喹諾酮類藥物的作用機制是什麽？

(1)前言:以磺胺類和青黴素為開端的化療藥物的不斷發展，在感染性疾病的治療中取得了顯著的效果。但隨著新藥的臨床應用，出現了臨床分離菌的變化、耐藥性等新問題。耐藥菌快速增加的原因之壹是耐藥遺傳因子大部分是轉座子遺傳，所以從壹個遺傳到另壹個遺傳的易位不受藥物選擇的影響，易位率高。而壹旦耐藥遺傳因子轉移到細胞質遺傳中，細胞質遺傳就成為耐藥遺傳因子，通過結合傳導使其細菌(種)產生耐藥性。此外，藥物的化學結構，如β-內酰胺類抗生素、氨基糖苷類抗生素和四環素類抗生素，以及它們的基本骨架固定也是耐藥菌增多的原因。耐藥機制多為酶誘導藥物失活和水解。負責產生這種酶的遺傳因子容易發生突變，可以擴大其基質特異性，在很多場合可以對基本骨架相同的藥物表現出交叉耐藥性。相比之下，也有染色體遺傳因素產生的耐藥菌。生產這種耐藥菌株需要很長時間，生產後將耐藥性傳遞給其他菌株的概率也很低。因此，由染色體遺傳因素產生的耐藥菌的藥物在臨床上可以長期保持穩定的療效，吡啶酮羧酸或喹諾酮類合成抗生素就是這類藥物的代表。基於以上原因，今天備受關註。以下，針對喹諾酮類合成抗生素中的新喹諾酮類藥物，闡述其構效關系機制和耐藥機制。(二)構效關系:自Nalidixic acld NA在1962發表以來，該類藥物的許多類似化合物已被化學合成，現描述其構效關系。其中，米洛沙因MLX、吡羅米酸PA、吡哌酸PPA和西諾沙星因其較強的抗菌活性和良好的藥代動力學而備受關註。這些化合物的基本骨架是萘啶、喹啉、吡啶並嘧啶和卟啉。產生抗菌作用所需的結構被認為是含有羰基、羧基和氮原子的吡啶酮羧酸部分。因此，這些藥物統稱為吡啶酮羧酸類合成抗生素。而分別發表於1978和1979的諾氟沙星NFLX和依諾沙星ENX，在喹啉環和萘啶環上引入了氟，在增強抗菌作用、擴大抗菌譜、穩定代謝和良好的組織轉運等方面較原吡啶酮羧酸類抗生素有了顯著提高。然後，氧氟沙星。OFLX)發布於1981，Ciprofloxaein CPFX)發布於1983。到目前為止，這些新的吡啶酮羧酸化合物的基本骨架是吡啶酮環和其他環狀結構的稠合化合物。狹義上是具有喹啉骨架的化合物，所以吡啶酮羧酸改名為喹諾酮。到目前為止，發表的含有吡啶酮羧酸類抗生素的論文幾乎都是喹諾酮類。這些化合物在本文中也被稱為喹諾酮類。以萘啶酸為起點合成的喹諾酮類抗生素，通過在母核中引入氟原子，擴大了抗菌譜，增強了抗菌效力，改善了體內動力學，作為新壹代喹諾酮類抗生素備受關註。吡啶酮羧酸類藥物的結構見上壹期雜誌【喹諾酮類藥物臨床說明書】圖2。作為基本骨架，有壹個吡啶酮羧酸結構位於雙環的右側。如果說NA、PA、PPA、MLX、CINX是第壹代，那麽第二代新喹諾酮類藥物ENX、托氟沙星('托西酸托氟沙星，TFLX ')有萘啶母核，NFLX、OFLX、CPFX、洛美沙星LFLX有喹啉母核，氟原子引入母核的六個位置。這些藥物的主要抗菌活性見表1。雖然第壹代NA和PPA對革蘭氏陰性菌表現出抗菌活性，但它們對革蘭氏陽性菌的活性較弱。相比之下，新喹諾酮類的NFLX、OFLX、ENX、CPFX、LFLX和TFLX擴大了抗菌譜，不僅表現出對革蘭氏陽性菌的抗菌活性，而且抗菌效果顯著增強。在具有萘啶母核的NA的6位引入氟原子後，對金黃色葡萄球菌、大腸桿菌和綠膿桿菌的抗菌作用增強，在7位引入哌嗪基團後，抗菌作用進壹步增強。這是因為這些取代基的引入增強了對喹諾酮類藥物靶位DNA—Gyr—ase的抑制，從而增強了抗菌作用。含喹啉母核的NFLX、OFLX和CPFX也增強了抗菌效果。此外，與NA相比，新喹諾酮類藥物親水性適度增強，對革蘭氏陰性菌具有良好的通透性，消除了脂多糖引起的通透性障礙，也擴大和增強了其抗菌譜和抗菌效果。在喹啉母核的6位引入了其他鹵素等取代氟，並對其抗菌效果進行了研究。結果，發現這些元素比氟更能增強抗菌效果。還研究了8位取代基的引入。如圖，X=CH的喹啉骨架和X=N的萘啶骨架在抗菌效果上沒有太大差別，但氟和氯的引入增強了對革蘭氏陽性菌的抗菌效果。根據對1取代基的研究，環丙基表現出最強的抗菌活性。1位的取代基對抗菌活性有如此大的影響，說明藥物與靶向位點的相互作用密切相關。從7-取代基的研究來看，如果在TFLX中引入氨基吡咯烷，它可以比NFlX和CPFX的哌嗪基團更增強對革蘭氏陽性菌的抗菌作用。以上，以新喹諾酮類為中心，介紹了母核不同位置取代基的功能。當然只介紹抗菌效果和結構的關系。作為抗菌劑，其功能特性與整個化合物的物理性質密切相關，其中存在壹個親水性問題。分配系數與抗菌活性關系的研究表明，分配系數接近-1的化合物具有較好的抗菌活性。(三)喹諾酮類藥物對臨床分離株的抗菌作用:對喹諾酮類藥物1986~1988收集的臨床分離株的MIC90進行統計，結果如下。對革蘭陰性菌，新喹諾酮類抗菌作用為:CPFX > TFLX > OFLX，AM-833 > LFLX，ENX，NFLX；；對於革蘭氏陽性菌，TFLX最強，其次是OFLX > CPFX > AM-833。TFLX對脆弱類桿菌和產氣莢膜梭菌也表現出很強的抗菌活性。關於新喹諾酮類藥物對其他微生物抗菌作用的報道很少。據報道，新喹諾酮類抗生素對彎曲桿菌、軍團菌、微球菌、衣原體和結核桿菌具有非常強的抗菌作用。新喹諾酮類抗菌藥物已應用於臨床5年多。隨著劑量的增加，新的喹諾酮類耐藥菌的出現引起了人們的關註。日本正在進行這方面的調查。六年來的調查結果表明，銅綠假單胞菌、粘質沙雷氏菌和金黃色葡萄球菌分別占10 ~ 17%、25 ~ 34%和2 ~ 5%。從服用喹諾酮類藥物的細菌中也分離出了耐藥菌，耐藥率在菌株間波動較大。作者對1987分離的123株粘質沙雷氏菌的不同檢驗項目及不同醫院的耐藥菌分離率進行了研究。結果顯示，不同的檢查項目和醫院，耐藥菌的分離率差異很大。此外，隨機選取粘質沙雷氏菌對喹諾酮類藥物敏感的菌株，進行體外耐藥菌株出現率的研究。結果表明，不同菌株的頻率差異為10 ~ 1000倍。因此，調查結果反映了給藥方式(是否長期給藥)、患者類型(是否為大醫院患者；或住院病人或門診病人)，由於很多場合細菌的分離條件不同，耐藥菌的比例差異很大。因此，為了掌握耐藥菌的發展趨勢，有必要充分研究臨床分離菌的背景。(4)喹諾酮類抗生素的作用機制:遺傳因子的本質是脫氧核糖核酸(DNA)。雙螺旋環結構的細菌染色體DNA長度約為1.500 μm，可想而知，如果要在壹個長度僅為1微米左右的細菌中包含如此巨大的物質，DNA必須以高階結構的形式進行有規律的折疊。在非常溫和的條件下裂解細菌後，用顯微鏡觀察染色體DNA。結果，可以捕獲以某壹點為中心的具有密集環形高階螺旋結構的DNA。隨著細菌的分裂，將染色體DNA正確分配到子細胞中的過程非常復雜。需要許多酶。當DNA分布到子細胞中時，壹些高級螺旋結構依次部分解卷，重新合成與母體DNA完全相同的DNA。同時，解開的DNA重新形成原來的高級螺旋結構。這就是DNA復制，稱為DNA超螺旋型或解螺旋型(松弛型)。DNA分子中遺傳信息的復制，轉錄成RNA(核糖核酸)以及其他遺傳因子的重排，都需要多種酶聚合成DNA分子中的堿基。在壹些拓撲結構的DNA分子中，堿基可以與酶相互作用，而其他壹些結構則不能。比如超螺旋結構可以讓圓形雙鏈的雙螺旋反向纏繞。重繞使螺旋中的堿基向外，從而被酶作用。參與DNA超螺旋或解卷結構轉化的酶是DNA回旋酶。DNA回旋酶是壹種分子量約為40萬的蛋白質。這種蛋白質由兩個亞單位(或亞單位)組成，稱為A和B..超螺旋的形成需要三磷酸腺苷(ATP)。ATP分解過程中釋放的能量是形成超螺旋的驅動力。在沒有ATP的情況下，雖然速度非常慢，但DNA回旋酶可以解開負超螺旋環。在DNA回旋酶存在的情況下，切割環時，酶變性觀察，可以發現A亞基與切割點的兩個5’端結合。這說明DNA被切斷時產生的末端阻止了彼此離開。切割位點的兩個5’端分別與亞基A結合，兩個亞基A通過亞基B結合..DNA回旋酶的DNA片段約為150個堿基對，大部分結合的DNA片段包裹在酶的周圍。喹諾酮類如NA能抑制DNA回旋酶。藥物對DNA旋轉酶抑制作用的研究表明，50%抑制濃度(ID50)CPFX CPFX為1.0μg/ml，OFLX3.1μg/ml，NFLX 2.4μg/ml，PPA 156μg/ml，新喹諾酮類藥物作用較強。此外，CPFX、OFLX、NFLX、PPA的50%抑制濃度分別為6.65438±0.7微克/毫升、0.34微克/毫升、0.5微克/毫升。由於DNA回旋酶的抑制濃度接近MIC值，說明喹諾酮類藥物的抑制作用是抑制DNA回旋酶對松弛DNA的活性。(五)藥物在細菌內的通透性和孔隙的通透性:NA和PA的細胞內通透性通過脂多糖(LPS)侵入細菌，新喹諾酮類抗菌藥物通過孔隙侵入細菌。通孔壹般來說就是水溶性物質容易通過的孔，新喹諾酮類抗生素的分配系數比NA和PA更親水，從中也可以想象出新喹諾酮類抗生素的抗菌強度。新喹諾酮類抗生素進入細菌的量是NA的30 ~ 50倍。這也說明了新喹諾酮類藥物在細菌中的滲透性是極好的。(六)耐藥機制:體外研究表明，耐鈉細菌由於促旋酶A或促旋酶B的變異，即DNA亞單位A或B的改變，降低了藥物對DNA促旋酶的抑制作用，通過MIC比較可以發現，促旋酶A變異體對各種喹諾酮類藥物都有耐藥性，而促旋酶B變異體因藥而異，即使有耐藥性也是微弱的。耐鈉細菌的體外分離率為10-7~10-8。當然，分離頻率因菌株和品系而異。如隨機選取對喹諾酮類敏感的粘質沙雷氏菌菌株，研究耐藥菌株的分離率。因此，其頻率為10-4~10-8。這種耐藥菌出現頻率的差異反映了臨床分離株中喹諾酮類耐藥菌的分離率。對從自然界分離的4株喹諾酮類耐藥菌的耐藥機制進行了研究。首先對耐藥菌的DNA回旋酶進行純化，分為A亞基(Ar)和B亞基(Br)。然後，還從敏感菌中分離出A亞基(As)和B亞基{Bs}，在體外形成各自的亞基，研究喹諾酮類如何抑制各DNA的回旋酶活性。臨床分離的耐鈉細菌中，耐藥值並不是很高，部分還呈現中度MIC。其中，部分菌株對β-內酰胺類抗生素和氨基糖苷類抗生素表現出耐藥性。因此，可以認為耐藥機制是由毛孔變異引起的。當然，詳細分析還是以後的研究課題。(7)其他問題:最近“PAE”作為藥物的功能之壹，引起了特別的關註。所謂PAE，是指藥物在壹定時間內對細菌的作用，在藥物消除後，細菌恢復到與無藥物時相同的狀態之前。這裏，PAE強度用細菌恢復正常所需的時間來表示。氨基糖苷類、氯黴素、利福平、四環素等。有PAE效應，β-內酰胺類抗生素尤其是革蘭氏陽性菌有PAE效應，新喹諾酮類的CPFX也有PAE效應。PAE是指藥物靶向位點不止壹個，可能有第二個或第三個作用位點，或者是指主要靶向位點與藥物的親和強度。包括新的喹諾酮類抗生素，並且藥物的PAE隨劑量而變化，因此PAE在考慮體內效應時是重要的，尤其是劑量。(八)結論:新喹諾酮類藥物的構效關系已逐漸明確。另外還具有抗菌譜廣、抗菌作用強、作用機制專壹、細胞內通透性好等多種特點，應該說是壹類值得關註的藥物。