氨基糖苷類抗生素治療藥物監測及其毒理機制研究進展

鄧 陽，肖亦莎，李 昕，徐 兵，黃珺晨

（1.長沙市第三醫院藥學部，湖南 長沙 410015；2.長沙市抗菌藥物臨床應用研究所，湖南 長沙410015；3.長沙醫學院藥學院，湖南 長沙 410219）

氨基糖苷類抗生素（aminoglycoside antibiotics，AmAn）在臨床上主要用于需氧革蘭陰性桿菌引起的嚴重全身性感染，包括膽道感染、骨和關節感染、尿路感染、皮膚及軟組織感染等[1]。較早應用的有鏈霉素（streptomycin）、慶大霉素（gentamicin）、妥布霉素（tobramycin）等天然來源的抗生素，但隨著這些抗生素副作用越來越明顯，如耳毒性和腎毒性，促使開發出第二代AmAn及半合成衍生物，如阿米卡星（amikacin）和依替米星（etimicin）等[2]。到20世紀末，隨著更廣譜、副作用更小的β內酰胺類抗生素的使用，AmAn在臨床使用率逐漸下降，臨床濫用現象少，耐藥率較低。在越來越多的抗生素達不到治療效果時，AmAn又重新受到了重視。近年來CHINET細菌耐藥監測網結果顯示，AmAn對耐藥革蘭陰性菌如銅綠假單胞菌、流感嗜血桿菌等保持良好的敏感率[3]，推薦單藥或聯合用藥用來治療多藥耐藥菌引起的嚴重感染如敗血癥、呼吸系統感染、中樞神經系統感染等。

治療藥物監測（therapeutic drug monitoring，TDM）是一種對生物樣本中藥物及相關代謝物濃度進行檢測的技術。以藥動學（pharmacokinetics，PK）和藥效學（pharmacodynamics，PD）基礎理論為指導，借助分析技術檢測患者體內藥物濃度，評估患者給藥方案是否合適，以提高療效，降低毒性反應發生。對于治療窗窄、易發生不良反應且個體差異較大的AmAn，尤其需要定期進行TDM，以提高用藥安全，降低耳、腎毒性發生率，將臨床用藥從傳統的經驗模式提高到精準用藥水平。因此，本文從AmAn的TDM和耳、腎毒性的研究現狀出發，闡述AmAn的TDM主要分析方法、PK/PD、毒性機制及其毒性預防機制的研究進展，以期為AmAn的TDM方法的建立、合理用藥和毒理機制的基礎和臨床研究提供參考。

1 治療藥物監測

1.1 藥動學/藥效學

AmAn屬于靜止期殺菌藥，能與細菌核糖體中的30S亞基結合，抑制細菌蛋白質的合成，也可改變細菌細胞壁的通透性，使細胞內鹽類及營養物質外漏，導致細菌迅速死亡[4]。其極性和解離度較大，口服很難吸收，在臨床以肌注和靜滴為主。同時該類藥物血漿蛋白結合率多數＜10%，穿透細胞膜能力很弱，主要分布于細胞外液，反復用藥后易在腎皮質和內耳內、外淋巴液高濃度聚積，且不經肝代謝，主要以原形從腎排泄，在腎、耳組織清除半衰期（t1/2）遠長于血漿t1/2。眾所周知，藥物的療效、毒性均與血藥濃度相關。有研究顯示，依替米星在大鼠內耳和腎清除t1/2分別可達155.96±19.95和（83.11±26.60）h[5]，表明其在體內清除緩慢、蓄積嚴重，這也就從PK角度闡述了該類藥的可能毒性機制。此外，該類抗生素有較長的抗生素后效應和首劑效應，且是濃度依賴性抗生素，臨床療效與峰濃度（peak concentration，Cmax）/最低抑菌濃度（minimal inhibitory concentration，MIC）比值成正相關，當Cmax/MIC≥8～10，或藥-時曲線下面積（area under the curve，AUC）/MIC≥100～125時對革蘭陰性菌可獲良好療效，也可防止在治療過程中產生耐藥突變株。因此，患者體內AmAnCmax在安全范圍內越高療效越好，谷濃度（trough concentration，Cmin）越低毒性發生率越低。

性別、年齡、種族和燒傷等因素都會影響患者的表觀分布容積，從而影響AmAn血藥濃度，且該類藥物治療濃度與中毒濃度接近，在給予相同劑量藥物后患者體內的血藥濃度存在較大的差異，從而影響藥物的療效甚至發生毒性反應，尤其在特殊人群中。此外有報道，我國182萬藥源性聾啞兒童中，有50%～73%為AmAn所致[6]。另外一項慶大霉素在兒童中的安全性以及TDM對兒童患者的實用性的研究表明，每天1次給藥治療時，其腎毒性不常見且可逆，而耳毒性經常發生且不可逆，兩者之間存在密切聯系[7]。一般來說，腎毒性先于耳毒性發生，如在腎毒性發生之后立即停藥，可有效避免耳毒性發生[8]。與成年人相比，該類藥在兒童體內的t1/2更長，Cmin更高，更易引起腎、耳毒性的發生，其原因可能是兒童患者因腎小球、腎小管發育不全導致腎清除率降低。有研究發現，老年人使用阿米卡星t1/2明顯較成年人長，這可能與老年人分布容積低于成年人，全身血管硬化，導致腎功能減退有關[9]。《抗菌藥物臨床應用指導原則》規定，對腎功能不全患者、老人以及新生兒等在使用氨基糖苷類藥物均需要進行TDM[7]，以提高療效和降低不良反應。腎功能異常患者宜在用藥后第2天測Cmax（給藥后5 min）；在用藥第4～5天檢測Cmin（給藥前5 min），通過TDM指導臨床合理用藥，以避免濃度過高而引起毒性反應。

1.2 檢測方法

AmAn化學結構中含有氨基醇環和氨基糖分子，由配糖鍵連接成苷，極性強，易溶于水，無典型紫外吸收[10]。因此，在使用HPLC-UV進行檢測時，必須使用操作繁瑣的衍生化法[11-12]，實驗結果易受衍生化試劑干擾。所以目前大多研究主要用LC-MS/MS進行檢測，常用的分析方法見表1。從表1及結合AmAn藥物本身性質可以得知，目前監測AmAn主要采用親水作用色譜，色譜柱為HILIC柱，流動相為含酸的強極性溶劑，內標為化學結構相似同類抗生素，主要采用蛋白沉淀法進行樣品處理。此類方法操作簡單，價格低廉，基質效應和萃取回收率均符合要求，且穩定性好更易推廣。

1.3 給藥方案優化

在AmAn的合理用藥過程中，臨床常需要在經驗性給藥方案上根據TDM制定個體化給藥方案（常規給藥劑量見表2），來提高臨床治愈率，降低抗生素耐藥。但AmAn治療濃度與中毒濃度接近，易發生毒性反應，使用時需要特別注意峰谷濃度值。該類抗生素治療濃度與中毒劑量具體數值見表3。大多數研究推薦AmAn每天1次給藥[15-17]，主要在于該類藥物對革蘭陽性菌和革蘭陰性菌均具有一定程度的抗生素后效應，可通過延長給藥間隔、減少給藥次數、適當增加給藥劑量來降低耳、腎毒性，也可避免耐藥突變菌株的產生。但由于其治療窗較窄、毒性反應大，加上臨床患者病理生理情況的多樣性、復雜性，在沒有更多的AmAn的科學理論與合理用藥依據時，對于不同人群，臨床醫師更傾向于參考藥品說明書推薦的每天≥2次用藥方法，綜合患者病理生理情況制訂經驗性的給藥方案，因而亟需開展TDM以及不同人群的PK/PD等研究，為其合理使用提供參考。此外，相關研究也表明，每天1次給藥方案，可以有效降低患者的Cmin，但Cmax會較高；而每天2次或3次給藥方案患者Cmax會降低，但Cmin會升高，2種給藥方案都是為了避免AmAn在人體內濃度過高而引起毒性反應[18]。臨床具體使用哪一種給藥方案，應結合患者具體情況做出判斷，如果長期使用該類藥，隨著治療時間延長，藥物在體內蓄積增多，將更易發生毒性危險。因此，需要結合患者的療效與相應檢查結果與權威指南中推薦的PK/PD指數和患者血藥濃度值進行比較分析，來調整給藥劑量和給藥間隔，優化臨床給藥方案，進行個體化給藥治療，達到提高療效和降低不良反應的目的。

2 毒性機制與減毒

2.1 耳毒性機制與配伍減毒

AmAn耳毒性主要表現在前庭和耳蝸神經等內耳結構的損傷造成聽覺障礙，而內耳結構又與平衡感有著密切的聯系，其損傷常導致眩暈、惡心、嘔吐、眼球震顫和平衡失調等不良反應[18]。近年來，對AmAn耳蝸毒性機制研究形成多種觀點，如內淋巴液藥物蓄積、氧化應激損傷和溶酶體破壞引起細胞自溶等[19-21]。當AmAn在體內蓄積到一定濃度后，耳蝸氧自由基大量產生，并超過耳蝸組織的抗氧化能力，導致超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）和谷胱甘肽過氧化物歧化酶（glutathione peroxidase，GSH-Px）表達降低[22-24]。也有研究認為，此類抗生素易與內耳感覺細胞的磷酸肌醇酯結合[25]，結合后細胞內Ca2+釋放出來，胞外 Ca2+增多從而激活胱天蛋白酶凋亡通路，增加活性氧（reactive oxygen species，ROS），進一步對細胞產生毒性，從而造成聽覺系統損害。此外，分子遺傳學觀點提出，線粒體的A1555G和C1497T基因位點突變者易出現耳毒性反應，且有家族聚集現象[26-27]。因此，通過基因檢測技術，方便臨床醫師獲得患者基因型，從而預知哪些患者在使用AmAn時更易發生耳毒性。

表1 氨基糖苷類抗生素常見LC-MS/MS分析檢測方法

表2 氨基糖苷類抗生素的給藥方案

表3 氨基糖苷類抗生素有效血藥濃度和中毒濃度

綜上，AmAn產生耳毒性最主要的原因是氧化應激所致損傷。目前大多研究主要從抵御氧化應激來拮抗其耳毒性：①中藥拮抗AmAn氧化應激損傷。如川芎嗪可以通過增加豚鼠SOD和GSH-Px活性，減少丙二醛（malondialdehyde，MDA）的產生，抑制耳蝸細胞胱天蛋白酶的表達，以減少慶大霉素誘導的耳蝸細胞凋亡[23-24，28]，具體機制有待進一步明確。于姝媛等[29]發現，紅景天苷可通過激活大鼠體內核因子E2相關因子2-抗氧化反應元件途徑，引起相關抗氧化酶如SOD和GSH-PX的表達水平增加，從而保護耳蝸螺旋神經元。有研究報道，綠茶酚活性物質表沒食子兒茶素表沒食子酸酯與阿米卡星合用，可以減輕阿米卡星誘導大鼠螺旋神經元的凋亡，對大鼠聽功能有保護作用[30]。②化學藥物拮抗AmAn氧化應激損傷。地塞米松和他克莫司可以緩解慶大霉素代謝物引起的氧化應激細胞損傷[31]；非諾貝特通過恢復大鼠SOD活性，降低慶大霉素導致的聽力閾值[32]。有研究通過細胞內鐵離子滴定證明去鐵離子螯合劑對AmAn耳損傷有保護作用，其主要機制與抗氧化有關[33]。此外，臨床使用該類抗生素時，應盡量避免與其他潛在耳毒性藥物合用或者先后局部及全身使用，避免造成更嚴重的損傷。

2.2 腎毒性機制與配伍解毒

一般腎毒性在用藥后5～7 d發生，7～10 d腎毒性最強，可出現血尿、蛋白尿及腎功能不全，尿量減少或增多，大多數表現為非少尿性急性腎衰，通常表現為蛋白尿、管型尿和血尿，一般情況下停藥后腎功能可逆轉[8]。對AmAn的腎毒性進行研究后發現，首先藥物通過胞飲作用被近端小管細胞吸收后被轉運和聚集在溶酶體上，導致溶酶體磷脂變性，溶酶體破裂，出現磷脂尿，進一步導致腎小管細胞壞死，甚至腎衰竭。主要機制可能有：①AmAn誘發氧化應激導致腎損傷，如阿米卡星和慶大霉素可明顯降低人腎小管上皮細胞系HK-2的SOD活性，升高MDA和乳酸脫氫酶含量，引發毒性[34-35]；②AmAn誘發正常細胞凋亡和壞死導致腎損傷，如慶大霉素和依替米星可以增加大鼠體內白細胞介素1β（interleukin-1β，IL-1β）和腫瘤壞死因子α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）等促炎癥因子含量，導致腎小管上皮細胞凋亡[36-37]。

許多藥物都具有抑制AmAn腎毒性的作用，在AmAn致腎損傷期間，可以通過服用藥物減輕腎損傷程度，降低不良反應。①與中藥配伍減毒。有研究表明，葛根素和蘆丁等黃酮類及三七和人參等皂苷類化合物可以調節氧化平衡和降低炎癥反應，減輕慶大霉素所導致的急性腎損傷[35，38-39]；葛根素可以誘導大鼠體內SOD、GSH-PX及總氧化能力恢復，明顯降低慶大霉素誘導大鼠腎損傷后的肌酐（creatinine，Cr）和血尿素氮（blood urine nitrogen，BUN）水平，從而減輕腎毒性損傷；椰子花序提取物可以抑制TNF-α和IL-6等促炎細胞因子表達，同時還可以增加SOD和GSH-PX活性，降低血清Cr和BUN水平，促進腎組織病理改變修復[40]；姬松茸多糖可以降低小鼠BUN和Cr的含量[41]，減輕慶大霉素所致腎損傷；川芎嗪明顯抑制大鼠體內MDA表達，降低血清Cr和BUN水平，從而預防慶大霉素導致的腎損傷[42]。②與化學藥物配伍解毒。如曲美他嗪可以通過預先給藥，在大鼠體內與慶大霉素競爭Megalin受體，減少其在腎中的蓄積，減輕腎組織病理學改變[43]；如水楊酸可與氧自由基反應生成2，3-二羥基苯甲酸清除慶大霉素誘發產生的氧自由基[17]；C1q/TNF 相關蛋白 6[36]和雙嘧達莫[44]可以通過預先給藥，抑制慶大霉素所導致的大鼠急性腎損傷腎組織中的TNF-α和IL-6相關炎癥體激活，從而減輕腎損傷，雙嘧達莫還可以降低大鼠體內血尿酸升高保護腎組織；硝苯地平可以降低肌酐清除率[45]；羥苯磺酸鈣是一種強抗氧化劑，可以有效預防妥布霉素導致的氧化應激，增加SOD表達，降低MDA產生，抑制炎癥反應，從而保護腎小球和腎小管[46]，且有臨床研究發現，羥苯磺酸鈣治療的腎移植患者，治療后患者的Cr和BUN均較治療前明顯下降并維持穩定[47]。

因此，針對AmAn腎毒性，研究者提出臨床上可以采取下列防護措施：①采用每天給藥1次的方案，通過降低胞飲作用而減少吸收[48]；②避免與其他腎毒性藥物局部或全身合用；③改變給藥途徑、研究毒性更低的抗生素，已有霧化氨基糖苷類藥物用于治療慢阻肺[49]，且伊娜等[37]發現，在大鼠中，第二代合成類依替米星導致的耳、腎組織病變比第一代慶大霉素輕；④與藥物合用降低腎毒性，如上述提到的中藥或者化藥。

3 耐藥機制和預防措施

細菌對AmAn產生抗性的機制主要有3種。①AmAn在細胞內濃度過低而產生抗性：大部分假單胞菌屬、不動桿菌屬可以通過高效主動排除系統將氨基糖苷類藥物排出細胞外，使細胞內濃度減少而導致耐藥[50]。②核糖體位點變化而產生抗性：銅綠假單胞菌、多藥耐藥鮑曼不動桿菌和肺炎克雷伯菌對AmAn耐藥[50-51]，主要原因是與細菌30S核糖體亞單位上的16SrRNA的甲基化阻礙細菌與藥物結合而產生耐藥。③耐藥菌表達的AmAn修飾酶能對抗生素分子的氨基或羥基進行修飾[52]，使AmAn與核糖體的親和力下降而產生耐藥，在細菌細胞內對抗生素進行修飾的修飾酶主要有3類，即氨基糖苷磷酸轉移酶、氨基糖苷乙酰轉移酶和氨基糖苷核苷轉移酶[53]。目前主要采取以下幾種措施來控制耐藥性：①對原有AmAn在結構上進行改造[54]，如1-N-取代衍生物和1-N-烷基衍生物等。②開發AmAn修飾酶抑制劑[55]，如帶正電荷的短肽可以吸引修飾酶負電荷中心，讓修飾酶失去活性。③與其他抗生素聯合用藥，合理使用抗生素。

4 展望

綜上所述，對AmAn進行TDM極有必要，通過TDM制定個體化給藥方案，可以有效降低其耳、腎毒性和耐藥，提高患者治愈率。隨著生物檢測的方法不斷更新，生物分析方法靈敏度、精密度和選擇性也在不斷提高，迫切需要建立相應的檢測方法，以滿足臨床TDM和研究需要。而耳、腎毒性是AmAn最常見的不良反應，其毒性預防機制比較復雜，中藥和西藥防治毒性措施均停留在動物實驗階段，缺乏臨床研究資料。大多研究也顯示，氧化應激是AmAn導致耳、腎毒性主要機制，提示拮抗耳、腎毒性可以從氧化應激角度進一步探討，如利用具有抗氧化應激的藤茶二氫楊梅素和甘草等，通過激活氧化應激防御通路，起到相應的防治作用[56-57]。

目前抗生素的耐藥問題比較嚴重，細菌耐藥機制相當復雜，隨著科研人員不斷深入研究，不斷完善細菌耐藥機制，對此類抗生素耐藥機制有了比較全面的認知。但臨床上對于AmAn耐藥率不斷提高的問題值得深思，臨床給藥劑量是否合適、是否有此類藥物用藥指征以及是否考慮用中藥提取物或主要活性成分預防其耐藥性的產生等均待進一步研究。