内酰胺是有机化合物中常见的一种环状结构,分子中的环具有R1-CONH-R2的结构。这种环通常为四至七元环。在某些化合物中,内酰胺环对于维持抗菌活性至关重要。例如,β-内酰胺类抗生素就是典型的代表,其抗菌作用主要依赖于所含有的β-内酰胺环。
β-内酰胺药物从1929年英国细菌学家弗莱明首次发现青霉素开始,再到第二次世界大战期间青霉素的量产与广泛应用,抗生素在人类健康领域扮演了关键角色。β-内酰胺抗生素是市场上最商业化的抗生素之一,在2010年全球抗生素市场中占据了约53%,金额达420亿美元。可以说,这类药物在一定程度上影响了人类社会的发展。
β-内酰胺类抗生素是一组含有β-内酰胺环的抗生素总称。青霉素是第一种在临床上使用的此类抗生素,于1940年代被发现。此后,在1950年以后开发出了对青霉素酶稳定的头孢菌素类抗生素,并陆续出现了其他三个亚型。到了1980年代,以亚胺培南为代表的碳青霉烯类药物具有广谱抗菌活性和有效的抗β-内酰胺酶能力,随后又相继开发出美罗培南、厄他培南和多利培南等。单环β-内酰胺类抗生素在1980年代被开发出来,代表有氨曲南和卡芦莫南等。
根据上市时间的先后顺序,我们可以将β-内酰胺药物的主要类别汇总如下:20世纪下半叶是此类药物发展的黄金时期,出现了大量新药和复合制剂。
结构及杀菌原理关于β-内酰胺类抗生素的杀菌机制,国际上普遍认为这类药物通过抑制参与细胞壁合成的酶(青霉素结合蛋白PBP)来破坏细菌细胞壁,从而导致细菌裂解死亡。这种杀菌作用主要归因于β-内酰胺结构的特点。
1970年,Rockefeller大学的研究人员发现,通过抑制与PBP无关的通路可以使原本对青霉素敏感的肺炎链球菌产生耐药性,这提示青霉素杀菌可能还存在其他途径。后来研究发现,青霉素通过影响一种降解细胞壁肽聚糖的酶(自溶素)来杀死细菌。最近的研究揭示了这种杀菌过程:青霉素通过抑制Tacl这种调控自溶素表达的酶,减少其表达并将其从细胞膜转移到细胞壁上,最终导致肽聚糖被降解直至细菌死亡。
除了直接杀死细菌外,不同类型的抗生素在刺激细菌应激时还会造成细菌自身活性氧簇(ROS)积累。β-内酰胺类药物同样会导致细菌不断产生ROS,从而达到致死效果。最新的研究表明,ROS还有助于氨苄西林裂解细菌的功能。随着研究的深入,β-内酰胺类药物引起细菌死亡的方式也可能存在多种途径。
总之,在β-内酰胺类药物导致细菌死亡的过程中,只要有其中一种途径被阻碍,细菌耐药性就有可能产生。