头孢菌素发展方向与青霉素结合蛋白研究新进展

头孢菌素发展方向与青霉素结合蛋白研究新进展 头孢菌素发展方向与青霉素结合蛋白研究 新进展 第34卷第6期 2011年6月 占工 HEBElHUAGoNG Vol-34.No.6 June2011 头孢菌素发展方向与青霉素结合蛋白研究新进展 赵宏远 (华北制药集团新药研发中心,河北石家庄,050015) 摘要:头孢菌素类抗生素具有抗菌活性强,抗菌谱广,副作用小等特点,是现今临床 效果最好,应用最广的抗生素 品种.青霉素结合蛋白与头孢菌素应用效果息息相关,其基因突变和结构变化可导 致细菌抗生素的耐药性,这始终 是头孢菌素研发领域的关注热点,它对于新一代头孢菌素开发有指导意义. 关键词:头孢菌素;青霉素结合蛋白;基因突变;耐药性 中图分类号:TQ465.1文献标识码:A文章编号:1003—5095(2011)06—0015—04 DirectionofCephaIOSpOrinResearchandNewDevelopmentof Penicillin?bindingProteins ZHA0Hong-yuan (NCPCNewDrugResearchandDevelopmentCo.,Ltd,Sh~iazhuang050015,China) Abstract:Cephalosporinisfavoredbecauseofitsgoodantibacterialactivity,broadantibacter ialspectrum,highstability, lowtolerantratio,rareadversedrugreactionandsatislyingcurativeeffect,comparedwiththet raditionalpenicillin.Appli— cationeffectofcephalosporinwasseriouslyaffectedbythestructureandcompositionofpeni cillin?-bindingproteins(PB-? Ps).Bacterialresistance,mainlycausedbygenemutationandstructuralchangesofPBPs,has beenoneofthecentral medicalissuesfordecade.Newresearchofbacterialresistancewoulddefinitelymakeconsid erablesenseofnewtypesof cephalosporindesigning. KeywOrds:cephalosporin;penicillin?bindingproteins;genemutation;bacterialresistance 1头孢菌素研发历程 根据头孢菌素类抗生素对一内酰胺酶的稳定 性能及其开发的年代背景,可分为前三代头孢菌 素,第4代头孢菌素和新一代头孢菌素. 1.1前三代头孢菌素 2O世纪6O年代第1代头孢菌素面世,主要用于 耐青霉素金葡萄和其它革兰氏阳性菌感染.临床 应用常见的品种有头孢拉定,头孢唑啉,头孢氨苄 等….第2代头孢菌素为20世纪7O年代中期开发, 其对革兰阳性菌的抗菌效能与首代相近,其特点是 对革兰阴性菌的抗菌效能增强,主要 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 现在抗菌谱 更广和抗一内酰胺酶能力增强,目前临床应用较多 的第2代头孢菌素品种主要有头孢克罗,头孢西丁 等.2O世纪80年代初,第3代头孢菌素面世,其主要 特点为对一内酰胺酶稳定,对革兰氏阴性菌的作用 以及抗菌谱比第2代更为优越更为广泛.目前临床 常用品种有头孢曲松,头孢哌酮,头孢他啶等. 1.2第4代头孢菌素 第4代头孢菌素为20世纪8O年代中后期及90 年代初开发,该代头孢菌素对多数耐药菌株的活性 普遍超过第3代头孢菌素,对各种一内酰胺酶高度 收稿日期:201卜O4—09 作者简介:赵宏G(1983一),男,助理 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 师,主要从事CHO细胞规模化培养获取重 组蛋白研究,E—mail:58718306@qq.corn. ? 16.河北化工第34卷 稳定;它们对青霉素结合蛋白有高度亲和力,并可 通过革兰氏阴性菌外膜孔道迅速扩散到细菌周围 并维持高浓度;对染色体和部分质粒介导的一内 酞胺酶稳定,因而对革兰氏阳性菌,阴性菌以及厌 氧菌显示了广谱抗菌活性,尤其对肺炎链球菌等有 很强活性.目前在临床上应用的品种有头孢吡肟, 头孢匹罗,头孢唑兰等. 1.3新一代头孢菌素 目前生产的头孢菌素主要根据第4代产品结构 或工艺改进而得.李常青等报道,根据已有合成 路线,用稳定价廉的7一氨基头孢烷酸为原料,在5倍 当量的三甲基碘硅烷(TMSI)作用下与6倍当量5,6,7, 8一四氢喹啉反应,得到7一氨基头孢喹诺(7一ACQ)的 氢碘酸盐,产品不经纯化直接与AE活性酯反应,与 硫酸成盐即可制得硫酸头孢喹诺,总收率可达 51.9%.王喜军等报道,以7一氨基一3[(1一甲基一l一 吮咯烷基)甲基】头孢一3一烯一4羧酸盐酸盐和2一甲氧 亚氨基一2一(2一氨基一4一噻唑基)一(z)一乙酸二乙基磷 酰活性酯为起始原料合成盐酸头孢吡肟,具有杂质 低,成本低等优点.收率达到了92%. 新一代头孢菌素研发有以下几个趋势:如在3一 位上引入硫代杂环或季铵基团取代,以增强抗铜绿 假单胞菌活性;改造7一位侧链,以扩大抗菌谱,提高 对酶的稳定性;将头孢烯以氧原子或碳原子取代1一 位的硫原子,获得氧头孢烯或碳头孢烯,提高其活 性;在3一位侧链上引入带酸性的功能基团,提升蛋 白结合率,延长血浆半衰期,如头孢尼可的半衰期 为3.8,4.4h,头孢曲松的半衰期为8h;在3一位引入 季铵基团,引入适当的亲脂性取代基,以提高对PB— Ps亲和力阎. Tomasz等旧报道了7一位氨基用氯代氨噻肟基 团修饰,3一位通过硫直接连有取代的五元芳杂环的 头孢类化合物,该类化合物对MRSA敏感,尤其当 3一位是苯取代的咪唑环时,其对金黄色葡萄球 菌一Smith,金黄色葡萄球菌一COL和金黄色葡萄球 菌一76极为敏感或比较敏感,该类修饰后头孢类化 合物对几种金黄葡萄球菌的MIC值分别为O.5,2.0, 4.0mg『L.刘晓等以7一苯乙烯胺一3一氯甲基头孢烷 酸一对氨基苄酯(GCLE)及其衍生物为原料合成2一位 取代的头孢菌素类化合物,分别经Mannich缩合引 入双键,甲基化反应及在Maoicl缩合基础上进行的 Michael加成反应,对头孢菌素母核的2位进行修 饰,获得未见国内外文献报道的9个化合物.通过 与上市的头孢克肪,头孢地尼,头孢哇琳等对比,此 类新化合物具有一定的抗菌活性,其中1一位为亚砜 形式的2个化合物显示出与一内酞胺酶的较强的 结合能力.GeM等报道了在母核的3一位侧链上 引入亚胺基取代基的头孢类化合物,该化合物在保 持对其它细菌敏感的同时,还增强了抗铜绿假单胞 菌的活性. 2青霉素结合蛋白研究新进展 青霉素结合蛋白(penicillinbindingproteins,PBPs) 是参与细菌细胞壁的合成,糖肽结构调整及形态维 持等作用的一组酶.一内酰胺类抗生素能专一性 地与细菌细胞内膜上的PBPs结合,干扰PBPs的正 常功能(如干扰细胞壁肽聚糖合成),使细胞壁合成 受阻. 2.1较成熟的PBPs研究 PBPs结构组成不同,其功能和耐药机制也存在 一 定差别.现在对于PBPs耐药机制研究得较多的 菌类是肺炎链球菌,金黄色葡萄球菌等. 肺炎链球菌肺炎链球菌有6种PBPs,分别是 PBPla,PBPlb,PBP2a,PBP2x,PBP2b和PBP3.肺炎 链球菌耐药株中,分子量较大的PBPla,PBP2x, PBP2a和PBP2b,是一内酰胺类抗生素作用的重要 靶点.肺炎链球菌对青霉素耐药是多个基因逐步 变异累加的结果,其中PBPla,PBP2x和PBP2b起主 要作用,PBP2x和PBP2b为原耐药抗性决定簇,其变 异可导致低水平耐药.当PBPla发生变异时通常 导致高水平耐药,但与此同时PBP2x和PBP2b中至 少应该有一种发生变异".最近研究显示由镶嵌基 因导致的低亲和力PBP2x和PBPla是产生头孢噻肟 高水平耐药的主要原因". 金黄色葡萄球菌金黄色葡萄球菌有5种PBPs, 即PBP1,PBP2,PBP3,PBP4以及PBP2b.近年有研 究表明,PBP1的功能须整合到细胞分裂机制过程中 才能发挥,其在肽聚糖交联过程中不起主要作用n. 金黄色葡萄球菌产生耐药性的主要青霉素结合蛋 白是PBP2a.甲氧西林耐药的金黄色葡萄球菌中的 PBP2a由macA基因编码.macA是耐甲氧西林金黄 色葡萄球菌(MRSA)的主要耐药基因,存在于MRSA 和极少数耐甲氧西林的表皮葡萄球菌中,其编码产 物PBP2a可替代菌体原有的由PBP2基因编码的 PBP2蛋白.PBP2a与青霉素的结合能力较差,可维 持菌体肽聚糖及菌体结构的稳定,从而使细菌产生 耐药性n. 2.2PBPs近期研究热点 一 种金黄色葡萄球菌mecA基因的同系物存在 于松鼠葡萄球菌的自然基因中,YanjiaoZhou等研 第6期赵宏远:头孢菌素发展方向与青霉素结合蛋白研究新进展?17? 究了松鼠葡萄球菌青霉素结合蛋白的种类以及该 类菌株的肽聚糖构成,并探究了被称为PBPD的 mecA基因同系物在松鼠葡萄球菌的自然原生环境 中的作用.PBPD编码产生PBP4.PBP4与萘夫西 林结合性较差,能与金黄色葡萄球菌的PBPa的单克 隆抗体反应,并能在临床分离出的耐苯唑西林的松 鼠葡萄球菌菌株SS37中过量生成.另外,在松鼠葡 萄球菌菌株K3中发现了潜在的mecA基因拷贝. SS37以及K3的耐药性直接与过表达的PBP4和潜 在的meeA基因片段有关.金黄色葡萄球菌PBPa以 及松鼠葡萄球菌PBP4都直接参与细菌细胞壁肽聚 糖合成,与苯唑西林等耐药效应密切相关. 单核细胞增多性李氏菌(可导致一种少见的食 物源急性传染病,致死率25%以上)基因组中的青霉 素结合蛋白PBPD2,是近两年欧洲研究较热的PBPs 之一.Korsak等u发现,普通全细胞抽提物中不能 找到PBPD2(Lmo2812),通过E.coli体系中过表达和 纯化,才发现李氏菌中该蛋白的存在.PBPD2 (Lmo2812)具有羧基肽酶活性,可以将5肽的胸腺喷 丁(促胸腺生成素32—36五肽,免疫调节剂)切解为4 肽,但它不具有一内酰胺酶活性.原生态的PBPD2 (Lmo2812)对细菌细胞存活影响细微,不会成为细菌 产生耐药性的核心蛋白. 致病菌的抗生素耐药基因严重影响传染病治 疗,而过量使用抗菌药导致了这一现状.然而,没有 药物作用的前提下,抗生素耐药基因会产生一种适 应性缺失,这种缺失可以通过补偿性突变得以恢 复.PBPla,PBP2x和PBP2b是引发肺炎链球菌对 一 内酰胺耐药的主要青霉素结合蛋白,它们存在 于细胞壁合成以及细胞分裂周期中.AndreaG 等.研究发现细菌的适应性缺失以及细胞分裂障 碍可以通过PBP2x与PBPla突变得以补偿.PBP突 变体等位基因的补偿性结合,可导致不同程度的肺 炎链球菌一内酰胺耐药性. 3头孢菌素发展前景 头孢菌素类产品的研发与应用,对今后我国医 药市场的发展起着至关重要的作用. 3,1类抗生素的研发方向 继续扩大抗菌谱,提高活性以及对酶的稳定 性;提高蛋白结合率,延长血浆半衰期;进一步提高 头孢菌素对青霉素结合蛋白PBPs的亲和力等. 不仅要开发提高抗革兰氏阳性菌和厌氧菌活 性的新一代头孢菌素(尤其是对MRSA敏感的新型 头孢菌素),同时也要对活性高的化合物进行修饰, 制备成前药,改善其药学性质.另外,对现有化合 物进行结构改造,制备前药型头孢菌素类抗生素, 提高头孢菌素类化合物的水溶性和稳定性.Scott 等报道了一类氨基丙酰胺类化合物,其头孢母核 的3一位通过硫连接吡啶环,它对革兰氏阳性菌,耐 甲氧西林金黄色葡萄球菌以及肺炎链球菌等都具 有很强的抗菌活性.两年后他们又将该化合物3一 位吡啶环扩展为五元杂环,使其在pH值为5,7的 范围内,水溶性能够满足注射剂的制备要求. 3.2头孢菌素的应用策略 目前对于许多细菌感染的治疗,抗生素药效都 受到细菌耐药性的抑制.多年来大剂量,频繁用药 的 经验 班主任工作经验交流宣传工作经验交流材料优秀班主任经验交流小学课改经验典型材料房地产总经理管理经验 治疗手段,导致了这一现状的出现. 例如,多个肺炎球菌菌株发生变异,或者说是 其青霉素结合蛋白在长期同类抗生素作用下发生 突变,衍生新的血清型克隆(例如肺炎球菌19A),从 而严重影响了对肺炎球菌感染的治疗.Jacobs[181研 究指出,虽然高剂量青霉素G及其它抗生素药物注 射治疗肺炎和菌血症仍多数有效,但口服抗生素类 药物治疗脑膜炎和脊膜炎等已明显受到细菌耐药 性的影响.正确的治疗 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 及抗生素药物应用策 略,能有效降低或抑制细菌耐药性的进一步扩展, 促进治疗效果,进而避免若干年后患者对抗生素药 物不能杀死细菌的恐慌. 另外,氟喹诺酮类可抑制细菌DNA旋转酶和拓 扑异构酶IV.大肠杆菌对氟喹诺酮类产生高度耐 药,需要大肠杆菌内发生多重突变.而细菌耐药性 突变与其自身的存活适应性并非成正比例关系. LindaL等n研究了大肠杆菌耐药基因的5个突变类 型,对于细菌而言,自身低适应性的3连突变,可使 细菌对氟喹诺酮产生4倍耐药性,从而大幅降低大 肠杆菌的药物敏感性.所以单纯从降低细菌环境 适应性的角度来考虑如何提高药效是不行的. 3.3头孢菌素产品前景展望 目前世界上头孢菌素类在抗感染药物中比重 较大,我国头孢菌素市场正处于发展上升阶段,正 在研发的头孢菌素新品种,对细菌的渗透性好,对 耐一内酰胺酶高度稳定,并且与青霉素结合蛋白 (PBPs)亲和性更强.然而,头孢菌素项目虽然前景 广阔,但由于国内外抗生素生产企业的头孢原料药 项目相继开工,使得头孢产品已趋于过热.目前国 际上有El本,韩国,意大利等国家的头孢原料厂,国 内有华北制药集团,石家庄制药集团,哈尔滨制药 集团,山东抗生素厂等.未来几年,头孢菌素原料 药市场生产企业加强创新技术生产性转化,降低生 ? 18?河北化工HebeiChemicalInd第34卷 产成本. 参考文献 【l】1张致平.头孢菌素类抗生素的进展fJ1.首都医药,1999,6(1):19—21. 【2]付明耀.头孢菌素进展[J】.中国冶金工业医学杂志,2003,2O(3): 172-174. 【3】李常青,闫祥华,薛俊娟,等.硫酸头孢喹肟的合成[J1.应用化工, 2008.37(2):231—232. 【4】王喜军,于波.盐酸头孢吡肟的合成新方法[J].黑龙江医药, 2O08.21(4):61—62. [5】王彦青.盐酸头孢吡肟合成工艺的研究[D】.沈阳,沈阳药科大学, 2oo8. 【6】TomaszW,GlinkaG.Cephalosporinantibioticsandprodrugsthereof 【P1.US:6599893B2,2003—07—29. 【7】刘晓.z-位取代的头孢菌素类新化合物的合成与生物活性的研 究(D】.北京:中国协和医科大学,2008. I8]GerdA,JohannesL.Antibacterialcephalosporlns[P].US:2003/ 0191105A1,2003—10—09. 【9】KearnsAM,GrahamC,BurdessD,eta1.Rapidreal—timePCRfor determinationofpenicillinsuscepti——bilityinpneumo——coccalme—— ningitis,includingculture—negativecases[J].ClinMicrobiol,2002, 4O(2):682-684. 【10]IzdebskiR,RutschmannJ,FiettJ,eta1.Highlyvariablepenicillin resistancedeterminantsPBP2x,PBP2b,andPBPlainisolatesof twoStreptococcuspneumoniaeclonalgroups,Poland23F一16and Poland6B一2O【J1.AntimicrobAgentsChemother,r2008,52(3): 1021-1027. 【l1】ZerfassI,HakenbeckR,DenapaiteD.AnimportantsiteinPBP2x ofpenicillin-resistantclinicalisolatesofstreptococcuspneumoni— ae:mutationalanalysisofThr338[J].AntimicrobAgentsChemo- ther,2009,53(3):1107-1115. 【12]PereiraS,HenriquesA,PinhoM.RoleofPBP1incelldivisionof Staphylococcusaureus[J].Bacteriology,2007,189(9):3525—3531. [13】RachelJ,FranklinD.Pathogenesisofmethicillin-resistantSmphy- lococcusaureusinfection[J].ClinInfectDis,2008,46(5):350-359. 【14]YanjiaoZhou,AudeAntignac,ShangWeiWu,eta1.Penici- llin—BindingProteinsandCellWallCompo—sitionin8—Lac— tam-Sensitiveand-ResistantStrainsofStaphylococcussciuri[J]. JournalofBacteriology,2008,(1):508—514. [151DorotaKorsak,ZdzislawMarkiewicz,GabrielOGutkind,eta1. Identificationoftheful】setofListeriamonocytogenespenicillin- bindingproteinsandcharacterizationofPBPD2(Lmo281z)[J】. BMCMicrobiology,2010,10:239-252. 【16】AndreaG.AlbarracinOrio,GermanE,eta1.CompensatoryEvolu— tionofpbpMutationsRestorestheFitnessCostImposedby 口一LactamResistanceinStreptococcuspneumoniae[J/OL].Plo— spathogens,2011,7(2):e1002000. 【17]ScottJ,AesopC,TomaszW,eta1.7-Acylamino-3-hetemaryl— thio-3一cephemcarboxylicacidantibioticsandprodrugsthereof [P].US:6723716B1,2004—04—20. [18】JacobsMR.Antimicrobial-resistantstreptococcuspneumoniae: trendsandmanagement[J/OL].ExpertRevAntiInfectTher,2008,6 (5):619—35. [19】LindaL.Marcusson,NielsFrimodt-M~ller,DiarmaidHughes.In— terplayintheselectionoffluoroquinoloneresistanceandbacterial fitness[J/OL】_Plospathogens,2009,5(8):el000541.? (上接第14页) [7】ZhangYB,FengIN,eta1.Synthesisandinvitroantibacterialactivity of7-(3-alkoxyimino-4-methyl一4-methylaminopiperidin一1一y1)一 fluoroquinolonederivatives[J].ArchPharm(Weinheim),2010,343(3): 143-151. [8lZhaagYB,LiGQ,etat.Synthesisandinvitroantibacterialactivityof 7-(3-alkoxyimino--5-amino/methylaminopiperidin—-1-y1)fluoroqui—- nolonederivatives[J].BioorgMedChemLett,2011,21(3):928—931. [9】GuoQ,FengLS,eta1.Synthesisandinvitroantibacterialactivityof fluomquinolonederivativescontaining3一(?一alkoxycarbamimido— y1)-4-(alkoxyimino)pyrrolidines[J].EurJMedChem,2010,45(11): 5498-5506. [10】HuangXG,ChenDL,eta1.Thesynthesisandbiologicalevaluation ofanovelseriesofC7non-basicsubstitutednuoroquin0l0nesas antibacterialagents[J].BioorgMedChemLett,2009,19(15):4130— 4133. 【111HuangXG,ZhangAQ,ChenDL,eta1.4一Substituted4一(1H—l,2, 3一criazol-1-y1)piperidine:NovelC7moietiesoffluorocluinolones asantibacterialagents[J1.BioorgMedChemLett,2010,2O(9): 2859-2863. 【12]GamalEl-DinAA,Abuo-Rahma,eta1.Design,synthesis,antibac- terialactivityandphysicocbemicalparametersofnove1人L_4呻i— perazinylderivativesofnortloxacin[J].Bioorganic&Medicinal Chemistry,2009,17(11):3879-3886. 【13】PokrovskayaV,BelakhovV,eta1.Design,synthesis,andevaluation ofnovelfluoroquinolone—aminoglycosidehybridantibiotics[J]. JMedChem.2009.52(8):2243-2254. [14】胡国强,张忠泉,等.氟喹诺酮C一3酰腙的合成与抗菌活性[J].中 国药学杂志,2010,45(11):867-870. [15】HUGuo—qiang,YANGYong,eta1.Design,synthesisandantitumor actionofC3/C3bis—fluoroquinoloneslinked—cross2,5一[1,3,4】 oxadiazolelJ1.ActaPharmSin,201045:l012-1016. [16】A1一TrawnehSA,ZahraJA,eta1.Synthesisandbiologicalevalu— ationoftetracyclicfluoroquinolonesasantibacterialandanticancer agents[J].BioorgMedChem,2010,18(16):5873-5884.一