喹诺酮类药物的作用机制是什么？

(1)前言:以磺胺类和青霉素为开端的化疗药物的不断发展，在感染性疾病的治疗中取得了显著的效果。但随着新药的临床应用，出现了临床分离菌的变化、耐药性等新问题。耐药菌快速增加的原因之一是耐药遗传因子大部分是转座子遗传，所以从一个遗传到另一个遗传的易位不受药物选择的影响，易位率高。而一旦耐药遗传因子转移到细胞质遗传中，细胞质遗传就成为耐药遗传因子，通过结合传导使其细菌(种)产生耐药性。此外，药物的化学结构，如β-内酰胺类抗生素、氨基糖苷类抗生素和四环素类抗生素，以及它们的基本骨架固定也是耐药菌增多的原因。耐药机制多为酶诱导药物失活和水解。负责产生这种酶的遗传因子容易发生突变，可以扩大其基质特异性，在很多场合可以对基本骨架相同的药物表现出交叉耐药性。相比之下，也有染色体遗传因素产生的耐药菌。生产这种耐药菌株需要很长时间，生产后将耐药性传递给其他菌株的概率也很低。因此，由染色体遗传因素产生的耐药菌的药物在临床上可以长期保持稳定的疗效，吡啶酮羧酸或喹诺酮类合成抗生素就是这类药物的代表。基于以上原因，今天备受关注。以下，针对喹诺酮类合成抗生素中的新喹诺酮类药物，阐述其构效关系机制和耐药机制。(二)构效关系:自Nalidixic acld NA在1962发表以来，该类药物的许多类似化合物已被化学合成，现描述其构效关系。其中，米洛沙因MLX、吡罗米酸PA、吡哌酸PPA和西诺沙星因其较强的抗菌活性和良好的药代动力学而备受关注。这些化合物的基本骨架是萘啶、喹啉、吡啶并嘧啶和卟啉。产生抗菌作用所需的结构被认为是含有羰基、羧基和氮原子的吡啶酮羧酸部分。因此，这些药物统称为吡啶酮羧酸类合成抗生素。而分别发表于1978和1979的诺氟沙星NFLX和依诺沙星ENX，在喹啉环和萘啶环上引入了氟，在增强抗菌作用、扩大抗菌谱、稳定代谢和良好的组织转运等方面较原吡啶酮羧酸类抗生素有了显著提高。然后，氧氟沙星。OFLX)发布于1981，Ciprofloxaein CPFX)发布于1983。到目前为止，这些新的吡啶酮羧酸化合物的基本骨架是吡啶酮环和其他环状结构的稠合化合物。狭义上是具有喹啉骨架的化合物，所以吡啶酮羧酸改名为喹诺酮。到目前为止，发表的含有吡啶酮羧酸类抗生素的论文几乎都是喹诺酮类。这些化合物在本文中也被称为喹诺酮类。以萘啶酸为起点合成的喹诺酮类抗生素，通过在母核中引入氟原子，扩大了抗菌谱，增强了抗菌效力，改善了体内动力学，作为新一代喹诺酮类抗生素备受关注。吡啶酮羧酸类药物的结构见上一期杂志【喹诺酮类药物临床说明书】图2。作为基本骨架，有一个吡啶酮羧酸结构位于双环的右侧。如果说NA、PA、PPA、MLX、CINX是第一代，那么第二代新喹诺酮类药物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个位置。这些药物的主要抗菌活性见表1。虽然第一代NA和PPA对革兰氏阴性菌表现出抗菌活性，但它们对革兰氏阳性菌的活性较弱。相比之下，新喹诺酮类的NFLX、OFLX、ENX、CPFX、LFLX和TFLX扩大了抗菌谱，不仅表现出对革兰氏阳性菌的抗菌活性，而且抗菌效果显著增强。在具有萘啶母核的NA的6位引入氟原子后，对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌和绿脓杆菌的抗菌作用增强，在7位引入哌嗪基团后，抗菌作用进一步增强。这是因为这些取代基的引入增强了对喹诺酮类药物靶位DNA—Gyr—ase的抑制，从而增强了抗菌作用。含喹啉母核的NFLX、OFLX和CPFX也增强了抗菌效果。此外，与NA相比，新喹诺酮类药物亲水性适度增强，对革兰氏阴性菌具有良好的通透性，消除了脂多糖引起的通透性障碍，也扩大和增强了其抗菌谱和抗菌效果。在喹啉母核的6位引入了其他卤素等取代氟，并对其抗菌效果进行了研究。结果，发现这些元素比氟更能增强抗菌效果。还研究了8位取代基的引入。如图，X=CH的喹啉骨架和X=N的萘啶骨架在抗菌效果上没有太大差别，但氟和氯的引入增强了对革兰氏阳性菌的抗菌效果。根据对1取代基的研究，环丙基表现出最强的抗菌活性。1位的取代基对抗菌活性有如此大的影响，说明药物与靶向位点的相互作用密切相关。从7-取代基的研究来看，如果在TFLX中引入氨基吡咯烷，它可以比NFlX和CPFX的哌嗪基团更增强对革兰氏阳性菌的抗菌作用。以上，以新喹诺酮类为中心，介绍了母核不同位置取代基的功能。当然只介绍抗菌效果和结构的关系。作为抗菌剂，其功能特性与整个化合物的物理性质密切相关，其中存在一个亲水性问题。分配系数与抗菌活性关系的研究表明，分配系数接近-1的化合物具有较好的抗菌活性。(三)喹诺酮类药物对临床分离株的抗菌作用:对喹诺酮类药物1986~1988收集的临床分离株的MIC90进行统计，结果如下。对革兰阴性菌，新喹诺酮类抗菌作用为:CPFX > TFLX > OFLX，AM-833 > LFLX，ENX，NFLX；；对于革兰氏阳性菌，TFLX最强，其次是OFLX > CPFX > AM-833。TFLX对脆弱类杆菌和产气荚膜梭菌也表现出很强的抗菌活性。关于新喹诺酮类药物对其他微生物抗菌作用的报道很少。据报道，新喹诺酮类抗生素对弯曲杆菌、军团菌、微球菌、衣原体和结核杆菌具有非常强的抗菌作用。新喹诺酮类抗菌药物已应用于临床5年多。随着剂量的增加，新的喹诺酮类耐药菌的出现引起了人们的关注。日本正在进行这方面的调查。六年来的调查结果表明，铜绿假单胞菌、粘质沙雷氏菌和金黄色葡萄球菌分别占10 ~ 17%、25 ~ 34%和2 ~ 5%。从服用喹诺酮类药物的细菌中也分离出了耐药菌，耐药率在菌株间波动较大。作者对1987分离的123株粘质沙雷氏菌的不同检验项目及不同医院的耐药菌分离率进行了研究。结果显示，不同的检查项目和医院，耐药菌的分离率差异很大。此外，随机选取粘质沙雷氏菌对喹诺酮类药物敏感的菌株，进行体外耐药菌株出现率的研究。结果表明，不同菌株的频率差异为10 ~ 1000倍。因此，调查结果反映了给药方式(是否长期给药)、患者类型(是否为大医院患者；或住院病人或门诊病人)，由于很多场合细菌的分离条件不同，耐药菌的比例差异很大。因此，为了掌握耐药菌的发展趋势，有必要充分研究临床分离菌的背景。(4)喹诺酮类抗生素的作用机制:遗传因子的本质是脱氧核糖核酸(DNA)。双螺旋环结构的细菌染色体DNA长度约为1.500 μm，可想而知，如果要在一个长度仅为1微米左右的细菌中包含如此巨大的物质，DNA必须以高阶结构的形式进行有规律的折叠。在非常温和的条件下裂解细菌后，用显微镜观察染色体DNA。结果，可以捕获以某一点为中心的具有密集环形高阶螺旋结构的DNA。随着细菌的分裂，将染色体DNA正确分配到子细胞中的过程非常复杂。需要许多酶。当DNA分布到子细胞中时，一些高级螺旋结构依次部分解卷，重新合成与母体DNA完全相同的DNA。同时，解开的DNA重新形成原来的高级螺旋结构。这就是DNA复制，称为DNA超螺旋型或解螺旋型(松弛型)。DNA分子中遗传信息的复制，转录成RNA(核糖核酸)以及其他遗传因子的重排，都需要多种酶聚合成DNA分子中的碱基。在一些拓扑结构的DNA分子中，碱基可以与酶相互作用，而其他一些结构则不能。比如超螺旋结构可以让圆形双链的双螺旋反向缠绕。重绕使螺旋中的碱基向外，从而被酶作用。参与DNA超螺旋或解卷结构转化的酶是DNA回旋酶。DNA回旋酶是一种分子量约为40万的蛋白质。这种蛋白质由两个亚单位(或亚单位)组成，称为A和B..超螺旋的形成需要三磷酸腺苷(ATP)。ATP分解过程中释放的能量是形成超螺旋的驱动力。在没有ATP的情况下，虽然速度非常慢，但DNA回旋酶可以解开负超螺旋环。在DNA回旋酶存在的情况下，切割环时，酶变性观察，可以发现A亚基与切割点的两个5’端结合。这说明DNA被切断时产生的末端阻止了彼此离开。切割位点的两个5’端分别与亚基A结合，两个亚基A通过亚基B结合..DNA回旋酶的DNA片段约为150个碱基对，大部分结合的DNA片段包裹在酶的周围。喹诺酮类如NA能抑制DNA回旋酶。药物对DNA旋转酶抑制作用的研究表明，50%抑制浓度(ID50)CPFX CPFX为1.0μg/ml，OFLX3.1μg/ml，NFLX 2.4μg/ml，PPA 156μg/ml，新喹诺酮类药物作用较强。此外，CPFX、OFLX、NFLX、PPA的50%抑制浓度分别为6.65438±0.7微克/毫升、0.34微克/毫升、0.5微克/毫升。由于DNA回旋酶的抑制浓度接近MIC值，说明喹诺酮类药物的抑制作用是抑制DNA回旋酶对松弛DNA的活性。(五)药物在细菌内的通透性和孔隙的通透性:NA和PA的细胞内通透性通过脂多糖(LPS)侵入细菌，新喹诺酮类抗菌药物通过孔隙侵入细菌。通孔一般来说就是水溶性物质容易通过的孔，新喹诺酮类抗生素的分配系数比NA和PA更亲水，从中也可以想象出新喹诺酮类抗生素的抗菌强度。新喹诺酮类抗生素进入细菌的量是NA的30 ~ 50倍。这也说明了新喹诺酮类药物在细菌中的渗透性是极好的。(六)耐药机制:体外研究表明，耐钠细菌由于促旋酶A或促旋酶B的变异，即DNA亚单位A或B的改变，降低了药物对DNA促旋酶的抑制作用，通过MIC比较可以发现，促旋酶A变异体对各种喹诺酮类药物都有耐药性，而促旋酶B变异体因药而异，即使有耐药性也是微弱的。耐钠细菌的体外分离率为10-7~10-8。当然，分离频率因菌株和品系而异。如随机选取对喹诺酮类敏感的粘质沙雷氏菌菌株，研究耐药菌株的分离率。因此，其频率为10-4~10-8。这种耐药菌出现频率的差异反映了临床分离株中喹诺酮类耐药菌的分离率。对从自然界分离的4株喹诺酮类耐药菌的耐药机制进行了研究。首先对耐药菌的DNA回旋酶进行纯化，分为A亚基(Ar)和B亚基(Br)。然后，还从敏感菌中分离出A亚基(As)和B亚基{Bs}，在体外形成各自的亚基，研究喹诺酮类如何抑制各DNA的回旋酶活性。临床分离的耐钠细菌中，耐药值并不是很高，部分还呈现中度MIC。其中，部分菌株对β-内酰胺类抗生素和氨基糖苷类抗生素表现出耐药性。因此，可以认为耐药机制是由毛孔变异引起的。当然，详细分析还是以后的研究课题。(7)其他问题:最近“PAE”作为药物的功能之一，引起了特别的关注。所谓PAE，是指药物在一定时间内对细菌的作用，在药物消除后，细菌恢复到与无药物时相同的状态之前。这里，PAE强度用细菌恢复正常所需的时间来表示。氨基糖苷类、氯霉素、利福平、四环素等。有PAE效应，β-内酰胺类抗生素尤其是革兰氏阳性菌有PAE效应，新喹诺酮类的CPFX也有PAE效应。PAE是指药物靶向位点不止一个，可能有第二个或第三个作用位点，或者是指主要靶向位点与药物的亲和强度。包括新的喹诺酮类抗生素，并且药物的PAE随剂量而变化，因此PAE在考虑体内效应时是重要的，尤其是剂量。(八)结论:新喹诺酮类药物的构效关系已逐渐明确。另外还具有抗菌谱广、抗菌作用强、作用机制专一、细胞内通透性好等多种特点，应该说是一类值得关注的药物。