头孢菌素类抗生素，这些知识我们该懂！

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就像星河与焰火，

互相包裹，永不失落！

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头孢菌素类抗生素的发现与发展

1.头孢菌素类抗生素简介

头孢菌素类抗生素（Cephalosporins antibiotics）是一类分子中含有头孢烯的半合成抗生素，属于β－内酰胺类抗生素，是β-内酰胺类抗生素中的7-氨基头孢烷酸(7-ACA)的衍生物，因此它们具有相似的杀菌机制 。

头孢菌素具有通过抑制细菌细胞壁的合成而杀死细菌的能力，可引起细菌细胞壁的渗透裂解至细菌死亡。

对细菌的选择作用强，而对人几乎没有毒性，具有抗菌谱广、抗菌作用强、耐青霉素酶、过敏反应较青霉素类少见等优点，头孢菌素类被广泛应用于临床。

2.头孢菌素类抗生素的发现

头孢菌素类的第一个化合物是由顶头孢分离而来。

1945年，意大利科学家朱塞佩·布罗楚在萨丁岛海岸一个排污出口处找到一株能产生抗菌物质的顶头孢 。

科学家发现顶头孢的粗滤液可以抑制金黄色葡萄球菌的生长，他们从中发现了新的抗菌物质 。

在英格兰，亚伯拉罕和牛顿进行了进一步的研究，他们在来自撒丁岛的真菌培养液中分离得到了头孢菌素P，N和C。

但是随后发现这些天然化合物并不能作为有效的抗菌药使用，但是通过化学方法去除其天然侧链可产生7-氨基头孢烷酸(7-ACA)(图1)，再用人工合成的侧链对其进行进一步的修饰，可获得抗菌活性。

7-氨基头孢烷酸与青霉素类衍生物的基本结构6-氨基青霉烷酸(6-APA)非常类似。

1959年，亚伯拉罕报道称头孢菌素C的N-苯基乙酰基衍生物在抗金黄色葡萄球菌活性上比母体更有效，这个衍生物后来被命名为头孢苄，即头孢罗兰。

牛津大学的科学家通过酸水解头孢菌素C得到7-ACA，但是收率低于1%，这样的低收率难以用于商业用途。

礼来实验室发现了另一种化学方法可以大大提高7-ACA的收率，该方法是基于裂解头孢菌素C的α-氨基己二酰侧链得到7-ACA（图1）。

罗伯特·莫兰的进一步研究使得由青霉素半合成3-脱乙酰-7-ACA（7–ADCA）（图1）变得容易，因为青霉素比头孢菌素更容易通过发酵得到，例如3-脱乙酰-7-ACA（7–ADCA）可以通过青霉素V经7步反应半合成得到。

头孢噻吩，第一代注射用头孢菌素类抗生素，是第一个用于临床治疗的头孢菌素类抗生素，它由礼来公司于1964年上市销售。

第二个注射用头孢菌素类药物出现的较晚，在美国上市后被命名为头孢噻啶。

这两种头孢菌素类药物在临床上成功，鼓舞了研究人员更加深入的研究其药理特性，进而开发出更多的此类药物。

3.头孢菌素类抗生素的基本结构

头孢菌素分子的核心是由一个二环系统组成，它是一个由两氢噻嗪环稠合的β-内酰胺环。

头孢菌素的核心结构亦称作7-氨基头孢烷酸，可由天然化合物头孢菌素C水解衍生而来。

头孢菌素C含有一个由D-氨基己二酸衍生而来的侧链，通过对侧链上的相关位置进行修饰已成为创造一个全新的头孢菌素类药物的重要途径，例如对内酰胺环上的7位侧链进行修饰可以提高药物的抗菌活性，对两氢噻嗪环上3位侧链的修饰可以改变其药代动力学特征以及对受体的亲和力。

4.头孢菌素类抗生素的作用机制

头孢菌素类抗生素的抗菌作用是通过抑制细菌细胞壁的合成而实现的。

革兰阳性和革兰阴性细菌的细胞壁是一个严密的共价键合和交联的肽聚糖网，这对细菌生长，细胞分裂和细胞结构来说都是必不可少的。

细菌细胞壁是由在细胞膜上已合成的双糖肽插在细胞膜外的细胞壁生长点中并交联形成的，这一过程分两个步骤。

首先是多糖链的延伸。双糖肽先是插入细胞壁生长点上作为引物的肽聚糖骨架(至少含6～8个肽聚糖单体的分子)中，通过转糖基作用使多糖链延伸一个双糖单位。

然后通过转肽酶的转肽作用使相邻多糖链交联。转肽时先是D-丙氨酰-D-丙氨酸间的肽链断裂，释放出一个D-丙氨酰残基，然后倒数第2个D-丙氨酸的游离羧基与相邻多糖链的甘氨酸五肽上游离氨基间形成肽键而实现交联 。

头孢菌素类药物是D-丙氨酰-D-丙氨酸的结构类似物，两者互相竞争转肽酶的活性中心，故该转肽作用可被头孢菌素类药物所抑制。

所以头菌素类药物只对生长繁殖期的细菌有抑制作用，而对不生长状态的静止细胞几乎没有抑制作用。

尽管头孢菌素类抗生素的作用机制还不是完全清楚，但是大家一致认为当转肽酶与D-丙氨酰-D-丙氨酸的氨基酸序列相互识别时，通过模仿化学反应过渡态而充分发挥了它们的作用机制。这些转肽酶通常被称作青霉素结合蛋白（PBPs）。

转肽酶结合位点中的丝氨酸残基使β-内酰胺环开环进而使得药物分子与酶的活性中心共价结合，形成一个惰性的、不可逆结合的酶复合物，竞争性抑制多糖链的交联，细菌细胞壁不能进一步合成，进而细胞渗透裂解死亡。

5.头孢菌素类抗生素的药物设计

5.1 构效关系

对头孢菌素类抗生素的分子结构进行改变可改善其体外稳定性、抗菌活性及抗β-内酰胺酶活性。

胃酸条件下，在头孢菌素结构中(图2)的α1位引入一个氨基和α2引入一个氢可改善其体外稳定性，即铵离子在酸性环境下质子化，这样就得到一个β-内酰胺环更加稳定的化合物，具有口服活性。

如果A2位的氢被烷氧基取代，抗菌活性将增强。

7位的氨基对于抗菌活性也至关重要。在某些情况下，A2位引入甲氧基，会使头孢菌素对β-内酰胺酶的稳定性增强。可在环上的A1位可以引入硫和氧，引入硫后可以显示出更好的抗菌活，而引入氧后可以增强对β-内酰胺酶的稳定性。

C6位上的氢对于生物活性来说至关重要。

当A3位上由5元杂环取代6元环时抗菌活性可增强。

A4位引入不同的基团可增强药物对β-内酰胺酶的稳定性，如苯基，苯酚等。

在α1或α2位引入甲氧肟可使药物对β-内酰胺酶的稳定性提高100倍，Z-肟更是要比E-肟稳定10,000倍以上。

L-异构体对β-内酰胺酶的稳定性比D-异构体高30~40倍。

5.2 结合位点

重组蛋白与表达、蛋白质纯化、NMR、X-射线晶体学和计算化学领域的进步使得药物开发人员的技术水平得到了进一步的提高，亦可帮助其得到蛋白质-配体复合物的三维结构数据。

大多数菌种都拥有不同类型的青霉素结合蛋白（PBPs）。

这些PBPs有诸多不同，包括功能，分子量和对头孢菌素类类抗生素的亲和力。

PBPs结合位点目标的改变会导致头孢菌素类抗生素对某些细菌高度耐药，包括金黄色葡萄球菌，肠球菌和肺炎球菌。

例如，淋病奈瑟球菌中，PBP2中结合位点的结构已确定，有3个基本序列组成，可在几乎所有的β-内酰胺酶相互作用中看到。

SXXK：其α2螺旋的N-末端包括对酶功能非常重要的两个残基。

Ser-310：包括一个被多肽底物和β-内酰胺类抗生素酰化的丝氨酸亲核试剂。

Lys-311：在结合位点中氢紧密结合过程中起到重要作用。

SXN：其包括丝氨酸362，丝氨酸363和天冬氨酸-364。

KTG：其包括赖氨酸-497，苏氨酸498和甘氨酸-499。

研究也暗示不同PBP的不同活性位点的相邻区域对β-内酰胺酰化率有显著的影响。

6.头孢菌素类抗生素的耐药机制

头孢菌素类的耐药机制大体分以下3种：

目标PBPs的改变；

药物对β-内酰胺酶失去抗性；

药物不能到达细菌细胞内的PBPs。

头孢菌素类药物必须通过细菌的细胞壁才可以达到目标PBPs。

相比革兰阴性菌的细胞壁其更容易穿透革兰阳性细菌的细胞壁。

革兰阳性菌的细胞壁结构通常由肽聚糖构成，它允许头孢菌素分子通过。

革兰阴性菌的细胞壁结构则更加复杂，是由多糖、脂类和蛋白质组成，所以更难以穿透。

想穿过外膜可借助充水通道或者孔蛋白，也就是跨膜蛋白 。

当细菌与头孢菌素相遇时，他可以自己形成抵抗力或者通过突变而选择性的自我复制出下一代细菌。

有的菌种如肺炎双球菌和脑膜炎球菌可以获取外源性遗传物质，并把它整合到自己的染色体中而形成耐药性。这样就会使目标PBPs改变并与头孢菌素和其他β-内酰胺类抗生素的亲和力降低 。

此外，细菌还可以更换那些对头孢菌素类抗生素敏感的PBPs，使PBPs变的不敏感。

头孢菌素类药物易被β-内酰胺酶破坏，这些酶可以水解β-内酰胺环中连接碳原子和氮原子之间的共价键，很多β-内酰胺酶拥有不同的底物特异性和寄主范围 。

β-内酰胺酶的活性部位可以水解再生，所以可以重复使用，这样就使得相对少量的β-内酰胺酶可以破坏大量药物。

革兰阳性菌的耐药机制，如金黄色葡萄球菌，其在细菌胞外释放大量的β-内酰胺酶以破坏此类抗菌药物，或是细菌含有的PBPs的亲和力降低或产生新的PBPs。

革兰阴性菌的耐药机制，如流感嗜血菌，其产生的β-内酰胺酶存在于细胞周质中，可破坏透过细菌细胞外膜的孔蛋白进入细菌周质中的此类药物 ，或是由细菌细胞膜渗透性屏障（药物难以透过或极慢透过孔蛋白）所致。

7.头孢菌素类抗生素的发展

7.1 头孢菌素类抗生素的分代

头孢菌素抗生素的种类很多，所以很有必要对其进行分代。只有少数的活性及化学特征可作为分代的依据，包括化学结构、侧链的性质、药代动力学和光谱信息。

尽管可依据这些信息对头孢菌素类进行分代，但最终我们根据其化学性质和对革兰阳性菌及革兰阴性菌的相对活性来对其进行分代总结。

7.1.1 第一代头孢菌素类抗生素

第一代头孢菌素类抗生素率先上市，为半广谱抗菌药，对β-内酰胺酶不稳定  。

第一代头孢菌素类药物抗革兰阳性菌活性很高，抗革兰阴性菌活性低，代表药物有头孢噻吩、头孢噻啶和头孢拉定等。

第一代头孢菌素的基本结构相当简单（图3），例如其中的3个药物（头孢氨苄，头孢拉定和头孢羟氨苄）都是在C-3位上只有一个甲基基团。

第一代头孢菌素在C-3位上通常连接的是像甲基一样的不带电的小基团，若C-3位连接甲基则其对常见的PBPs亲和力低，这导致第一代头孢菌素的药物活性较低。

若在C-3位上链接一个Cl基团，则其对PBPs的亲和力高，抗菌活性增强。

例如头孢克洛就在C-3位引入了Cl基团，所以其抗菌活性增强。

所有的第一代头孢菌素类药物的C-7位侧链上都连有α-氨基，这种结构使其易于被β-内酰胺酶水解，所以第一代头孢菌素药物对β-内酰胺酶不稳定。

7.1.2 第二代头孢菌素类抗生素

早期开发的第二代头孢菌素类药物在结构上与第一代很相似（图4），为广谱抗菌药，对β-内酰胺酶稳定。

第二代头孢菌素类药物抗革兰阴性菌活性高于第二代，代表药物有头孢西丁、头孢呋辛和头孢替安等。

然而氯碳头孢并不具有基本的二氢噻嗪环而是拥有一个碳头孢烯，它是一个由环中的一个硫原子被碳原子取代后而形成的四氢吡啶环。

这种化学特性给予氯碳头孢在血浆中更好的稳定性，同时又保持了良好的口服吸收特性及对PBPs的高亲和力。

7-苯基-甘氨酸使劳拉帕卡可用于口服且C-3位上的氯元素使其具有不输于头孢克洛的抗菌活性。

随着二代头孢菌素的发展，其结构上的一个重要变化就是在C-7位侧链上引入α-亚胺甲氧基，进而对β-内酰胺酶的抗性增强，例如头孢呋辛就是在C-7位侧链上引入α-亚胺甲氧基的二代头孢菌素。

在二代头孢菌素中另一个重要的改变就是在C-7位侧链上引入氨基噻唑环，这种改变可增强其对PBPs的亲和力以及抗菌活性，例如头孢替安就是第一个在C-7位侧链上引入氨基噻唑环的二代头孢菌素。

7.1.3 第三代头孢菌素类抗生素

第三代头孢菌素类药物为广谱抗菌药物，对β-内酰胺酶稳定，其抗革兰阴性菌活性更强，代表药物有头孢克肟、头孢地尼和头孢布烯等。

大部分第三代头孢菌素都在C-7位侧链上引入氨基噻唑基团（图4），在7-α-位也会引入不同的基团，如7-α-亚胺羟基和7-α-亚胺甲氧基。

然而，头孢布烯引入了7-α-亚乙基基团，拥有这个基团使其增强了对β-内酰胺酶的稳定性。

大多数口服第三代头孢菌素类药物都是在胃肠外形成酯，然后在消化道内被酯酶水解，例如头孢特仑。

一些三代头孢菌素口服吸收也可以不需要酯化，例如在C-3位引入乙烯基团的头孢克肟和头孢地尼 。

7.1.4 第四代头孢菌素类药物

第四代头孢菌素类抗生素为广谱抗菌药（图5），对各种β-内酰胺酶均高度稳定且对多数耐药菌有较高活性，代表药物有头孢唑兰、头孢他啶和头孢吡肟等。

四代头孢菌素对革兰阴性菌的抗菌活性较二代和三代更为优越，这种改变是由于它们是偶极离子型两性离子化合物。

像三代头孢一样，其C-7位侧链上通常引入亚胺甲氧基和氨基噻唑基团，或者如头孢吡肟，C-7位侧链上引入氨基噻二唑基团。

因为其C-3位侧链上带正电荷的季氮，四代头孢比前三代头孢更容易扩散穿过革兰阴性菌的细胞膜，正是此正电荷使四代头孢菌素类药物可以定向的穿过细胞膜上的孔蛋白通道，所以四代头孢的抗革兰阴性菌的活性要优于前几代。

7.1.5 第五代头孢菌素类药物

目前只有两个此类药物，即头孢吡普和头孢洛林。

这两个药物是仅有的可以有效对抗耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）的β-内酰胺类抗生素，并且可以用于院内铜绿假单胞菌感染。

头孢吡普是一个吡咯烷酮-3-亚基甲基头孢烯。

C-3位的专属侧链使其对PBP2a和PBP2x有很强的亲和力。

已知PBP2a可使葡萄球菌对其他β-内酰胺类抗生素耐药，而PBP2x可使肺炎球菌耐药。

头孢吡普在C-7位同样拥有氨基噻唑羟亚胺侧链，这使其能更有效地抵抗来自金黄色葡萄球菌的β-内酰胺酶。

这些活性基团可使头孢吡普杀灭耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）。

头孢吡普的水溶性差，因此静脉注射被做成酯前体药物，称作头孢吡普酯，它会迅速被血浆酯酶分解成具有活性的头孢吡普 。

头孢洛林由四代头孢菌素类药物头孢唑兰发展而来，相比前几代头孢菌素，它在C-7位侧链上保留了烷氧亚胺基团，所以其对大多数β-内酰胺酶都均有相当好的稳定性。

因为MSRA和耐青霉素肺炎链球菌的耐药是由于新型的PBP，PBP2a，PBP2x，所以针对这些新型的PBPs，头孢吡普和头孢洛林的C-3位侧链都经过了特殊的设计。

在这种情况下，通过硫原子与C-3位连接的1,3-噻唑环，增强了其对MRSA的活性。

头孢洛林的水溶性差，为了解决这个问题，在其分子上加上了一个N-膦酰基基团，做成了可供静脉注射用的前体药物，即头孢洛林酯。

这种前体药物在血浆中会去磷酸化变成具有活性的头孢洛林。

7.2 头孢菌素类药物的现状

抗生素耐药是开发新型抗生素的原动力。

由于耐药机制的复杂性和多样性，我们需要开发新的或者经过改进的头孢菌素类抗生素。

2010年10月29日，新型的头孢菌素类药物头孢洛林由美国食品药品监督管理局（FDA）批准上市。

头孢洛林酯，是一种注射用抗生素前体药物，被用于治疗成人社区获得性细菌性肺炎（CABP）以及急性细菌性皮肤和皮肤组织感染（ABSSI）包括耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）。

另一个药物：头孢吡普，目前正在由FDA审查新药申请，但已被批准在某些国家上市使用，如加拿大和瑞士  。

在2009年，因为没有足够的临床试验，FDA要求药品制造商巴西利亚只要提供更多的临床数据 。

8.头孢菌素类抗生素的研究展望

头孢菌素类抗生素是临床一线用药，占抗生素用药总量的一半以上，但由于研发上市早，临床用量大，故耐药现象严重，因此开发新型的广谱高效的头孢菌素依然是国内外的研究热点。

近年来成功研发上市的头孢菌素类药物很少，药物研发进展缓慢，但是头孢洛林的在临床上的成功给予了我们动力和希望，让我们对头孢菌素类药物未来的发展前景充满信心。

来源：孙样,王宇驰,张春然,唐克慧.国外医药(抗生素分册),2014,35(04):154-158+181.

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