抗生素以提高抗菌活性。新批准的β-内酰胺/β-内酰胺酶抑制剂组合(头孢他啶-阿维巴坦、美罗培南-瓦博巴坦和亚胺培南-瑞巴坦)增加了对产肺炎克雷伯菌碳青霉烯酶(KPC)和新型碳青霉烯酶(oxacillinase-48-type carbapenemases, OXA-48)肠杆菌的治疗选择, 但治疗产金属β-内酰胺酶的碳青霉烯耐药肠杆菌科细菌(CRE)仍未满足的医疗需求。头孢地尔作为新型儿茶酚取代铁载体头孢菌素类药物, 具有良好的抗菌谱和组织穿透力, 在临床上被用于治疗敏感的革兰阴性菌引起的医院获得性细菌性肺炎和呼吸机相关细菌性肺炎和18 岁以上患者中由敏感的革兰阴性菌引起的复杂尿路感染。本文探讨头孢地尔对产金属β-内酰胺酶细菌的抗菌活性的影响, 以期为临床合理应用头孢地尔提供参考依据。

1 临床耐药菌现状分析

当前在抗生素大量应用乃至过度滥用的情况下,细菌产生的耐药现象日益突出, 导致现有抗生素减效或无效, 给人们的生命安全带来了极大的隐患。细菌对抗生素的耐药性产生的机理十分复杂, 临床研究认为其主要包括以下3 方面：①细菌以变异方式形成耐药基因或遗传耐药基因, 导致抗生素作用靶标的结构出现变异, 从而导致药物与靶标的亲和性下降, 例如：在氟喹诺酮类等抗生素作用下, 细菌的DNA 序列中,23SrRNA 上的A2503 位点被甲基化后, 出现了对利奈唑胺等药物的抗药性；②在抗生素作用下, 菌体分泌多种代谢酶, 对抗生素进行降解, 抑制抗生素的活性；③细菌可以利用跨膜通道蛋白基因的变异来抑制抗生素的渗透, 并利用基因工程技术将抗生素从菌体中排出, 进而减少抗生素在菌体中的含量, 这一现象在鲍曼不动杆菌、铜绿假单胞菌等多重耐药菌株中表现得尤其明显［1］。

当前, 全世界因耐药性病原菌导致的患者每年约70 万例, 到2050 年, 该数据将上升到1000 万例, 而中国将达到100 万例［2］。世界卫生组织2014 年提出, 若不尽快解决, 世界将进入“后抗生素”时代。为了引导和推动新抗生素的开发, 满足当前的迫切需求, 世界卫生组织于2017 年公布了抗生素研究的优先考虑的致病菌名单, 其中致病菌排名前三位为肠道杆菌(大肠杆菌埃希菌、肺炎克雷伯菌)、绿脓假单胞菌和鲍曼不动杆菌。

中国是全球最大的抗生素生产和应用大国, 其抗生素的耐药性问题也非常严重。中国细菌耐药性监测网络(CHINET)显示, 肺炎克雷伯菌亚胺培南、美罗培南的耐药性由2005 年的3.0%、2.9%增长至2022 年的24.2%、22.6%, 其中亚胺培南、美罗培南的鲍曼不动杆菌耐药率在2022 年已达71.2%、71.9%。近年来,新的恶唑烷酮类、糖肽类、脂肽类和截短型侧耳素类等抗多重耐药细菌抗生素的出现为临床提供了更多的选择。

当前, 在社区和医院中, 尤其是在医院中, 经常会出现泛耐药菌(XDR)或全耐药菌(TDR)型的细菌感染病例, 并因此导致死亡［3］。细菌对药物的抗药性问题日趋严重, 使已有的抗生素失去原有疗效, 对人类健康构成了巨大威胁。同时, 病原菌对多种抗生素的抵抗机制复杂, 涉及范围广。

2 细菌的耐药机制

细菌耐药机制是指细菌对某种药物产生耐药性的一种现象, 它是由多种因素引起的, 包括遗传变异、化学修饰、病毒感染以及环境变化等。在细菌中, 遗传变异是最常见的耐药机制, 它可以改变细菌的耐药性。另外, 化学修饰也可以改变细菌的耐药性, 从而使其对药物产生抗药性。此外, 病毒感染也可以引起细菌耐药性, 因为它们可以将药物转移到宿主细胞中, 从而增加耐药的可能性。环境变化也会影响细菌耐药性的发展, 比如气候变化、水源污染、食物污染以及其他因素都会影响细菌耐药性的发展。因此, 了解和研究细菌耐药机制对于我们有效控制和治疗细菌感染至关重要。

2.1 固有耐药 固有耐药是一种由细菌自身产生的耐药性, 它是由于细菌进化过程中, 基因突变或染色体重组等因素而产生的。这种耐药机制在细菌中非常普遍,它不仅可以影响细菌的生长、发育和繁殖, 还可以影响抗生素的治疗效果。这种耐药性是一种永久存在的现象, 不会随着抗生素的使用而消失。因此, 应该高度重视这种现象, 并采取有效措施来防止这种耐药性的发生。

2.2 获得耐药 获得耐药是指人体细胞中的某些药物不能再有效地发挥作用, 从而导致疾病的出现。通常,患者会出现耐药性, 这是由于体内药物浓度低于治疗所需浓度而导致的。在某些情况下, 药物会逐渐失去活性, 使疾病加重。此外, 耐药性也可能是由于其他原因, 例如病毒感染或细菌感染等。因此, 患者需要定期监测体内药物的浓度, 以确保病情得到有效控制。

2.3 细菌耐药的生化机制

2.3.1 灭活酶的产生 灭活酶是一种能够降解细菌细胞内蛋白质和核酸的酶, 它可以在特定条件下将细胞内的蛋白质和核酸降解掉。这种酶可以有效地抑制细菌细胞的生长, 从而使细菌失去活性, 从而导致细菌耐药。另外, 一些药物也会影响灭活酶的产生, 例如抗生素和抗肿瘤药物等。这些药物可以抑制灭活酶的活性, 从而减少其对微生物细胞的影响, 从而提高细菌耐药性。

2.3.2 药物作用靶位的改变 药物作用靶位的改变是指药物在体内发生作用的位置和方式的改变。药物的靶位改变会影响到药物的疗效, 也会影响到患者的症状, 因此, 发现和识别药物作用靶位的改变对治疗疾病非常重要。在过去的几十年里, 科学家们发现了许多不同类型的药物作用靶位, 这些靶位可以被分成不同类型, 其中包括受体结合、酶抑制和配体结合等。在不同类型的药物作用靶位中, 可以根据患者的疾病特点和治疗需求选择合适的药物。此外, 随着现代医学技术的发展, 越来越多的研究人员开始关注和探索新的药物作用靶位, 以期更好地改善患者病情。

2.3.3 抗生素的渗透障碍 抗生素的渗透障碍是指由于药物作用于细胞膜, 使细胞内的药物无法有效地渗透到细胞内, 从而影响细胞内的生理功能。这种情况会导致机体出现一些病理反应, 如发烧、腹泻、肺炎等,从而影响患者的身体健康。为了解决抗生素的渗透障碍, 可以采取一些措施来减少抗生素的渗透, 如改变药物的结构、调节药物的浓度等。此外, 还可以采用更有效的药物治疗方案, 以减少抗生素对机体带来的不良影响。

2.3.4 主动外排机制 一种主动的外排机制, 以促进肠道菌群的重新平衡。这种机制可以使肠道菌群更好地适应环境变化, 并保持肠道健康。这种机制还可以帮助人体更好地吸收营养, 减少食物中的有害物质, 并有助于减少慢性疾病的发生。此外, 这种机制还可以帮助人体建立健康的免疫系统, 以抵御外来有害物质的入侵。

2.3.5 细菌自身代谢状态改变 细菌的代谢状态会发生改变, 它的代谢产物也会随之变化。比如, 有些细菌可以产生酒精, 而有些细菌则不能产生酒精, 因为它们不能有效地利用酒精。此外, 一些细菌还可以产生一些新的代谢产物, 比如一些脂肪, 它们可以被用来生产一些新的抗生素, 这些抗生素可以有效地抵抗病毒感染。此外, 还有一些细菌能够合成一些特殊的代谢产物,比如某些物质可以帮助它们抵抗各种疾病。这些都是细菌在代谢状态改变后所产生的结果。

3 产金属酶革兰阴性菌

产金属β-内酰胺酶革兰阴性菌是指在细菌细胞壁中含有金属离子(如钙、铁、锌等), 不能被常规抗生素所识别, 可通过细菌的细胞壁渗透到细胞外发挥杀菌活性, 主要包括铜绿假单胞菌、金黄色葡萄球菌、肺炎克雷伯菌等。

产金属β-内酰胺酶革兰阴性菌引起医院感染的发生率近年来呈现逐年上升趋势, 与广谱抗生素的广泛应用密切相关。值得注意的是, 金属β-内酰胺酶对抗生素的耐药性常与菌株的遗传背景相联系, 当一种抗生素被广泛应用时, 可能会增加其他细菌对该种抗生素的耐药性。在临床上, 产金属酶革兰阴性菌主要表现为多重耐药、泛耐药和超耐药。其中, 产金属酶革兰阴性菌对氨基糖苷类、四环素类、万古霉素等抗生素普遍耐药；对β-内酰胺类和氨基糖苷类等抗生素耐药；对亚胺培南、美罗培南和哌拉西林/他唑巴坦等抗生素敏感［4］。这些结果提示, 产金属酶革兰阴性菌的耐药性主要与其遗传背景有关, 与其所处的环境也密切相关。在这种情况下, 需要特别注意金属β-内酰胺酶对抗生素的耐药机制。

4 产金属酶革兰阴性菌耐药机制

细菌的耐药性主要与细胞壁的完整性、抗生素作用靶位以及金属β-内酰胺酶的水解机制有关。通常认为, 金属β-内酰胺酶来源于细菌细胞壁的破坏, 因此细菌耐药首先与细胞壁破坏相关, 一些研究表明, 金属β-内酰胺酶通过水解β-内酰胺类抗生素的β-内酰胺结构, 破坏细菌细胞壁的完整性, 导致抗生素不能进入细菌内部发挥作用。其次, 金属β-内酰胺酶对药物敏感的靶位为革兰阴性菌菌毛、核糖体蛋白(如核糖核酸、蛋白质)和细胞壁成分中的糖链, 因此, 金属β-内酰胺酶与革兰阴性菌菌毛和核糖体蛋白有关。再者, 金属β-内酰胺酶水解β-内酰胺类抗生素形成氨基糖苷类等大环内酯类抗生素后, 在细菌细胞内大量积累, 进而使细菌产生耐药。最后, 金属β-内酰胺酶的水解机制可能还与金属离子有关。研究表明,当金属离子与药物发生协同作用时, 对碳青霉烯类抗生素耐药程度增加；当与药物发生拮抗作用时, 对碳青霉烯类抗生素耐药程度增加。因此, 金属β-内酰胺酶的存在可能是革兰阴性菌耐药机制的重要环节。

4.1 细胞壁完整性的破坏 β-内酰胺类抗生素能与细菌细胞壁结合, 从而使抗生素不易被细菌吸收并发挥抗菌作用。同时, 细菌细胞壁成分中的糖链也可作为金属β-内酰胺酶的底物, 通过水解糖链使其失去活性而抑制细菌生长。因此, 革兰阴性菌对β-内酰胺类抗生素的耐药性首先来源于细胞壁完整性的破坏,而非β-内酰胺酶本身。研究表明, 在体外试验中, 头孢噻肟可通过增加β-内酰胺类抗生素在细胞壁中的积累而产生耐药；而头孢西丁却能减少β-内酰胺类抗生素在细胞壁中的积累, 并降低其对革兰阴性菌的抗菌活性。此外, β-内酰胺类抗生素和氨基糖苷类抗生素与金属β-内酰胺酶存在着协同作用, 从而增加了金属β-内酰胺酶在细菌内的积累, 导致了对氨基糖苷类抗生素耐药。因此, 革兰阴性菌的细胞壁完整性破坏是其对β-内酰胺类抗生素产生耐药的主要机制。

4.2 核糖体蛋白和糖链的降解 细菌细胞壁的完整性还受到核糖体蛋白(如核糖核酸)和糖链的影响。研究表明, 细菌对碳青霉烯类抗生素的耐药是由于金属β-内酰胺酶的作用导致核糖体蛋白和糖链的降解,从而使药物无法进入细菌细胞发挥作用。此外, 金属β-内酰胺酶对抗生素敏感的靶位为革兰阴性菌菌毛,而革兰阴性菌菌毛主要通过核糖体蛋白水解β-内酰胺类抗生素, 进而在细胞壁中积累。因此, 金属β-内酰胺酶不仅会引起细菌细胞壁的破坏, 还会导致细菌对抗生素耐药。另外, 糖链也是细菌细胞壁的重要成分之一, 它可以起到保护细菌免受其他抗菌物质损伤的作用。研究表明, 金属β-内酰胺酶能分解大环内酯类抗生素形成氨基糖苷类抗生素, 导致细菌对碳青霉烯类抗生素耐药。然而, 碳青霉烯类抗生素可通过结合于细菌细胞壁中的糖链, 阻止细菌利用这种碳青霉烯类抗生素。

4.3 细胞壁成分中糖链的水解 革兰阴性菌糖链的水解主要依赖于产金属β-内酰胺酶的金属β-内酰胺酶与糖链的结合, 其中最主要的是葡聚糖内切酶。葡聚糖内切酶能水解氨基糖苷类、喹诺酮类、磺胺类等抗生素的糖链, 而金属β-内酰胺酶能将这类药物的糖链水解成氨基糖苷类、喹诺酮类等大环内酯类抗生素。如肠杆菌科细菌对头孢西丁和头孢噻肟的耐药机制为：β-内酰胺酶通过与细胞壁成分中的葡聚糖内切酶结合, 导致β-内酰胺酶水解葡聚糖中的β-内酰胺结构, 从而使抗生素失去活性。因此, 革兰阴性菌细胞壁成分中葡聚糖内切酶与金属β-内酰胺酶存在协同作用, 从而导致其对抗生素耐药。在对铜绿假单胞菌进行的一项研究中发现, 金属β-内酰胺酶和葡聚糖内切酶同时存在时, 对碳青霉烯类抗生素耐药。因此, 革兰阴性菌细胞壁成分中的葡聚糖内切酶水解能力是耐药性产生的原因之一。

4.4 金属离子的作用 目前, 金属β-内酰胺酶对碳青霉烯类抗生素的作用机制主要有两种学说：①金属离子作用于金属β-内酰胺酶的活性位点, 使其水解β-内酰胺类抗生素；②金属离子作用于细胞壁成分中的糖链, 使其水解β-内酰胺类抗生素。此外, 金属β-内酰胺酶还能与细胞壁成分中的糖链发生协同作用, 导致细胞壁的破坏。因此, 金属β-内酰胺酶的水解活性与其产生的抗生素之间是否存在协同作用还有待进一步研究。

目前, 在产金属β-内酰胺酶革兰阴性菌中, 广泛存在金属β-内酰胺酶与碳青霉烯类抗生素协同作用的现象。在体外试验中, 与碳青霉烯类抗生素协同作用的金属β-内酰胺酶可以水解四环素和多西环素等碳青霉烯类抗生素。此外, 一些非典型产酶革兰阴性菌对碳青霉烯类抗生素也有协同作用。

5 头孢地尔的作用机制

头孢地尔是一种β-内酰胺类抗生素, 化学名称为：7-氨基-3-甲基-1, 3, 5-三嗪-4-基-1, 4-二氢头孢唑啉, 分子式为C20H26N6O6S2, 分子量为438.68,为新一代头孢菌素。其抗菌机制与其他β-内酰胺类抗生素类似, 主要是通过抑制细菌细胞壁合成而发挥抗菌作用, 具有抗菌谱广、作用范围广、组织穿透力强等特点, 具有良好的临床应用价值［5］。

头孢地尔与细菌细胞壁中的β-内酰胺酶结合形成复合物, 对氨苄西林和亚胺培南耐药菌株表现出很强的抗菌活性。然而, 头孢地尔对产金属β-内酰胺酶革兰阴性菌表现出良好的抗菌活性, 它具有很强的组织穿透能力, 可在组织中扩散并被细菌细胞壁所吸收而发挥作用［6］。同时, 头孢地尔具有较高的组织渗透性, 这可能是头孢地尔能同时作用于多种不同细胞壁成分中不同部位的原因所致。

6 头孢地尔的药物动力学/药物效应分析

一项随机双盲安慰剂控制的临床试验, 目的是评价头孢地尔的药代动力学、安全性和耐受性, 并对其进行评价。在100～2000 mg 头孢地尔(q.8 h., 滴注时间>60 min)和1～2000 mg(q.8 h., 滴注时间>60 min)的情况下, 血液中的Cmax和药时曲线下面积(AUC)均呈现出一种剂量依赖的上升趋势, 且与血液中的AUC 在时间为1.98～2.74 h 之间呈现出一种直线的上升趋势；头孢地尔主要以原形(60%～70%)经肾排泄, 1000 mg 的头孢地尔经静脉给药1 h 后无明显蓄积；结果表明, 该制剂8 h 口服1 次后, 其Cmax、AUC、CL 均接近于一次口服血压浓度, 并且具有较好的耐受性［7］。俞福珍等［8］对1000 mg 头孢地尔(静脉滴注时间>1 h)在肾脏损伤过程中的药代动力学和安全性进行了评估, 并将轻度、中度或重度肾损伤和终末期肾病的患者与肾脏功能正常的健康患者进行了对比, 并对其进行分析,以确定其对头孢地尔清除率的影响。结果表明, 与正常的受试者相比, 轻度、中度、重度肾损害、血液透析者的AUC 比分别为1.0、1.2、1.6、2.1, 同时, 研究发现, 头孢地尔的血药清除量及半衰期与肾脏功能密切相关, 38 例患者均未出现重大副反应, 其耐受性较好；1 例中等程度的肾脏损伤患者因为可能出现了与头孢地尔相关的可能的不耐受和季节变态反应性荨麻疹而终止了药物治疗, 出现副反应以接触性皮炎居多,其次是轻微反胃。疗效指标为在服用过程中, 抗生素浓度超过最小抑菌浓度的时间百分比(%fT>MIC)。一份基于人群的药物动力学模型的研究, 在肾功能正常或受损患者中, 基于药物动力学曝露和目标获取(PTA)的基础上, 对肾功能正常或受损患者进行了CFDC 药物动力学测定, 以此为基础, 以药物动力学暴露为指标, 以%fT>MIC>75%。

7 产金属酶革兰阴性菌对头孢地尔药代动力学的影响

有研究显示, 头孢地尔对铜绿假单胞菌、大肠埃希菌、肺炎克雷伯菌等产金属酶革兰阴性菌具有良好的抗菌活性［9］。随着国外头孢地尔在临床上的广泛应用, 产金属β-内酰胺酶革兰阴性菌运用这种药物治疗获得较好的疗效, 但是在某些情况下, 如果不了解抗生素的药敏情况, 则可能导致一些患者出现“泛耐药”或“超耐药”现象。因此, 在临床治疗过程中, 应根据产金属β-内酰胺酶菌株的耐药机制进行针对性抗生素选择。

7.1 头孢地尔用药半衰期 头孢地尔进入体内后,随着药物的吸收、分布和代谢, 主要经肾排泄, 但也可由胆汁、皮肤、肺和粪便等途径排泄。β-内酰胺类药物经肾脏排泄是其主要代谢途径, 占总排泄量的80.6%～90.4%；其中以β-内酰胺类药物中以头孢地尔和头孢他啶在尿中排泄最多。因此, 产金属酶革兰阴性菌采用头孢地尔治疗时, 其血药浓度下降, 头孢地尔在细胞内的药物浓度是其血浆半衰期的5～10 倍。头孢地尔经肾排泄, 而在肠黏膜的药物浓度很低, 约为血浆浓度的1/100～1/1000［10］。因此, 头孢地尔与肠道微生物相互作用影响药物在肠腔内的吸收, 导致在肠黏膜中的药物浓度显著降低。产金属酶革兰阴性菌不会对头孢地尔肠内吸收产生抑制作用, 同时也不会对头孢地尔的体内代谢产生影响。

7.2 头孢地尔在血浆及组织中的分布 有研究发现,血浆及组织中头孢地尔峰浓度的变化趋势基本一致,即在肝脏、肾脏、呼吸道和皮肤中均有较高浓度, 在其他组织中的浓度较低。头孢地尔血药浓度在肝是8～12 h, 肾对头孢地尔的排泄速率是20 倍, 故肾清除头孢地尔速度较快。但在一些组织中, 如肾脏、皮肤等,头孢地尔的清除率可达70%以上［11］。有研究发现,与正常人体组织相比, 产金属酶革兰阴性菌感染患者血浆头孢地尔的浓度上升了约50%。这可能与产金属酶革兰阴性菌感染患者肾脏中头孢地尔峰浓度较高有关［12］。

7.3 头孢地尔对金属β-内酰胺酶抗菌活性高于其他菌株的原因 头孢地尔是新一代头孢菌素, 抗菌谱广,体内外抗菌活性强；头孢地尔具有很强的组织穿透性,在较大组织深度内发挥抗菌作用；头孢地尔与其他β-内酰胺类抗生素相比, 其半衰期更长、体内代谢过程中不产生二磷酸腺苷(ADP), 耐酶更低；头孢地尔具有克服碳青霉烯耐药3 种主要机制(孔蛋白通道改变、β-内酰胺酶失活、外排泵过量产生)的独特能力, 能够通过抑制产金属酶的活性, 从而抑制细菌中酶的形成以及细菌的生长繁殖。

有研究结果显示, 与其他β-内酰胺类抗生素相比, 头孢地尔对金属β-内酰胺酶抗菌活性较强, 主要原因可能是其强大的组织穿透能力和体内代谢过程中不产生ADP。但是总体而言, 其对产金属β-内酰胺酶革兰阴性菌抗菌活性仍较弱［7］。因此, 在临床使用头孢地尔时应根据菌株所产金属酶种类选择合适剂量、疗程及给药途径。同时, 临床应加强对产金属酶菌株金属β-内酰胺酶的监测及临床治疗, 以降低产金属酶菌株金属β-内酰胺酶引起医院感染的发生率。

8 总结和前瞻

头孢地尔是一类以“特洛伊木马”方式携带的具有良好抗多重耐药革兰氏阴性菌(MDR-GNB)感染能力的头孢类抗生素, 具有良好抑菌效果。应用头孢地尔治疗产金属β-内酰胺酶革兰阴性菌相关疾病具有较高的临床价值, 但目前尚有如下问题：①与相关抗生素相比, 头孢地尔是否具有更好的疗效；②目前已知的致病菌对头孢地尔的抗性程度不高, 但抗性机理还有待于深入探讨；③头孢地尔对特定群体的感染性疾病是否安全及疗效尚待证实。头孢地尔具有较强的广谱抗菌力及较高的安全性, 有望成为金属β-内酰胺酶感染性疾病的一种新的疗法。但近期国外头孢地尔在临床应用过程中出现耐药现象, 给今后该药在国内上市后的临床合理应用提出警示作用。