多黏菌素类药物神经毒性研究进展

杨 锐, 向德标, 袁 芳, 杨 圆,王鹏凯, 李 昕

(1. 湖南中医药大学, 湖南 长沙, 410208; 2. 湖南省长沙市第三医院, 湖南 长沙, 410015;3. 湖南省长沙市抗菌药物临床应用研究所, 湖南 长沙, 410015;4. 抗耐药微生物药物湖南省重点实验室, 湖南 长沙, 410015)

多黏菌素类药物来源于多黏类芽孢杆菌,是一类阳离子多肽,主要通过破坏细菌细胞壁、扰乱细菌胞内渗透压平衡、结合细菌内毒素及抑制细菌呼吸酶等机制发挥抗菌效果,对革兰氏阴性菌造成的感染疗效显著[1-3]。

1 多黏菌素B与黏菌素的分子结构

多黏菌素至少有10种不同的结构,其中在临床广泛应用的是多黏菌素B和黏菌素[4]。两者化学结构类似,均是由环状七肽组成的阳离子多肽,并且环状七肽部分的N末端都是被脂肪酸酰化的三肽侧链,在环状七肽6位的氨基酸为D-构型,其余位置的氨基酸为L-构型。两药化学结构差异仅为环状七肽的6位取代基不同,多黏菌素B是苯丙氨酸(Phe)取代而黏菌素是亮氨酸(Leu), 见图1。

图1 多黏菌素B和黏菌素的分子结构

研究[5-6]表明,不同类型的氨基酸在抗菌肽分子中的作用是不同的。Leu影响抗菌肽的疏水性,从而影响透过生物膜的能力。而Phe为抗菌肽和细菌的结合起到导向的作用,影响抗菌肽的靶向能力[7]。一项针对质子素(一种抗菌肽)中Phe的研究[8]发现,随着Phe被替代的数目增多,质子素的抗菌能力下降,这可能与Phe更大的空间位阻有关。

多黏菌素B和黏菌素的分子结构中的脂肪酸酰化的三肽侧链与多黏菌素B和黏菌素的神经毒性和疏水性相关[1]。疏水性与多黏菌素B和黏菌素穿过细胞膜及细菌外膜的能力直接相关,影响抗菌肽的细胞毒性和抗菌活性[9]。另外,疏水性越强则药物分子与细菌的脂多糖(LPS)结合能力越强[10], 多黏菌素B和黏菌素与LPS的结合是治疗革兰氏阴性菌感染的作用机制之一。疏水性还与多黏菌素类药物透过血脑屏障的能力有关。血脑屏障的通透性影响多黏菌素B和黏菌素在脑内蓄积,是决定多黏菌素类药物中枢神经毒性的重要因素之一[11]。多黏菌素B和黏菌素具备良好的疏水性,但是由于分子量较大,两药在健康人的血脑屏障的透过率不足5%[12]。在严重感染情况下,血脑屏障通透性升高,多黏菌素B和黏菌素血脑屏障透过率上升,有研究[13]表明,在血脑屏障损伤前提下,静脉注射后脑脊液黏菌素浓度可升高。

2 多黏菌素的神经毒性

2.1 神经毒性的发生率

神经毒性是多黏菌素类药物最常见的副作用之一。目前临床应用多黏菌素类药的方式主要是静脉注射、脑室内或鞘内注射。早期研究[14]认为静脉注射的神经毒性发生率为7%, 若患者本身罹患囊性纤维化则神经毒性发生率上升至31.56%。一项Meta分析[15]统计了PICU中405名患者静脉注射黏菌素的情况,神经毒性的发生率分别为6.1%和0.5%。PICU的患者往往意识不清难以准确报告神经毒性,神经毒性又暂无客观评价指标,可能导致多黏菌素神经毒性的实际发生率高于统计值。一项研究[16]中,当20名健康受试者接受0.75 mg/kg PMB的静脉注射剂量时,神经毒性发生率为70%, 当剂量上升到1.5 mg/kg时,神经毒性发生率为100%。该研究中静脉注射多黏菌素B的剂量均低于常规剂量[1.5～2.5 mg/(kg·d)]。该研究提示,在患者能准确报告神经毒性的前提下,统计到的神经毒性的发生率会更高。

对于中枢系统感染,脑室内或鞘内注射的疗效优于静脉注射。目前应用于脑室内或鞘内注射的多黏菌素类药物主要是多黏菌素E甲磺酸钠(CMS), 其推荐剂量是125 000 IU/d(10 mg)。实际临床应用剂量为1.6～40.0 mg/d, 持续时间为7～28 d[13]。脑室内或鞘内注射多黏菌素类药物使得药物在中枢有更高的暴露量,但同时会增加神经毒性的风险[17]。早期研究[18]发现,当脑室内和鞘内注射CMS剂量为5 000～500 000 IU/d时,神经毒性的发生率为28%。而另一综述[19]表明,当成人CMS剂量的范围为20 000～500 000 IU/d, 儿科患者的剂量范围为2 000～125 000 IU/d时,神经毒性的总体发生率为11.0%。向ICU患者脑室内注射250 000～300 000 IU/d黏菌素,神经毒性的发生率为14.3%[20]。

既往有限的文献表明,在不同的研究人群及给药剂量下,多黏菌素类药神经毒性的发生率具有较大差别,提示该类药物神经毒性受个体差异与药物剂量等因素的影响较大。

2.2 神经毒性的表现

多黏菌素类药物神经毒性的临床表现包括感觉异常、头晕、视觉障碍、眩晕、意识模糊、幻觉、癫痫、共济失调、面部和周围感觉异常、记忆暂时丧失以及呼吸窘迫等。本研究汇总了2009—2023年发表在Pubmed和CNKI的病例报告,这些病例报告针对患者使用多黏菌素类药物时的神经毒性表现进行了具体描述,见表1。

表1 静脉注射不同剂量多黏菌素药物的神经毒性

黏菌素在常规剂量下(100～150万U/d)的神经毒性发生率较低,仅有1例报告神经毒性。通常超过常规剂量3倍及以上时才会出现神经毒性,且症状相对较轻,多是嗜睡、头痛。而多黏菌素B低于常规剂量(1.5～2.5万U/kg)能产生肌无力、感觉异常等症状,在常规剂量范围内,多黏菌素B能造成患者记忆丧失及呼吸窘迫,甚至导致心脏骤停危及生命。CMS在常规剂量下(2.5～5.0 mg/kg)的神经毒性表现多样,包括感觉异常、四肢疼痛、惊厥和呼吸窘迫等症状。应用超过常规剂量的CMS会导致患者呼吸窘迫、全身抽搐,增大治疗风险。

静脉注射多黏菌素类药物多产生肌无力、麻木等外周神经毒性,中枢神经毒性需要较大剂量才能产生,这与血脑屏障的作用有关。脑室内注射多黏菌素类药物暂未广泛应用,有限的报告表明脑室内注射多黏菌素类药物能导致呼吸困难和记忆丧失[38]。

目前对神经毒性的评价缺乏类似于肾毒性的客观检查指标(肌酐清除率)及对应的毒性分级评价标准。神经毒性的强度在很大程度上依赖于医生对患者的表现和口述做出的判断,这具有一定的主观性。而且危重患者往往无法有效表述自身症状,这种情况下神经毒性可能未被有效观测到,进一步增加了临床治疗的风险。

2.3 神经毒性的发生机制

研究[39]表明多黏菌素类药物的神经毒性与氧化应激诱导的细胞凋亡相关。氧化应激状态下,细胞内存在大量活性氧(ROS), 导致细胞内氧化还原失衡[40]。ROS几乎和细胞内所有的生物分子发生反应,损伤线粒体,促进细胞凋亡[41]。人体中的脂质,尤其是多不饱和脂肪酸易被氧化,神经细胞中多不饱和脂肪酸含量高,易受氧化应激的影响[42-43]。神经细胞发生凋亡是神经毒性的重要病理特征,已有大量的关于细胞凋亡的机制研究。细胞凋亡包括经由线粒体的内源性细胞凋亡途径和经由死亡受体的外源性细胞凋亡途径[44]。内源性的凋亡途径是DNA损伤或内质网的应激,导致bcl-2家族中的bax和bak表达升高,导致线粒体膜通透性增加,线粒体内的蛋白质外流,促进胞浆中的细胞色素C(Cytc)结合凋亡蛋白激活因子1(Apaf-1), 进而募集Caspase-9, Caspase-9生成Caspase-3和Caspase-7最终执行细胞凋亡。外源性的凋亡途径则是由细胞膜上的受体和外源性配体相结合,激活Caspase-8, 由Caspase-8直接激活Caspase-3和Caspase-7。

LU X X等[45]研究发现,多黏菌素B和黏菌素是经过相同的寡肽转运蛋白(PEPT2)进入细胞内。在此基础上, VISENTIN M等[46]发现黏菌素还可以经过有机阳离子转运蛋白(OCTN2)转运进入细胞。黏菌素进入细胞后显著提升细胞内ROS的水平,降低谷胱甘肽(GSH)、过氧化氢酶(CAT)的水平,破坏细胞内氧化还原的平衡,导致细胞氧化应激[47]。同时黏菌素能够激活P53通路,提升下游靶基因的表达,提升细胞凋亡水平[48]。黏菌素还能下调细胞内的蛋白激酶 B(Akt)、核定位的蛋白(CREB)的水平,上调Cytc、Caspase-3、Caspase-9的表达,进一步促进凋亡[49-50]。此外,自噬是细胞对抗氧化应激的一种机制,黏菌素诱导的细胞自噬与氧化应激之间的关系有待进一步研究[51-52]。

多黏菌素B能提升应激活化蛋白激酶(JNK)、细胞外调节蛋白激酶(ERK)的表达。其中p38和ERK1、ERK2激活神经细胞凋亡,而JNK 具有神经保护作用[53]。研究[54-55]表明黏菌素仅能上调JNK表达水平。研究[56]发现巨噬细胞对多黏菌素B 十分敏感,在多黏菌素B的刺激下,巨噬细胞的高迁移率族蛋白B1(HMGB1)和白细胞介素1β(IL-1β)表达上升,导致过度炎症,最终使细胞凋亡。

3 多黏菌素类药物的神经毒性保护剂

目前降低多黏菌素类药物神经毒性的方案可分为2种。一种是调整给药方案,虽然可以降低神经毒性,但对治疗效果有一定影响[57]。另一种是利用神经保护药物,在维持治疗作用的同时可降低神经毒性反应。近年来联用神经保护剂来降低多黏菌素类药物神经毒性的研究正在不断开展,见表2。

表2 多黏菌素类药物神经毒性保护剂相关研究

神经保护剂的保护机制与抗氧化作用密切相关。另外,激活细胞自噬能抑制黏菌素诱导的细胞凋亡[69], 如雷帕霉素。铁死亡与氧化应激密切相关,氧化应激能上调细胞的铁死亡水平[70-71]。铁死亡抑制剂可能也会降低多黏菌素类药物的神经毒性。目前为止,利用神经保护剂防治多黏菌素神经毒性的研究多集中在体外研究,体内研究有限,这些研究如何在临床上得到广泛应用有待进一步验证。

4 多黏菌素类药物神经毒性的临床对策

研究[4, 72]表明,七氟烷能显著增强CMS的神经毒性,多黏菌素类药物应不与肌松药、麻醉剂、镇静剂等药物联用。局部给药能在降低毒性的同时维持较好的临床疗效。研究[73-74]表明,对于呼吸系统感染的患者,雾化吸入给药可以在提升肺部药物浓度的同时限制全身的毒性反应,但要警惕局部浓度过高导致的支气管痉挛。对于中枢神经系统感染的患者,选择鞘内注射或脑室内注射的方式,可避免药物在外周过度累积而产生神经毒性[13, 17]。由于多黏菌素类药物治疗窗口窄,临床应用多黏菌素类药物过程中进行治疗药物浓度监测,及时调整给药方案是预防神经毒性常用的方式[75]。

病例报告[76]表明,程度相对较轻的神经毒性,如口腔麻木、肌无力、感觉异常等症状,停药或改用其他抗菌药后患者可自行恢复。为了应对呼吸系统出现的毒性反应,NING Y C等[77]在给药前让患者持续吸氧并在治疗过程中关注血氧饱和度以预防在应用多黏菌素类药物过程中发生呼吸窘迫和呼吸衰竭。出现呼吸窘迫和呼吸衰竭症状后,立即停药并进行气管插管,同时使用支气管扩张剂进行对症治疗,可以使症状消失[78]。心脏骤停是多黏菌素类药物引起的另一罕见且危重的神经毒性反应,一旦发现应立即停药并给予肾上腺素、去甲肾上腺素等药物进行复苏抢救[79]。总体而言,在临床应用多黏菌素类药物治疗危重患者时,关注患者的药物浓度、心率和血氧饱和度对限制神经毒性有利。

5 展 望

神经毒性是限制多黏菌素类药物临床应用的重要因素之一。神经毒性目前还没有与肾毒性评价中的肌酐清除率类似的客观指标进行分级判定,多依赖患者口述和医生判断,带有主观性,易造成误差。因此,找到判断神经毒性的客观指标是促进多黏菌素类药物安全应用的重要环节。由于血脑屏障的影响,静脉注射很难在中枢达到有效的药物浓度,因此在共识中更推荐脑室内注射治疗中枢神经系统感染,但脑室内注射在提高药物的中枢暴露量的同时,也易造成中枢神经毒性。如何在治疗中枢神经系统感染的同时,有效预防神经毒性的产生是临床用药必须要考虑的问题之一。人参皂苷、番茄红素等均能对抗细胞凋亡,具有减轻神经毒性的潜力。激活自噬或可降低氧化应激水平,这也为其神经毒性的防治提供了新思路。铁死亡、细胞焦亡等多种新的细胞死亡途径的不断研究,未来也可能成为黏菌素神经毒性防治的新方向。