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第八章糖肽类抗生素的作用机制和细菌耐药性第一节糖肽类抗生素的结构特征和临床应用 一 糖肽类抗生素的结构特征 VMB 万古霉素 MDCV1 2 单脱氯万古霉素 DDCV 双脱氯万古霉素 DESV 单糖万古霉素 AGLUV 无糖万古霉素 CDPM CDPm 万古霉素结晶型降解物异构体 替考拉宁的化学结构 其他一些糖肽类抗生素的化学结构 微生物来源的其他一些糖肽类抗生素的化学结构 微生物来源的其他一些糖肽类抗生素的化学结构 二 糖肽类抗生素的临床应用 万古霉素是由Micormick等于1956年从一株东方拟无枝酸菌的发酵液中分离得到的一种糖肽类抗生素 万古霉素问世后的前20年 由于青霉素和头孢菌素类抗生素的上市使用 万古霉素仅作为保留药物 治疗由少数金黄色葡萄球菌引起的严重感染性疾病 临床使用很少 二 糖肽类抗生素的临床应用 后来随着 内酰胺类抗生素的大量使用 由甲氧西林耐药金葡菌 MRSA 所引起的感染逐渐流行 耐甲氧西林金黄色葡萄球菌目前被认为是最顽固的耐药菌 它对几乎所有的 内酰胺类抗生素包括第三代头孢菌素具有耐药性 对大部分四环类抗生素和氨基糖苷类等其它抗生素也产生耐药性 二 糖肽类抗生素的临床应用 至1982年 有报道称在美国大医院中 MRSA引起的感染已由原来的2 上升到20 国内的研究表明 1998 2000年耐甲氧西林金葡菌和敏感金葡菌的比例高达30 以上 二 糖肽类抗生素的临床应用 在这种情况下 万古霉素愈来愈引起人们的重视 是目前临床上用于治疗由MRSA引起的严重感染疾病的首选药物 并被国际抗生素专家誉为 人类对付顽固性耐药菌株的最后一道防线 和 王牌抗生素 二 糖肽类抗生素的临床应用 万古霉素 结构如图所示 国内生产的为N 去甲基万古霉素 是一个极为重要的糖肽类抗生素 其抗菌谱很窄 基本上局限于很小一部分的革兰氏阳性菌和一些螺旋体 在万古霉素发现的前20年 并未引起人们的重视 因为当时新出现的 内酰胺类抗生素基本上能够控制临床出现的各种感染 二 糖肽类抗生素的临床应用 随着近年来多重耐药肠球菌如粪肠球菌的出现 恢复了人们对万古霉素的强烈兴趣 一度被打入冷宫的万古霉素重见天日 并愈发体现了它的作用 万古霉素是一个非常有价值的抗生素 不过在临床上通常被用作经 内酰胺类抗生素或其它抗菌药物治疗失败后才使用的最后手段 故也常被认为是抗菌药物的最后一道防线 第二节糖肽类抗生素的作用机制 糖肽类抗生素的作用机制 糖肽类抗生素的抗菌作用虽与 内酰胺类抗生素的相同 都是通过干扰细菌细胞壁肽聚糖的铰链 从而使细菌细胞发生溶解 革兰阳性菌的细胞壁是由一厚厚的肽聚糖层构成 其位于细胞质膜 内膜的外侧 而革兰阴性菌在一薄薄的肽聚糖层外面还有一完整的细胞外膜 其阻止万古霉素和替考拉宁等糖肽类抗生素渗透到肽聚糖 因此 这类抗生素仅对革兰氏阳性菌有效 革兰阴性菌和革兰阳性菌的细胞表面结构 肽聚糖的生物合成过程 万古霉素的作用机制 就细胞水平而言万古霉素通过干扰细菌细胞壁的合成最终使细菌细胞发生溶解 从分子水平上讲 万古霉素抑制细胞壁合成第二阶段 类脂结合 中一个关键的转化反应 即具有刚性交叉连接的7肽骨架识别未交叉连接肽聚糖链中N 酰基 D Ala4 D Ala5中末端D D 二肽 并在脂II分子中通过五个氢键形成具有高度亲和力的复合物 这些氢键从糖肽类抗生素分子的下表面与肽聚糖末端的酰胺基和羧基结合 如图所示 万古霉素的作用机制 同时 研究发现有两种作用机制加强万古霉素中肽骨架与细菌细胞壁合成过程中的D Ala D Ala的结合作用 1 两个万古霉素分子间糖苷结构通过氢键的作用形成二聚体 万古霉素以这种聚合体形式存在增强了结构的稳定性 同时锁定了万古霉素中与D Ala D Ala结合域 bindingpocket 呈正确的构象 图 2 万古霉素结构中的亲脂部分使得抗生素位于细菌的表面上从而接近细胞壁合成前体 万古霉素与N Acyl D Ala D Ala生交互作用时的氢键 万古霉素在细胞壁上作用位点及细胞壁中间体发生交互作用时的氢键 万古霉素与N2 6 二 酰基 L Lys L Ala D Ala结合的分子结构实体模型 糖肽类抗生素的二种作用机制模式 直接抑制转葡基酶 第二种作用机制 Kahne等在研究万古霉素类的作用机制时 首先将破坏万古霉素结构类似物分子中的肽结合袋被 即去除甙元分子中的N 甲基亮氨酸部分 其既能通过氢键与D Ala D Ala结合 也能通过静电与之接触 让其不能与N 乙酰D Ala D Ala结合 然后测定这种化合物对敏感菌和万古霉素耐药菌的抗菌活性 结果发现 结构破坏的氯二苯基万古霉素正如预期的那样 对敏感菌的活性大幅下降 下降330多倍 但对耐药菌的抗菌活性几乎没有影响 第三节细菌对糖肽类抗生素产生耐药性的作用机制 一 万古霉素耐药肠球菌和金黄色葡萄球菌的发展 随着上世纪80年代细菌耐药性的传播和扩散 特别是甲氧西林耐药金黄色葡萄球菌的爆发 万古霉素被广泛使用 成为拯救革兰氏阳性细菌感染危重病人的救命药物 但是 随着万古霉素的广泛使用 已经出现了万古霉素耐药的革兰氏阳性细菌 特别是万古霉素耐药肠球菌 以及万古霉素耐药的金黄色葡萄球菌 使人类的生命健康又受到了严重的威胁 一 万古霉素耐药肠球菌 VRE的发展很快 有报道数据显示 1987在医院临床分离株中为0 4 而到1993年高达16 VRE能引起危及生命的感染 病死率高达30 其之所以危险 是因为控制这种感染的措施容易失败 且目前临床上尚无一种或几种抗生素联合使用 使治疗有效的办法 一 万古霉素耐药肠球菌 VRE逐渐增加的原因除了耐万古霉素的遗传因子可以传播外 另一个重要的因素是将糖肽类抗生素作为动物生长促进剂用于食源性动物 提供VRE出现的选择压力 二 万古霉素耐药金黄色葡萄球菌 为了解决金黄色葡萄球菌的耐药性问题 1959年半合成的青霉素类抗生素甲氧西林和苯唑西林投入临床使用 然而 仅两年之后的1961年于英国首次发现了耐甲氧西林的金黄色葡萄球菌 methicillinresistantStaphylococcusaureus MRSA 此后 MRSA遍及世界 二 万古霉素耐药金黄色葡萄球菌 MRSA和MRCNS 甲氧西林耐药凝固酶阴性菌 感染的治疗主要局限在万古霉素上 尤其是对MRSA多重耐药株 万古霉素是有效治疗的唯一选择 最近 国外已有万古霉素耐药金黄色葡萄球菌的报道 但国内尚未有类似的发现 二 万古霉素耐药金黄色葡萄球菌 值得注意的是 国外关于万古霉素对金黄色葡萄球菌最低抑菌浓度增高的报道 即出现万古霉素中等耐药金黄色葡萄球菌 vancomycin intermidiateS aureus VISA 因此 由多重耐药的MRSA变迁为VISA 而引起的感染就会导致任何治疗无效 现已证明 VISA均来自于MRSA 万古霉素耐药金黄色葡萄球菌的出现仅是时间问题 这可从图中万古霉素对MRSA的抑菌圈变化可以清楚地看到 1994年万古霉素对MRSA的抑菌圈直径的分布 1997年万古霉素对MRSA的抑菌圈直径的分布 2000年万古霉素对MRSA的抑菌圈直径的分布 二 细菌对糖肽类抗生素产生耐药性的作用机制 细菌对万古霉素产生耐药性的机制是由于耐药菌能够产生一种分子结构不同于敏感菌的肽聚糖前体末端二肽 D 丙氨酰 D 乳酸 D 丙氨酰 D 丝氨酸 或D 丙氨酸 使万古霉素分子不能与之结合 而细菌能够照样合成其细胞壁 如图所示为D 丙氨酰 D 乳酸与万古霉素之间的氢键结合 与敏感菌中的D Ala D Ala结合与耐药菌中的D Ala D Lac结合 A 对糖肽类抗生素产生耐药性的肠球菌的肽聚糖前体的C 末端掺入有D 羟基丁酸和D 乳酸 B 掺入D 氨基丁酸的改变的合成途径 C 对糖肽类抗生素敏感的肠球菌的UDP 胞壁五肽的合成途径 末端为D ala Dala 取代基 肽聚糖末端D 丙氨酰 D 乳酸的合成与万古霉素的作用 二 细菌对糖肽类抗生素产生耐药性的作用机制 对细菌产生万古霉素耐药性的更为精细的作用机制的研究发现 vanA基因存在于被称为转座子或跳跃基因的Tn1546中 这一转座子含有9个基因 其中二个编码与转座能力有关的功能 另外7个通常被称为万古霉素耐药基因的 vanA基因簇 二 细菌对糖肽类抗生素产生耐药性的作用机制 由vanA基因编码的蛋白包括VanS和VanR 这两种蛋白负责耐药性的诱导作用 其中VanS似乎是一种探头 sensor 以探测环境中是否存在有万古霉素 或更像是万古霉素对细胞壁合成的早期影响 当VanS探测到环境中有万古霉素后就将信号传递给VanR VanR是一种响应调节物 responseregulator 这种调节物最终导致活化或启动其它有关耐药性的蛋白的合成 如VanH VanA VanX等 二 细菌对糖肽类抗生素产生耐药性的作用机制 当环境中存在有万古霉素或肽古霉素时 VanS上的组氨酸残基间接地产生自身磷酸化作用 然后该磷酸化残基被转移到响应调节物VanR的门冬氨酸的残基上 最后 磷酸化的VanR作用于启动子 Pro 启动van基因簇的转录和对糖肽类抗生素产生耐药性的表达 如图所示 VanS和VanR的调节机制 细菌对万古霉素产生耐药性的作用机制 推测的VRSA的形成机制 第四节具有抗耐药菌作用的新的糖肽类抗生素 一 达托霉素 化学结构 达托霉素由13个氨基酸组成 其中十个氨基酸组成一个氨基酸环 另有3个氨基酸排列成线状 这三个氨基酸末端的L 色氨酸接着一个十碳癸酸 一 达托霉素 作用机制 达托霉素的抗菌机制与糖肽类抗生素的作用机制不同 它可扰乱细胞膜对氨基酸的转运 从而阻碍细菌细胞壁肽聚糖的磷壁 酸 脂质 LTA 的生物合成 改变细胞质膜的性质 另外 它还能通过破坏细菌的细胞膜 使其内容物外泄而达到杀灭细菌的目的 也有报道是其与细胞膜的结合 导致膜电位的降低 从而破坏胞内RNA和DNA的合成 最终抑制细菌生长 该抗生素的抗菌活性为浓度依赖性的 并受到pH和离子化钙浓度的影响 一 达托霉素 抗菌活性 达托霉素具有在体外抗绝大多数的临床革兰阳性菌的作用 主要用于耐药菌 如耐万古霉素肠球菌 VRE 耐甲氧西林金葡菌 MRSA 糖肽类中等敏感的金葡菌 GISA 凝固酶阴性葡萄球菌 CNS 和耐青霉素肺炎链球菌 PRSP 的感染 对于这些耐药菌可选择的抗生素很少 一 达托霉素 抗菌活性 达托霉素的抑菌活性如下 对MRSA MIC50 0 25 2 g ml 青霉素耐药肺炎链球菌 MIC50 0 03 1 g ml 具有极好的活性 对甲氧西林敏感和耐药金葡菌的MIC MBC为0 5 0 5 g ml 对万古霉素中度敏感金葡菌的MIC MBC为2 0 4 0 g ml 一 达托霉素 后效应 PAE 达托霉素可产生PAE 在低于MIC浓度下 可表现出抗微生物的效应 用活细胞计数法 在暴露于15mg L的达托霉素12h后 4种金葡菌和2种肠球菌所产生的PAEs分别为2 4 5 3h和3 5 3 9h 荧光法测得的金葡菌和肠球菌的PAE为6 3 6 7h 对肺炎球菌的PAEs持续1 0 2 5h 平均1 7h 在亚MIC 0 4个MIC 浓度下 对金葡菌和肺炎球菌的PAEs时间持续分别从3 0到 12 0h 以及1 9到 12 0h PAE的大小与体内达托霉素结合蛋白的量有很大的关系 二 雷莫拉宁 化学结构 新型糖肽类抗生素 由十七个氨基酸残基首尾相连组成缩肽骨架 在此骨架上结合二个 甘露糖以及不同的酰氨基侧链 不同组分侧链不同 二 雷莫拉宁 化学结构 二 雷莫拉宁 作用机制 特异地抑制细胞壁上肽聚糖的生物合成 研究表明这种抑制方式与万古霉素及替考拉宁的作用方式不同 抑菌作用发生在转肽反应之前 是一种膜上反应的抑制物 抑制UDP N 乙酰 D 葡萄糖胺的掺入作用 万古霉素及替考拉宁的抑制作用主要发生在肽聚糖的延伸和交联水平上 即作用于肽聚糖生物合成的后期 二 雷莫拉宁 适应症 由VRE引起的血液感染 革兰氏阳性梭状芽胞杆菌引起的痢疾 对糖肽类抗生素敏感性下降的金黄色葡萄球菌 Glycopeptide intermediateSA GISA 及凝固酶阴性葡萄球菌 Glycopeptide intermediateCoagulase negativeStaphylococci GICNS 等耐药菌引起的感染 二 雷莫拉宁 抗菌活性 体外试验发现 雷莫拉宁对一些具有耐药性的病原菌有显著的抑菌效果 如对甲氧西林耐药株或是敏感株 以及表皮葡萄球菌 溶血葡萄球菌等MIC90值均小于0 5ug ml 雷莫拉宁具有良好的抗菌活性 其最小抑菌浓度显著低于甲氧西林 万古霉素和替考拉宁 大部分病原菌 革兰氏阳性 对雷莫拉宁敏感性均高于万古霉素和替考拉宁 如对PRSP和PISP的抑菌活性是万古霉素的2倍 是青霉素的4 64倍 未发现雷莫拉宁与其它抗生素的交叉耐药性 三 半合成糖肽类抗生素 三 半合成糖肽类抗生素 三 半合成糖肽类抗生素 1 对糖肽类抗生素中的结合域进行改造 万古霉素等糖肽类结构中肽骨架上存在五个能与D Ala D Ala结合的位点 研究者曾试图通过将七肽结构缩短 加长 将1 3位上的氨基酸进行替换等方法改变肽骨架结构 从而产生带有能与D Ala D Ala以及D Ala D Lac Ser 有效结合的肽骨架的新化合物 不幸的是 所有这些试验的结果表明通过改变后所得到的化合物的生物活性降低 然而通过将3位上的天冬氨酸用疏水氨基酸替代结果增强了万古霉素和D Ala D Lac的结合 这一结果表明通过对糖肽类抗生素中七肽结构进行改造从而产生新化合物的可能性是存在的 三 半合成糖肽类抗生素 2 改造和增加功能团 万古霉素分子通过形成二聚体能够增强与细菌中靶点的结合力 万古霉素肽骨架的6位上添加一个氨基糖 2位芳香族氨基酸支链上的处于间位上的氯都能增加万古霉素二聚体的形成 另外 对肽骨架的末端进行改造也是一种有效的方法 将羧基进行氨基化也能增加化合物的活性 三 半合成糖肽类抗生素 3 改变糖肽类抗生素结构中的糖 虽然糖肽类抗生素中的糖基位置远离万古霉素与其作用靶点的结合域 但是糖基对糖肽类抗生素的生物活性有很重要的影响 实验表明 万古霉素和替考拉宁无糖基糖苷的生物活性明显降低 天然糖肽类化合物chloroeremomycin与万古霉素相比活性增加 其肽骨架的6位上添加了4 epi vancosamine 另外 将万古霉素中的vancosamine用疏水结构取代也能使活性明显增加 这一变化有点模仿替考拉宁衍生物结构中的亲脂侧链 同时还发现取代结构用烷基化结构比酰基化结构更为有效地增加万古霉素活性 Oritavancin LY333328 由EliLily公司合成 现在由InterMune公司进行开发 Oritavancin是不同于万古霉素的另一个天然的糖肽类抗生素 chloroeremomycin 的N 氯二苯基衍生物 其抗VRE的活性比母体高80 1000倍 两次III期临床研究表明该抗生素安全有效 Dalbavancin BI397 是天然糖肽类化合物A40296的衍生物 Dalbavancin是万古霉素族的新一代抗生素 能够用于治疗MRSA和MRSE methicillin resistantStaphylococcusepidermidis 所引起的严重感染 体外实验表明dalbavancin作用为杀菌而不是抑菌 该药已经进行治疗皮肤和软组织感染的两个III期临床和治疗血管感染的II期临床研究 Telavancin TD6424 Theravance公司研究开发 为万古霉素半合成产品 在万古霉素糖胺上连接疏水性侧链 decylaminoethyl 和在骨架上连接磷酸氨基 phosphonomethyl III期临床研究表明该抗生素对医院内获得性肺炎的治疗安全有效 三种新糖肽类抗生素与万古霉素和替考拉宁体外抗革兰阳性菌活性的比较 三种新糖肽类抗生素与万古霉素和替考拉宁体内药代动力学和药效学的比较 四 万古霉素耐药基因产物抑制剂的研究 通过对VRE临床表型VanA和VanB耐药分子机制的研究 人们利用一些合理的模型进行理性化设计 以期获得能够逆转这些耐药表型的新颖药物 其中一种方法就是寻找与耐药有关的5种蛋白VanS VanR VanH VanA和VanX的抑制剂 1 VanS VanR抑制剂 VanS VanR作为万古霉素抗性菌株的双组分调节系统 two componentregulatorysystems TCS 现已成为人们筛选抗MRSA和VREF药物新的作用靶点 VanS VanR抑制剂 化合物1 4化合物5 8R1 1 4分别为3 5 I23 5 Cl25 CF33 OHR1 5 8分别为3 5 Cl23 5 I23 5 CF3 23 OH 化合物9 10R2 9 10分别为4 Cl 3 CF3和4 t Bu 2 D 丙氨酸 D 乳酸连接酶 VanA 抑制剂 研究发现所有的D Ala D X连接酶都具有一个 ATP柄 grasp 它们有一个共同的过渡中间体D Ala1 P 推测VanA的反应机理是 酶先与D Ala1结合 随后是在ATP的作用下自我磷酸化 然后受到亲核氨基供体的攻击 形成四面中间体 最后释出Pi 2 D 丙氨酸 D 乳酸连接酶 VanA 抑制剂 根据所研究VanA的这些结构特点 为设计合成有效的亚磷酸盐抑制剂奠定基础 3 VanX抑制剂 VanX是依赖金属Zn的D 丙氨酸 D 丙氨酸二肽 D Ala D Ala 酶 是万古霉素高水平耐药性所必须的 该酶能对带有庞大C 端氨基酸的二肽进行加工 与活性中心Zn相连的氨基