多黏菌素E联用其他抗菌药物治疗鲍曼不动杆菌感染的药效学模型研究

付文婷，胡学谦，缪红

作者单位：1上海交通大学医学院附属瑞金医院药学部，上海 200025；2上海市长宁区精神卫生中心药学部，上海 200050；3上海市黄浦区中西医结合医院药剂科，上海 200010

鲍曼不动杆菌是一类革兰氏阴性、氧化酶阴性、专性需氧的条件致病菌［1-4］，该菌有多种耐药基因，如超广谱β-内酰胺酶（Extended Spectrum Beta-Lactamases，ESBLS）、金属酶、头孢菌素酶或染色体介导的β-内酰胺酶（AMPc酶）、氨基糖苷修饰酶等，在一定环境下可以对抗生素产生多重耐药，甚至泛耐药［5-6］。鲍曼不动杆菌是院内获得性感染的主要病原菌之一，常在重症病人、免疫力低下或长期使用激素、广谱抗菌药物等病人中引起呼吸道、尿路、血液、中枢神经系统等部位的感染，而泛耐药鲍曼不动杆菌（extensively drug-resistant acinetobacter baumannii，XDR-AB）更是重症监护病房（ICU）中引起医院感染爆发和流行的主要条件致病菌［7-9］。研究发现XDR-AB对老一代抗菌药多黏菌素E保持很高的敏感率［1，10］，因而多黏菌素E重新引起了临床关注，但其肾毒性限制了他的应用［11-13］。在新的有效抗菌药物研发迟滞的情况下，寻求多黏菌素E与其他抗菌药物联合的给药方案，显得尤为迫切。

在前期工作中，我们筛选了对XDR-AB具有协同杀菌作用的抗菌药联合治疗方案［14-15］。在此静态杀菌实验结果基础上，本研究于2016年10月至2017年11月从数学模型角度描述多黏菌素E与其他抗菌药物联用对XDR-AB的杀菌活性和杀菌作用的特点。

1 研究方法

1.1静态杀菌曲线实验本部分以多黏菌素E为研究对象，联用药物包括美罗培南、米诺环素和利福平等。四种鲍曼不动杆菌泛耐药菌株分别编号为：09-95，09-1769，09-2092和10-548。根据最小抑菌浓度（MIC）测定结果（表1）以及棋盘法实验结果，选择低于MIC的浓度进行组合进行静态杀菌曲线实验。

表1 各抗菌药对泛耐药鲍曼不动杆菌的最小抑菌浓度（MIC）/（mg/L）

各菌株均做8个实验组，包括空白组、单用组（四组）和多黏菌素E联用组（三组），各组的含药液浓度见表2。分别于给药前和给药后2，4，6，8，10，12和24 h采样，涂布平板并进行菌落计数。培养24 h时菌落计数较初始时刻降低3 log10单位时，认为具有杀菌作用。培养12 h时，联用组菌落计数相对于强效组分单用组下降≥2 log10或3 log10时，分别判为具有相加或协同杀菌作用。

1.2药效学模型分析建立图1所示的药效学模型描述多黏菌素E及联用药物对XDR-AB的杀菌作用。细菌生长过程具有非线性特征，采用幂函数进行描述，γ和kin分别为幂指数和系数。细菌消亡过程符合一级动力学，kout为速率常数。X表示菌落计数。

表2 四种鲍曼不动杆菌泛耐药菌株类型、分组情况及静态杀菌曲线实验药物浓度

图1 多黏菌素E与其他抗菌药物联用对鲍曼不动杆菌的药效学模型结构图

药物对细菌生长和消亡过程均有调节作用，分别用f2和f1表示。采用Emax模型描述药物对细菌生长/消亡过程的调节作用，其中，药效学参数Emax表示调节作用最大值，EC50为达到50%Emax时所需的药物浓度，CA和CB表示药物浓度。药物的联用采用相加式模型表述。此外，还引入指数模型描述抗菌药对消亡过程促进作用的衰减（λ表示衰减速率），以模拟抗菌药在使用过程中引起的异质性耐药。

多黏菌素E与其他抗菌药物联用对鲍曼不动杆菌的药效学模型微分方程组（1）如下，X为菌落计数，A和B表示抗菌药，f为传递函数。

模型的构建分两个阶段进行：①利用对照组数据估算kin、kout和γ等参数；②综合利用各药物处理组数据估算Emax、EC50和λ等参数。采用非线性回归拟合实验数据，用MATLAB软件（7.0版，美国Mathworks公司）中的最大似然法实现相应计算。微分方程的解算通过调用ODE函数实现。模型的选择根据赤池信息判据（AIC）进行。药效学拟合的目标函数为平均残差分数，拟合效果通过图形进行直观判断。

1.3多黏菌素E杀菌效果分析在图1所示的药效学模型基础上，探讨药物浓度变化对细菌净生长能力（net growth）的影响。净生长能力为细菌生长量与消除量之差，其中生长量和消除量依次为公式（2）右边的第1项和第2项。以菌株09-1769为例，将多黏菌素E药效学参数代入公式（2），分析浓度为0、0.05和3.50 mg/L时净生长能力随时间的变化。

对图1所示的药效学模型进行模拟，预测联合用药对鲍曼不动杆菌的杀菌效果。以菌株09-95为研究对象，分析多黏菌素E（0～0.5 mg/L）与美罗培南（0～16 mg/L）联用时对细菌菌落计数的影响。

2 结果

2.1多黏菌素E与其他抗菌药物联用对XDR-AB的杀菌效果多黏菌素E单用杀菌效果不佳，给药后6 h均出现细菌重生长。美罗培南、米诺环素和利福平单用时几乎没有杀菌作用。多黏菌素E与这三个抗菌药联用时有明显的协同杀菌作用，给药后12 h时大部分处理组的菌落计数降至2以下，至给药24 h时也仅有微弱的重生长。所建立的药效学模型较好地描述了多黏菌素E药物联用对鲍曼不动杆菌的杀菌作用，模型预测值与实测值基本吻合。见图2。

反映XDR-AB生长的药效学参数如表3所示。菌株09-2092的kin和kout均低于其他菌株，该菌的生长速率总体慢于其他细菌。菌株09-1769和10-548的幂指数γ高于其他菌株，这两个菌株生长速率高于其他两株，与图2所示结果相符。

表3 反映鲍曼不动杆菌生长的药效学参数

2.2多黏菌素E与其他抗菌药物对XDR-AB生长和消亡过程的调节作用多黏菌素E及联用药物美罗培南、米诺环素和利福平的药效学参数如表4所示。多黏菌素E对细菌生长过程的EC50值总体高于其他药物，该药对细菌生长过程的调节能力较弱；多黏菌素E对细菌消亡过程的EC50总体明显低于其他药物且Emax均为正值，同时λ值显著高于其他药物，该药对细菌消亡过程具有促进作用且力度较强，同时该促进作用随时间推移呈指数衰减。

多黏菌素E浓度对XDR-AB净生长能力的影响如图3所示。当多黏菌素E浓度为0.05 mg/L时，细菌净生长能力在给药后3 h内为负值；尔后细菌净生长能力转变为正值。当多黏菌素E浓度增加至3.5 mg/L时，细菌净生长能力始终为负值且随时间推移逐渐趋于零。

多黏菌素E与美罗培南联用对菌株09-95的杀菌效果预测如图4所示。当多黏菌素E浓度高于0.14 mg/L时，菌落计数等高线基本与横坐标平行。

3 讨论

XDR-AB在临床的感染率及对多种抗菌药物的耐药率逐年上升［16-17］，多黏菌素E可能是目前对XDR-AB最为有效的抗菌药物之一［18-21］。多黏菌素E由于其较严重的肾脏毒性和神经毒性几乎被临床停用［22-23］，可使用多黏菌素E与一种或多种抗菌药物联合治疗降低其不良反应［24］。

表4 各抗菌药物对泛耐药鲍曼不动杆菌生长和消亡调节作用的药效参数

本研究药效学模型研究显示美罗培南、米诺环素和利福平单用时对XDR-AB几乎没有杀菌作用，而多黏菌素E与这三个抗菌药联用时有明显的协同杀菌作用，可杀灭XDR-AB且无重生长。此研究提示临床上可采用多黏菌素E与利福平、美罗培南或米诺环素联用的给药方案，药物联用有望降低多黏菌素E的给药剂量，从而降低其毒性反应。

此外，图3所示的菌株净生长能力-时间曲线显示当多黏菌素E浓度增加至3.5 mg/L时，细菌净生长能力始终为负值且随时间推移逐渐趋于零，说明细菌被杀灭且没有出现重生长。可以设计抑制细菌重生长的给药方案（即菌株净生长能力始终为负值），达到治愈感染的目的。根据图4所示当多黏菌素E浓度高于0.14 mg/L时，此时增加美罗培南浓度能迅速增强杀菌效果（特别是美罗培南浓度低于4 mg/L时）。根据图4多黏菌素E与美罗培南发挥协同杀菌作用的浓度范围，有助于进一步设计动态杀菌实验，为临床给药方案制定提供更多参考信息。

我们前期的体外联合药敏试验并未研究多黏菌素E与含舒巴坦的复合制剂（或舒巴坦）等其他抗菌药物对XDR-AB的体内外联合抗菌作用。因此多黏菌素E联合其他抗菌药物治疗XDR-AB的体内试验，需要临床药代动力学或药效学的进一步研究证实。

（本文图2～4见插图12-6）