抗菌药物的种类及其作用机制
- 抗菌药物（antibacterial drug）是指具有杀菌或抑菌活性的药物，包括抗生素（antibiotic）和人工合成药物。
- 抗生素是指由部分微生物（包括细菌、真菌和放线菌属）产生的、相对分子质量较小的次级代谢产物或人工合成的类似物，对特定微生物有抑制或杀灭作用，能用于病原微生物感染的防治。
抗菌药物的种类
抗菌药物分类的方法很多，可根据化学结构和性质、产生抗菌药物的生物来源、抗菌谱或作用机制等进行分类。
（一）按抗菌药物的化学结构和性质分类
β-内酰胺类（β-lactam）该类抗生素的化学结构中都含有β-内酰胺环。改变其分子侧链则可形成多种衍生物，因此种类较多。主要包括：
- 青霉素类（penicillin）：如青霉素G、苯氧青霉素、耐酶青霉素（甲氧西林、苯唑西林）和广谱青霉素（氨苄西林、阿莫西林和替卡西林等）。
- 头孢菌素类（cephalosporin）：根据抗菌谱和对革兰氏阴性菌的抗菌活性不同，头孢菌素分为五代：第一代主要用于产青霉素酶的金黄色葡萄球菌和某些革兰氏阴性菌的感染治疗，如头孢唑林、头孢氨苄和头孢拉定等；第二代对革兰氏阴性菌的作用较第一代增强，如头孢呋辛、头孢孟多和头孢克洛等；第三代对多种B-内酰胺酶稳定，对革兰氏阴性菌有良好的作用，如头孢他啶、头孢曲松和头孢哌酮等；第四代对革兰氏阳性菌的抗菌作用大大提高，如头孢匹罗、头孢吡肟和头孢唑兰等；第五代对多种耐药菌均有较强抗菌活性，如头孢吡普和头孢洛林酯等。
- 头霉素类：如头孢美唑、头孢西丁等。
- 单环β-内酰胺类：如氨曲南和卡卢莫南等。
- 碳青毒烯类：如亚胺培南、美罗培南等，亚胺培南与西司他丁合用称为泰能。
- β-内酰胺酶抑制剂：如青霉烷砜（也称舒巴坦）和克拉维酸（也称棒酸）等，能与β-内酰胺酶发生不可逆的反应导致酶失活。
- 大环内酯类（macrolide）如红霉素、螺旋霉素、罗红霉素、交沙霉素和阿奇霉素等。
- 氨基糖苷类（aminoglycoside）如链霉素、庆大霉素、卡那𩆨素、妥布霉素和阿米卡星等。
- 四环素类（tetracycline）如四环素、土霉素、多西环素和米诺环素等。
- 氯霉素类（chloramphenicol）如氯霉素和甲砜霉素等。
- 多肽类（polypeptide）万古霉素、替考拉宁、多黏菌素、杆菌肽等。
- 人工合成的抗菌药物 主要有：
- ①磺胺类（sulfonamide）：磺胺嘧啶（SD）、磺胺甲噁唑（SMZ）、甲氧苄啶（TMP）和复方新诺明（SMZco）等；
- ②喹诺酮类（quinolone）：包括诺氟沙星、环丙沙星、氧氟沙星、吉米沙星、加雷沙星和洛美沙星等。
- 其他
- 抗结核药物，如利福平、异烟肼、乙胺丁醇和吡嗪酰胺等。
- 林可霉素类，如林可霉素和克林霉素等。
(二) 按抗菌药物的生物来源分类
- 细菌产生的抗生素如多黏菌素和杆菌肽等。
- 真菌产生的抗生素如青霉素和头孢菌素等。
- 放线菌产生的抗生素 放线菌是生产抗生素的主要来源。其中链霉菌和小单孢菌产生的抗生素最多，如链霉素、卡那霉素、四环素和红霉素等。
- 植物来源的抗菌药物 中草药等植物中也有很多具有抗菌活性的成分，如小檗碱（黄连素）、鱼腥草素、穿心莲内酯、黄芩素、五倍子酸、桂皮醛和大蒜素等。
抗菌药物的作用机制
抗菌药物必须对病原菌具有选择性的杀灭或抑制作用（特异性和有效性），对病人机体造成最小影响（安全性）。抗菌药物的作用是通过药靶（drug target）实现的，药靶是指抗菌药物作用于病原微生物的特定靶位。根据对病原菌作用的靶位不同，抗菌药物的作用机制可分为干扰细菌细胞壁合成、损伤细胞膜功能、抑制蛋白质合成以及影响核酸和叶酸代谢等四类。了解抗菌药物的作用机制，既是临床选用抗菌药物进行科学、合理治疗的前提，也是研究细菌耐药性的基础。
- 干扰细胞壁合成 人体细胞无细胞壁。细菌（支原体除外）具有细胞壁，革兰氏阳性和阴性细菌细胞壁的组成虽有不同，但其主要成分均有肽聚糖。β-内酰胺类抗生素的作用机制主要是与青霉素结合蛋白（penicillin-binding proteins, PBPs）共价结合，抑制其转肽酶、内肽酶和羧肽酶活性，阻碍肽聚糖的交叉连接过程，导致细菌细胞壁缺损，丧失屏障作用，使细菌在相对低渗环境中变形、裂解而死亡。
- 损伤细胞膜功能 某些抗生素分子（如多黏菌素、达托霉素）呈两极性，其亲水性端与细胞膜的蛋白质结合，亲脂性端与细胞膜内磷脂相结合，导致胞膜破坏，胞内成分外漏，细菌死亡。
- 抑制蛋白质合成 可抑制细菌蛋白质合成的抗菌药物，其作用部位各不相同。
- 氨基糖苷类和四环素类主要作用于细菌核糖体的30S 亚基
- 氯霉素、红霉素和林可霉素类等则主要作用于细菌核糖体的 50S 亚基，导致细菌蛋白质合成受阻。
- 影响核酸和叶酸代谢 可通过影响细菌核酸和叶酸代谢发挥抗菌作用的抗菌药物，如：
- 利福平能特异性地与依赖 DNA 的RNA 聚合酶结合，抑制 mRNA 的转录；
- 喹诺酮类药物可抑制细菌 DNA 旋转酶而抑制细菌繁殖；
- 磺胺类药物与对氨基苯甲酸的化学结构相似，两者竞争二氢叶酸合成酶，使二氢叶酸合成减少，影响核酸的合成，抑制细菌繁殖；
- 甲氧苄啶（TMP） 与二氢叶酸分子中的蝶啶结构相似，能竞争抑制二氢叶酸还原酶，使四氢叶酸的生成受到抑制。因此，TMP 与磺胺药合用有协同作用。
细菌的耐药机制
细菌可对抗菌药物产生耐药性，即细菌耐药性（bacterial resistance）。细菌耐药性一般指细菌随时间进展而进化出能够抵抗抗菌药物抑制或杀灭作用的性能。细菌耐药性的产生有内因和外因，前者是指遗传因素，而外因主要是临床滥用和过度使用抗菌药物等，涉及细菌的结构、生理生化、遗传变异和药物作用等诸多方面，耐药机制的研究已深入到分子水平。
细菌耐药的遗传机制
（一）固有耐药性
固有耐药性（intrinsic resistance）又称天然耐药性，是指细菌对某些抗菌药物的天然不敏感。固有耐药性来源于细菌染色体上的耐药基因或天然缺乏药物作用的靶位，可代代相传，具有典型的种属特异性，且始终如一，可以预测。革兰氏阴性菌具有外膜通透性屏障，阳止药物到达靶位，导致这类细菌较革兰氏阳性菌更易对多种药物固有耐药，如多数革兰氏阴性杆菌耐万古霉素；缺乏药物作用靶位也是固有耐药性之一，如支原体对作用于细胞壁的抗菌药物具有固有耐药性。
（二） 获得耐药性
获得耐药性（acquired resistance）是指细菌 DNA的改变导致其获得了耐药性表型。细菌的耐药基因来源于基因突变或得新基因，作用方式为接合、转导、转化及转座等。可发生于染色体 DNA、质粒、转座子和整合子等结构基因，也可发生于某些调节基因。在野生型敏感菌群中出现了对抗菌药物的耐药性，这是获得耐药性与固有耐药性的重要区别。影响获得耐药性发生率的主要因素有：药物使用的种类和剂量、染色体耐药基因的自发突变频率和耐药基因的转移状况等。
- 基因突变（gene mutation）有些基因突变可赋予细菌耐药性。如大肠埃希菌、铜绿假单胞菌等广谱β-内酰胺酶编码基因发生点突变后，即可产生超广谱β-内酰胺酶（ESBL.）。
- 基因转移（gene transfer）这种方式是细菌获得耐药性的主要原因。耐药基因能在质粒、噬菌体以及转座子和整合子等可移动遗传元件介导下进行转移并传播。
（1）R质粒的转移：细菌中广泛存在耐药质粒，其介导的耐药性传播和扩散具有非常重要的作用。质粒能编码多种酶，对多数抗菌药物进行生化修饰而使之钝化。一种质粒可携带一种或多种耐药性基因，通过细菌间接合等方式将耐药质粒转移到敏感菌中使之耐药。环境中抗菌药物形成的选择性压力，造成敏感菌被杀灭或抑制，而耐药菌乘机繁殖，有利于耐药质粒的传播和扩散。
（2）转座子的介导：转座子在细菌或其他生物的基因组（染色体、质粒和噬菌体等）中跳跃移动， 加速了耐药性的进化，扩大了耐药性传播的宿主范围，是造成多重耐药性的重要原因。
（3） 整合子的介导：在同一类整合子上可携带不同的耐药基因盒，同一个耐药基因又可出现在不同的整合子上，在多重耐药性的传播和扩散中至关重要。
细菌耐药的生化机制
细菌耐药的生化机制包括：钝化酶的产生、药物作用靶位的改变、抗菌药物的渗透障碍、主动外排机制、生物膜形成和细菌自身代谢状态的改变等。
（一）钝化酶
钝化酶（modified enzyme）是由耐药菌株产生的具有破坏或灭活抗菌药物活性的一类酶。钝化酶通过水解或修饰，使药物在作用于细菌之前即被酶破坏而失去抗菌作用，是耐药性产生的最重要机制之一。重要的钝化酶有以下几种：
- β-内酰胺酶（β-lactamase）对青霉素类和头孢菌素类耐药的菌株可产生B-内酰胺酶，可特异性地裂解 β-内酰胺环，使其完全失去抗菌活性，故称灭活酶（inactivated enzyme），由细菌染色体或质粒编码。目前在革兰氏阴性菌中，对B-内酰胺类抗生素的耐药性主要由两种酶介导—一超广谱β-内酰胺酶（extended spectrum β-lactamases, ESBLs）和AmpC β-内酰胺酶。已发现AmpC β-内酰胺酶基因位于质粒上，可持续产酶并与质粒上其他耐药基因组合形成多重耐药质粒，导致耐药性传播。
- 氨基糖苷类钝化酶（aminoglycoside-modified enzyme）细菌可产生30多种氨基糖苷类钝化酶， 由质粒介导。这些酶类分别通过羟基磷酸化、氨基乙酰化或羧基腺苷酰化等作用，使药物的分子结构发生改变，失去抗菌作用。
- 其他酶类 耐药菌产生的由质粒编码的氯霉素乙酰转移酶（chloramphenicol acetyl transferase， CAT）可使氯霉素乙酰化失去抗菌活性；也可产生灭活大环内酯类抗生素的酯酶和灭活林可霉素的核苷酸转移酶等。
（二）药物作用靶位的改变
细菌能改变抗生素作用靶位的蛋白结构和数量，导致其与抗生素结合的有效部位发生改变，影响药物的结合，使细菌对抗生素耐药。这种改变使抗生素失去作用靶点和/或亲和力降低，但细菌的生理功能正常。如青霉素结合蛋白的改变导致对B-内酰胺类抗生素耐药。耐甲氧西林金黄色葡萄球菌则能产生一种新的青霉素结合蛋白 PBP2a，对所有B-内酰胺类具有低亲和性。
（三）抗菌药物的渗透障碍
药物必须进入细菌内部到达作用靶位后，才能发挥抗菌效能。细菌的细胞壁阻碍和/或外膜通透性的改变，将严重影响药物的抗菌效能，也是耐药的一种机制。例如细胞膜上微孔缺失时，亚胺培南不能进入胞内而失去抗菌作用；铜绿假单胞菌对抗生素的通透性要比其他草兰氏阴性菌差，是该菌对多种抗生素固有耐药的主要原因之一。
（四）主动外排机制
已发现数十种细菌的外膜上有特殊的药物主动外排系统，即外排泵（efflux pump），可将不同种类药物同时泵出，使菌体内的药物浓度下降，是细菌多重耐药性发生的重要机制。细菌的分泌系统具有外排功能，其结构与功能的改变与细菌的耐药性相关。
（五）细菌生物被膜形成及其他
生物被膜（BF）形成后细菌耐药性增强的机制包括：
- ①抗菌药物难以清除 BF 中众多微菌落膜状物；
- ②BF 存在的大量胞外多糖（EPS）等形成的分子和电荷屏障，阻止或延缓药物的渗透；
- ③BF 内细菌多处于低代谢和缓生长状态，对抗菌药物大多不敏感；
- ④BF 内常存在一些较高浓度的水解酶，灭活进入的抗菌药物。
此外，细菌还可通过改变自身代谢状态逃避抗菌药物的作用，如呈休眠状态的持留菌（persister） 和营养缺陷型小菌落变异（small colony variant, SCV）等都可呈现对多种抗菌药物耐受。细菌也可通过增加产生代谢拮抗剂抑制抗菌药物从而获得耐药性，如金黄色葡萄球菌通过增加对氨基苯甲酸的产量，从而耐受磺胺类药物的作用。
细菌耐药的表型分类
细菌的耐药表型是细菌耐药机制的外在表现，按细菌耐受抗菌药物的种类和数量可分为四类（结核分枝杆菌有其特殊性，该菌的耐药表型分类见第十四章）。
（一）单耐药性（single-drug resistance, SDR） 细菌对一种抗菌药物耐药。如金黄色葡萄球菌对阿米卡星耐药，结核分枝杆菌对利福平耐药等。
（二）多重耐药性（multi-drug resistance, MDR） 细菌同时对多种作用机制不同或结构完全各异的抗菌药物具有耐药性。当细菌对三类（如氨基糖苷类、大环内酯类和B-内酰胺类）或三类以上抗菌药物同时耐药时，则称为多重耐药菌（multi-drug resistant bacteria）。
（三） 广泛耐药性（extremely drug resistance, XDR） 细菌对临床常用抗菌药物几乎全部耐药。如革兰氏阴性菌仅对多黏菌素和替加环素敏感，革兰氏阳性菌仅对糖肽类和利奈唑胺敏感。
（四）泛耐药性（pan-drug resistance,PDR） 细菌对所有分类的临床常用抗菌药物全部耐药，革兰氏阴性菌对包括多黏菌素和替加环素在内的全部抗菌药物耐药，革兰氏阳性菌对包括糖肽类和利奈唑胺在内的全部抗菌药物耐药。
细菌耐药性的检测与防控
随着抗菌药物在临床上的广泛使用，越来越多的细菌对抗菌药物产生耐药性，已成全球性的公共卫生威胁。细菌耐药性的出现和播散，造成现存有效抗菌药物不断失效，逐步限制着治疗方案的选择。因此，从全健康（One Health）的理念出发，开展全球性合作，对细菌耐药性进行检测和监测，制定科学的防控措施，对有效控制细菌耐药性的产生和播散具有十分重要的意义。
一、细菌耐药性的检测
抗微生物药物敏感性试验（antimicrobial susceptibility testing, AST），简称药敏试验，即检测微生物对抗微生物药物的敏感性，以指导临床合理选用药物的试验。细菌耐药性的程度通常利用抗菌药物对细菌的最小（低）抑制浓度（minimum inhibitory concentration, MIC）或抑菌圈直径来判定；具体判定指标为折点（breakpoint）。折点是指能预测临床治疗效果，用以判定敏感、中介或耐药的 MIC或抑菌圈直径的数值。当抗菌药物对临床分离菌株的抑菌圈直径大于和等于（或MIC值小于和等于）这种药物对该种细菌标准菌株或参考菌株的敏感折点时，则判定该菌株对该药物敏感（susceptible,S）；如抑菌圈小于和等于（或MIC值大于和等于）耐药折点时则为耐药（resistant,R），介于敏感和耐药折点之间，则为中介（intermediate, I）。药敏试验常用的方法如下：
- 纸片扩散法（disc diffusion test）将含有定量抗菌药物的纸片贴在已接种待检病原菌的琼脂平板上；在细菌培养过程中，纸片上的药物向周围琼脂中扩散，形成了逐渐减小的药物浓度梯度；由于病原菌对各种抗菌药物的敏感程度不同，在药物纸片周围便出现抑制病原菌生长而形成的大小不同的抑菌圈；根据抑菌圈的有无和直径大小来判定病原菌对抗菌药物的敏感程度。抑菌圈直径越大，病原菌对抗菌药物越敏感。这是 WVHO 推荐的定性药敏试验的基本方法。
- 稀释法（dilution test）包括宏量肉汤稀释法、微量肉汤稀释法和琼脂稀释法。其中，微量肉汤稀释法是自动化仪器广为采用的方法，将待测菌接种于含不同浓度抗菌药物的液体培养基中，以能抑制细菌生长或杀菌的抗菌药物的最高稀释度 终点，分别为该药对待测菌的 MIC 或最小（低）杀菌浓度（minimum bactericidal concentration,MBC）。MIC或 MBC的值越低，表示细菌对该药越敏感。
- 抗生素连续梯度法（E-test法）是结合稀释法和扩散法的原理，将预先制备好的含有浓度连续指数增长的抗菌药物的E 试条放在接种了待测菌的琼脂培养板上，培养后，可观察到椭圆形抑菌圈。该抑菌圈边缘与E试条交点的刻度即为抗菌药物抑制待测菌的 MIC。E-test 法操作简便，重复性好且稳定性高。
- 自动化仪器法 是微型化的肉汤稀释试验，观察细菌在各药物浓度下的生长情况，经回归分析得到 MIC，并根据判断标准得出药物敏感结果。自动化药敏仪器法常与自动微生物仪器鉴定法组合形成自动化微生物鉴定及药敏分析系统，包括测试卡（板）、菌液接种器、培养和监测系统以及数据管理系统，一般24小时内即可完成从微量培养细菌、自动监测、记录到打印出细菌鉴定和药敏结果的全过程。
此外，检测细菌的耐药性，还可检测其产生的与耐药性相关的酶，如B-内酰胺酶、碳青霉烯酶等； 或用分子诊断技术检测细菌耐药基因及耐药相关基因。
二、细菌耐药性的防控
- 合理使用抗菌药物 医务工作者和病人应规范化使用抗菌药物，严格遵守和掌握抗菌药物的局部应用、预防应用和联合用药原则。用药前应尽可能进行病原学检测并以药敏试验结果作为用药依据。疗程应尽量缩短，一种抗菌药物可以控制的感染则不应采用多种药物联用。
- 严格执行消毒隔离制度 对耐药菌感染的病人应予隔离，防止耐药菌的交叉感染；医务人员应定期检查带菌情况，以免医院感染的传播。
- 加强药政管理 ①建立细菌耐药性监测网络，掌握本地区、本单位重要致病菌和抗菌药物的耐药性变迁情况，及时为临床用药提供信息；②严格执行抗菌药物凭医生处方供应的规定；③严格规范农牧渔业抗菌药物在饲料添加和治疗用的品种和剂量，降低抗菌药物在自然界造成的选择性压力； ④细菌耐药性一旦产生，在停用有关药物一段时期后耐药突变株逐渐失去与野生敏感株的竞争优势， 数量减少甚至消失，对恢复药物敏感性有帮助。
- 研发新型抗菌药物 ①改良现有抗生素；②根据细菌耐药性的机制及其与抗菌药物的构效关系，研制有活性的新型药物；③针对耐药菌产生的钝化酶，寻找有效的酶抑制剂；④研发阻断耐药质粒转移和传播的药物；⑤开发抗菌肽、微生物制剂和植物来源的抗菌药物等。
- 寻找防控新手段 研发疫苗是降低感染发生率，解决难治性耐药菌（如铜绿假单胞菌）感染的有效方法；建立新一代基于噬菌体疗法的快速检测和治疗体系，是针对耐药菌感染的新举措；特异性消除细菌耐药基因，使其恢复对抗菌药物的敏感性，如消除耐药质粒，探索利用 CRISPR-Cas9等基因编辑系统对位于耐药质粒上的靶基因进行切割失活，使细菌恢复对药物的敏感性，或切割细菌基因组上的靶基因，最终导致细菌死亡。
Possible questions
细菌可对抗菌药物产生耐药性，即细菌耐药性（bacterial resistance）。细菌耐药性一般指细菌随时间进展而进化出能够抵抗抗菌药物抑制或杀灭作用的性能。
钝化酶（modified enzyme）是由耐药菌株产生的具有破坏或灭活抗菌药物活性的一类酶。钝化酶通过水解或修饰，使药物在作用于细菌之前即被酶破坏而失去抗菌作用，是耐药性产生的最重要机制之一。重要的钝化酶有以下几种：