抗生素学习培训资料PPT.ppt

第八章抗生素antibiotics 抗生素定义 是某些细菌 放线菌 真菌等微生物的次级代谢产物 或用化学方法合成的相同结构或结构修饰物 在低浓度下对各种病原性微生物有选择性杀灭或抑制作用的药物 抑制病原菌的生长 用于治疗细菌感染性疾病 某些具有抗肿瘤活性 用于肿瘤的化学治疗 免疫抑制 刺激植物生长作用 不仅用于医疗 而且还应用于农业 畜牧和食品工业方面 来源 生物合成 发酵 使微生物加快新陈代谢 产生抗生素 化学全合成半合成方法通过结构改造 得到半合成抗生素 增加稳定性 降低毒副作用 扩大抗菌谱 减少耐药性 改善生物利用度 提高治疗效力 抗生素的发现之路 一九二八年 弗莱明 1881 1955 在英国伦敦圣玛丽医院任职时 无意中在一个被污染的培养皿中发现 原本打算培养的葡萄球菌 它的生长现象竟被一种青绿色的霉菌 青霉菌 所抑制 因此弗莱明推测 青霉菌的分泌物应该具有抑制细菌生长的功效 由于这种抑菌物质是青霉菌的分泌物 因此弗莱明将其命名为青霉素 penicillin 并于一九二九年 将其观察到的现象首度发表在 英国实验病理学期刊 但当时并没人理会这个医学史上的重大发现 抗生素的发现之路 由于当时弗莱明无法将青霉素纯化出来 因此他只能以含有微量青霉素的粗培养液进行实验 虽然这些粗培养液能够有效杀死试管中的细菌 但当喂食给被细菌感染的兔子或老鼠时 却发现无抑菌的能力 这样的实验结果 使得弗莱明认为青霉素在动物体内无法继续维持其杀菌的效力 因此在发表几篇论文后 就终止了这个研究 使得抗生素的发展停顿了将近十年之久 抗生素的发现之路 一九四 年 由于第二次世界大战的影响 人们对这个发现重视起来 弗洛理与钱恩首度从青霉菌的粗培养液中纯化出青霉素 并用 老鼠保护试验法 进行动物实验 首先 他们将致死剂量的细菌注入八只老鼠的体内 其中四只再追加那些初步纯化出来的青霉素 结果发现只有那些注射过青霉素的老鼠存活下来 一九四一年 青霉素首度进行人体试验 并证实它能有效治疗由细菌感染的症状 同年 弗洛理到美国商谈青霉素的量产方法 终于在一九四三年 青霉素得到顺利生产和广泛应用 挽回了很多伤员的生命 1945年 弗莱明 弗洛理与钱恩三人 因发现 纯化与量化生产青霉素而获得诺贝尔生理医学奖 青霉素是第一个用于临床的抗生素 从此开辟了抗生素的发展之路 抗生素的发现 是20世纪人类医学的伟大奇迹 1 2 3 4 5 氨基苷类抗生素 aminoglycosideantibiotics 四环素类抗生素 tetracyclinesantibiotics b 内酰胺类抗生素 b lactamantibiotics 氯霉素类抗生素 chloramphenicolantibiotics 大环内酯类抗生素 macrolideantibiotics 第八章抗生素 抗生素的作用机制 干扰细菌细胞壁合成 使细胞破裂死亡 包括青霉素类和头孢菌素类损伤细菌细胞膜 影响膜的渗透性 包括多黏菌素和短杆菌素抑制细菌蛋白质合成 干扰必需的酶的合成 包括大环内酯类 氨基苷类 四环素类和氯霉素抑制细菌核酸合成 阻止细胞分裂和酶的合成 包括利福平等 抗生素抗菌作用的主要机制 大环内酯类 影响细菌蛋白质的合成 四环素类 氯霉素类 氨基糖苷类 大环内酯类 抑制细菌核酸的转录和复制 影响细菌细胞膜的渗透性 多粘菌素 抑制细菌细胞壁的合成 内酰胺类 大家现在可能会有一种感觉 就是原先一些感染性的疾病 往往吃一点抗生素 很快就会好起来的 可是现在呢 吃药效果根本就不大 往往需要去医院打针或者挂点滴 大剂量的抗生素或者几种抗生素联用 才有可能把捣乱的细菌制服 人体内细菌产生耐药性的途径 个体滥用抗生素 细菌耐药是体内细菌在抗生素的长期作用下发生变异而耐药 这些耐药菌作为机体常住菌被体内保留 但当机体防御能力减弱时而侵犯机体引起疾病 食源性感染 耐药菌株通过食物进入人体 抗生素目前被广泛应用于畜牧养殖业方面 应用抗生素主要目的是由于利益的驱动 其一是饲养的家畜家禽或者鱼类 都有可能生病 感染 因此饲养主会不断加入抗生素 以治疗疾病或者预防感染性疾病 其二就是各种饲料中添加抗生素 因为使用抗生素不仅可使动物抗病能力提高 还可让它吃的更少 长的更快 这无疑就会降低饲养成本 但后果是总有抗生素会产生耐药性并残留在动物体内 并通过食品进入人体 长期食用这些 有抗食品 相当于低剂量服用抗生素 人体耐药性会相应增强 由于总有细菌可能对各种抗生素都会产生耐药性 一旦这样的细菌通过 有抗食品 感染机体 或者个体本身长期滥用抗生素使机体产生这样的耐药菌 那么各种抗生素都难以对该细菌发生作用 后果是使得这种细菌引发的疾病难以控制 甚至能危及生命 这些细菌被称作 超级细菌 超级细菌其实并不是一个细菌的名称 而是一类细菌的名称 这一类细菌的共性是对几乎所有的抗生素都有强劲的耐药性 随着时间的推移 超级细菌的名单越来越长 金黄色葡萄球菌是著名的超级细菌 超级细菌中最著名的是一种耐甲氧西林金黄色葡萄球菌 简称mrsa mrsa现在极其常见 当年弗莱明偶然发现青霉素时 用来对付的正是这种细菌 但随着抗生素的普及 某些金黄色葡萄球菌开始出现抵抗力 产生青霉素酶破坏青霉素的药力 在1959年西方科学家用一种半合成青霉素 即甲氧西林 杀死耐药的金黄色葡萄球菌之后仅隔两年在英国就出现了耐甲氧西林金黄色葡萄球菌 而到了上世纪80年代后期 mrsa已经成为全球发生率最高的医院内感染病原菌之一 在全球范围内目前被证实对mrsa还有效的只有万古霉素 最新出现的超级细菌叫ndm 1 这种细菌名为新德里金属 内酰胺酶 1 简称ndm 1 这种细菌含有一种罕见酶 它能存在于大肠杆菌的dna中从而使其产生广泛的抗药性 人被感染后很难治愈甚至死亡 ndm 1的复制能力很强 传播速度快且容易出现基因突变 目前 除替加环素和多黏菌素之外的所有抗生素对它都无效 使抗生素分解失活 水解酶或钝化酶使抗生素作用靶点改变 使抗生素无法发挥作用细胞膜渗透性的改变 细菌产生药泵 细菌的耐药方式 第一节 内酰胺抗生素 lactamantibiotics 概述 主要指青霉素类和头孢菌素类 1929年英国医生fleming首先发现青霉素具有明显抑制革兰氏阳性菌的作用 1941起 青霉素g开始应用于临床 由于青霉素在使用中发现有过敏反应 耐药性 抗菌谱窄以及性质不稳定等缺点 因此对其进行结构修饰 得到一系列耐酸 耐酶 广谱的半合成青霉素类药物 1945年发现头孢菌素 1962年第一代头孢菌素用于临床 头孢菌素类抗生素是二十世纪七十年代以来发展最迅速 上市品种最多的一类抗生素 先后出现第二代 第三代和第四代 具有抗菌谱广 抗菌活性强 疗效高 毒性低等特点 在临床上得到了大量的应用 头孢菌素类抗生素在世界抗感染药物市场中占较大比重 目前其销售额约占抗感染药物销售额的40 一 基本结构特点和作用机制 定义 分子中含有由四个原子组成的 内酰胺环的抗生素 内酰胺环的作用 四元环张力较大 其化学性质不稳定 易发生开环导致失活 内酰胺环开环与细菌发生酰化作用 抑制细菌的生长 1 内酰胺类抗生素的分类 青霉素类 青霉烷头孢菌素类 头孢烯碳青霉烯类青霉烯类氧青霉素类 氧青霉烷单环 内酰胺 2 内酰胺类抗生素的化学结构特点 内酰胺环 除单环 内酰胺抗生素外 内酰胺环与另一个五元环或六元环相稠 羧基 与 内酰胺环稠合的环上都有一个羧基 酰胺基侧链 内酰胺环羰基 碳都有一个酰胺基侧链 青霉素类头孢菌素类碳青霉烯类 手性 青霉素类抗生素的母核上有3个手性碳原子 具有活性的绝对构型是2s 5r 6r 头孢菌素类抗生素的母核上有2个手性碳原子 具有活性的绝对构型是6r 7r 内酰胺类抗菌活性不仅与母核的构型有关 而且还与酰胺基上取代基的手性碳原子有关 旋光异构体间的活性有很大的差异 青霉素类头孢菌素类 立体化学 内酰胺环为一个平面结构 但两个稠合环不共平面 青霉素沿n1 c5轴折叠 头孢菌素沿n1 c6轴折叠 青霉素 头孢菌素 青霉素钾的单晶衍射三维立体结构图像 所有 内酰胺类抗生素的作用机制认为是抑制细菌细胞壁的合成 细胞壁是包裹在微生物细胞外面的一层刚性结构 它决定着微生物细胞的形状 保护其不因内部的高渗透压而破裂 3 内酰胺类抗生素的作用机制 以革兰氏阳性菌为例 细胞壁富含多层较厚的黏肽 围绕在细胞膜的外围 细胞壁的合成包括 肽链的增长和肽链的交联 细胞壁生物合成示意图 青霉素作用本质 因部分结构和短黏肽链末端d ala d ala在立体结构上非常类似 可以取代黏肽的d ala d ala 竞争性地和黏肽转肽酶活性中心以共价键结合 导致该酶失活 这种不可逆的酶抑制作用使细胞壁的交联程序受阻 细胞壁的结构不完整 进而导致杀死细菌 4 内酰胺类抗生素的选择性 哺乳动物细胞无细胞壁 细菌细胞有细胞壁 g 的细胞壁黏肽含量比g 高 青霉素对g 的活性比较高 二 青霉素类 1 天然青霉素从青霉素培养液和头孢菌素发酵液中得到共七种 苄青霉素 青霉素g penicilling 具有临床应用价值 第一个临床应用的抗生素 生物发酵得到 青霉素g 青霉素x 青霉素v 青霉素n 青霉素k 青霉素f 双氢青霉素 青霉素钠 本品是青霉素g benzylpenicillin 的钠盐 2s 5r 6r 3 3 二甲基 6 2 苯乙酰氨基 7 氧代 4 硫杂 1 氮杂双环 3 2 0 庚烷 2 甲酸钠monosodium 2s 5r 6r 3 3 dimethyl 7 oxo 6 phenylacetyl amino 4 thia 1 azabicyclo 3 2 0 heptane 2 carboxylicacid由 内酰胺环 四氢噻唑环及酰胺侧链构成 青霉素钠 benzylpenicillin是第一个用于临床的抗生素 由青霉菌penicilliumnotatum等的培养液中分离而得 游离的benzylpenicillin是一个有机酸 pka2 65 2 70 不溶于水 可溶于有机溶媒 乙酸丁酯 临床上常用其钠盐 以增强其水溶性 其水溶液在室温下不稳定 易分解 故临床上通常使用benzylpenicillinsodium的粉针 注射前用注射用水新鲜配制 青霉素的结构特征可从两个角度来分析 可以认为它是由 内酰胺环 四氢噻唑环及酰基侧链构成 也可以看成由cys val及侧链构成 penicillins类化合物的母核是由 内酰胺环和五元的氢化噻唑环骈合而成 两个环的张力都比较大 另外 benzylpenicillin结构中 内酰胺环中羰基和氮原子的孤对电子不能共轭 易受到亲核性或亲电性试剂的进攻 使 内酰胺环破裂 当进攻试剂来自细菌则产生药效 当进攻试剂来自其他情况则导致benzylpenicillin失效 a 青霉素g的化学性质 强酸或二氯化汞条件 发生裂解 生成 青霉酸 penicilloicacid 和青霉醛酸 penaldicacid penaldicacid不稳定 释放出二氧化碳 生成青霉醛 penilloaldehyde 稀酸溶液中 ph4 0 室温条件 侧链上羰基氧原子上的孤对电子作为亲核试剂进攻b 内酰胺环 生成中间体 再经重排生成青霉二酸 penillicacid penillicacid可经进一步分解生成青霉胺 penicillamine 和penilloaldehyde 碱性条件 或酶的作用 碱性基团或酶中亲核性基团向b 内酰胺环进攻 生成青霉酸 penicilloicacid penicilloicacid加热时易失去二氧化碳 生成青霉噻唑酸 penilloicacid 遇二氯化汞后 penilloicacid进一步分解生成penicillamine和penilloaldehyde b 临床应用及特点 临床上主要用于革兰氏阳性球菌例如链球菌 肺炎球菌 敏感的葡萄球菌等引起的全身或严重的局部感染 优点 副作用小 缺点 不能口服给药 只能注射给药 常用钠盐或钾盐 水溶液在室温下易分解 用粉针 注射前新鲜配制 胃酸导致 内酰胺环开环和侧链水解 失去活性 某些病人中易引起过敏反应 严重时会导致死亡 皮试针 体内作用时间短 每天至少注射两次 肌注疼痛 耐药性 长期使用过程中 细菌逐渐产生一些分解酶 如 内酰胺酶 产生耐药性 延长作用时间的方法 与分子较大的胺制成难溶性盐 肌注后可缓慢吸收 作用时间延长 但血药浓度不高 不用于严重感染 普鲁卡因青霉素 苄星西林 羧基酯化 延长作用时间 醋甲西林 普鲁卡因青霉素procainebenzylpenicillin 苄星青霉素benzathinebenzylpenicillin 2 半合成青霉素 青霉素对酸不稳定 抗菌谱窄 耐药性的问题取得重大进展口服的耐酸青霉素耐酶青霉素广谱青霉素g g 2 1耐酸青霉素 在青霉素发酵液中加入苯氧乙酸得到青霉素v 抗菌活性低 但是具有耐酸性的特点 不易被胃酸破坏 可以口服 氧原子的存在 可降低羰基上氧的电子云密度 阻碍了青霉素的电子转移 不能生成青霉二酸 所以对酸稳定 设计合成了在酰胺基 位引入吸电子基团的化合物 如非奈西林 丙匹西林和阿度西林 口服吸收良好 青霉素v 非奈西林丙匹西林阿度西林phenethillinpropicillinazidocillin 2 2耐酶青霉素 由于金黄色葡萄球菌等细菌能产生 内酰胺酶 使青霉素分解失去活性 最早发现三苯甲基青霉素可耐酶 由于三苯甲基的空间位阻 阻止了化合物与酶活性中心的结合 2 2耐酶青霉素 苯唑西林 第一个耐酶 耐酸的青霉素 可口服 注射 引入苯甲异噁唑环是重大进展 在青霉素6位侧链酰胺基上引入具有较大空间位阻的基团 阻止药物与酶的活性中心作用 保护药物分子中的 内酰胺酶 2 3广谱青霉素 从头孢霉菌发酵液中分离出的青霉素n对g 菌作用比青霉素弱 但是对g 菌作用强于青霉素 其6位有d 氨基己二酸单酰胺侧链 侧链上的氨基是产生对g 菌活性的重要基团 2 3广谱青霉素 在青霉素酰基 位引入极性亲水性基团 nh2 cooh so3h等 发展了广谱的半合成青霉素 阿莫西林与氨苄西林具有相同的抗菌谱 口服吸收好 血药浓度高 本品的侧链为对羟基苯甘氨酸 有一个手性碳原子 临床用其右旋体 其构型为r构型 amoxicillin和ampicillin具有相同的抗菌谱 对革兰阳性菌的抗菌作用与penicillin相同或稍低 对革兰阴性菌如淋球菌 流感杆菌 百日咳杆菌 大肠杆菌 布氏杆菌等的作用较强 但易产生耐药性 临床上主要用于泌尿系统 呼吸系统 胆道等的感染 阿莫西林 青霉素的构效关系 半合成青霉素 利用penicilling为原料 在偏碱性条件下 经青霉素酰化酶 penicillinacylase 进行酶解 生成6 氨基青霉烷酸 6 apa 是半合成青霉素的主要中间体 青霉素g6 apapenicilling 得到6 apa后 再与相应的侧链酸进行缩合 即可制得各种半合成青霉素 其缩合方法通常有三种 酰氯法 是较常用的方法 将侧链酸制成酰氯 在低温 中性或近中性 ph6 5 7 0 条件下进行 酸酐法 将侧链酸制成酸酐或混合酸酐来进行反应 dcc法 将侧链酸和6 apa在有机溶剂中进行缩合 以n n 二环己碳亚胺 dcc 作为缩合剂 临床上半合成青霉素衍生物均是使用其钠盐或钾盐 由于 内酰胺环对碱不太稳定 因此若采用氢氧化钠或氢氧化钾进行成盐反应时 必须十分小心地进行 对碱不太稳定的半合成青霉素 可通过与有机酸盐 如乙酸钠等 反应成盐 要点 内酰胺类抗生素的作用机制青霉素g的理化性质天然青霉素的缺点半合成青霉素的结构改造方法耐酸 耐酶 广谱青霉素的代表药物阿莫西林 氨苄西林的化学结构 三 天然头孢菌素和半合成头孢菌素 头孢菌素c和头霉素c由头孢菌属真菌产生的头孢菌素c n和p 抗菌活性比较低 头孢菌素c抗菌活性虽低 但抗菌谱广 对革兰阴性菌有抗菌活性 对酸较稳定 可口服 毒性较小 与青霉素很少或无交叉过敏反应 头霉素c对 内酰胺酶较稳定 作为先导物进行结构改造 增强抗菌活性 扩大抗菌谱 发展了第一 二 三 四代头孢菌素 内酰胺环并氢化噻嗪环的抗生素 1 头孢菌素的结构及特点 从结构看稳定性 头孢菌素类 四元环并六元环青霉素类 四元环并五元环头孢菌素比青霉素类稳定 头孢菌素类稠合体系受到的环张力小 头孢菌素类 内酰胺环上的n的孤对电子可以与氢化噻嗪环上的双键形成共轭 头孢菌素c 青霉素g 2 头孢菌素的化学性质 1 亲核试剂对 内酰胺羰基的进攻 最后c 3位乙酰氧基带着负电荷离去 导致 内酰胺环开环 cephalosporins失活 配成水溶液注射剂后 需要保存在冰箱里 2 进入体内 易被酯酶水解 活性丧失 3 半合成头孢菌素的合成方法 由7 aca进行半合成的 内酰胺类抗生素的研究是发展得比较迅速的一个领域 从cephalosporins的结构出发 可进行结构改造的位置有四处 7 酰氨基部分 7 氢原子 环中的硫原子 3 位取代基 是抗菌谱的决定性基团 能影响对 内酰胺酶的稳定性 对抗菌效力有影响 能影响抗生素效力和药物动力学的性质 cephalosporins在发展过程中 按其发明年代的先后和抗菌性能的不同 在临床上常将头孢菌素划分为一 二 三 四代 第一代cephalosporins是60年代初开始上市的 第一代头孢菌素虽耐青霉素酶 但不耐 内酰胺酶 主要用于耐青霉素酶的金黄色葡萄球菌等敏感的革兰氏阳性球菌和某些革兰氏阴性球菌的感染 第二代cephalosporins对革兰阳性菌的抗菌效能与第一代相近或较低 而对革兰阴性杆菌的作用较好 主要特点为抗酶性能强 可用于对第一代cephalosporins产生耐药性的一些革兰阴性菌 抗菌谱较第一代cephalosporins有所扩大 对奈瑟菌 部分吲哚阳性变形杆菌 部分肠杆菌属均有效 第三代cephalosporins对革兰阳性菌的抗菌效能普遍低于第一代 个别品种相近 对革兰阴性菌的作用较第二代cephalosporins更为优越 抗菌谱扩大 对铜绿假单胞菌 沙雷杆菌 不动杆菌等有效 耐酶性能强 可用于对第一代或第二代cephalosporins耐药的一些革兰阴性菌株 第四代cephalosporins的3位含有带正电荷的季铵基团 正电荷增加了药物对细胞膜的穿透力 具有较强的抗菌活性 化学名 6r 7r 3 乙酰氧基 甲基 7 2 氨基 4 噻唑基 甲氧亚氨基 乙酰氨基 8 氧代 5 硫杂 1 氮杂双环 4 2 0 辛 2 烯 2 甲酸钠盐sodium 6r 7r 3 acetyloxy methyl 7 2z 2 amino 4 thiazolyl methoxyimino acetyl amino 8 oxo 5 thia 1 azabicyclo 4 2 0 oct 2 ene 2 carboxylate 头孢噻肟钠cefotaximesodium cefotaxime是第一个临床使用的第三代cephalosporin的衍生物 在其7位的侧链上 位是顺式的甲氧肟基 同时连有一个2 氨基噻唑的基团 cephalosporins衍生物的构效关系研究表明 甲氧肟基增加了对 内酰胺酶的稳定性 而2 氨基噻唑基团可以增加药物与细菌青霉素结合蛋白的亲和力 这两个有效基团的结合使该药物具有耐酶和广谱的特点 cefotaxime结构中的甲氧肟基通常是顺式构型 cis 顺式异构体的抗菌活性是反式异构体 trans 的40 100倍 在光照的情况下 顺式异构体会向反式异构体转化 其钠盐水溶液在紫外光照射下45min 有50 转化为反式异构体 4h后 可达到95 因此 本品通常需避光保存 在临用前加注射水溶解后立即使用 cephalosporins在构效关系某些方面与penicillins极为相似 归纳有下述几个方面 要点 头孢氨苄的结构头孢噻肟的结构特点 四 非经典的 内酰胺类抗生素和 内酰胺酶抑制剂 碳青霉烯青霉烯氧青霉烷单环的 内酰胺 一 氧青霉烷类和青霉烷砜类 细胞对青霉素和头孢菌素类产生耐药性的主要原因是 内酰胺酶的生成 这种酶可作用于所有具有 内酰胺类结构特征的四元环上 水解 内酰胺环的酰胺键 耐酶的药物 如耐酶青霉素 碳青霉烯 青霉烯等 内酰胺酶抑制剂易接受 内酰胺酶结构中亲核基团的进攻 生成不可逆的结合物 克拉维酸 棒酸 属于氧青霉烷类第一个用于临床的 自杀性 的 内酰胺酶抑制剂 作用机制 能与 内酰胺酶的催化中心进行反应 形成的酰化酶难以水解 使 内酰胺酶失活 抗酶性强 对g 和g 菌产生的 内酰胺酶均有效 单用抗菌活性弱 与青霉素类药物联用可增强疗效 其钾盐与阿莫西林组成复方制剂 奥格门汀 可使阿莫西林增效130倍 可使头孢菌素类增效2 8倍 不稳定 碱性条件下易降解 舒巴坦青霉烷砜类 临床上应用其钠盐 具有青霉烷酸的基本结构 将s氧化成为砜得到 广谱抑制剂 作用机制与克拉维酸相似 不可逆竞争性 内酰胺酶抑制剂 其抑酶活性比克拉维酸稍差 口服吸收差 一般静脉给药 稳定性良好 舒巴坦钠口服吸收很少 通常按1 2的形式与氨苄西林混合制成易溶于水的粉针 但其稳定性极差 极易破坏失效 将氨苄西林与舒巴坦以1 1形式 以次甲基相连形成双酯结构的化合物 称为舒他西林 口服后迅速吸收 生物利用度 80 体内非特定酯酶水解得到氨苄西林和舒巴坦 舒他西林sultamicillin 二 碳青霉烯类抗生素亚胺培南 imipenem