呋喃妥因作用機制與臨床應用研究進展及聯合用藥策略

李瑋瑋　郭偉鴻?張雪?張昕陽?朱偉偉?薛云新?王岱?趙西林

摘要：細菌耐藥性的持續攀升及新型抗菌藥物研發進展緩慢，使得臨床抗感染治療面臨巨大挑戰。早期抗生素呋喃妥因具有較強的抗菌活性和較低的臨床耐藥率，被重新考慮作為治療尿路感染的一線藥物，但其確切的分子作用靶點仍不清楚。本文回顧了呋喃妥因的抗菌和耐藥機制、臨床應用現狀及聯合用藥研究，以期為呋喃妥因的合理使用及抗菌策略制定提供參考。

關鍵詞：呋喃妥因，抗菌機制，臨床應用，耐藥機制，聯合用藥

中圖分類號：R978.1文獻標志碼：A

Advancement of clinical application， molecular mechanism， and drug combination strategy of nitrofurantoin

Li Weiwei， Guo Weihong， Zhang Xue， Zhang Xinyang， Zhu Weiwei， Xue Yunxin， Wang Dai， and Zhao Xilin

（State Key Laboratory of Molecular Vaccinology and Molecular Diagnostics， School of Public Health， Xiamen University， Xiamen 361102）

Abstract Continuous surge of bacterial drug resistance in combination with slow progress in development of new antimicrobial drugs， poses a grave threat to effective anti-infective therapy in the clinic. The early antibiotic nitrofurantoin， due to its strong antimicrobial activity and low clinical resistance rate， has been reconsidered as a first-line drug for the treatment of urinary tract infections. However， the exact molecular target of nitrofurantoin action is still unclear. This article reviews the antimicrobial and drug resistance mechanism of nitrofurantoin， its current clinical application， and strategies of drug combination therapy involving this drug. Such work is expected to provide a reference for the rational use of nitrofurantoin and to guide the formulation of antimicrobial treatment strategies involving nitrofurantoin.

Key words Nitrofurantoin; Antimicrobial mechanism; Clinical application; Drug resistance mechanism; Combination drug therapy

病原菌耐藥性的不斷發展使新型抗生素的開發變得刻不容緩。然而，全新藥物的研發需要大量經費作為支撐，且抗生素開發的速度遠遠不及耐藥菌的進化速度。現階段，細菌耐藥性的快速蔓延對整個公共衛生體系構成嚴重威脅，在全球范圍內造成巨大的社會和經濟負擔，而老藥的復興有可能緩解當前藥物開發的困境[1-2]。

呋喃妥因用于治療和預防尿路感染已經有60多年的歷史[3]。然而，由于其他抗生素（比如，β-內酰胺類和喹諾酮類等）的不斷涌現，該藥逐漸被忽視，直到近年來由于抗生素濫用導致耐藥細菌的數量激增，才重新調整了呋喃妥因的用藥地位[4]。2010年，美國感染病學會和歐洲微生物與感染病學會重新將呋喃妥因列為治療急性非復雜性尿路感染的一線抗菌藥物[5]，然而人們對這種抗生素仍缺乏系統性的認識。因此，本文綜述了呋喃妥因的化學及抗菌特性、臨床應用及耐藥率、耐藥機制，同時還對其藥物聯合抗菌策略進行闡述，以期為呋喃妥因的合理使用提供依據與指導。

1 呋喃妥因藥物性質

呋喃妥因屬于合成型硝基類化合物，常見的硝基類化合物主要包括硝基呋喃類和硝基咪唑類化合物。1959年，甲硝唑首次合成并在抗原蟲和抗滴蟲中取得很好的效果，從此硝基咪唑類藥物便開始逐漸發展[6]。整體而言，硝基咪唑類藥物基本都具有抗結核、抗病毒、抗原蟲功效；它們的作用方式主要是通過破壞病原體的DNA來發揮抗菌作用[6]。

比較常見的硝基呋喃類化合物主要包括3種（圖1）：（1）呋喃西林（nitrofurazone， NFZ）是一種含5-硝基呋喃的鹽酸氨基脲[7]，對各種泌尿道、生殖道感染的預防和治療有明顯效果，常用于局部感染的治療和臨床導尿管涂層，食品防腐劑中也有添加[8]；（2）呋喃唑酮（furazolidone， FZ）是一種含2-惡唑烷酮的5-硝基呋喃[7]，用于治療細菌性腹瀉，賈第蟲病以及作為幽門螺桿菌感染進行組合治療的一部分[9]；（3）呋喃妥因（nitrofurantoin， NFT）是一種含有5-硝基呋喃的環酰胺，主要用于治療非復雜性尿路感染（urinary tract infections， UTIs），且尿液中的酸性pH環境對呋喃妥因的抗菌活性有明顯的增強作用[10]。

2 呋喃妥因抗菌機制

呋喃妥因由于具有多種抗菌機制而很早就受到了研究者們的關注[11]。根據報道，呋喃妥因的抗菌機制整體可以概括為：通過抑制細菌能量代謝中的生化過程而非特異性地影響細菌中蛋白質、DNA、RNA的正常合成[12]，但確切的作用機制還有待深入探究。

研究顯示，細菌外在生存環境中氧氣的改變會影響呋喃妥因的抗菌活性，有氧與厭氧條件下呋喃妥因發揮不同的作用[13]，這主要是因為呋喃妥因需要硝基還原酶活化才能發揮抗菌作用，而細菌所含硝基還原酶的種類對氧氣的敏感度有所不同。根據對氧氣敏感度的差異，細菌中硝基還原酶大致可以分為兩類：I型硝基還原酶（氧不敏感型）、II型硝基還原酶（氧敏感型）[14]。I型硝基還原酶中比較有代表性的是大腸埃希菌中的nfsA、nfsB基因產物，在對藥物中的硝基進行電子還原時，前者（NfsA）只能依賴NADPH，而后者（NfsB）可以依賴兩種輔酶NADPH和NADH[15]。呋喃妥因中的硝基在被還原的過程中速率較快，采用的是雙電子還原機制（即乒乓機制），最后的還原產物有亞硝基、羥胺和氨基基團等[16]，而起關鍵催化作用的通常為羥胺類化合物[17]。呋喃妥因在尿路感染治療中經歷此還原過程，一系列的還原產物會破壞三羧酸循環，抑制DNA、RNA和蛋白質的合成，從而殺死病原體[7]。II型硝基還原酶只能通過單電子還原機制來還原硝基[18]。

II型硝基還原酶通過依賴于NADPH的細胞色素P450還原酶啟動呋喃妥因的單電子硝化還原過程，被還原的硝基會重新被氧化，如此反復，形成一種無效的氧化還原循環[19]。在此循環過程中，自發產生的超氧陰離子自由基在超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）的作用下生成過氧化氫[20]，當鐵配合物存在時會與過氧化氫發生芬頓反應，產生活性更強的羥基自由基[21]。

研究還發現對呋喃妥因耐藥的大腸埃希菌在被EDTA進行滲透作用后會導致呋喃妥因對其最小抑菌濃度（minimum inhibitory concentration， MIC）顯著降低，而在這些菌株中，硝基還原酶活性極其微弱甚至可以忽略不計[22]。這些報道表明呋喃妥因存在不依賴于硝基還原而發揮抗菌作用的機制，然而，這種機制尚不完全清楚，具體作用過程還有待后續的進一步的探究[23]。

3 呋喃妥因的臨床應用

尿路感染，即泌尿道致病性感染的統稱[24]，是醫院和社區常見的一種疾病[25]。20世紀50年代，呋喃妥因由于其口服后吸收快，尿液中藥物濃度高（其他組織部位藥物濃度低）而主要被用于治療尿路感染[4]。尿路感染中大腸埃希菌是最常見的病因，在病因中的占比超過半數，甚至高達75%～95%[26]。由于呋喃妥因對大腸埃希菌的活性高、安全性高且對腸道菌群的影響較小，因此是治療無并發癥尿路感染的首選藥物，也是預防復發性尿路感染的首選藥物[27]。

3.1 呋喃妥因具有良好的抗感染治療效果

在一項對513名無并發癥、下尿路感染的婦女進行的隨機開放性試驗中，用呋喃妥因和磷霉素治療2～4周后的臨床結果顯示，當研究對象將呋喃妥因按照一天3次共100 mg的用藥量連續服用5 d，治療效果優于磷霉素單次服用3 g劑量的效果，結果具有統計學意義上的差異[28]。另外，在關于呋喃妥因對治療成人單純性尿路感染臨床療效的隨機對照試驗進行的系統回顧中發現，呋喃妥因在單純性尿路感染的臨床和細菌學方面的治療效果至少與其它抗生素相當，且在一些研究中被證明效果優于復方磺胺甲惡唑[29]。

在比較呋喃妥因和環丙沙星療效和安全性的研究中，研究人員將收集的60例尿路感染患者的尿樣分為兩組，分別用呋喃妥因和環丙沙星處理，藥物干預前后均進行微生物實驗室培養，發現呋喃妥因處理組的尿樣中有5例（16.67%）在藥物干預后出現微生物生長，環丙沙星處理組的尿樣中有14例（46.67%）在藥物干預后出現微生物生長，研究者認為這說明呋喃妥因比環丙沙星抗菌效果更好，細菌對環丙沙星的耐藥率更高[30]。Spencer等[31]在對英國45個中心（包括538名患者）進行的一項研究中，將呋喃妥因與甲氧芐啶、復方磺胺甲惡唑療效進行比較，證明呋喃妥因是治療急性無并發癥尿路感染的首選藥物。

3.2 呋喃妥因引起較低的耐藥率

在尿路感染的患者中，由于經常使用抗生素治療，導致尿路細菌耐藥率持續上升[32]。Konar等[33]在三級護理醫院尋找引起無并發癥尿路感染最常見的致病菌過程中對2557例臨床疑似病例進行了研究，發現最常見的尿路病原體是大腸埃希菌，且大多數分離的大腸埃希菌對呋喃妥因敏感，對喹諾酮類藥物耐藥。此外，研究人員在呋喃妥因和甲氧芐氨嘧啶進行預防用藥的治療試驗時發現隨機接受呋喃妥因治療的兒童中，7%的受試者攜帶對呋喃妥因耐藥的細菌；相比之下，接受甲氧芐氨嘧啶治療的受試者有47%攜帶對該藥物耐藥的細菌，耐藥性大幅度增加[34]。

在歐洲，2000年的調查數據顯示大腸埃希菌對呋喃妥因的耐藥率很低，平均為1.2%，其中葡萄牙和西班牙的耐藥率最高，分別為5.8%和4.2%，芬蘭最低為0.5%，瑞典幾乎沒有發現大腸埃希菌對呋喃妥因的耐藥性[35]。在亞洲，革蘭陰性菌耐藥性研究的熱點地區-印度的一項監測研究表明，從醫院分離出來的病原體對喹諾酮類和頭孢菌素類抗生素的耐藥率極高，分別為76%和77%[36]；而對呋喃妥因的耐藥率才9.4%[37]。

根據2010年中國CHINET耐藥性監測網對臨床尿液標本中9301株分離株的監測結果，革蘭陰性菌占比超過70%，其中大腸埃希菌占主要部分，且大腸埃希菌對呋喃妥因的耐藥率僅為7.9%，但對環丙沙星和復方磺胺甲惡唑的耐藥率均超過了50%，說明呋喃妥因對大腸埃希菌的敏感率仍然較高[4]。

2016年報道的我國2005—2014年10年間CHINET所屬的全國19家大型醫院收集的臨床分離株中關于大腸埃希菌的耐藥監測數據顯示，有將近50%的大腸埃希菌分離株來源于尿液標本，在這10年間，大腸埃希菌的檢出率不斷上升，且對常用抗生素的耐藥率也在不斷上升：對第二代和第三代頭孢菌素、氟喹諾酮類藥物、復方磺胺甲惡唑的耐藥率均超過了50%，但對呋喃妥因的耐藥率仍然保持較低水平，總耐藥率為6.2%左右[38]。

由此可見，尿路細菌對呋喃妥因仍然保持著低耐藥率。同時，已知呋喃妥因的作用靶點并不具有唯一性[7]，因此不會與具有確切作用靶點部位的頭孢類、喹諾酮類等藥物產生交叉耐藥，其對治療尿路感染依然有效。

4 呋喃妥因耐藥機制

呋喃妥因的抗菌作用靶點具有多樣性，因此其耐藥性相較于已知有確切靶點的藥物發展緩慢[7]。根據目前臨床及體外培養分離得到的少數呋喃妥因耐藥菌株，其已知的耐藥機制主要歸納為以下3方面：

4.1 基因突變

根據現有的報道，呋喃妥因耐藥比較常見的原因是編碼細菌硝基還原酶的基因發生突變。呋喃妥因的還原由硝基還原酶系統介導，進而產生藥物活性。在大腸埃希菌中nfsA、nfsB兩個基因編碼氧不敏感的硝基還原酶，這兩個基因突變的情況大部分是插入突變，也有少數的缺失和錯義突變[39]。基因突變導致氨基酸發生相應的突變，硝基還原酶的合成受到影響，使呋喃妥因不能被還原為有活性的中間代謝產物而發揮抗菌作用，從而導致耐藥性細菌的出現[40]。

除此之外，有研究表明ribE基因突變也與耐藥有關。ribE基因是二氧四氫喋啶合酶亞基 [41]，二氧四氫喋啶合酶是核黃素生產所必需的，核黃素本身不具有任何生物活性，但它是黃素腺嘌呤單核苷酸（FMN）的前體物質[42]。這種輔助因子大多是以非共價結合的方式來發揮作用，不僅與NfsA和NfsB結合，還可以與其它黃素蛋白結合，這些黃素蛋白涉及電子轉移過程中的氧化還原反應，并催化代謝物的脫氫，氧化和去羥化反應[43]，這使其成為細胞代謝中的必要成分[44]。ribE發生突變，FMN的合成受到影響后使兩種硝基還原酶的還原過程也受到影響，從而影響藥物發揮抗菌作用，這雖然未使細菌生存受到明顯影響，但卻加速了耐藥的出現。

4.2 遺傳毒性誘導的SOS反應

細菌在呋喃妥因的刺激下，會做出應激反應，誘導細胞內SOS反應的發生，該反應涉及在LexA和RecA蛋白控制下的一組基因的表達對DNA損傷的修復過程[45]。在呋喃妥因作用下，細菌DNA發生損傷，此時RecA蛋白激活，充當傳感器的角色，與暴露的DNA單鏈一起形成核蛋白絲[46]；與此同時，LexA發生自裂解，激活與SOS反應通路相關的基因表達，例如抑制細胞分裂的sulA、促進DNA修復的uvrA等基因[47]。呋喃妥因造成細菌DNA損傷后，在其修復過程中會保留適應抗生素脅迫而生存下來的菌株，從而促進細菌耐藥性、致病性的獲得[46]。

4.3 外排泵OqxAB

由質粒攜帶OqxAB外排泵介導耐藥性，具有廣泛的底物特異性，常見的包括喹乙醇、氯霉素、環丙沙星、萘啶酸、甲氧芐氨嘧啶和消毒劑（如苯扎溴銨、溴棕三甲銨和氯己定）[48]。在來自中國動物或肉類中的大腸埃希菌和沙門菌分離株中，OqxAB外排泵有較高的流行率[49]。但外排泵介導呋喃妥因耐藥的研究較少，就目前已有的報道，可以大致概括為oqxAB基因的過表達量與呋喃妥因的耐藥性增強相關[40，50]。

5 呋喃妥因的聯合用藥

藥物的單獨使用會加快細菌耐藥性的出現，研究者提出聯合用藥方案來緩解這一問題[51]。解決呋喃妥因耐藥現象出現的情況也不例外，也可選用聯合用藥。當前呋喃妥因的聯合用藥方向主要集中在與植物性化合物以及與其它常見的抗生素聯用來預防、治療尿路感染，藥物的聯合用藥可以增強呋喃妥因對泌尿致病性大腸埃希菌的抗菌作用，很大程度上減少呋喃妥因抗性細菌的產生。

5.1 呋喃妥因與植物性化合物聯用

泌尿致病性大腸埃希菌（uropathogenic Escherichia coli， UPEC）在復雜性和非復雜性尿路感染的病因中占絕大多數[52]。UPEC主要是通過對尿路上皮細胞的黏附、侵襲導致尿路感染的發生，所黏附上皮細胞表面細菌生物膜的形成，會促進UPEC在宿主尿道中的黏附定植，且生存能力強，在極端的pH環境變化下仍然可以生存并進行毒素分泌的過程[53]。有研究揭示多酚類化合物對抗生素有協同抗菌的作用[52]。多酚類化合物具有結構多樣性、生物利用度高、無毒的特點，從而被廣泛用于UTIs的治療[52]。呋喃妥因與植物類化合物聯用主要是通過植物化合物多酚類降低UPEC的黏附性來發揮抗生物膜活性從而增強呋喃妥因的抗菌效果。

A型原花青素（type A procyanidin， TAP）可以增強呋喃妥因的抗菌效果[52]。從肉桂皮中提取的TAP本身有抗病毒活性的功能[54]。UPEC發揮毒力作用主要與其形成的生物膜有關，而TAP三聚體用于治療尿路感染時是通過附著在UPEC的P型菌毛上，從而阻止UPEC與尿路上皮細胞的黏附，導致黏附素下調，此時的TAP會通過發揮抗生物膜的活性而與呋喃妥因協同作用[55]。已有研究表明，呋喃妥因發揮抗UPEC的功效與pH有關[10]。在呋喃妥因治療尿路感染的過程中，會出現抗生素耐藥性隨尿液pH變化的現象，而TAP與呋喃妥因在不同的pH條件下具有協同作用，且在pH值為5.8時，可對UPEC達到最大的抑制效果[52]。在兩者聯合作用時，TAP有助于增強呋喃妥因的抗菌活性，很大程度上減少耐藥性的出現。

5.2 呋喃妥因與其它類抗生素聯用

呋喃妥因除與TAP的聯合用藥外，與其它類抗生素聯用增強抗菌效果也是一種重要的策略。萬古霉素（vancomycin， Van）是一種古老的糖肽類抗生素，臨床上用于治療革蘭陽性細菌感染[56]。而對于革蘭陰性菌而言，由于其外膜是抗菌藥物進入細菌內的一層屏障，大分子糖肽很難進入細菌細胞而起到殺傷細菌作用，因此無法有效抵抗革蘭陰性菌的感染[57]。一項研究中表明，Van對脫氧胞苷脫氨酶缺陷的大腸埃希菌敏感性增加，這可能是因為極少量的Van進入細胞后產生一些DNA損傷，這種損傷可能與脫氧胞苷脫氨酶缺陷的細菌引起的DNA損傷起到聯合作用，這預示著直接破壞細菌DNA的藥物可能與Van表現出強烈的協同作用[56]。而呋喃妥因的作用機制之一是破壞細菌DNA的合成[12]，在研究結果中顯示當萬古霉素與呋喃妥因聯用時大腸埃希菌的生長率明顯降低，顯示較強的抗菌活性[56]。

有研究通過體外實驗和體內實驗證明，呋喃妥因與阿米卡星聯合使用會對多重耐藥的UPEC的抗菌有顯著增強作用[58]。阿米卡星（amikacin， AMK）屬于氨基糖苷類抗生素，其作用靶點是細菌的核糖體部位，是以引起錯譯和阻礙易位的方式來抑制蛋白質翻譯過程[59]。而呋喃妥因的幾種抗菌作用機制中，涉及對DNA和核糖體的損傷[60]。這兩種藥物作用機制中都有以核糖體作為靶點的作用方式，這可能是聯合用藥發揮作用的原因[58]。同時，呋喃妥因會刺激ROS的產生[61]，從而促進氨基糖苷類抗生素進入細胞，發揮殺菌作用[62]，這也是一種可能的機制。但兩者聯合用藥療效增強的具體機制尚不明確，有待進一步的探究。

Sabnis等[63]報道，黏菌素可以通過選擇性地靶向細胞外膜的LPS從而破壞細胞外膜，但細菌具體的死亡機制尚不清楚。黏菌素（colistin， CST）與呋喃妥因聯用時，其通過破壞細胞外膜而影響細胞膜的滲透性，增加細胞對呋喃妥因的攝取從而使呋喃妥因在胞內發揮更好的抗菌作用，達到聯合用藥的效果，增加抗菌活性[64]。

5.3 硝基呋喃類與脫氧膽酸鈉聯用

同時，也有關于脫氧膽酸鈉增強硝基呋喃類藥物抗菌效果的報道[65]。脫氧膽酸鈉（sodium deoxychololate， DOC）是一種存在于膽汁中的化合物，它被分泌到十二指腸中，幫助脂質的消化，并具有抗菌作用[66]。然而，大腸埃希菌和沙門菌等革蘭陰性菌通過使用多種外排泵、下調外膜孔蛋白和激活各種應激反應可對DOC產生高度耐藥性[67]。在一項DOC與5-硝基呋喃類藥物聯合作用的研究中，發現DOC增強了呋喃唑酮的抗菌效果[65]。呋喃唑酮與DOC協同發揮作用主要是通過呋喃唑酮對外排泵的調節作用，即可能是通過呋喃唑酮介導的DOC在細胞內的積累來發揮兩者的協同作用[65]。呋喃妥因屬于5-硝基呋喃中的一種，這側面暗示了呋喃妥因與DOC聯合作用的潛能。

此外，關于5-硝基呋喃與萬古霉素、DOC三聯協同作用的研究表明，5-硝基呋喃會破壞革蘭陰性菌對Van和DOC的耐受性，從而擴大Van和DOC的應用范圍，使其不止局限于革蘭陽性細菌；同時，聯合用藥會顯著減少藥物單獨作用時的劑量，避免一些副作用的出現[68]。

6 展望

本文從抗菌機制、耐藥機制、臨床應用、聯合用藥等方面對呋喃妥因進行了一個整體的介紹（圖2），對呋喃妥因深入的了解，有助于鞏固其用藥地位，充分發揮老藥的價值，使人們對舊抗生素關注度提高，應對新藥開發緩慢的現狀。但回顧有關呋喃妥因的研究，我們不難發現，呋喃妥因的抗菌機制仍需要進行深層次的探究，找到確切的作用靶點，這有助于防止耐藥性的進化，延長藥物的使用期限，為開發新型抗生素爭取更多的時間。

此外，當呋喃妥因長期被用作非功能性纖維化治療時，會對肝、肺造成損傷，如：肺纖維化、周圍神經病變，肝細胞損傷以及血液病[19]。長期服用呋喃妥因，會使機體出現一些不良反應，包括消化道反應，頭痛頭暈等神經系統癥狀[4]。這暗示了呋喃妥因臨床使用可能遇到的阻力，盡管耐藥率較低。Sasame等[69]通過體內研究實驗證明，當呋喃妥因與維生素C共同使用時，會減少呋喃妥因對肺組織的損傷，但這一機制尚不完全清楚，有待后續進一步的探究。積極尋找呋喃妥因的增效劑或優化呋喃妥因自身藥效，進而減少使用藥量，可能是降低臨床副作用風險和減緩耐藥性發展的有力策略。

參 考 文 獻

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收稿日期：2022-11-01

基金項目：國家自然科學基金（No. 81971905；No. 82172316）

作者簡介：李瑋瑋，女，生于1997年，在讀碩士研究生，主要研究方向為公共衛生，E-mail： 2454313768@qq.com

*通信作者，E-mail： zhaox5@xmu.edu.cn