淺論β-內酰胺類抗生素對肺結核的治療

桑嘉翌

（西安高新第三中學 陜西西安 710000）

肺結核由結核桿菌引起，通過活性肺結核患者打噴嚏，咳嗽等方式，散播在空氣中，然后經呼吸道進入健康人群的肺部[1]，接著人體免疫系統的巨噬細胞很快將其捕獲，被捕獲的大部分結核桿菌都被巨噬細胞殺死，但是仍有少量結核桿菌可以在巨噬細胞里生存下來，如果人體免疫系統正常，結核桿菌將被層層免疫細胞包圍，形成一個肉芽腫的組織，以保護人體其他部位不被結核桿菌感染，此時患者不會顯示任何肺結核癥狀，同時不具有傳染性，稱為潛伏性肺結核[2]。據估計世界上有三分之一的人口患有潛伏性肺結核，其中85%到90%的潛伏性肺結核患者可以終生維持這種狀態，但是當其免疫系統不能正常運轉，比如癌癥患者，艾滋病患者及器官移植患者等，他們轉化為活性肺結核的幾率會大大提高[3]。活性肺結核就是我們常說的肺結核，臨床顯示咳嗽，消瘦，盜汗，咳血等癥狀，同時也具有傳染性。對肺結核的治療，目前通常使用國際健康組織（WHO）推薦的療法：異煙肼，利福平，吡嗪酰胺和乙胺丁醇一起使用兩個月，之后再使用異煙肼和利福平四個月。共計六個月時間[4]。聯合用藥的主要目的是為了避免耐藥菌的產生，盡管如此，當前耐藥性肺結核的發展仍然十分迅速，對其的治療只能使用包括喹諾酮和氨基糖苷類在內的二三線抗結核藥物，通常是八到十種不同藥物同時用藥達兩年之久。二三線抗結核藥往往毒性大，治療活性比一線藥物差，因此，耐藥性肺結核的治愈率低，所以研發新的抗結核藥迫在眉睫[5]。

β-內酰胺類抗生素是目前使用最廣泛的抗生素[6]，最早的β-內酰胺類抗生素是青霉素，也是第一個發現的抗菌藥。β-內酰胺類抗生素的作用機理為抑制青霉素結合蛋白（也稱為D，D-轉肽酶）的活性，從而抑制細菌細胞壁肽聚糖層的合成。其耐藥機理一般有兩種，第一種，也是最主要的一種，細菌通過分泌β-內酰胺酶，水解青霉素的β-內酰胺環使其失活。第二種，細菌可以改變青霉素結合蛋白的結構，使得β-內酰胺類抗生素無法與靶標結合，從而失去其抗菌活性[7]。為了解決β-內酰胺類抗生素的耐藥性問題，藥物化學家不斷的對其結構進行改造，同時也改善了其抗菌譜窄，化學性質不穩定的特點。目前，根據結構來分，除了青霉素外，還有頭孢菌素類（也可稱為先鋒霉素）、碳青霉烯類和單環內酰胺類抗生素[8]。現在β-內酰胺類抗生素作為廣譜抗菌藥，對革蘭氏陽性菌及革蘭氏陰性菌都有殺傷作用。結核桿菌屬于特殊的革蘭氏陽性菌，其細胞壁肽聚糖的合成也需要青霉素結合蛋白，也就是說正常情況下，青霉素可以抑制結核桿菌的青霉素結合蛋白的活性，從而殺死結核桿菌，但是現實情況卻是β-內酰胺類抗生素很少用于肺結核的治療，本文在此對該現象進行了深入分析。

一、β-內酰胺類抗生素對肺結核無效的原因

（一）結核桿菌的細胞壁

跟普通的革蘭氏陽性菌和陰性菌細胞壁相比，結核桿菌的細胞壁干重占其總干重的40%，而大多數革蘭氏陽性菌和陰性菌的細胞壁干重占比則分別為5%和10%[9]。結核桿菌細胞壁的主要組成部分是稱之為霉菌酸的一類脂肪酸，為分支桿菌屬所特有，是至今發現碳鏈最長的天然脂肪酸，脂肪酸的親脂性取決于碳鏈的長度，因此可以推定結核桿菌擁有自然界脂溶性超強的細胞壁[10]。這樣的蠟狀細胞壁為結核桿菌形成了一層天然的保護屏，阻擋了大多數抗菌藥的入侵。

（二）結核桿菌的肉芽腫結構

結核桿菌可以在肺部形成肉芽腫的結構。肉芽腫結構主要是以感染的免疫細胞為內核，然后更多的免疫細胞將其包裹起來，從而保護人體的其他組織不被結核桿菌感染[11]。表面上看來這個肉芽腫組織主要是用于限制結核桿菌的復制與活動，從而保護人體。但是科學家逐漸發現，這樣的肉芽腫組織同時也阻擋了抗結核藥物接觸到其內部的結核桿菌，因此在某種程度上對結核桿菌也產生了保護作用[12]。

（三）結核桿菌的其他保護機制

結核桿菌有高度發達的外排泵系統，主要功能是將有毒的物質或代謝廢物排到細菌外面。當細菌將抗生素排到細胞外面時，抗生素就很難在細菌內部積累，達到殺菌所需要的濃度。這樣一來，細菌沒有被殺死，反而衍生出耐藥性菌，因此結核桿菌的耐藥性與這個外排泵系統有關[13]。此外結核桿菌的復制周期長達20個小時左右，然而大多數細菌的復制周期，如大腸桿菌則在20秒之間。鑒于大多數抗菌藥的靶標都是針對細菌的復制周期，因此繁衍慢的細菌天然就對大多數抗菌藥有抵抗作用。綜合以上幾點原因，當醫生發現β-內酰胺類抗生素對肺結核無效的時候并沒有感到非常意外。

（四）結核桿菌分泌的β-內酰胺酶

科學家在研究耐藥性肺結核時，發現同時使用β-內酰胺類抗生素與克拉維酸對其有效。這樣之前關于β-內酰胺類抗生素對肺結核無效原因的推論就不能成立[14]。后來通過研究發現，該類抗生素對肺結核無效的真正原因是結核桿菌可以表達大量的β-內酰胺酶，該酶可以水解青霉素類抗生素的β-內酰胺環從而使其失活。而當β-內酰胺類抗生素與克拉維酸同時使用的時候，克拉維酸可以結合β-內酰胺酶，與其形成不可逆的復合物，使β-內酰胺酶失活[15]。從而減小該酶對于β-內酰胺類抗生素的影響，因此β-內酰胺類抗生素與克拉維酸合用時對肺結核就產生了治療效果。

二、β-內酰胺類抗生素對持留結核桿菌的影響

（一）持留性結核桿菌

在治療結核病的過程中發現，有一些結核桿菌始終不能被殺死，這類結核桿菌在人體內可以調整其代謝狀態，轉化為休眠或代謝慢的結核桿菌，我們稱之為持留結核桿菌[16]。持留結核桿菌是造成結核病復發率高，治療周期長的主因。而肺結核的長治療周期不僅給病人造成很大的藥物負擔，同時也導致大多數病人不能完成肺結核的治療周期。治療周期的縮短為殘存在病人體內的結核桿菌發生基因突變提供可能，從而進一步導致耐藥性肺結核的產生。因此可以推斷持留性結核桿菌不僅是導致肺結核治療長周期的關鍵，也是造成耐藥性肺結核加劇的主要因素。當前一線抗結核藥物中異煙肼，乙胺丁醇只對代謝正常的結核桿菌有效，而對持留菌無效[71]，剩下的一線藥物中吡嗪酰胺被證實有抑制持留性結核桿菌的療效，利福平對代謝時快時慢的結核桿菌有殺傷作用[17]。事實上，在最初研究抗結核的治療方法時，隨著利福平和吡嗪酰胺的加入，肺結核的治療周期有原先的1到2年縮短到6到8個月[18]。這就證明了對持留菌有效的藥物可以大幅度的縮小肺結核的長治療周期。但是隨著異煙肼及利福平耐藥菌的出現，我們需要研發出新的抑制持留菌的藥物[19]。

（二）結核桿菌的L，D-轉肽酶

圖1 結核桿菌肽聚糖層的結構

細菌細胞壁的肽聚糖層是由糖鏈和多肽分支組成，多肽鏈之間有肽鍵鏈接（圖1）。對于正常的細菌來說，該肽鍵為4→3位的氨基酸連接而成，由D，D-轉肽酶合成，也就是俗稱的青霉素結合蛋白，即β-內酰胺類抗生素殺菌的作用靶標。而持留性結核桿菌80%的肽鏈分支由3→3位的氨基酸連接，由L，D-轉肽酶合成[20]。研究發現，碳青霉烯類的抗生素可與該酶結合為不可逆的復合物，從而抑制其活性。因此，該類抗生素可作為抗結核藥物研發的先導物，進行深入的結構優化，也許可以發現新的對持留性結核桿菌有活性的藥物。

三、結束語

綜上所述，β-內酰胺類抗生素與克拉維酸合用時對耐藥性肺結核有效，另外持留性結核桿菌是造成肺結核長治療周期和耐藥性加劇的主要因素，因此找到對持留菌有效的藥物至關重要。而研究發現碳青霉烯類抗生素有望成為研發抗持留結核菌的先導物。相信在不久的將來，該類抗生素會對肺結核的治療做出應有的貢獻。