抗菌药物作用机制与细菌耐药性--陈代杰.ppt

抗菌药物作用机制 与细菌耐药性陈代杰上海医药工业研究院 上海来益生物药物研究中心研究抗菌药物作用机制 和细菌耐药性的目的n指导临床和非临床的合理用药n开发新的更为有效的药物产生细菌耐药性的主要原因抗菌药物的滥用，导致对细菌产生巨大的选 择压力（selective pressure），使那些原 来只占极小比例的耐药菌（10-6~10-9，自 发突变频率），迅速繁殖动物很可能是一个蓄积耐药细菌，并向人体 传递耐药细菌的储蓄库 ß-内酰胺类抗生素 作用机制及细菌耐药性β- 内酰 胺类 抗生 素的 基本 结构 特征细菌细胞壁结构所有的细菌都具有环绕着细胞膜的细胞 壁细胞壁的主要功能是：保持细胞形态 ，以及保护细胞免受由于环境渗透压变化 造成的细胞溶解传统地可以把细菌分为 革兰阳性菌、革兰阴性菌和耐酸菌三种 一、 β-内酰胺类抗生素作用机制细菌细胞壁结构在这三种细菌的细胞壁中都具有肽聚 糖组分，其由N-乙酰胞壁酸（N- acetylmuramic acid，NAM））和N-葡 萄糖胺（N-acetylglucosamine，NAG） NAM 和NAG紧密连接成线状，线 与线之间通过连接在NAM 和NAG上的内 肽桥的连接成片状（图），片与片的堆积 成为细胞壁的肽聚糖（图）。

肽聚糖片的形成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 革兰阳性菌肽聚糖细胞壁的形成 革兰阴性菌的细胞表面结构脂多糖的构成 耐酸菌的表面结构耐酸菌（如铜绿假单胞菌合分支杆 菌）的肽聚糖层比较薄，其外膜结构也 与革兰阴性菌不同，由被称之为分支酸 的蜡脂组成这种分支酸与aribanogalactan糖 脂可以调节合阻止某些药物或化学物质 穿过细胞壁，使细胞具有较高的抗性 耐酸菌的表面结构三种不同细菌的细胞壁结构比较 β-内酰胺类抗生素的作用机制 第一阶段从Fleming观察到青霉素抑杀革兰 氏阳性细菌要比革兰氏阴性细菌列为有 效开始，至1945年观察到青霉素对细 菌的形态学的效应为止，人们得出的结 论是青霉素必定干扰了细菌细胞的表面 结构 β-内酰胺类抗生素的作用机制第二阶段随着对细菌细胞壁的分离和粘肽组成的 认识开始，人们观察到在青霉素的作用下， 细菌细胞变成了球形，很类似受溶菌酶作用 而产生的原生质体，由此认为青霉素必定影 响了细胞壁的合成Park及其同事则观察 到受抑制的葡萄球菌累积了尿核苷，推测这 是由于青霉素阻断了细菌细胞壁合成的某一 步 β-内酰胺类抗生素的作用机制第三阶段开始于1957年，人们阐明了粘肽 的结构及其生物合成，并确定青霉素是 抑制了粘肽生物合成的最后一步(转肽 反应)。

β-内酰胺类抗生素的作用机制各种青霉素类、头孢菌素类和非典 型的β-内酰胺类抗生素都能抑制粘肽 合成的转肽反应而使两条聚糖链不能连 接成交链结构 交链系统酶促反应 DD-羧肽酶DD-转肽酶内肽酶青霉素(A)和D-丙氨酰-D-丙氨酸(B)的立体模式 β-内酰胺类抗生素的作用机制近年来对细菌细胞膜进行了深入研 究，发现细菌的细胞膜上有特殊的蛋白 质分子，能与β-内酰胺类抗生素结合 ，被称之为青霉素结合蛋白(Penicillin Bonding Proteins，PBPs)，它具有 很高的转肽酶和羟肽酶活力，是这类抗 生素抑制作用的靶蛋白 二、细菌对β-内酰胺类抗生素 产生耐药性的作用机制 1、抗生素作用靶位PBPs亲和力发生改变； 2、破坏β-内酰胺类抗生素分子的β-内酰胺酶 ； 3、药物外排介导的耐药机制由PBPs-介导的对对β-内酰胺类抗生素产生耐药性的作用机制 具有嵌入结构的青霉素耐药脑膜炎双球菌PBP2的基因结构有嵌入结构的7种不同国家和地区来源的青霉素耐药脑膜炎球菌PBP2的基因结构 耐药菌名称PBPs改变情况革 兰 阳 性 菌枯草芽孢杆菌PBP2亲和力下降产气夹膜梭菌PBP１亲和力下降南非肺炎链球菌PBP2a亲和力下降 新出现PBP2a’（为高分子量PBP2a） PBP2b丧失 PBP1a和PBP1b亲和力下降美国肺炎链球菌PBP1和PBP1亲和力下降 PBP2b含量降低 新出现PBP2’屎链球菌新出现缓慢反应的或可诱导的 PBPs S.faurens同上屎链球菌具有缓慢反应的PBPs革 兰 阴 性 菌奈瑟氏淋球菌PBP2亲和力降低、外膜蛋白缺 失 铜绿假单胞菌对所有PBPs的亲和力降低大肠埃希氏菌PBP3中的四个氨基酸被取代、亲和力降 低嗜血流感菌PBP3a和PBP3b亲和力降低一 些 β- 内 酰 胺 抗 生 素 耐 药 性 细 菌 与 PBP s的 改 变 情 况 β-内酰胺酶介导的对 β-内酰胺类抗生素产生耐药性的作用机制在耐药性革兰阳性菌如葡萄球菌中 的β-内酰胺酶是以胞外酶的形式分泌 至胞外来破坏这类抗菌药物，或是细菌 含有的转肽酶不能与这类药物结合而产 生耐药性。

β-内酰胺酶介导的对 β-内酰胺类抗生素产生耐药性的作用机制在革兰阴性菌中，这类抗菌药物透 过细菌细胞外膜的孔蛋白进入细菌的周 质，而在细胞周质中的β-内酰胺酶能 够破坏已经进入胞内的这类药物，致使 药物不能与PBPs结合而产生耐药性 β-内酰胺酶介导的 对β-内酰胺类抗生素产生耐药性的作用机制β-内酰胺酶既能够存在于革兰氏阳性菌也 能够存在于革兰氏阴性菌中，因而它对细菌的 耐药性似乎所作的贡献更大；由PBPs介导的细菌耐药性仅存在于革兰氏 阳性菌因此，革兰氏阳性菌对β-内酰胺类抗 菌药物的耐药性主要由β-内酰胺酶和PBPs的亲 和力降低或产生新的PBPs所致；而革兰氏阴性菌对β-内酰胺类抗菌药物的 耐药性主要由β-内酰胺酶和细胞膜渗透性屏障 （药物难以透过或极慢透过孔蛋白）所致 β-内酰胺酶耐药性的发展1、 1940年首次在大肠埃希氏菌中确定β-内 酰胺酶随后这种酶在许多其它细菌中被检 测到 2、1944年明确了产生β-内酰胺酶(青霉素酶 )是金葡菌对青霉素耐药的机理当时这种 耐药菌的产酶水平较低,但随着青霉素的广 泛应用,产酶水平和机率都随之增加 3、20世纪50年代末在医院分离到的大多数金 葡菌产生这种酶。

β-内酰胺酶耐药性的发展1957年,随着青霉素母核6-APA被分离,出现了半 合成青霉素,β-内酰胺酶作为一种耐药机理具有了 重要意义例如,广谱青霉素类,氨苄青霉素和羧苄青霉素 以及后来的羟氨苄青霉素和替卡西林,对金葡菌和肠 杆菌科的许多细菌产生的β-内酰胺酶是不稳定的, 这些产生β-内酰胺酶的菌株对这些广谱抗生素产生 了耐药性拟杆菌属也产生β-内酰胺酶,对氨苄青霉素和 羟氨青霉素耐药￿￿β-内酰胺酶耐药性的发展1、在1961年氨苄青霉素首次应用时,在英国医院分离的 大肠埃希氏菌耐药菌株占15%～20%,而近年来在医 院内和医院外这些耐药菌株已高达40%； 2、今天所产生的β-内酰胺酶粘膜炎布兰汉氏球菌比十 年前更为常见，最近从各个不同国家分离出的这种耐 药菌的比例已从38%上升到78%； 3、另外,自半合成青霉素出现以来,过去β-内酰胺酶呈 阴性的某些病原菌中也已出现了产生β-内酰胺酶菌株 4、1974年,首次在流感嗜血杆菌中发现了产生β-内酰 胺酶的耐药菌； 5、1976年,第一次报告在淋球菌中有产生β-内酰胺酶 的菌株；近来又在粪链球菌及脑膜炎双球菌中也出现 了产生β-内酰胺酶的菌株。

β-内酰胺酶的作用特征 1、分布：β-内酰胺酶广泛分布于革兰氏阳性和阴性菌 及放线菌和分支杆菌中；它们既能在细菌壁外,也 能在细菌壁内起作用 2、存在形式：在革兰氏阳性细菌中,如金葡菌,这种酶分泌 于细胞外,即为胞外酶,使菌体细胞上的抗生素失去 活性；而在革兰氏阴性细菌中,β-内酰胺酶常存在 于细胞周质内，即为胞内酶,该处也有青霉素靶酶, 在这种情况下,抗生素在周质中被广泛灭活,而在细 菌壁外的灭活是微不足道的在有些情况下,产生β-内酰胺酶的遗传信息存 在于染色体中；而在另一些情况下则存在于质粒 中β-内酰胺酶的作用特征3、传递：质粒的复制可以很快地从一个细菌 细胞传递到另一个细菌细胞,这种传递 不仅可发生于同种细菌间,而且也可发 生在不同种细菌间甚至不同的属间因 此,就产生了在不相关的细菌间耐药性 散播的可能性￿￿ β-内酰胺酶的分类Richmond和Sykes分类法（表）:这种分类系统的依据有3点:一是这种酶对不同β-内酰胺类抗生素的水 解速度；二是对β-内酰胺酶抑制剂的敏感度；三是这种酶的产生是由质粒介导的还是由 染色体介导的由此可将β-内酰胺酶分成如下5种类型: Richmond 2)当其A组分与50S 亚基结合后能够诱导 产生永久性即使A组分去除的构像变化 ，这种变化一直保持到核糖体解离至亚 基准备进入第二次循环。

链阳性菌素可能的分子作用模式细菌对MLS类抗生素产生 耐药性的作用机制尽管MLS类抗生素的抗菌作用机制与其结 构特征基本无关，但细菌对这类抗生素产生耐 药性的作用机制是不同的，它包括：内在性耐药（intrinsic resistance）；获得性耐药（acquired resistance）所谓的内在性耐药即为细菌的天然耐药性 ，如许多革兰氏阴性杆菌尤其是一些肠杆菌、 假单孢菌和不动杆菌对MLS类抗生素的耐药似 乎是由于细胞外膜的渗透性所致这些细菌的细胞外膜限制脂溶性抗菌药物 和分子量大于500的MLS类抗生素进入胞内 细菌的这种内在性耐药影响了所有的MLS类抗 生素的抗菌活性 葡萄球菌对MLS类抗生素产生耐药性的三种作用机制 耐药药 机 制基因 对对各种MLS类类 抗生素产产生耐药药性a Er yO l eM a cLi nCliSg BSg ASg靶位 修 饰饰ermb ermcR RS/ R RS RS RS RS RS SS s药药物 钝钝 化linA lsa saa- sb hS S SS S SS S SR I S/ Is I S/IS S RS R RS I R主动动 转转 运epAd msrAR RR RS SS SS SS ReS SS ND细菌对红霉素产生耐药性的作用机制① 影响红霉素在胞内的积累（大环内酯 的外排机制）； ② 破坏红霉素的结构使其失去抗菌作用 ； ③ 改造或修饰红霉素在核糖体上的结合 作用位点。

￿￿外排机制介导的细菌对大环内酯类抗生素 产生的耐药性革兰阳性菌和革兰氏阴性菌都可以通过过 量表达外排泵这种膜蛋白来产生红霉素抗性作 用外排泵是一种运输蛋白，用于将有毒物质 （包括临床上所用的抗生素）排出细胞外当细胞膜上的外排泵蛋白将红霉素泵出细 胞外的速度远远快于红霉素流进细胞内的速度 时，胞内的红霉素浓度就会降低，于是大部分 核糖体因没有红霉素的结合而继续合成蛋白， 细胞也就能在存在红霉素的环境中存活下来 ￿￿外 排 机 制外排机制钝化 酶机 制介 导的 细菌 对大 环内 酯类 抗生 素产 生的 耐药 性细细菌名称被钝钝化的 抗生 素钝钝化酶名称基因定位基因 名 称 金黄色葡萄球菌SA SB L LSA O-酰酰基转转移酶 SB 水解酶 ND ４-L O-核苷酰转酰转移酶 pIP524 pIP524 ND pIP856saa sbh LinA’人葡萄球菌MND pIP860 溶血葡萄球菌 L４-L O-核苷酰转酰转移酶pIP855LinA’ 乳房链链球菌L４-L O-核苷酰转酰转移酶NDLinA’ 屎链链球菌SANDpIP815 乳酸杆菌属M SA ML MS MLSND NDND产产气荚荚膜梭状 芽孢孢杆菌SNDND 链链霉菌M L LND 3-L O-磷酸转转移酶 3-L O-核苷酰转酰转移酶ND ND ND 假单孢单孢菌MNDND 大肠肠艾希氏菌M M M红红霉素I型酯酯酶 红红霉素II型酯酯酶 大环环内酯酯2’-磷酸转转移酶pIP1100 pIP1527 NDereA ereB红霉素 酯酶的 作用机制 核糖体改变或修饰机制介导的细菌 对大环内酯类抗生素产生的耐药性抗性细菌第三个产生耐药性的途 径就是改造或修。