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制和药物耐性、抗生素的特点、选择性作用：某些抗生素只作用于特定种类的微生物，即抗菌谱。 例如青霉素一般只作用于革兰氏阳性菌，多粘菌只作用于革兰氏阴性菌，抗菌谱狭窄。 氯霉素、四环素等有抑制多种细菌的作用，被称为广泛抗生素。 选择性毒性：抗生素对人和动物的毒性远小于致病菌的毒性，称为选择性毒性。 通常，抗生素在极低浓度下可以选择性抑制或杀死微生物。 选择性毒性是化疗的基础。 耐药性：细菌在抗生素的作用下会被大量的敏感菌抑制或杀死，但少数菌株会调节或改变代谢途径，变成不敏感菌而产生耐药性。 抗菌谱和抗菌活性、抗菌谱是指药物抑制或杀死病原微生物的范围。 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和敏感药物，可以选择具有不同抗菌作用的抗菌药物。 抗菌谱、窄谱抗生素作用于单菌种或某属细菌的抗生素称为窄谱抗生素。 例如，天然青霉素主要作用于革兰氏阳性细菌的链霉素主要作用于革兰氏阴性细菌。 广谱的抗生素可以杀灭或抑制多种不同类型的细菌，抗菌谱范围广，被称为广谱的抗生素。 例如四环素类、氯霉素类、庆大霉素、宽青霉素类、第三代头孢菌素类、氟喹诺酮类等。 半合成抗生素和人工合成抗菌药物多具有广谱抗菌作用。 抗菌活性，定义：抗菌药物抑制或杀死病原微生物的能力。 体外抗菌试验和体内试验疗法均可测定。 定量值：最小抗菌浓度：能够抑制培养基内细菌生长的最低浓度称为最小抗菌浓度(MIC )。 体外抗菌试验对临床用药有重要的参考意义。 最小杀菌浓度：能够杀死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)。 抗生素的抗菌作用和杀菌作用相对，有的抗生素在低浓度下显示抗菌作用，在高浓度下显示杀菌作用。 抗菌活性，抗菌药物：临床上指仅抑制病原菌增殖，无杀菌作用的药物。 例如磺胺嘧啶类、四环素类、氯霉素等。 杀菌药物：具有杀菌作用的药物。 例如青霉素类、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 )与感染动物半数有效量(ED50 )之比，即CI=LD50/ED50。 化疗指数是评价化疗药物安全性的指标：化疗指数越大，疗效越高，毒性越低，表明药物越安全，但化疗指数越大，绝对不安全。 抗生素的作用机制主要干扰病原微生物的结构和代谢过程。 主要是抑制细菌细胞壁的合成，提高细菌细胞膜的透过性，抑制细菌蛋白质的合成，增强抑制细菌核酸合成，阻碍细菌能量代谢的细胞吞噬功能。 抑制细菌细胞壁的合成，细胞壁的组成和功能：许多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，维持菌体内渗透压的功能。 抗生素作用于细胞壁的作用机制：青霉素类、头孢菌素类、万古霉素、军团菌肽、环丝氨酸等抗革兰阳性菌的抗生素可分别抑制肽聚合过程的不同环节。 这些抗生素的作用使细菌细胞壁缺损，菌体内的高渗透压使细胞外的水分不断渗透到菌体内，引起菌体的膨胀变形，活化自溶酶，使细菌分解死亡。抑制细菌细胞壁的合成，抑制4.2.1细菌细胞壁的合成，这种抗生素的特点：抑制细菌细胞壁合成的抗生素对革兰阳性菌的作用很强(革兰阳性菌细胞壁的主要成分是肽聚糖，占细胞壁重量的65%95% )。 菌体细胞质内渗透压高，约2030气压。 对革兰氏阴性菌的作用较弱(革兰氏阴性菌细胞壁的主要成分为磷脂，肽聚糖仅占110%； 菌体细胞质内渗透低，约为510气压。 由于主要影响繁殖的细菌细胞，因此这种抗生素被称为繁殖期杀菌剂。 增加细菌细胞膜的渗透性、细胞膜的组成和功能：细胞壁内侧的细胞膜是主要由脂质和蛋白质分子组成的半透膜。 功能维持渗透势垒，输送营养物质，排出菌体内的废弃物，参与细胞壁的合成等。 大多数细菌细胞的细胞膜外侧都有坚韧的细胞壁。 作用于细胞膜的抗生素的作用机制：细胞膜损伤后，透过性增加，菌体内细胞质中的重要营养物质(核酸、氨基酸、酶、磷酸、电解质等)泄漏而死亡，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，显示属于该作用方式的抗菌作用的抗生素有多肽类(如多肽b和硫嘌呤)和多烯类(如两性霉素b、益生菌等)。 多粘菌类的化学结构包括带正电的游离氨基，与革兰氏阴性菌细胞膜上带负电磷脂的磷酸根结合，损伤细胞膜。 阿奇霉素b和丙霉素等与真菌细胞膜上的类固醇结合，可损伤细胞膜的细菌细胞膜不含类固醇，对细菌无效。 动物细胞的细胞膜中含有少量类固醇，长期或大量使用阿奇霉素b会出现溶血性贫血。 抑制细菌蛋白质的合成，细菌蛋白质的合成过程：细菌蛋白质的合成位置在细胞质中的核糖体上。 蛋白质的合成过程分为开始阶段、延长阶段、结束阶段3个阶段。 作用于蛋白质合成的抗生素作用机制：许多抗生素影响细菌蛋白质的合成，但作用部位和作用阶段并不完全相同。 结合核糖体的不同部位，阻断蛋白质的合成，起抗菌杀菌作用。 某些抗生素作用于细菌蛋白质合成的三个阶段，如氨基糖苷类林可胺类，有些只作用于延长阶段。 抑制细菌蛋白质的合成，抑制、细菌蛋白质的合成，对动物细胞蛋白质的影响：细菌细胞和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和蛋白质、DNA的组成不同。 这种抗生素对动物细胞蛋白质合成影响小，动物生物毒性小。 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 )。 核酸具有积累遗传信息，控制蛋白质合成的功能。 此类抗生素抑制细菌核酸合成的作用机制：新生霉素主要影响DNA聚合酶的作用，影响DNA合成(主要影响革兰氏阳性菌)。 甘草酸抑制鸟嘌呤侵入DNA分子，阻碍DNA合成的利福平3354与DNA依赖的RNA聚合酶(转录酶)子单元结合，抑制mRNA转录。 (耐广域抗生素，尤其是结核菌)。 抗肿瘤抗生素丝裂霉素c、放线菌素等可抑制或阻碍细菌与肿瘤细胞DNA和RNA的合成。 抗生素作用效果、抗生素最低抑菌浓度(MIC )标准测定方法是使一定数量的细菌(105106/ml )连续与药物接触。 这与体内的实际情况有很大关系，体内的情况是许多细菌接触的药物浓度发生变化。 利用体外动力学模型，更准确地探索受感染患者的抗菌剂量，必须尽量了解药物与细菌相互作用的影响。抗生素作用的后效、抗生素后效(post-antibioticeffect，PAE )是指细菌与抗生素临时接触后，即使药物浓度低于MIC或被除去后，细菌的生长也会持续受到抑制的效果。 PAE是抗生素药效学的重要特性。 PAE这种现象在1950年代就已经被发现，但并不受到重视。 20世纪70年代中期以后，对PAE的研究越来越深入。 目前，PAE已成为评价新的抗生素用药方案，指导临床合理用药的重要指标。 抗生素后效应的测定方法、抗生素后效应的测定方法可以简单地用药物清除后细菌生长动力学的测定方法来决定。 最标准化的方法是清洗、药物钝化，或以1001000倍的稀释度稀释到新鲜培养基中，迅速除去药物。 用这个方法测量PAE的曲线的话，没有接触过药物的对照组开始平稳的生长，之后马上进入对数生长的长期的测量组的表现不是那样的。 但是，测定组菌体经过10倍数的时间后，其后的生长速度与对照组的生长速度一致。 影响PAE的因素，抗生素种类：体外PAE因抗生素种类而异。 通常，在革兰氏阳性球菌中，抑制RNA和蛋白质合成的药物，例如大环内酯类、氨基糖苷类的PAE最长的DNA回旋加速器抑制剂，例如氟喹诺酮类； 内酰胺类和叶酸抑制剂，如磺胺类，PAE最短。 革兰阴性杆菌中，抑制RNA和蛋白质合成的药物也有着名的PAE。 阿奇霉素在肺炎链球菌和流感菌产生的PAE和克拉霉素有显着差异的红霉素在肺炎链球菌的PAE和克拉霉素有显着差异。 影响PAE的因素、抗生素浓度与细菌接触时间：大环内酯类抗生素后效的研究表明，PAE效应与抗生素浓度和接触时间有关。 红霉素对脓链球菌在5MIC时PAE为3h，在10MIC时为5h的阿奇霉素在8MIC时对流感菌的PAE高于4MIC时。 接触时间内，流感菌与阿奇霉素接触2h组，PAE值远高于接触1h组。 多数情况下，大环内酯类仅在药物浓度在MIC以上时出现PAE效应，510MIC时PAE最长。 影响PAE的因素、抗生素联用情况：抗生素联用对PAE的影响不同，不同菌属也有差异，但公认-内酰胺类和氨基糖苷类联用，PAE明显可延长。 例如，上述并用与黄色葡萄球菌和绿脓杆菌并用时相比，延长了13.3h的布洛芬并用，延长了2.83.3h。 但这种联合应用对大肠杆菌和肺炎克雷伯菌无效。 另外，使3浓度的克拉霉素和固定浓度的乙醇对鸟型结核分枝杆菌作用2h时，没有发现PAE的延长。 影响PAE的因素、不同的方法和计算公式：目前测定PAE的方法除传统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、电子流计数法和生物荧光分析法。 采用不同的研究方法，PAE明显不同。 使大肠杆菌NCTC4174与100MIC美洛配能接触后，各方法测定的PAE数据为菌落计数法0.20.3h、生物荧光分析法2.60.3h、形态学变化法4.00.6h，两者之间存在显着差异。 影响PAE的因素及其他因素：温度pH接种用的培养基等上述因素影响有限，但据报道，在41.5的高温下酰亚胺配能/胱氨酸对铜绿假单胞菌的PAE有显着降低。 PAE期间的细菌学特性，在PAE期间的细菌特性，在微观上与正常细菌和与药物接触的细菌不同，其微观变化大致有以下几点： 细菌表面亲水性、疏水性的变化： PAE期间，阿奇霉素与红霉素接触的4h、4种链球菌的疏水性降低。 去除药物20后，实验组脓链球菌与对照组有显着差异，但变异链球菌和血链球菌两组基本相同。细菌表面粘附性变化： 2倍与MIC抗菌药物接触后，表皮葡萄球菌粘附性降低近12小时，与对照组有显着差异的6倍MIC粘附性超过24h。 扫描电镜观察对照组表皮葡萄球菌与静脉修复移植物表面扇形生长的6倍MIC药物接触后，实验组细菌粘附性明显下降，呈单一、点状分布。 PAE期间细菌学特性、细菌溶血活性的变化：大肠杆菌内外溶血素活性比较结果表明，PAE期间细菌胞外溶血素至少降低2h，而细胞内溶血素仅降低1h。 红霉素可抑制PAE期间及其后脓链球菌溶血素的发生，对跨膜转运无影响。 抗生素敏感性的改变：红霉素对PAE，肺炎链球菌对氨苄青霉素有杀菌作用。 这种现象与抗生素和细菌种类有关，如细菌在PAE期间对内酰胺类药物的敏感性低于氨基糖苷类的革兰氏阴性杆菌的降低大于金黄色葡萄球菌。 PAE期间的细菌学特性及其他： PAE期间，铜绿假单胞菌内部聚集了电子云。 另外，其渗透性、对单核细胞的敏感性也有变化。 抗生素产生PAE的机制、抗生素产生PAE的机制尚不完全清楚。 细菌与抗生素接触，药物清除后，酶与非酶蛋白的活性变化、细菌形态学变化、细菌代谢与生长抑制、细胞受体变化、对吞噬作用的敏感性变化、抗生素再接触的敏感性变化等，可给细菌带来多种变化。 其中许多与PAE密切相关，可能是PAE的作用机制。 种类和抗菌作用原理不同的抗生素，PAE的产生原理也不同。 因此，用时间概念简单描述PAE是不合理的。 内酰胺类抗生素产生PAE的机制，该抗生素与细胞膜青霉素结合蛋白(PBPS )结合，该蛋白是细胞壁合成所必需的酶。 药物与其形成共价键，破坏细胞壁的合成，抑制棒状细胞的形成，使细菌产生无细胞壁的球体。 PAE表示球体重新合成细胞壁所需的时间，即细菌重新合成新的生物PBPS所需的时间。 PAE产生的另一种抗生素可能是在抗生素与细菌靶酶分子结合后，抗生素从靶区分离，酶恢复活性所需的时间。 由于细菌不同，酶合成和解离的时间也不同，因此PAE的长度也不同。 内酰胺类抗生素如果革兰阴性杆菌的PAE小或没有PAE，则结合的PBPS可能会迅速解离。 糖肽类抗生素产生PAE的机制，万古霉素和替吉丁只有革兰氏阳性菌产生PAE。 PAE延迟了抗生素从结合部位去除的时间。 药物的清除必须在细菌恢复分裂、增殖前出现。 烟碱产生比万古霉素长的PAE，与前者有更大的亲油性，与细菌结合部位有更强的亲和力有关。 氨基葡萄糖苷的抗生素产生PAE的机制是这种抗生素与核糖体的亚基结合，干扰蛋白质的合成。 用这种抗生素观察到的PAE表示药物从结合部位解离，到细菌和核糖体再合成为止的时间。 大环内酯类抗生素产生PAE的机制，这种抗生素的抗菌机制与氨基糖苷类抗生素类似，但PAE产生机制不同。 观察到红霉素和肺炎链球菌在低温下接触，但PAE在24小时内没有消失，预计在此期间红霉素和核糖体分离。 因此，红霉素的PAE可能不是红霉素蛋白质复合体解离的时间，而是相关蛋白质再生所需要的时间。 大环内酯类抗生素产生PAE的机制进一步研究表明，PAE的机制复杂，目前已知的作用机制可能与以下几点有关： 细菌非致死性损伤和细菌靶位持续耦合大环内酯类抗生素的PAE机制可逆耦合敏感细菌核糖体50S亚基，引起细菌蛋白合成抑制和细菌非致死性损伤。据报道，细菌蛋白质的合成在药物4h消失之前不会恢复。 因此，大环内酯类的PAE是药物和核糖体持续结合的过程。 抑制细