氨基糖苷類抗生素及細(xì)菌耐藥性課件

氨基糖苷類抗生素及細(xì)菌耐藥性

第一節(jié)氨基糖苷類抗生素的發(fā)展和結(jié)構(gòu)特徵

氨基糖苷類抗生素的發(fā)展和結(jié)構(gòu)特徵

鏈黴素是由Waksman等於20世紀(jì)40年代初，年首先發(fā)現(xiàn)的由灰色鏈黴菌產(chǎn)生的氨基糖苷類抗生素。Waksman發(fā)現(xiàn)鏈黴素對人類具有兩大貢獻:

一是鏈黴素在臨床上的應(yīng)用,拯救了無數(shù)結(jié)核病患者；

二是系統(tǒng)地探討土壤中微生物的拮抗作用,並指出放線菌作為抗生素來源的巨大潛力。氨基糖苷類抗生素的發(fā)展和結(jié)構(gòu)特徵

鏈黴素的發(fā)現(xiàn)極大地刺激了世界範(fàn)圍內(nèi)的無數(shù)學(xué)者開始系統(tǒng)地、有計畫地篩選新抗生素,特別是注重從放線菌中篩選新抗生素,迎來了抗生素的黃金時代。氨基糖苷類抗生素品種多達200餘種，其中有實用價值的品種不下30種，以抗菌譜廣、療效好、性質(zhì)穩(wěn)定、生產(chǎn)工藝簡單等優(yōu)勢，在市場上佔據(jù)了相當(dāng)?shù)姆诸~。

氨基糖苷類抗生素的發(fā)展和結(jié)構(gòu)特徵

根據(jù)這類抗生素結(jié)構(gòu)特徵，卡那黴素等被列為第一代氨基糖苷類抗生素（如表所示）。這一代抗生素的品種最多，應(yīng)用範(fàn)圍涉及到農(nóng)牧業(yè)，其結(jié)構(gòu)特徵為分子中含有完全羥基化的氨基糖與氨基環(huán)醇相結(jié)合。

本代抗生素均不抗銅綠假單胞菌。第一代氨基糖苷類抗生素品種

取代類型抗生素品種4、5—雙取代新黴素(NM)、巴龍黴素(PM)、核糖黴素(RM)、裏威杜黴素、雜交黴素、丁醯苷菌素(BT)4，6—雙取代卡那黴素A/B、突變黴素、暗黴素、NK1001、JI—20A/B、慶大黴素B等小組分單取代阿泊拉黴素、潮黴素、越黴素、新黴素A和鏈黴素其他春日黴素、有效黴素，奇放線菌素第二代氨基糖苷類抗生素

以慶大黴素為代表的第二代氨基糖苷類抗生素的品種較第一代氨基糖苷類抗生素的品種少。但抗菌譜更廣，對上述第一代品種無效的假單胞菌和部分耐藥菌也有較強的抑殺作用，有替代部分前者抗感染品種的趨勢。結(jié)構(gòu)中含有去氧氨基糖及對銅假單胞菌有抑殺能力是第二代品種的共同特徵。

第二代氨基糖苷類抗生素

它們包括慶大黴素（GM）、妥布黴素（TOB）、西索黴素（Siso）、DKB（雙去氧卡那黴素B）、小諾黴素（NCR)和稀少黴素在內(nèi)的擬三糖；以及包括福提黴素、istamycin、sporaricin、sanamycin、dictimicin在內(nèi)的擬二糖藥物。

第三代氨基糖苷類抗生素

以奈替米星(NTL)為代表的第三代產(chǎn)品，全系1—N—(2-DOS)取代的半合成衍生物。這部分內(nèi)容將在第三節(jié)中加以闡述。

第一第二代都為直接來源於微生物代謝的天然產(chǎn)物。鏈黴素壯觀黴素小諾黴素

核糖黴素抗生素RR1R2R3R4R5福提黴素ACH3HCOCH2-NH2OHHNH2福提黴素BCH3HH

HNH2SporaricinA(KA-6606-I)CH3HCOCH2-NH2HNH2HSporaricinB(KA-6606-II)CH3HHHNH2H

春雷黴素

潮黴素

阿泊拉黴素氨基糖苷類抗生素的發(fā)展和結(jié)構(gòu)特徵

有實用價值的氨基糖苷類抗生素應(yīng)具有抗菌譜廣、耐鈍化酶強、低毒性的特點，這三者緊密相關(guān)。氨基越多，抗菌能力越強，但隨之毒性也增大；而耐鈍化酶廣必然伴隨著抗菌性能好。從第一代氨基糖苷類抗生素發(fā)展到第三代氨基糖苷類抗生素基本上反應(yīng)了上述的發(fā)展規(guī)律。

第二節(jié)

氨基糖苷類抗生素的作用機制氨基糖苷類抗生素的作用機制氨基糖苷類抗生素抑制蛋白質(zhì)合成起始過程的位點有三個:一是特異性地抑制30S合成起始複合體的形成,如春日黴素；二是抑制70S合成起始複合體的形成和使fMet-tRNA從70S起始複合體上脫離,如鏈黴素、卡那黴素、新黴素、巴龍黴素、慶大黴素等；氨基糖苷類抗生素的作用機制

三是這類抑制70S合成起始複合體的抗生素也能引起密碼錯讀。鏈黴素等抗生素造成密碼錯讀的原因是由於其分子中有造成讀錯密碼的活性中心——去氧鏈黴胺或鏈黴胺的緣故,而春日黴素分子中沒有這種結(jié)構(gòu),也就沒有造成讀錯密碼的作用。

其密碼錯讀的結(jié)果影響了mRNA的密碼子與tRNA的反密碼子間的相互作用。

30S核糖體的結(jié)構(gòu)

細(xì)菌的核糖體作為蛋白質(zhì)翻譯的器官，由RNA和多種蛋白質(zhì)組成，核糖體可與mRNA和tRNA相結(jié)合，在多種其他蛋白質(zhì)因數(shù)的參與下完成蛋白質(zhì)的翻譯過程，其中30S核糖體亞基與tRNA的結(jié)合是蛋白質(zhì)合成的關(guān)鍵步驟之一。30S核糖體有三個tRNA結(jié)合位點：A（aminoacyl）P（peptidyl）E（exit）位點。在T.thermophilus

的30S核糖體結(jié)構(gòu)在T.thermophilus

的30S核糖體中，RNA和蛋白質(zhì)的分佈是不對稱的。20個蛋白質(zhì)(命名為S2-S20和Thx)集中在30S核糖體的上部，側(cè)部和背部；而在RNA內(nèi)部區(qū)域及30S和50S的接合部，基本無蛋白質(zhì)分佈。16S的RNA分子則包含有超過50個規(guī)則的螺旋結(jié)構(gòu)(helix,編號為H1-H45)構(gòu)成，加上一些不規(guī)則的環(huán)(loop)連接其間。整個30S核糖體可大體分為四個區(qū)域：5’區(qū)域/中心域/3’主域和3’次域，前三個區(qū)域結(jié)合得較為緊湊，而最後一個區(qū)域則相對伸展在外部。T.thermophilus30S核糖體的晶體結(jié)構(gòu)

RNA：紅色；蛋白質(zhì)：藍色氨基糖苷類抗生素與30S核糖體的結(jié)合

在鏈黴素結(jié)合於30S核糖體的晶體結(jié)構(gòu)中（無mRNA和tRNA分子），鏈黴素可通過氫鍵和鹽橋與16SRNA結(jié)合，其中涉及的堿基有：U14,A914（作用於鏈黴胍）,G527（作用於鏈黴胺）,C526（作用於鏈黴胺）,A913（作用於鏈黴胺）,C1490（作用於鏈黴胍）和G1491（作用於鏈黴胍）；此外，鏈黴素還直接作用於蛋白質(zhì)S12，S12的K45殘基可與鏈黴胍形成兩個氫鍵。

氨基糖苷類抗生素與30S核糖體的結(jié)合巴龍黴素結(jié)合於30S核糖體的RNA（主要是A位點）後，使兩個重要的堿基A1492和A1493外翻，該構(gòu)型與核糖體與mRNA和tRNA結(jié)合後的構(gòu)型相似，因而處於該構(gòu)型的核糖體更易與mRNA和tRNA結(jié)合(不用改變構(gòu)型)，使一些非配對的tRNA有可能結(jié)合於mRNA上，引起解碼的精確性降低，同時由於A1492和A1493也可與巴龍黴素結(jié)合，他們不能再有效地接觸於mRNA-tRNA複合物，使之不能監(jiān)控tRNA分子與mRNA的結(jié)合，這同樣引起蛋白質(zhì)解碼的精確性降低。這一機制也似乎廣泛存在於含2-去氧鏈黴胺的其他氨基糖苷類抗生素中。此外，巴龍黴素似乎並不與核糖體的蛋白質(zhì)部分有緊密地相互作用。氨基糖苷類抗生素與30S核糖體的結(jié)合在GMC1a-RNA的複合物中，RNA的螺旋狀骨架因GMC1a的插入而發(fā)生扭曲，由於A1492的凸起以及在非規(guī)則位的A1408-A1493對使RNA的大溝間距擴大了大約6.6?，GMC1a結(jié)合其間；氨基糖苷類抗生素與30S核糖體的結(jié)合GMC1a的多個羥基和氨基則與RNA形成氫鍵網(wǎng)路，如1位和3位氨基分別與U1495和G1494形成氫鍵，6′氨基在能與A1493和G1491形成氫鍵的距離範(fàn)圍之內(nèi)，2″羥基在氨基在能與G1405和U1406形成氫鍵的距離範(fàn)圍之內(nèi)，4″羥基可與G1405和U1406形成氫鍵；此外在GMC1a分子內(nèi)也有氫鍵形成，如5-OH可與2′-NH2形成羥基，這可能有助於穩(wěn)定GMC1a的分子構(gòu)象。氨基糖苷類抗生素與30S核糖體的結(jié)合氨基糖苷類抗生素分子中的氨基和羥基對於保持抗菌活性十分重要，如被鈍化酶修飾可導(dǎo)致喪失活性，從GMC1a和16SrRNA的A位點結(jié)合部位來看，這些位點均和RNA分子有直接的相互作用，例如2-去氧鏈黴胺（2-deoxystreptamine，2-DOS）是GMC1a的活性中心，1位和3位氨基是乙醯化轉(zhuǎn)移酶(AAC1和AAC3)的靶位，任何一個氨基如被乙醯化可使GMC1a失活；在GMC1a-RNA的複合物中這兩個氨基分別與U1495和G1494形成氫鍵；氨基糖苷類抗生素與30S核糖體的結(jié)合絳紅糖胺（purposamine）的6′氨基是另一個乙醯化轉(zhuǎn)移酶(AAC6′)的靶位，它則作用於A1493和G1491，2′-NH2(AAC2′的作用靶位)則作用於A1493；加拉糖胺(garosamine)中的多個羥基及一個甲胺基也可分別與16SRNA形成多個羥基?？捎纱送茰y，這些活性基團對於GMC1a結(jié)合於A位點十分重要，修飾這些基團可能導(dǎo)致GMC1a與核糖體的親和力降低，影響其與核糖體的結(jié)合。氨基糖苷類抗生素與30S核糖體的結(jié)合在Geneticin（G－418）與寡聚RNA（含兩個A位點）的複合物晶體結(jié)構(gòu)中，A1492和A1493突出在外，而Geneticin的3′和4′的羥基分別與A1492和A1493的磷酸鍵中的氧形成氫鍵，進而穩(wěn)定這一構(gòu)象；與GMC1a類似，Geneticin的氨基和羥基與RNA間形成多個氫鍵，如6′-OH與A1408(N1)形成氫鍵；重要的2-DOS的1-NH2與U1495和一個水分子形成氫鍵，3-NH2則與A1493(O1-P)，G1494（N7和O2-P）形成三重氫鍵。氨基糖苷類抗生素與30S核糖體的結(jié)合妥普黴素結(jié)構(gòu)上接近於卡那黴素類抗生素，在結(jié)合於寡聚RNA後，A1492和A1493同樣呈突出構(gòu)型，相對於Geneticin，托普拉黴素3′位無羥基，與A1492間沒有氫鍵形成；4′羥基依舊與A1493形成羥基，並額外與一個RNA內(nèi)的水分子形成氫鍵；2′-N則通過兩個水分子分別與A1492和A1493形成氫鍵；2-DOS與Genteticin的2-DOS一樣與RNA分子形成眾多氫鍵。氨基糖苷類抗生素與30S核糖體的結(jié)合在潮黴素B-30S核糖體複合物的晶體結(jié)構(gòu)中，潮黴素B結(jié)合於H44的頂端，在helix的大溝中；它作用於RNA的特定區(qū)域，包括1490-1500和1400-1410的核苷酸。潮黴素B的結(jié)合似乎並未嚴(yán)重改變RNA的構(gòu)型，但可觀察到一系列氫鍵形成與潮黴素B和RNA分子之間。第三節(jié)細(xì)菌對氨基糖苷類抗生素

產(chǎn)生耐藥性的作用機制

細(xì)菌對氨基糖苷類抗生素

產(chǎn)生耐藥性的特異性作用機制一是細(xì)菌產(chǎn)生一種或多種有關(guān)的鈍化酶來修飾進入胞內(nèi)的活性抗生素使之失去生物活性；二是氨基糖苷類抗生素的作用靶位核糖體或是與核糖體結(jié)合的核蛋白的氨基酸發(fā)生突變，而使進入胞內(nèi)的活性抗生素不能與之結(jié)合或結(jié)合力下降。一、鈍化酶介導(dǎo)的耐藥機制

（一）氨基糖苷類抗生素鈍化酶的生物學(xué)特性對氨基糖苷類抗生素產(chǎn)生耐藥的細(xì)菌往往是通過細(xì)菌產(chǎn)生的醯基轉(zhuǎn)移酶(acetyltransferases,AAC)；腺苷轉(zhuǎn)移酶(adenylytransferases,ANT)；磷酸轉(zhuǎn)移酶(phosphotransferases,APH)對進入胞內(nèi)的活性分子進行修飾使之失去生物活性。一、鈍化酶介導(dǎo)的耐藥機制

（一）氨基糖苷類抗生素鈍化酶的生物學(xué)特性在這類耐藥菌中，編碼這些鈍化酶的耐藥基因通常是由質(zhì)粒攜帶且其中很多與轉(zhuǎn)座子相連，加速了這些耐藥基因在種間的傳遞。一、鈍化酶介導(dǎo)的耐藥機制

（一）氨基糖苷類抗生素鈍化酶的生物學(xué)特性對這些鈍化酶所用的符號定義如下：AAC（醯基轉(zhuǎn)移酶）、ANT（核苷酸或腺苷酸轉(zhuǎn)移酶）、APH（磷酸轉(zhuǎn)移酶）為酶修飾的類型；(1)、(3)、(6)、(9)、(2’)、(3’)、(4’)、(6’)、(2’’)和(3’’)表示酶的作用位點；I、II、III、IV和V表示獨特的耐藥模式；a、b、c為獨特的蛋白類型；因此，AAC(6’)-Ia和AAC(6’)-Ib表示二種具有不同蛋白特性的同一種酶，其催化同一反應(yīng)；編碼這些酶的基因用相應(yīng)的符號，如aac(6’)-

Ia和aac(6’)-Ib分別編碼能夠催化同一反應(yīng)的兩種酶蛋白的基因。

鏈黴素大觀黴素

（二）氨基糖苷類抗生素的同源性和其他一些特性

1）APH亞類，它包括所有已知的3’磷酸化酶；2）AAC(6’)-Ib、AAC(6’)-IIa、AAC(6’)-IIb和AAC(6’)-APH(2’’)雙功能蛋白的AAC(6’)部分；3）ANT(9)和ANT(3’’)兩種修飾Sm的酶；4）AAC(３)-Ia和AAC(３)-Ib；5）APH(6)-I；6）AAC(6’)-Ic、AAC(6’)-Id、AAC(6’)-If和嘌呤黴素醯基轉(zhuǎn)移酶（PUAT）；7）AAC(３)酶。一些抗生素產(chǎn)生菌對自身產(chǎn)物耐受的機制

產(chǎn)生菌產(chǎn)物耐受機制弗氏鏈黴菌新黴素APH(3’)，AAC(3)龜裂鏈黴菌巴龍黴素產(chǎn)生菌巴龍黴素APH(3’)，AAC(3)淡紫青鏈黴菌青紫黴素APH(3’)，AAC(3)核糖苷

鏈黴菌核糖黴素APH(3’)，AAC(3)環(huán)狀芽孢桿菌丁醯苷菌素APH(3’)，AAC(3)卡那黴素鏈黴菌卡那黴素AAC(6’)黑暗鏈黴菌暗黴素複合物AAC(6`)，AAC(2’)灰色鏈黴菌鏈黴素SPH(6)，SPH(3’’)吸水鏈黴菌NRRL2387潮黴素BHPH白黑鏈黴菌嘌呤黴素PAC石榴鏈黴菌紫黴素VPH纏繞鏈黴菌捲曲黴素CPH,CAC鏈黴菌V-13-1鏈絲菌素STAT諾爾絲鏈黴菌諾爾絲菌素NAT吸水鏈黴菌ATCC21705雙丙磷DPAT(PAT)Streptovericilliumsp.JCM4673殺假絲菌素S醯基轉(zhuǎn)移酶輪絲淺綠鏈黴菌博萊黴素醯基轉(zhuǎn)移酶春日鏈黴菌春日黴素醯基轉(zhuǎn)移酶委內(nèi)瑞拉鏈黴菌氯黴素水解酶紅黴素鏈黴菌紅黴素核糖體被甲基化弗氏鏈黴菌磷黴素穀光甘肽附加物（？）刺孢小單孢慶大黴素核糖體發(fā)生變異抗生鏈黴菌夾竹桃黴素葡基轉(zhuǎn)移酶

鬼裂鏈黴菌四環(huán)素主動轉(zhuǎn)運系統(tǒng)黑暗鏈黴菌妥普黴素醯基轉(zhuǎn)移酶，

核糖體變異一些抗生素產(chǎn)生菌對自身產(chǎn)物耐受的機制

二、氨基糖苷類抗生素作用靶位16SrRNA和S16核蛋白發(fā)生變異的耐藥機制

研究證實鏈黴素的作用靶位是在細(xì)菌的核體上，它的抗菌作用是通過使tRNA閱讀錯誤來實現(xiàn)的。

氨基糖苷類抗生素作用靶位16SrRNA和S16核蛋白發(fā)生變異的耐藥機制

臨床分離的許多細(xì)菌對氨基糖苷類抗生素產(chǎn)生抗性，主要通過如上所述的各種鈍化酶對抗生素的修飾作用來實現(xiàn)的，而至今對鏈黴素抗性的結(jié)核分枝桿菌的研究還未發(fā)現(xiàn)有這種耐藥機制。

氨基糖苷類抗生素作用靶位16SrRNA和S16核蛋白發(fā)生變異的耐藥機制

這種細(xì)菌對鏈黴素的抗性是由於鏈黴素的作用靶位16SrRNA的某些堿基發(fā)生了突變（編碼該核糖體的基因為rrs），或是與核糖體結(jié)合的核蛋白S16（該蛋白起到穩(wěn)定核糖體三維結(jié)構(gòu)的作用）的某些氨基酸發(fā)生了突變所致（編碼該蛋白的基因為rpsL）。大腸艾希氏菌16SrRNA的二級結(jié)構(gòu)模型以及對鏈黴素產(chǎn)生抗性的結(jié)核分枝桿菌和大腸艾希氏菌的核糖體堿基發(fā)生突變的位點

對鏈黴素敏感的和具有抗性的結(jié)核分枝桿菌的遺傳特性比較

菌株

基因型表型{對鏈黴素的

MIC(mg/L)}敏感性a突變類型取代位點加Tween不加Tween2742/95Sms野生型野生型1.0~2.00.5~1.02744/95Sms野生型野生型1.0~2.00.5~1.02529/95Sms野生型野生型1.0~2.00.5~1.02082/95Sms野生型野生型1.0~2.00.5~1.04649/83SmrrpsL43-Lys→Arg>1,000>1,0004513/83SmrrpsL43-Lys→Arg>1,000>1,0005141/83SmrrpsL43-Lys→Arg>1,000>1,0003626/83SmrrpsL43-Lys→Arg>1,000>1,00011966/89SmrrpsL88-Lys→Arg250~500250~5003555/83SmrrpsL88-Lys→Arg500~1,000250~500K8/94SmrrpsL88-Lys→Arg>1,000>1,000K11/94SmrrpsL88-Lys→Arg>1,000>1,0004362/83Smrrrs523-A→Cb50~25025~505127/85Smrrrs523-A→Cb250~50025~50K4/94Smrrrs523-A→Cb50~25012.5~253976/83Smrrrs522-A→Tb50~25012.5~253601/84Smrrrs526-A→Tb50~25025~50K3/94Smrrrs526-A→Tb250~50025~503564/83Smr野生型野生型25~502.0~6.03660/83Smr野生型野生型25~502.0~6.03694/83Smr野生型野生型25~502.0~6.04931/83Smr野生型野生型25~502.0~6.04308/95Smr野生型野生型25~502.0~6.0

從表6-4的研究結(jié)果可知，對鏈黴素具有抗性的結(jié)核分枝桿菌具有以下三種遺傳特性

對鏈黴素敏感的和具有抗性的結(jié)核分枝桿菌的遺傳特性比較

從表中研究結(jié)果可知，對鏈黴素具有抗性的結(jié)核分枝桿菌具有以下三種遺傳特性：由於編碼S16核蛋白的基因rpsL發(fā)生了突變，從而使該蛋白的43位和88位的賴氨酸變成了精氨酸。結(jié)核分枝桿菌的這種突變使其對鏈黴菌的抗性增加了250～1000倍以上；由於編碼16SrRNA的基因rrs發(fā)生了突變，使其523位的A變成了C；使522位和526位的C變成了T。結(jié)核分枝桿菌的這種突變使其對鏈黴素的抗性增加了50～250倍。從表中研究結(jié)果可知，對鏈黴素具有抗性的結(jié)核分枝桿菌具有以下三種遺傳特性：

第三種耐藥菌的遺傳特性還不甚瞭解，它們對鏈黴素的耐藥程度增加了25～50倍；另外，用細(xì)胞膜活性劑Tween80來試驗細(xì)菌對藥物的細(xì)胞通透性發(fā)現(xiàn)：對敏感菌和rpsL突變耐藥菌基本無效；對rrs突變耐藥菌有一定的效果；

但對上述第三種耐藥菌的效果最為明顯，說明這種耐藥菌的耐藥機制可能與細(xì)胞膜的滲透性有關(guān)。

表6-6由於編碼16SrRNA的基因發(fā)生突變而引起對鏈黴素抗性的各種耐藥菌的遺傳特性各種菌株順序（5’—3’）Chlamydomonasreinhardtii野生型5－ATGGAGAGTTTGATCCTG－22sr－u－sm3

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·G·

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·大腸埃希氏菌野生型4－TTGAAGAGTTTGATCATG－21C.reinhardtii野生型467－TGCCAGCAGCCGCGGTAA－484sr-u-2-60

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·Chlamydomonaseugamctos野生型TGCCAGCAGCCGCGGTAA突變株·

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·C·

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·Nicotianatabacum野生型463－TGCCAGCAGCCGCGGTAA－480突變株·

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·結(jié)核分枝桿菌野生型506－TGCCAGCAGCCGCGGTAA－523突變株·

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·C·

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·突變株·

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·T·

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·突變株·

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·T·

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突變株·

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·大腸埃希氏菌野生型516－TGCCAGCAGCCGCGGTAA－535結(jié)核分枝桿菌野生型483－AGAAGAAGCCSACCGGCCAA－497突變株·

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·T·

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大腸埃希氏菌野生型493－AGAAGAAGCACCGGCTAA－507C.teinhardtii野生型849－TGAAACTCAAAGGAATTG－866sr-u-2-23·

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·sr-u-sm5·

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·sr-u-sm-3a

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·N.tabacum野生型853－TGAAACTCAAAGGAATTG－870突變株·

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·Euglenagracilis野生型869－TGAAACTCAAAGGATTTG－886突變株·

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·結(jié)核分枝桿菌野生型896－TAAAACTCAAAGGAATTG－915突變株·

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·G·

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·大腸埃希氏菌野生型905－TAAAACTCAAATGAATTG－924從不同國家和地區(qū)分離的對鏈黴素敏感的和耐受的結(jié)核分枝桿菌的遺傳特性

來源菌株數(shù)耐受菌株數(shù)

突變菌株數(shù)a

突變位點rpsLbrrscrpsL位點rrs位點亞洲香港菲律賓日本越南

103101

1081

1041

NDd02ND

9,43

43,8888,93

876,904非洲（盧旺達）141100

歐洲（比利時）1000

中東（葉門）651143906北美紐約德克薩斯

6127

436

340

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491,512,798,513,516南美（秘魯）631ND43

總數(shù)13978428

第四節(jié)具有抗耐藥菌作用的新的

氨基糖苷類抗生素的研究開發(fā)具有抗耐藥菌作用的新的

氨基糖苷類抗生素的研究開發(fā)到目前為止，研究開發(fā)具有抗產(chǎn)酶耐藥菌作用的新的氨基糖苷類抗生素的最有效的方法是應(yīng)用藥物化學(xué)方法，即根據(jù)構(gòu)效關(guān)係，在已知結(jié)構(gòu)上進行各種化學(xué)修飾;而根據(jù)氨基糖苷類抗生素鈍化酶的特性，來設(shè)計開發(fā)全新的氨基糖苷類抗生素尚未取得實質(zhì)性的進展。具有抗耐藥菌作用的新的

氨基糖苷類抗生素的研究開發(fā)應(yīng)用化學(xué)修飾的方法對那些易被各種鈍化酶作用的位點進行結(jié)構(gòu)改造，能夠得到一系列非常有效的新的氨基糖苷類抗生素;結(jié)構(gòu)修飾的位點可以是專一性酶作用的位點，也可以是多酶作用的位點。一、對鈍化酶作用位點進行結(jié)構(gòu)修飾

（一）磷酸轉(zhuǎn)移酶

對磷酸轉(zhuǎn)移酶作用位點的結(jié)構(gòu)修飾工作主要由Umezawa領(lǐng)導(dǎo)的科研小組於60年代至70年代早期開始，他們主要是設(shè)法保護卡那黴素免遭APH，特別是當(dāng)時非常嚴(yán)重的APH(3’)對這一抗生素的鈍化作用。一、對鈍化酶作用位點進行結(jié)構(gòu)修飾

（一）磷酸轉(zhuǎn)移酶

由此開發(fā)獲得了與妥布黴素性質(zhì)相似的3’-去氧卡那黴素，以及同時可以免遭APH(3’)和ANT(4’)作用的3’,4’-雙去氧卡那黴素B（地貝卡星）;

後者的保護作用同樣存在於天然的慶大黴素C和西梭米星以及西梭米星衍生物奈替米星的分子結(jié)構(gòu)中。

一、對鈍化酶作用位點進行結(jié)構(gòu)修飾

（一）磷酸轉(zhuǎn)移酶

儘管3’-去氧氨基糖苷可以免遭磷酸化，但也只能起到部分的作用，因為AHP(3)酶中的APH(3’)-I酶雖然沒有合適的底物，但也能夠牢固地與這些3’-去氧氨基糖苷分子結(jié)合，從而產(chǎn)生耐藥性表型。（二）醯基轉(zhuǎn)移酶

在醯基轉(zhuǎn)移酶中，最令人們重視的是6’-N醯基轉(zhuǎn)移酶，特別是AAC(6’)-I，因為這些酶不僅能夠修飾天然的卡那黴素和妥布黴素，也同樣能夠修飾1-N取代的衍生物如阿米卡星和奈替米星。（二）醯基轉(zhuǎn)移酶

臨床使用的慶大黴素似乎對AAC(6’)-I是有抗性的，因為其中含有約三分之一的慶大黴素C1;確實，由於慶大黴素C1分子的N-6’含有甲基（同樣在C-6’也含有甲基）從而對AAC(6’)不敏感;相模灣黴素和慶大黴素C2b由於都在N-6’甲基化而對AAC(6’)也不敏感;針對其他醯基轉(zhuǎn)移酶如AAC(2’)和AAC(3)的化學(xué)修飾工作進行的不多，也沒有進入臨床應(yīng)用的產(chǎn)品。（三）1-N-取代的衍生物

用短鏈氨醯基或烷基來取代N-1氨基的化學(xué)修飾工作取得了很大的成功;

這一研究思路受到天然產(chǎn)物丁醯苷菌素（butirosins）的啟發(fā);

該抗生素由於在N-1含有氨醯基而對很多鈍化酶產(chǎn)生抗性。（三）1-N-取代的衍生物

儘管丁醯苷菌素本身沒有應(yīng)用於臨床，但由此而開發(fā)獲得了具有臨床應(yīng)用價值的阿米卡星{1-N-[（S）-4-氨基-2-羥丁醯基]-卡那黴素A}、

異帕米星{1-N-[(S)-4-氨基-2-羥丙醯基]-慶大黴素B};

阿貝卡星{1-N-[(S)-4-氨基-2-羥丁醯基]-3’,4’-雙去氧卡那黴素B}。依替米星、奈替米星及其母體慶大黴素C1a和西梭米星

阿米卡星阿貝卡星

地貝卡星

異帕米星（四）製備改變手性結(jié)構(gòu)的衍生物通過改變受鈍化酶作用的手性碳分子的結(jié)構(gòu)，可能會對這類酶產(chǎn)生抗性；對西梭黴素類抗生素的5-OH從平伏鍵改變?yōu)樨Q鍵即為表西梭黴素，其對ANT(2’’)、AAC(2’)和AAC(3)都產(chǎn)生抗性；其原因可能是5-位羥基位置的改變使甙元4-C和6-C上糖基的旋轉(zhuǎn)自由度更大；這一研究思路在阿米卡星和阿貝卡星的分子中也進行了嘗試，但至今還未曾得到臨床應(yīng)用的改變手性特徵的藥物。（五）1-C取代衍生物在2-去氧鏈黴胺C-1位進行了一系列的側(cè)鏈取代工作，最為有效的是對慶大黴素C1中的C-1位的羥甲基取代所獲得的S87351，它能夠免遭所有臨床上對慶大黴素產(chǎn)生耐藥的耐藥菌鈍化酶的作用；但令人難以解釋的是，同樣對卡那黴素的C-1位結(jié)構(gòu)修飾並不能得到同樣的結(jié)果。（六）鹵代衍生物

對氨基糖苷類抗生素進行鹵代修飾的目的不僅在於試圖避免鈍化酶的作用，同時也能起到由於鹵素的吸電子特性而保護鄰近基團；對卡那黴素2-去氧鏈黴胺中5位進行單氟或雙氟原子的取代試驗表明，它能夠完全免遭ANT(2’’)和APH(3’)的作用，以及部分免遭AAC(2’)的作用；將氯原子引入卡那黴素A分子中的3’和6’’位以及阿米卡星分子中的6’’位，儘管得到的3’-去氧-3’-氯卡那黴素能夠免遭細(xì)菌鈍化酶的作用，但對敏感菌的活性僅為3’-去氧-3’-氟卡那黴素的六分之一，因此，終止了進一步的研究。（七）其他衍生物

曾在卡那黴素的糖基上用氧原子來取代C-3’內(nèi)環(huán)形成雙惡唑（dioxane），其構(gòu)像發(fā)生了很大的變化，且由於3’-OH的脫去降低了分子中這部分結(jié)構(gòu)的極性，從而降低了對鈍化酶的敏感性，但可惜的是同時也大大地降低了其抗菌活性。二、應(yīng)用酶學(xué)方法研究開發(fā)新的氨基糖苷類抗生素

（一）磷酸轉(zhuǎn)移酶

第一種策略為如圖A所示將卡那黴素A或新黴素1、6’或3’’位的氨基脫去，事實表明APH(3’)-IIa對1-去氧卡那黴素A的催化常數(shù)和APH(3’)-Ia對新黴素的催化常數(shù)分別降低104和106，但可惜的是這些脫氨基衍生物的抗菌活性大大地下降，因而沒有開發(fā)價值。

（一）磷酸轉(zhuǎn)移酶

第二種策略為如圖B所示開發(fā)APH(3’)酶自殺性底物。已經(jīng)應(yīng)用這種策略製備了2-硝基卡那黴素B和2-硝基新黴素衍生物，同樣可惜的是雖然這些衍生物是很好的APH(3’)酶的自殺性底物，但其抗菌活性也大為降低。（一）磷酸轉(zhuǎn)移酶

第三種策略為如圖C所示，根據(jù)磷酸基轉(zhuǎn)移過程中形成過度態(tài)中間體的原理，設(shè)計一種抗生素的結(jié)構(gòu)類似物，其在磷酸基轉(zhuǎn)移過程中形成的過度態(tài)中間體不能像母體抗生素那樣能夠轉(zhuǎn)化成為被鈍化酶作用的產(chǎn)物，即這種結(jié)構(gòu)類似物起著酶抑制劑的作用。（一）磷酸轉(zhuǎn)移酶

第四種策略為如圖D所示，其原理是根據(jù)對酶結(jié)晶三維結(jié)構(gòu)的X-衍射結(jié)果來尋找各種酶抑制劑。

幾種克服或免遭APH(3’)酶鈍化氨基糖苷類抗生素的有效策略

（二）核苷醯轉(zhuǎn)移酶

在對這類酶的研究中，ANT(2’’)-I和ANT(4’)-I酶的研究最為深入，因為在臨床上，前一種酶鈍化慶大黴素和妥布黴素，後一種酶鈍化妥布黴素、阿米卡星、異帕米星以及其他所有含4’’-羥基的氨基糖苷類抗生素;ANT(2’’)-I酶的反應(yīng)機理比較複雜，除了酶對底物的識別外，還起碼包括8步反應(yīng)過程，因此，比較難以設(shè)計相應(yīng)的酶抑制劑。

（二）核苷醯轉(zhuǎn)移酶

但是，如上所述的1-N烷基或1-N醯基衍生物對這種酶還是有效果的;

另外，在一系列的氨基糖苷類抗生素中可以發(fā)現(xiàn)：其抗菌活性與對ANT(2’’)-I酶核苷醯化的敏感性具有驚人的平行關(guān)係，即這兩種特性都很大程度上依賴於糖環(huán)上氨基的數(shù)目和位置（2’,6’-脫氨基->6’-氨基->2’-氨基->脫氨基的糖），以及如果同樣的糖環(huán)上沒有被羥基化，則這兩種特性能夠被加強（慶大黴素C由於在相應(yīng)的糖環(huán)上沒有被羥基化，因此它比卡那黴素要好，但同樣它是一個比卡那黴素更好的ANT(2’’)-I酶的底物）。

（二）核苷醯轉(zhuǎn)移酶

對ANT(4’)-I酶的研究表明：其酶分子中的145位谷氨酸是活性部位，因此，如何設(shè)計這種氨基酸的專一性抑制劑，有望得到能夠克服ANT(4’)-I酶作用的新的