青霉烯及其代表药物法罗培南的研究进展

收稿日期:2004-09-14作者简介:孙小平,女,生于1977年,在读硕士研究生,主要从事抗生素和细菌耐药的研究。

文章编号:1001-8751(2005)03-0111-05 青霉烯及其代表药物法罗培南的研究进展　孙小平　综述　黄文祥　审(重庆医科大学附属第一医院感染科,重庆400016) 摘要:　青霉烯是一类非典型的β2内酰胺类抗生素。

与其它的β2内酰胺类抗生素包括碳青霉烯类相比,其结构明显不同。

因其具有广谱的抗菌活性,对β2内酰胺酶的高度稳定性,对青霉素结合蛋白的高亲和力等主要特点,而受到广泛关注。

其代表药物法罗培南是第一个开发上市的青霉烯类抗生素,对需氧及厌氧性革兰阳性菌、革兰阴性菌均显示出广谱的抗菌活性,是一类新的抗感染药物。

对青霉烯类抗生素的结构特点、作用机制、体内外研究等进行综述。

关键词:　青霉烯;法罗培南;β2内酰胺酶;青霉素结合蛋白中图分类号:　R97811+1 文献标识码:A 许多β2内酰胺类抗生素是在20世纪60年代至80年代发展起来的,并随着抗生素耐药性的出现而得到持续发展。

因其在治疗方面的高效和低毒性而得到广泛的认同。

并成为细菌感染性疾病的临床治疗基石。

然而过去50年的广泛应用导致了临床上许多重要的细菌对这些β2内酰胺类抗生素产生耐药。

这些耐药表型已经减少了临床上对β2内酰胺类抗生素诸如阿莫西林,阿莫西林加克拉维酸,头孢菌素等的使用频度。

这种耐药性问题的持续存在促使人们研发对β2内酰胺酶具有高度稳定性,高效抑制性的新型抗生素复合物。

目前天然的β2内酰胺类抗生素的筛选已近乎枯竭,人们将注意力转移到人工合成的β2内酰胺类抗生素中去。

青霉烯就是一种新型的非典型的β2内酰胺类复合物,于1977年设计并研制成功,其分子结构包含了一个青霉素和头孢菌素融合而形成的杂环结构,即向青霉素骨架中引入双键。

这类抗生素对β2内酰胺酶具有高度稳定性,而且抗菌谱广,抗菌活性强。

与碳青霉烯相比,青霉烯对厌氧革兰阳性菌和多数革兰阴性菌的抗菌活性均等同于或优于头孢菌素及青霉素类抗生素[1]。

青霉烯还具有优于碳青霉烯的特点,其母体化合物和酯型前药可口服吸收,不易被β2内酰胺酶水解。

同时对肾脱氢肽酶(DHP -1)较碳青霉烯稳定。

其代表性的药物法罗培南已在国外上市,投入临床使用。

1　青霉烯的结构分类β2内酰胺类抗生素的基本结构是由一个具有四个原子的β2内酰胺环,融合一个含五到六个原子的杂环构成。

根据在杂环1位原子的不同取代基又可衍生出不同的种类。

其中青霉烯类(penems)同头孢烯类(cephems)、青霉烷类(penams)一样,杂环1位原子是硫取代,它是由哈佛大学著名化学家woodward基于青霉素与头孢菌素融合的概念,向青霉素骨架中引入双键,以增大β2内酰胺环反应性,从而提高抗菌活性的图1设想而设计合成的(见图1)。

青霉烯类衍生物主要集中于杂环C22位侧链的取代上,主要有S2取代、C2取代和O2取代[2]。

因而根据取代基的不同青霉烯类又主要有硫取代青霉烯(thiopenems)、氧取代青霉烯(oxypenems)、氨基取代青霉烯(aminopenems)、烷基取代青霉烯(alkylpenems )和芳基取代青霉烯(arylpen 2ems )五类。

其中,青霉烯BRL42715的结构又是明显不同于其它五类,该分子在C 22位上没有取代基,而是在β2内酰胺环C 26位上存在一个庞大的取代基团,使得该分子对C 类β2内酰胺酶具有明显的抑制作用,但没有抗微生物活性。

通过结构和活性关系的研究发现,青霉烯类抗生素C 23位的自由的羧基和C 26位的1(R )-羟乙基基团是必须的。

能保持其具有较高的活性和对β2内酰胺酶的稳定性,因此供修饰的只有C 22位。

比较不同类型的C 22位取代青霉烯发现,连接原子的类型决定了其潜在的抗革兰阴性菌的活性[3](见图2)。

图2　青霉烯类衍生物 尽管青霉烯类与碳青霉烯类化学结构有明显不同,但两者常被混淆。

青霉烯是在C 22和C 23位间含1个不饱和双键的5元二氢噻唑环再融合一个β2内酰胺环构成。

在杂环1位的原子是硫原子,改变了分子的三维结构。

相反,碳青霉烯类是在β2内酰胺环的基础上融合了一个不饱和的5元环,其杂环1位的原子是碳原子(见图3)。

图3　青霉烯类与碳青霉烯类母核结构青霉烯和其它β2内酰胺类抗生素的结构上的差别降低了其免疫原性和免疫交叉反应性。

世界上有10%的人对青霉素过敏,而这些人中又有10%的人对头孢菌素过敏。

青霉素的β2内酰环和赖氨酸残基中的ε氨基反应形成青霉素蛋白抗原。

而当头孢菌素的β2内酰胺环以此种方式被打开后,其分子中的杂环(环形母核)通常是被水解,仅留下在7位上的侧链和决定抗原性的蛋白结合。

青霉素类和头孢菌素类分别通过在(β2内酰环)6位、7位上的取代基的不同而衍生变化,分子中的杂环部分则是相对较少发生变化的。

相反,青霉烯类衍生物主要集中于(杂环)C 22位的取代,使得分子的这部分更富于变化。

出于这个原因,就降低了和青霉素类,头孢菌素类的交叉免疫原性。

一项研究发现,在兔模型中法罗培南对一大类β2内酰胺类抗生素仅具有低水平的交叉反应抗体[4]。

2　作用机制β2内酰胺环和细菌的靶蛋白相互作用,是β2内酰胺类抗生素保持抗菌活性必不可少的结构。

不同的侧链和杂环结构反映了不同β2内酰胺类抗生素之间不同的分子立体结构和理化性质。

这些性质联合影响着药物分子穿过细胞膜的能力(使之能够和靶蛋白结合,增加其抗菌活性)、与血清蛋白结合的能力(影响药动学)、与β2内酰胺酶结合的能力(影响对细菌耐药机制的敏感性和药物在机体内的稳定性)、以及进入机体不同组织的能力。

与其它β2内酰胺类抗生素相似,青霉烯类能穿过细菌细胞膜,并与青霉素结合蛋白(PBP )结合,阻止细菌细胞壁的合成。

与许多β2内酰胺类相比,青霉烯与PBP 的亲和力更高[5]。

尤其是对PBP2b 的亲和性最为显著,这也部分解释了青霉烯类对青霉素敏感性降低的肺炎链球菌具有良好的杀菌活性[5]。

青霉烯比青霉素和头孢菌素的抗菌谱更广,这应归于它们更小的分子质量(一般约为297163u)和起促进作用的离子化特性[6]。

这些因素允许它们既能与革兰阳性菌也能与革兰阴性菌的PBP结合。

像其它β2内酰胺类抗生素一样,青霉烯类也能够引起敏感菌的形态学变化并具有杀菌作用。

青霉烯类的另一个重要特征就是对细菌和哺乳动物类的β2内酰胺酶稳定(如DHP)。

细菌产生的β2内酰胺酶构成了细菌对β2内酰胺类抗生素产生耐药的主要机制,从而限制了一些β2内酰胺类抗生素的使用,或者必须和β2内酰胺酶抑制剂联合应用,如与克拉维酸联合使用,以恢复其抗菌活性。

尽管与β2内酰胺酶抑制剂的联合用药能够克服某些耐药菌株的耐药问题,但是一些特殊的不良反应也非常显著,(如阿莫西林与克拉维酸的联合用药导致胆汁郁积性黄疸的发生),并且不是所有的β2内酰胺酶都能够被抑制。

因此对β2内酰胺酶高度稳定又没有不良反应的抗生素受到广泛关注。

3　体内外研究对于青霉烯类的体内研究较少有公开的数据报道,而且在动物模型中,对青霉烯的评论也是复杂的。

因为在不同的物种之间DHP的特性和组织分布是不同的。

就人而言,DHP并没有被广泛的表达,但肾DHP引起早期碳青霉烯类抗生素的迅速水解,迫使其与DHP的抑制剂如西司他丁联合应用达到杀菌效果。

青霉烯表面上和碳青霉烯具有相似的结构,但对DHP 的稳定性上具有明显的优势,不需要与抑制剂联合应用。

在一项研究中,青霉烯CGP31608静脉内给药,约52.1%～57%经肾以原型由尿中排出,而对没有加抑制剂的碳青霉烯亚胺培南,仅有12%～42%经原型消除,大部分被肾DHP水解。

大多数青霉烯类必须经胃肠外给药,随着前体药的发展,这种情况被克服。

青霉烯的药动学和其它β2内酰胺类抗生素相似,典型的半衰期约1h,主要通过肾消除。

多个感染动物的模型研究表明,对于金黄色葡萄球菌、肺炎链球菌引发的系统感染中,青霉烯类比头孢菌素和一些碳青霉烯类更有效,较亚胺培南2西司他丁疗效差些。

对于下呼吸道感染普遍优于第三代头孢菌素。

青霉烯类的体外活性、对β2内酰胺酶稳定性、对耐药菌株的抗菌活性体外研究表明,与其它β2内酰胺类抗生素相比,青霉烯对大多数革兰阳性菌和革兰阴性菌均具有较高的抗菌活性。

但大多数青霉烯类对铜绿假单胞菌、耐甲氧西林金黄色葡球菌和一些肠球菌无活性[7](其耐药机制与外膜屏障、外排泵系统、AmpC 酶的相互作用有关)。

总之,到目前为止青霉烯类无论是对于临床分离的耐药菌的体外抗菌活性,还是在体内对DHP的稳定性,及不良反应都比同类药具有明显的优势。

4　青霉烯类的代表药物法罗培南法罗培南(faropenem)是日本Suntory公司开发的青霉烯类抗生素,于1986年在日本获得专利。

1990年和1992年日本山之内制药公司和美国Wyeth-Ay2 erst公司分别获得该品的临床许可证,共同进行其临床研究。

并于1997年首先获准在日本上市,商品名为Farom。

法罗培南是目前研究的最为充分的青霉烯类抗生素,其特点是青霉烯环上的2位被四氢呋喃基取代,为非酯型口服吸收药物。

法罗培南有三种形式:自由酸、钠盐、达酯(daloxate)前体药衍生物。

最初法罗培南是做为钠盐被合成的,但这种化合物的口服生物利用度仅为20%～30%。

而达酯的口服生物利用度是70%～80%。

这种酯能在体内迅速水解,释放出具有活性的自由酸。

目前国内研制的法罗培南酯已经进行Ⅱ期临床试验,用于治疗社区获得性感染包括呼吸道感染。

4.1　作用机制与其它青霉烯类一样,法罗培南通过和PBP结合,抑制细菌细胞壁的合成达到杀菌作用。

这些杀菌作用是受到四氢呋喃基侧链性质的影响。

其次,比起碳青霉烯类亚胺培南、美罗培南,法罗培南对DHP-1稳定性更高,认为是在法罗培南2位侧链一个质子化取代基缺失所致,而在碳青霉烯类等效侧链存在这样的取代基。

法罗培南对许多细菌的β2内酰胺酶稳定,是由C6位上的1(R)羟乙基基团决定的。

研究发现法罗培南与PBP的高亲和性与细菌细胞形态改变有着密切的关系。

法罗培南与高分子质量PBP亲和力高,与低分子质量PBP则亲和力低。

例如,对金黄色葡萄球菌、肺炎链球菌,法罗培南对PBP1高度亲和,其次是PBP3、PBP2。

当金黄色葡萄球菌置于法罗培南的M IC的1/8或1/4时,金黄色葡萄球菌形成不规则隔膜。

在1倍的M IC或更高时,大量的金黄色葡萄球菌溶解。

这种由法罗培南所触发的细菌形态变化与所报道的与PBP的亲和力是一致的。

这样对革兰阳性菌和革兰阴性菌,法罗培南对PBP高亲和性通过明显的浓度依赖的杀菌作用反映出来[8]。

体外研究发现法罗培南能提高中性粒细胞超氧阴离子的产生,这种杀菌的中性粒细胞和抗体的协同作用对于早期根除病原体是非常必要的[9]。