2.-微生物药物的作用机制与耐药机制

第二章抗生素的作用机理和耐药性能抗生素的特点①选择性作用：一种抗生素只对一定种类的微生物有作用，即抗菌谱。如：青霉素一般只对革兰氏阳性菌有作用，多粘菌素只对革兰氏阴性菌有作用，它们的抗菌谱较窄。氯霉素、四环素等对多种细菌都有抑制作用，称为广谱抗生素。②选择性毒力：抗生素对人和动物的毒力远小于对病菌的毒力，称为选择性毒力。通常抗生素可在极低浓度下有选择地抑制或杀死微生物。选择性毒力是化学治疗的基础。③耐药性：细菌在抗生素的作用下，大批敏感菌被抑制或杀死，但也有少数菌株会调整或改变代谢途径，变成不敏感菌，产生耐药性。抗菌谱及抗菌活性抗菌谱是指药物抑制或杀灭病原微生物的范围。抗菌谱是临床选药的基础。根据引起发病的病原微生物的种类的不同，及敏感药物的不同，可选用不同抗菌作用的抗菌药物。抗菌谱窄谱抗生素凡仅作用于单一菌种或某属细菌的抗生素称窄谱抗生素。例如：天然青霉素主要对革兰氏阳性细菌有作用；链霉素主要作用于革兰氏阴性细菌。广谱抗生素凡能杀灭或抑制多种不同种类的细菌，抗菌谱的范围广泛，称广谱抗生素。如：四环素类、氯霉素类、庆大霉素、广谱青霉素类、第三代头孢菌素、氟喹诺酮类等。半合成的抗生素和人工合成的抗菌药多具有广谱抗菌作用。抗菌活性定义：指抗菌药抑制或杀灭病原微生物的能力。可用体外抑菌试验和体内试验治疗方法测定。量化值：最小抑菌浓度：能够抑制培养基内细菌生长的最低浓度称为最小抑菌浓度(MIC)。体外抑菌试验对临床用药具有重要参考意义。最小杀菌浓度：能够杀灭培养基内细菌生长的最低浓度称为最小杀菌浓度(MBC)(使活菌总数减少99或99.5以上)。抗生素的抑菌作用和杀菌作用是相对的，有些抗生素在低浓度时呈抑菌作用，而高浓度呈杀菌作用。抗菌活性抑菌药：临床上所指的抑菌药是指仅能抑制病原菌的生长繁殖，而无杀灭作用的药物。如：磺胺类、四环素类、氯霉素等。杀菌药：是指具有杀灭病原菌作用的药物。如：青霉素类、氨基糖苷类、氟喹诺酮类等。抗菌活性化疗指数（chemotherapeuticindex,CI）：动物半数致死量（LD50）和治疗感染动物的半数有效量（ED50）的比值，即：CI=LD50/ED50。化疗指数是评价化疗药安全性的指标：化疗指数越大，表明疗效越高，毒性越低，用药越安全；但化疗指数越大并非绝对安全。抗生素的作用机理主要是影响病原微生物的结构和干扰其代谢过程。主要包括：1.抑制细菌细胞壁的合成；2.增加细菌细胞膜的通透性；3.抑制细菌蛋白质的合成；4.抑制细菌核酸的合成；5.干扰细菌的能量代谢；6.增强吞噬细胞的功能。抑制细菌细胞壁的合成细胞壁的组成及功能：大多数细菌细胞的细胞膜外部有坚韧的细胞壁，主要由肽聚糖组成。具有维持细胞形状及保持菌体内渗透压的功能。作用于细胞壁的抗生素的作用机制：一些抗革兰氏阳性菌的抗生素，如青霉素类、头孢菌素类、万古霉素、杆菌肽和环丝氨酸等能分别抑制肽聚糖合成过程中的不同环节。这些抗生素的作用均可使细菌细胞壁缺损，菌体内的高渗透压使细胞外面的水分不断地渗入菌体内，引起菌体膨胀变形，加上激活自溶酶，使细菌裂解而死亡。抑制细菌细胞壁的合成4.2.1抑制细菌细胞壁的合成该类抗生素的特点：抑制细菌细胞壁合成的抗生素对革兰氏阳性菌的作用强(因革兰氏阳性菌的细胞壁主要成分为肽聚糖，占胞壁重量的65%～95%；菌体细胞质内的渗透压高，约20～30个大气压)。对革兰氏阴性菌的作用弱(因革兰氏阴性菌细胞壁的主要成分是磷脂，肽聚糖仅1～10%；菌体细胞质内的渗透压低，约5～10个大气压)。主要影响正在繁殖的细菌细胞，故这类抗生素称为繁殖期杀菌剂。增加细菌细胞膜的通透性细胞膜的组成与功能：位于细胞壁内侧的细胞膜主要是由类脂质与蛋白质分子构成的半透膜。功能在于维持渗透屏障、运输营养物质和排泄菌体内的废物，并参与细胞壁的合成等。大多数细菌细胞的细胞膜外部有坚韧的细胞壁。作用于细胞膜的抗生素的作用机制：当细胞膜受损时，通透性将增加，导致菌体内细胞质中的重要营养物质(如核酸、氨基酸、酶、磷酸、电解质等)外漏而死亡，产生杀菌作用。增加细菌细胞膜的通透性增加细菌细胞膜的通透性属于这种作用方式而呈现抗菌作用的抗生素有多肽类(如多粘菌素B和硫粘菌素)及多烯类(如两性霉素B、制霉菌素等)。多粘菌素类——化学结构中含有带正电的游离氨基，与革兰氏阴性菌细胞膜上磷脂带负电的磷酸根结合，使细胞膜受损。两性霉素B及制霉菌素等——可与真菌细胞膜上的类固醇结合，使细胞膜受损；而细菌细胞膜不含类固醇，故对细菌无效。动物细胞的细胞膜上含有少量类固醇，长期或大剂量使用两性霉素B可出现溶血性贫血。抑制细菌蛋白质的合成细菌蛋白质合成过程：细菌蛋白质合成场所在细胞质中的核糖体上。蛋白质的合成过程分三个阶段，即起始阶段、延长阶段和终止阶段。作用于蛋白质合成的抗生素的作用机制：许多抗生素均可影响细菌蛋白质的合成，但作用部位及作用阶段不完全相同。与核糖体的不同部位结合，阻断蛋白质的合成，从而产生抑菌或杀菌作用。有的抗生素对细菌蛋白质合成的三个阶段都有作用，如氨基糖苷类；有的仅作用于延长阶段，如林可胺类。抑制细菌蛋白质的合成抑制细菌蛋白质的合成该类抗生素对动物细胞蛋白质的影响：细菌细胞与哺乳动物细胞合成蛋白质的过程基本相同。两者最大的区别在于核糖体的结构及蛋白质、DNA的组成不同。该类抗生素对动物细胞的蛋白质合成影响较小，对动物机体毒性小。抑制细菌核酸的合成核酸的功能：核酸包括脱氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA)。核酸具有储存遗传信息和调控蛋白质合成的功能。抑制细菌核酸的合成该类抗生素的作用机制：新生霉素——主要影响DNA聚合酶的作用，从而影响DNA合成(主要作用于革兰氏阳性菌)；灰黄霉素——阻止鸟嘌呤进入DNA分子中而阻碍DNA的合成；利福平——与DNA依赖的RNA聚合酶(转录酶)的亚单位结合，从而抑制mRNA的转录。(广谱抗生素，尤其对结核杆菌作用强)。抗肿瘤的抗生素——丝裂霉素C、放线菌素等可抑制或阻碍细菌和肿瘤细胞DNA或RNA的合成。抗生素作用的后效应抗生素最低抑菌浓度(MIC)的标准测定方法是将一定数量的细菌(105～106/ml)连续地与药物接触。这与体内的实际情况相关甚远，体内的情况往往是大量的细菌所接触的药物的浓度是波动的。要利用体外动力学模型来更为正确地摸拟被感染患者的抗菌剂量时，应尽可能地了解各种由药物和细菌交互作用而产生的影响。抗生素作用的后效应抗生素后效应(post-antibioticeffect，PAE)指细菌与抗生素短暂接触后，当药物浓度下降至低于MIC或消除后，细菌的生长仍受到持续抑制的效应。PAE是抗生素药效学的一个重要特性。PAE这一现象，早在20世纪50年代早已被发现，但一直未被重视。直到20世纪70年代中期以后，关于PAE的研究日益深入。目前，PAE已作为评价新抗生素给药方案、指导临床合理用药的一个重要指标。抗生素后效应的测定方法抗生素后效应的测定方法可简单地通过测定药物消除后的细菌生长动力学的方法来决定。最标准化的方法是通过反复洗涤，药物钝化或是100～1000倍的稀释度稀释到新鲜培养基的方法将药物快速除去。以这种方法来测定PAE的曲线，没有接触过药物的对照组表现出开始平稳生长，而后迅速进入对数生长期；而测定组表现并非如此。但当测定组菌体经过增加10倍数量的时间后，其以后的生长速率就与对照组的生长速率相一致。影响PAE的因素①抗生素种类：体外PAE因抗生素种类不同而不同。通常，对于革兰阳性球菌而言，那些抑制RNA和蛋白质合成药物如大环内酯类、氨基糖苷类产生的PAE最长；DNA回旋酶抑制剂如氟喹诺酮类次之；-内酰胺类及叶酸抑制剂如磺胺类产生PAE最短。对于革兰阴性杆菌而言，那些抑制RNA和蛋白质合成的药物同样有显著的PAE。阿奇霉素对肺炎链球菌和流感嗜血杆菌所产生的PAE与克拉霉素有显著区别；罗红霉素对肺炎链球菌的PAE与克拉霉素有显著区别。影响PAE的因素②抗生素浓度及与细菌接触时间：对大环内酯类抗生素后效应的研究发现，其PAE效应与抗生素浓度及接触时间有关。如罗红霉素对酿脓链球菌在5×MIC时PAE为3h，而在10×MIC时由为5h；阿齐霉素在8×MIC时对流感嗜血杆菌的PAE均较在4×MIC时为高。在接触时间上，流感嗜血杆菌与阿齐霉素接触2h组，其PAE值远超过接触1h组。多数情况下，大环内酯类只有在药物浓度等于或大于MIC时才会出现PAE效应，且在5～10×MIC时PAE最长。影响PAE的因素③抗生素联用情况：抗生素联用对PAE的影响不一，对不同菌属也有区别，但公认的是-内酰胺类与氨基糖苷类联用，PAE可显著的延长。例如，上述联用对金黄色葡萄球菌和铜绿假单胞菌比单用时延长了1～3.3h；与妥布霉素联用延长2.8～3.3h。但这种联用对大肠杆菌与肺炎克雷伯杆菌无效。另有人应用3个浓度的克拉霉素与固定浓度的乙胺丁醇对鸟型结核分枝杆菌作用2h后，未发现有PAE的延长。影响PAE的因素④不同的方法或计算公式：目前，测量PAE的方法除经典的菌落计数法和光密度法外，还有阻抗法、细菌形态判断法、CO2产生法、胸腺嘧啶结合法、电子流计数法及生物荧光分析法。采用不同研究方法，PAE有明显不同。如将大肠杆菌NCTC4174与100×MIC美洛配能接触后，各方法所测PAE数据如下：菌落计数法0.2±0.3h，生物荧光分析法2.6±0.3h，形态学改变法4.0±0.6h，三者之间有显著差别。影响PAE的因素⑤其它因素：温度pH值接种用的培养基等上述因子尽管影响有限，但有文献报道，在41.5℃高温下，亚胺配能/西司他丁对铜绿假单胞菌的PAE有显著的下降。PAE期间的细菌学特性处于PAE期间的细菌特性在微观上既不同于正常的细菌，也不同与和药物接触时的细菌，其微观上的变化大致有如下几点：①细菌表面亲水性、疏水性的改变：PAE期间，与阿奇霉素和红霉素接触4h，4种链球菌疏水性都有所下降。将药物清除20h后，实验组的酿脓链球菌与对照组仍有显著差异，而变异链球菌和血液链球菌的两组却几乎相同。②细菌表面粘附性的变化：与2倍MIC抗菌药物接触后，表皮葡萄球菌粘附性下降近12h，与对照组有显著区别；在6倍MIC下，其粘附性下降超过24h。用扫描电镜观察，对照组的表皮葡萄球菌，在静脉修复移植物表面呈扇形生长；在与6倍MIC的药物接触后，实验组细菌粘附性明显下降，呈单一、点状的分布。PAE期间的细菌学特性③细菌溶血素活性的变化：比较大肠杆菌内外溶血素活性后发现，在PAE期间，细菌细胞外溶血素显著下降至少2h，但细胞内溶血素只下降1h。罗红霉素在PAE期间及其后均可抑制酿脓链球菌溶血素的产生，对其跨膜转运无影响。④对抗生素敏感性的改变：在红霉素所致的PAE中，肺炎链球菌有对抗氨苄西林的杀菌作用。这种现象与抗生素和细菌的类型有关，如细菌在PAE期间对-内酰胺类药物敏感性下降大于氨基糖苷类；革兰阴性杆菌的下降大于金黄色葡萄球菌。PAE期间的细菌学特性⑤其它：PAE期间，铜绿假单胞菌内部有电子云聚集。另外，其渗透性、对单核细胞的敏感性也有改变。抗生素产生PAE的机理抗生素产生PAE的机制尚未完全阐明。细菌与抗生素接触，当药物被消除以后，可使细菌产生多种可检测的变化，如酶和非酶蛋白活性改变、细菌形态学改变、细菌代谢和生长抑制、细胞受体改变、对吞噬作用的敏感性改变及对抗生素再接触的敏感性改变等。其中许多变化与PAE密切相关，有些可能是PAE的作用机制。不同种类和不同抗菌作用原理的抗生素，其PAE产生的原理也不相同。因此，简要地用时间概念来描述PAE是不尽合理的。-内酰胺类抗生素产生PAE的机理这类抗生素与细胞膜青霉素结合蛋白（PBPS）结合，该蛋白质是细胞壁合成必须的酶。药物与之形成共价键结合，破坏细胞壁的合成，抑制了杆状细胞形成，使细菌产生无细胞壁的球