氨基糖苷类抗生素作用机制研究进展

刘海燕 殷瑜

(1 中国药科大学，南京 211198；2 上海交通大学药学院，上海 200240)

氨基糖苷类抗生素作为一种杀菌性抗菌药物[1]，其具有抗菌谱广、杀菌完全、与β-内酰胺类抗生素协同作用好等特点[2]。由于氨基糖苷类抗生素潜在的毒副作用具体包括引起患者神经肌肉阻滞作用、耳毒性、肾毒性[3]等及耐药菌的产生[4]而限制了其在临床上的大量使用，但它们仍是治疗革兰阴性菌严重感染的重要药物。此外，这类药物的新用途也逐渐被发现，包括用于治疗遗传性疾病[5]、梅尼埃病[6]及抗HIV病毒[7]等。本文简要介绍了氨基糖苷类抗生素的历史、临床常用种类，重点阐述了其作用机制。

1 氨基糖苷类抗生素简介

1.1 氨基糖苷类抗生素的历史追溯

氨基糖苷类抗生素是一类由单组分或多组分糖基取代的氨基环醇类化合物[8]。1944年，链霉素作为第一个氨基糖苷抗生素被发现[9]并沿用至今。之后新霉素(1949)[10]、卡那霉素(1957)[11]和庆大霉素[12]也相继被发现。目前为止，已报道的天然和半合成氨基糖苷类抗生素的总数已超过3000种，其中微生物产生的天然氨基糖苷类抗生素有近200种[2]。2017年，一种新型氨基糖苷类抗生素plazomicin出现，于10月份向美国食品和药品监督管理局(FDA)提交新药申请，并于2018年6月底获得FDA批准，用于由某些肠杆菌科细菌感染引起的、治疗选择非常有限或无治疗选择的复杂性尿路感染[13]。

1.2 临床常用的氨基糖苷类抗生素

国内，临床上常用的氨基糖苷类抗生素包括：新霉素、卡那霉素和妥布霉素等[14]，根据抗菌药物临床使用指南[15]整理见表1。此外，在迄今已知的众多氨基糖苷类抗生素中，5种(阿米卡星，庆大霉素，新霉素，链霉素和妥布霉素)被列入英国国家处方集，用于临床，7种(阿米卡星，庆大霉素，新霉素，链霉素，卡那霉素，巴龙霉素和妥布霉素)经FDA批准在美国临床使用[13,16]。

2 氨基糖苷类抗生素作用机制

2.1 氨基糖苷类抗生素经典的杀菌作用机制

氨基糖苷类抗生素杀死细菌，主要通过“三步曲”抑制蛋白质合成，从而导致细胞死亡。第一步，由于这类抗生素具有阳离子的性质，所以首先与细菌表面的阴离子化合物结合。在革兰阴性菌中，阴离子化合物包括脂多糖，磷脂和外膜蛋白，在革兰阳性菌中，主要是磷壁酸和磷脂。阴阳离子相互作用使细菌表面渗透性增加，从而导致一些氨基糖苷分子渗透到细菌的周质空间中[17]。第二步为“能量依赖性阶段I”，少数抗生素分子在功能性电子传递系统的参与下到达细胞质[18]。细胞质内的氨基糖苷类分子产生抗生素效应，从而产生错误翻译的蛋白质。异常的细胞质膜蛋白破坏细胞质膜完整性，从而促进氨基糖苷类分子的大量进入。第三步称为“能量依赖阶段II”[19]。细胞内的大量氨基糖苷分子使蛋白质合成过程中产生大量错误，导致细胞质膜中更多的损伤，允许更高的抗生素摄取速率，最终导致细胞死亡。

30S核糖体亚基与tRNA的结合是蛋白质合成的关键步骤之一，目前发现的所有氨基糖苷类抗生素其主要作用位点都为30S核糖体的16S rRNA。但随着现代生物化学和分子生物学技术的发展，发现分子水平上不同氨基糖苷抗生素之间又存有区别。

表1 国内临床常用氨基糖苷类抗生素及作用范围[15]Tab.1 Domestic clinical commonly used aminoglycoside antibiotics and their actions[15]

2.1.1 抗生素与30S核糖体16S rRNA的A部位结合，导致蛋白质错译

近年来，随着科学技术的进步，氨基糖苷类抗生素与30S核糖体的相互作用逐渐被揭示，其主要与30S核糖体16S rRNA的A部位结合以造成蛋白质的错译从而起到杀菌作用[20]。蛋白质的翻译过程，涉及到核糖体、tRNA和mRNA 3者的准确结合，结合位点位于30S与50S核糖体亚基的相互作用面上，具体分为A、P、E 3个位点[21]。其中A位点为解码区，由3个腺嘌呤A1408、A1492、A1493在Helix44处通过2个G-C碱基对组成一个不对称内环。翻译过程中，mRNA在与其匹配的tRNA结合后，该不对称内环会发生外翻，从而便于核糖体上A1492、A1493与mRNA及其匹配的tRNA的结合，结合后恢复内环结构，这种有序的构象变化过程被严格控制以确保核糖体在解码过程中精确识别并结合与mRNA互补配对的tRNA，最终实现蛋白质翻译的准确性[22]。而氨基糖苷类抗生素能够插入16S rRNA的Helix44内部，并与A位点的3个腺嘌呤形成氢键使得内环外翻，该构型与核糖体与mRNA和tRNA结合后的构型相似，因而处于该构型的核糖体更易与mRNA和tRNA结合，同时非互补配对的tRNA也能够结合于mRNA上，最终导致错误蛋白质的形成[23]，具体如图1所示。

2.1.2 抑制30S核糖体亚基的组装

1968年，Traub等[24]通过在体外改变核糖体蛋白的加样顺序发现核糖体蛋白与16S rRNA的结合具有分级顺序，同时该结合是一个热力学依赖的过程。之后，Held等[25]的研究表明在30S核糖体亚基组装过程中存在两个中间体，分别为低温下(0～15℃)装配暂停时，沉降系数在21～22s的中间体RI和当温度升至 40℃时，组装继续进行，RI吸收能量重排后形成的另一个沉降系数在25～26S的中间体RI*，在RI*中间体中加入剩余的核糖体蛋白，其最终组装为有活性的30S亚基，具体如图1所示。

近年来，Mehta和Champney[26-27]的研究表明，氨基糖苷类抗生素对30S核糖体亚基具有二级抑制靶点，且已经在大肠埃希菌和金黄色葡萄球菌中揭示新霉素和巴龙霉素在细胞生长过程中抑制30S核糖体亚基组装，但是对50S亚基形成没有影响。在上述两项研究中，产生了装配中间体，沉降系数为21S。这些研究工作是氨基糖苷类抗生素在体内抑制30S亚基组装的第一个标识。随后Foster等[28]进一步描述了在新霉素或巴龙霉素作用下生长的大肠埃希菌细胞中产生的装配中间体的特征，揭示氨基糖苷类抗生素能刺激30S组装过程重21S前体的积累；杂交实验表明，前体颗粒中含有未加工的16S rRNA，同时在每种药物抑制后，前体中发现了10种30S核糖体蛋白。这项工作实际是对Mehta和Champney研究的佐证。此外，Belousoff等[29]也阐明了新霉素和巴龙霉素的主要抑菌作用在于抑制30S核糖体亚基的组装。

图1 氨基糖苷类抗生素杀菌机制Fig.1 Bactericidal mechanism of aminoglycoside antibiotics

2.2 产生羟基自由基

Collins等[30]发现氨基糖苷类等杀菌性抗生素作用于细菌后，都产生了大量的羟基自由基，而抑菌性抗生素均未能促使羟基自由基的产生。进一步研究发现，当加入芬顿反应抑制剂—铁离子螯合剂2,2'-联吡啶后，氨基糖苷类等杀菌性抗生素对菌体的杀死率明显降低，说明羟基自由基的形成和芬顿反应在氨基糖苷类抗生素杀菌机制中起着重要作用。进一步研究表明，氨基糖苷类等杀菌性抗生素与细菌接触后，激发三羧酸循环(TCA)产生的NADH不断通过电子传递链发生氧化，导致NADH被大量消耗，进而引起细菌产生大量的超氧化物。超氧化物进一步损坏铁硫簇，使其释放出的亚铁离子通过芬顿反应产生大量的羟基自由基，促使细菌胞内DNA、蛋白和脂质损伤，最终导致细胞死亡，具体的杀菌代谢通路如图1所示。

但是近年来，关于杀菌性抗生素是否通过产生羟基自由基杀死细菌也存在很多质疑。2013年，Liu等[31]的研究指出，细菌暴露于杀菌性抗生素不会依赖羟基自由基造成细菌的损伤，更可能是直接抑制细胞壁组装、蛋白质合成和DNA复制。同年，Keren等[32]的研究也指出在抗生素存在下，个体细胞的存活概率与其ROS水平之间没有相关性。

2.3 其他作用机制

氨基糖苷类抗生素除了上述作用机制以外，随着研究的深入，还发现一些氨基糖苷类抗生素具有新的作用机制，具体包括抑制核糖核酸酶P的活性，改变细菌转录率和抑制细菌分裂。

核糖核酸酶P(RNase P)是一种Mg2+依赖性核糖核酸内切酶，负责tRNA 5'端的成熟[33]。有研究表明，在氨基糖苷类抗生素如新霉素和卡那霉素作用下，能够抑制核糖核酸酶P(RNase P)的活性[34]。Kawamoto等[35]还发现新霉素的六精氨酸衍生物作为一种核糖核酸酶P的抑制剂，较新霉素对核糖核酸酶的抑制作用更好；此外Goh等[36]的研究表明亚抑制浓度的氨基糖苷类抗生素可以改变细菌转录率；Possoz等[37]的研究还发现阿米卡星在亚抑制浓度下会破坏Z环的形成，从而抑制细胞分裂。

3 结论与展望

近年来，随着氨基糖苷类抗生素的广泛使用，氨基糖苷类抗生素的耐药状况日益严重，科研人员正在积极地进行新型氨基糖苷类抗生素研究的探索。2016年，江南大学王雪玉等[38]利用糖芯片技术研究氨基糖苷类抗生素与rRNA和蛋白质的相互作用，以筛选可以与RNA紧密结合并与抗性/毒性引起的蛋白质具有较低亲和力的新化合物，以期促进新型氨基糖苷类抗生素的发现；2017年，郑曌等[39]制备出一种酸刺激响应的氨基糖苷类抗生素水凝胶，从而通过改变抗生素的剂量来实现药物的按需递送和实现不同的水凝胶降解率，以降低药物的毒副作用和细菌的耐药率。本文主要总结了氨基糖苷类抗生素经典作用机制和其他作用机制，以期为获得高效、广谱抗菌、抗耐药菌、低毒的新型氨基糖苷类抗生素的研究、开发和发展起到积极的推动作用。