作者：刘又宁
出版社：人民卫生出版社
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碳青霉烯类药物临床应用精要试读：
前言
碳青霉烯类抗生素属非典型β-内酰胺，它具有抗菌谱广、对大多数β-内酰胺酶稳定、不易被水解、不良反应相对较少的特点，是迄今为止最优秀的抗菌药物之一。
20世纪70年代中期，默克公司开发出碳青霉烯类药物最初品种——硫霉素，后经修饰改造增加了其稳定性，在1985年诞生了至今仍在临床广泛应用的亚胺培南。此后又相继有帕尼培南、美罗培南、比阿培南、厄他培南、多尼培南、替比培南等上市，并且对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（methicillin resistant Staphylococcus aureus，MRSA）效果显著的托莫培南、阿祖培南等也正在研发中。
碳青霉烯类药物成功上市30余年来，主要对某些耐其他药物的革兰氏阴性菌导致的严重感染发挥了无可替代的作用，拯救了无数的生命，在人类抗感染事业上留下了辉煌的纪录，其功不可没。在早期应用的20年间，很少发现临床致病菌对碳青霉烯类药物产生获得性耐药。但近年来，耐碳青霉烯的肠杆菌科细菌、铜绿假单胞菌、鲍曼不动杆菌等都明显增多，并有在全世界扩散蔓延的趋势。对个别耐药细菌导致的感染，碳青霉烯类药物已从昔日的“手到病除”，衍变成今日的“屡试不果”。之所以会这样，不得不说与临床医生没有很好地掌握碳青霉烯类药物适应证和药物特点、过于盲目地应用该类药物有关。
在新抗菌药物的研发远远落后于细菌耐药发展的现今，保护好如碳青霉烯类药物这样优秀的抗菌药物，进一步发挥其潜力，使其在更长的时期内继续造福于人类，是我们医务工作者不可推卸的责任。
在“国家卫生健康委员会抗菌药物临床应用与细菌耐药评价专家委员会”的督促与钟南山院士亲自指导下，我们编制了本书。其主要目的就是让读者对碳青霉烯类药物的基本特性与临床最新进展能有全面、客观、透彻的了解，并用来指导抗感染临床实践。刘又宁2019年2月第一章 碳青霉烯类药物研发历程与结构特点
碳青霉烯类药物是抗菌谱广、抗菌活性较强的非典型β-内酰胺类抗菌药物，主体结构与青霉素类的青霉环相似，区别在于以碳原子替代了噻唑环上的硫原子，且C-2与C-3之间以不饱和双键相连，C-6位羟乙基侧链为反式构象。由于结构的优化，碳青霉烯类具有比青霉素类和头孢菌素类药物抗菌谱更广、抗菌活性更强和对β-内酰胺酶高度稳定的特点。一、碳青霉烯类药物的研发历程
20世纪70年代中期，德国默克公司在筛选作用于细菌细胞壁生物合成抑制剂的过程中，从卡特利链霉菌（Streptomyces cattlelya）发酵液中分离得到了第一个碳青霉烯类化合物硫霉素。硫霉素具有与细菌细胞外膜青霉素结合蛋白（penicillin binding proteins，PBPs）结合的能力，通过阻碍细菌细胞壁黏肽合成，进而造成细菌胞壁缺损，菌体膨胀，细胞渗透压改变并导致细胞溶解。硫霉素对多种细菌（如大肠埃希菌、肺炎克雷伯菌、铜绿假单胞菌和脆弱拟杆菌等）产生的多数β-内酰胺酶［如超广谱β-内酰胺酶（extended-spectrum β-lactamases，ESBLs）、AmpC酶等］稳定，使其最小抑菌浓度（minimum inhibitory concentrations，MIC）较青霉素类和头孢菌素类明显下降，抗菌活性更强。因此，兼备强大杀菌作用且对β-内酰胺酶稳定的硫霉素是第一个严格意义上的碳青霉烯类抗菌药物，也是后来所有碳青霉烯类抗菌药物的始祖和合成“母板”。1976年，在第16届抗微生物制剂及化疗跨学科国际会议上，硫霉素的强大抗菌能力和对β-内酰胺酶的稳定性被公开报道，碳青霉烯类抗菌药物首次进入公众视野。但受到自身结构不稳定（pH 8.0即可水解）和当时纯化技术的影响，硫霉素的产量始终很低。种种不利因素敦促科学家们寻找结构与产量更加稳定的替代物，基于硫霉素的衍生物被寄予了更高的期望。
1977年，默克公司基于对硫霉素半合成结构修饰后的第一个N-亚胺甲基衍生物专利获批，即亚胺培南（imipenem）。1985年上市后，至今仍是临床使用广泛、评价较高的品种之一。1994年，另一个与亚胺培南结构相似的碳青霉烯类抗菌药物帕尼培南，由第一三共株式会社研制成功并在日本率先上市。与硫霉素相同，这两种衍生物均显示出对PBPs的高亲和力和对β-内酰胺酶的稳定性，自身结构更加稳定。然而，亚胺培南可被源于肾小管上皮细胞刷状缘膜的脱氢肽酶（DHP-1）分解，帕尼培南虽然对DHP-1稳定，但易在肾皮质蓄积而导致肾毒性，因此两者必须分别与DHP-1抑制剂西司他丁或促排剂倍他米隆联合使用。同年，新一代碳青霉烯类抗菌药物美罗培南（meropenem）由住友公司成功研发并率先在意大利上市。随后，比阿培南（biapenem）、厄他培南（ertapenem）、多尼培南（doripenem）、替比培南（tebipenem）分别由惠氏、默克、盐野义和明治公司研发并先后在美国和日本上市，均获得了较高的临床评价（表1-1）。新一代碳青霉烯类抗菌药物的最大特点是在C-1β位点引入了甲基，这种修饰使得新型碳青霉烯类药物对DHP-1的稳定性大大提高，均可单独使用。表1-1 已上市的原研碳青霉烯类药物二、碳青霉烯类药物的化学结构特点与构效关系（一）碳青霉烯类药物结构与对β-内酰胺酶稳定性的关系
碳青霉烯类抗菌药物的广谱高效作用与其结构特点有关。青霉素类的C-6位和头孢菌素类的C-7位为β-顺式结构，易被β-内酰胺酶水解，而碳青霉烯类噻唑环中的硫原子被碳原子取代，2位、3位之间以不饱和双键相连，特别是C-6位为反式α-羟乙基侧链，空间位阻增大，更增加了其对β-内酰胺酶的稳定性，目前上市的碳青霉烯类药物均具有此反式构象（图1-1）。图1-1 碳青霉烯类、青霉素类及头孢菌素类母核比较（二）碳青霉烯类药物结构与抗菌活性和自身稳定性的关系
将C-2位进行结构修饰并引入杂环取代基是近年来碳青霉烯类抗菌药物结构改造的热点方向。C-2位取代基的不同直接影响碳青霉烯类药物的抗菌活性，主要有硫取代（如美罗培南、厄他培南、多尼培南）、碳取代（如CP-5609）和三稠环碳青霉烯（如GV-118819）等方式。其中硫取代，特别是以引入吡咯烷硫醚侧链最为常见。如在C-2位侧链吡咯烷的C-5位中引入一个或多个氨基或胍基，会显著增强对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（methicillin resistant Staphylococcus aureus，MRSA）和泛耐药的铜绿假单胞菌的抗菌活性，如研发中的托莫培南CS-023就建立了这种结构。改变吡咯烷环上的取代基更是增强碳青霉烯类药物与细菌PBPs的亲和力和自身稳定性的常见手段，如羟乙基和芳杂族能增强对DHP-1的稳定性和抗革兰氏阴性菌活性，酰胺杂环可增强抗革兰氏阳性菌活性，胍基和苯环可提高对葡萄球菌属的活性等。近年来，人们又发现C-2位引入噻唑环比吡咯烷具有更好的抗MRSA活性，如SM-17466、SM-197436、SM-232721等，这可能与噻唑环较弱的碱性以及环中存在硫原子提高了药物的脂溶性有关。此外，C-2位引入双环能增强对β-内酰胺酶的稳定性，如厄他培南；引入二硫代氨基甲酸酯衍生物或以碳-碳键与脂溶性含氮稠环相连，并在稠环上引入含有季铵离子的化合物，也可明显提高抗MRSA的活性，如ME-1036。
C-3位取代基的碱性强弱也会影响碳青霉烯类抗菌药物的自身稳定性。碱性越强，药物的稳定性越差，碱性越弱，则稳定性越好，降低C-2、C-3位取代基的碱性可以提高化合物分子自身的稳定性。与硫霉素C-3位的氨基相比，亚胺培南（解离常数pK=9.9）、美罗培南a（pK=7.4）、帕尼培南（pK=10.9）的C-3位均为氨基酸取代物，侧aa键碱性大大降低，稳定性明显提高。（三）碳青霉烯类药物结构与对DHP-1稳定性的关系
与亚胺培南相比，新一代碳青霉烯类药物，如美罗培南、比阿培南、厄他培南、多尼培南等通过在C-1β位引入甲基，使对DHP-1的稳定性显著增强，同时也部分提高了抗革兰氏阴性菌的活性。亚胺培南C-1β位无甲基，易被DHP-1水解进而破坏β-内酰胺环而致其失效。因此需要加入作为DHP-1抑制剂的西司他丁可阻止其在肾内代谢，提高药效并减少肾毒性。帕尼培南与亚胺培南不同，尽管其对DHP-1稳定，但易在肾皮质中蓄积，单独使用时有明显的一过性肾毒性，因此需要与倍他米隆共同使用以促进其肾排泄。（四）碳青霉烯类药物结构与毒性的关系
肾毒性和神经毒性（主要为诱导痉挛及癫痫发作）是碳青霉烯类药物最常见的不良反应，目前认为与C-2和C-3位侧链结构、氨基的碱性强度、羧基-碱基的距离及氨基团周围的空间等因素有关。如C-2位是否存在氨基决定了药物的碱性的强度，碱性越强，肾毒性及中枢神经毒性则越大。另外，碳青霉烯类药物的神经毒性也与其特异性结合抑制性神经递质γ-氨基丁酸（γ-aminobutyric acid，GABA）的能力有关，亚胺培南对GABA的亲和力最高，是其神经系统不良反应发生率较高的原因之一。（五）常用碳青霉烯的主要结构特点
常用碳青霉烯的主要结构特点如图1-2所示，其中亚胺培南分子式为CHNOS·HO，相对分子量317.36Da。亚胺培南是在硫霉1217342素结构的基础上，将C-3位末端的氨基改造成为N-甲酰亚胺衍生物，从中得到稳定性较好的，第一个应用于临床的碳青霉烯类药物。亚胺培南对细菌PBPs及其亚型的高度亲和无特异性，对临床上常见革兰氏阴性需氧菌、革兰氏阳性需氧菌（对MRSA无效）及厌氧菌均具有良好的杀菌活性。
帕尼培南分子式为CHNOS，相对分子量339.41Da，是C-2152134位上有乙酰亚胺吡咯环结构的碳青霉烯类药物，主要作用于PBP-2与PBP-3。帕尼培南对各种细菌产生的β-内酰胺酶稳定，对包括金黄色葡萄球菌（对MRSA无效）的革兰氏阳性菌和包括铜绿假单胞菌的革兰氏阴性菌引起的感染均显示出广泛、良好的疗效，对厌氧菌也有较好的活性，其抗菌作用与亚胺培南基本等同。图1-2 国内常用碳青霉烯类药物的结构特点
美罗培南分子式为CHNOS，相对分子量383.46Da。C-1β172535位的甲基，增强了美洛培南对DHP-1的稳定性和抗革兰氏阴性菌活性。与亚胺培南相比，美罗培南在C-2位引入了吡咯烷-3-硫基。有研究认为，吡咯烷-3-硫基与碳青霉烯类药物的PBPs（特别是PBP-3）的亲和力有关。如亚胺培南主要作用于大肠埃希菌的PBP-1、PBP-2、PBP-3、PBP-4、PBP-5和PBP-6及铜绿假单胞菌的PBP-1、PBP-2、PBP-4和PBP-5，使细胞破裂后形成内毒素较少的球状体。而美罗培南主要作用于大肠埃希菌和铜绿假单胞菌的PBP-1、PBP-2和PBP-3，使细胞破裂后形成丝状体变或芽状突起的原生质变。
厄他培南分子式CHNOS，相对分子量为475.515Da，是相222537对窄谱（对铜绿假单胞菌、鲍曼不动杆菌等非发酵菌无效）、长效的碳青霉烯类药物。其C-2位有吡咯烷基硫醚侧链，显示出对PBP-2和PBP-3的高亲和力，其抗革兰氏阳性菌（对MRSA无效）的活性略弱于亚胺培南，抗肠杆菌科、奈瑟菌属、嗜血杆菌属、莫拉菌属的活性相当于亚胺培南。厄他培南的C-2位上还引入了苯甲酸基团，使其亲脂性显著提高。生理pH下，苯甲酸基团中的羟基即可电离，提高了厄他培南与蛋白质的结合率进而延长其半衰期。与其他碳青霉烯类抗菌药物相比，厄他培南对ESBLs或AmpC酶的稳定性稍差，但对临床分离的产ESBLs或AmpC酶的大肠埃希菌和肺炎克雷伯菌依然敏感。厄他培南对厌氧菌也有较好活性，适用于社区获得性感染。需要注意的是，厄他培南对院内感染常见的铜绿假单胞菌、不动杆菌属、伯克霍尔德菌属等非发酵菌均无效。
比阿培南分子式为CHNOS，相对分子量350.40Da，是C-2151844位上有双环三唑的1β-甲基碳青霉烯类药物。侧链上的季铵阳离子显著提高了细菌外膜对比阿培南的通透性。相对于美罗培南，比阿培南对DHP-1更加稳定，对革兰氏阳性菌的活性（对MRSA无效）弱于亚胺培南，但优于美罗培南，对革兰氏阴性菌的活性弱于美罗培南，但优于亚胺培南。三、新型碳青霉烯类药物的研发前景
就目前上市品种来看，通过联用DHP-1抑制剂或者结构改造优化，已基本避免了碳青霉烯抗菌药物被DHP-1分解。现存问题主要有以下三点：一是部分品种的中枢神经毒性仍需关注。除亚胺培南外，厄他培南、美罗培南引起的癫痫或痫性发作也时有报道。二是对MRSA无效，以及由于部分革兰氏阴性菌产生的碳青霉烯酶（如金属酶、KPC酶等）的水解作用而导致的耐药限制了现有碳青霉烯抗菌药物的使用。三是现有品种（除厄他培南外）半衰期短，消除快，临床需要一天两次至多次用药。
充分考虑市场现有品种的特点及细菌耐药情况的变化，今后碳青霉烯类抗菌药物的主要研发方向将以在保持对DHP-1稳定的基础上，寻找对多重耐药菌有效且低毒的新品种与能提高患者依从性的新剂型为主。一是要增强对MRSA的活性和对碳青霉烯酶的稳定性。在研碳青霉烯类抗菌药物中，托莫培南和阿祖培南的体外抗MRSA效果显著，主要与其对MRSA的PBP-2a的高亲和性有关。二是要通过新型酶抑制剂的研发以加强对已上市品种的保护和应用。如2017年经FDA批准在美国上市的Vabomere是vaborbactam与美罗培南的1∶1组方制剂，vaborbactam能够有效保护美罗培南不受丝氨酸β-内酰胺酶（如KPC酶）的降解。三是要继续开发口服品种，将碳青霉烯类药物酯化成前体药物，在体内迅速被酯酶水解成活性原药而发挥作用。泰比培南酯（即替比培南）是获准临床应用的第一个口服碳青霉烯类抗菌药物，2009年在日本上市。四是要通过改进药物结构，延长药物半衰期，在减少给药频次的情况下保证药效。已上市的碳青霉烯类药物中，厄他培南的半衰期最长。
近年来，很多世界知名制药企业均在加快对碳青霉烯类抗菌药物的研发速度，除第一三共公司的托莫培南（tomopenem）和住友公司的阿祖培南（razupenem）外，国内碳青霉烯类原研药的研发也如火如荼，如四环医药牵头的百纳培南（benapenum）、珠海亿邦制药牵头的艾帕培南（apapenem）等正在进行不同阶段的临床研究。（王天琳）参考文献
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碳青霉烯类药物与其他β-内酰胺类药物一样均是快速杀菌剂。除厄他培南外，碳青霉烯类药物对难以治疗的革兰氏阴性非发酵菌如铜绿假单胞菌、洋葱伯克霍尔德菌和不动杆菌属感染也有较好疗效，同时对链球菌属、甲氧西林敏感的葡萄球菌属、奈瑟菌属和嗜血杆菌属也有较强抗菌活性。与其他多数β-内酰胺抗菌药物不同，碳青霉烯类药物对大多数革兰氏阳性和革兰氏阴性厌氧菌均有抗菌活性，包括脆弱拟杆菌、多形拟杆菌、双路普雷沃菌、具核酸杆菌、死亡梭杆菌、不解糖消化链球菌、产气荚膜梭菌等。对碳青霉烯类药物天然耐药的细菌包括：耐氨苄西林屎肠球菌、耐甲氧西林葡萄球菌属、嗜麦芽窄食单胞菌、某些艰难梭菌临床分离株和洋葱伯克霍尔菌等。碳青霉烯类药物之所以拥有较好的抗菌活性，其原因如下：①比头孢菌素分子更小，且在溶液中是正负两性离子，这两个特性都有助于其快速穿越革兰氏阴性菌外膜层；②与革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌、厌氧菌等多数细菌的青霉素结合蛋白（PBP-2、PBP-3、PBP-4和PBP-1b）具有高亲和力；③对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌产生的广谱β-内酰胺酶（ESBLs）与头孢菌素酶（AmpC）均能耐受。
不同种类碳青霉烯类药物对各种细菌抗菌活性比较见表2-1。（一）亚胺培南
注射用亚胺培南／西司他丁钠为一种广谱的抗菌药物，可杀灭绝大部分革兰氏阳性和革兰氏阴性的需氧和厌氧病原菌。其体外抗菌谱包括铜绿假单胞菌、嗜水气单胞菌、阴沟肠杆菌、流感嗜血杆菌、淋病奈瑟菌、阴道加德纳菌、莫拉菌属、脑膜炎奈瑟菌、变形杆菌属、沙门菌属、志贺菌属、小肠结肠炎耶尔森菌等革兰氏阴性需氧菌；芽孢杆菌属、诺卡菌属、金黄色葡萄球菌、肺炎链球菌、无乳链球菌、粪肠球菌、单核细胞增生李斯特菌等革兰氏阳性需氧菌；同时对大多数厌氧菌的抗菌活性与甲硝唑和氯霉素相仿，特别是对脆弱拟杆菌也有很强抗菌活性。表2-1 不同碳青霉烯类药物抗菌活性比较续表注：+表示通常敏感；±表示敏感性／耐药性不确定；0表示通常耐药；空白表示尚无资料；表示体外有效，但临床不适用
本品对多数由耐头孢菌素类的细菌（包括需氧和厌氧的革兰氏阳性及革兰氏阴性细菌）所引起的感染具有强效的抗菌作用；特别是对产ESBLs和AmpC酶肠杆菌科细菌具有高度抗菌活性。同样，许多由耐氨基糖苷类抗菌药物（如庆大霉素、阿米卡星、妥布霉素）和／或青霉素类（氨苄西林、羧苄西林、青霉素、替卡西林、哌拉西林、阿洛西林、美洛西林）的细菌引起的感染，使用本品仍有效。在体外亚胺培南尚可抑制诺卡菌属、放线菌属、鸟-胞内分枝杆菌复合菌组和部分军团菌属，但其临床意义尚不确定。
亚胺培南的抗生素后效应（PAE）时间因细菌而异，对金黄色葡萄球菌为2.6～3.5小时，对铜绿假单胞菌约为1.6小时。（二）帕尼培南
帕尼培南抗菌谱与亚胺培南相仿，对革兰氏阳性菌抗菌活性略强于亚胺培南，但同样对屎肠球菌和甲氧西林耐药的葡萄球菌属无抗菌活性。帕尼培南对肠杆菌科细菌抗菌活性与亚胺培南相仿，可抑制大肠埃希菌、肺炎克雷伯菌、阴沟肠杆菌、枸橼酸杆菌属等大多数肠杆菌科细菌。黄杆菌属、嗜麦芽窄食单胞菌和部分洋葱伯克霍尔德菌对本品不敏感。本品对大多数厌氧菌具很强抗菌活性，与亚胺培南相仿或稍强，适用于治疗由下列敏感菌所引起的感染症：葡萄球菌属、链球菌属、肺炎链球菌、肠球菌属、脑膜炎奈瑟菌、大肠埃希菌、枸橼酸杆菌属、克雷伯杆菌属、肠杆菌属、沙雷菌属、变形杆菌属、摩根菌属、普罗威登斯菌属、流感嗜血杆菌、假单胞菌属、铜绿假单胞菌、洋葱伯克霍尔德菌、消化链球菌属、拟杆菌属、普雷沃菌属。
帕尼培南对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌均具PAE，金黄色葡萄球菌、大肠埃希菌和铜绿假单胞菌在4倍MIC浓度帕尼培南中孵育2小时后，其生长抑制时间分别为2.1小时、1.7小时和1.7小时。（三）美罗培南
美罗培南对革兰氏阳性菌抗菌活性与亚胺培南相比稍逊，对革兰氏阴性菌抗菌活性比亚胺培南略强。一般美罗培南对某些肠杆菌科细菌抗菌活性可能较亚胺培南强2～8倍，但黄杆菌属、嗜麦芽窄食单胞菌和部分洋葱伯克霍尔德菌对本品亦不敏感。本品对大多数厌氧菌具很强抗菌活性，与亚胺培南相仿或稍强。
本品抗菌谱包括金黄色葡萄球菌（仅指对甲氧西林敏感菌株）、化脓性链球菌、无乳链球菌、草绿色链球菌、甲氧西林敏感的粪肠球菌、铜绿假单胞菌、大肠埃希菌、奇异变形杆菌、脆弱拟杆菌、消化链球菌属、肺炎克雷伯菌、铜绿假单胞菌、多形拟杆菌、肺炎链球菌、流感嗜血杆菌、脑膜炎奈瑟菌等。本品对产ESBLs和AmpC酶肠杆菌科细菌具有高度抗菌活性。
美罗培南对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌均有PAE，对金黄色葡萄球菌和表皮葡萄球菌的PAE约3小时，对大肠埃希菌的PAE为1.2小时，对铜绿假单胞菌PAE为2.5小时。（四）厄他培南
厄他培南对甲氧西林敏感的金黄色葡萄球菌、肺炎链球菌、化脓性链球菌等革兰氏阳性菌具高度抗菌活性，但稍逊于亚胺培南；甲氧西林耐药葡萄球菌属、肠球菌属对本品耐药。本品对肠杆菌科细菌的抗菌活性显著优于亚胺培南。对厌氧革兰氏阴性杆菌的抗菌活性较亚胺培南略差，对艰难梭菌等梭菌属抗菌活性略强于亚胺培南。铜绿假单胞菌、不动杆菌属等非发酵菌对本品耐药。
本品抗菌谱包括金黄色葡萄球菌（仅指对甲氧西林敏感菌株）、化脓性链球菌、消化链球菌属、肺炎链球菌（仅指对青霉素敏感的菌株）、无乳链球菌、大肠埃希菌、肺炎克雷伯菌、流感嗜血杆菌（仅指β-内酰胺酶阴性菌株）或卡他莫拉菌、不解糖卟啉单胞菌、普雷沃菌属、厌氧芽孢梭菌、迟缓真杆菌、消化链球菌属、脆弱拟杆菌、吉氏拟杆菌、卵形拟杆菌、多形拟杆菌或单形拟杆菌等大部分革兰氏阳性和革兰氏阴性的需氧和厌氧菌。
厄他培南对金黄色葡萄球菌的PAE约3小时，对大肠埃希菌的PAE为1.5小时，对肺炎链球菌PAE为2.4小时。（五）比阿培南
比阿培南对革兰氏阴性菌，特别是铜绿假单胞菌的活性比亚胺培南略强；对需氧革兰氏阳性菌的抗菌活性稍低于亚胺培南；对厌氧菌的活性与亚胺培南相同。对本品敏感的细菌有：葡萄球菌属、链球菌属、肺炎链球菌、肠球菌属（屎肠球菌除外）、莫拉菌属、大肠埃希菌、枸橼酸杆菌属、克雷伯菌属、肠杆菌属、沙雷菌属、变形杆菌属、流感嗜血杆菌、铜绿假单胞菌、放线菌属、消化链球菌属、拟杆菌属、普雷沃菌属、梭菌属等。
比阿培南对铜绿假单胞菌具有PAE，在4倍MIC浓度中孵育2小时后，其生长抑制时间为1.6小时。（六）多尼培南
多尼培南结合了亚胺培南对革兰氏阳性菌的体外活性和美罗培南对革兰氏阴性菌的体外活性。本品对铜绿假单胞菌的MIC低于其他抗假单胞菌碳青霉烯类药物。本品抗菌谱包括大肠埃希菌、肺炎克雷伯菌、铜绿假单胞菌、粪拟杆菌、脆弱拟杆菌、多形拟杆菌、单形拟杆菌、普通拟杆菌、中间型链球菌、星座链球菌、微小消化链球菌、奇异变形杆菌、鲍曼不动杆菌等。二、碳青霉烯类药物的抗菌机制
碳青霉烯类药物作用方式和其他β-内酰胺抗菌药物一样，即干扰细菌细胞壁的结构和生物合成。碳青霉烯类药物经外膜蛋白（也称为孔蛋白）进入细菌，穿过周质并与青霉素结合蛋白（PBPs）结合，从而阻碍细胞壁黏肽合成，使细菌胞壁缺损，菌体膨胀致使细菌胞质渗透压改变和细胞溶解而杀灭细菌。（一）亚胺培南
亚胺培南与大肠埃希菌的PBP-1a、1b、2、4、5和6，以及铜绿假单胞菌的PBP-1a、1b、2、4和5具有高度亲和力，通过抑制细菌细胞壁合成发挥杀菌作用，其致死效应主要由于其与PBP-2和PBP-1b的结合有关。（二）帕尼培南
帕尼培南与大肠埃希菌的PBP-1a、1b、2、4、5和6，铜绿假单胞菌的PBP-1a、1b、2、3、4和5，以及金黄色葡萄球菌的PBP-1、2、3、4具有高度亲和力，通过抑制细菌细胞壁的合成发挥杀菌作用。（三）美罗培南
在革兰氏阴性菌中，美罗培南优先结合到PBP-2、3和4，对PBP-1a和1b也有很强的亲和力，与金黄色葡萄球菌的PBP-1、2、4紧密结合。美罗培南也能迅速渗透入肠杆菌科细菌和铜绿假单胞菌，主要是与PBP-2和PBP-3紧密结合。美罗培南比亚胺培南更能迅速通过革兰氏阴性菌外膜蛋白通道D，因此由于通透性障碍所致耐药较2少见。（四）厄他培南
厄他培南与大肠埃希菌的PBP-1a、1b、2、3、4、5具高度亲和力，通过抑制细菌细胞壁合成发挥对革兰氏阴性菌杀菌作用。（五）比阿培南
比阿培南可抑制细菌细胞壁的合成，与大肠埃希菌和铜绿假单胞菌的PBP-1a、1b、2、4、5、6高度结合，有良好的细胞穿透力，较少发生与其他β-内酰胺类抗菌药物交叉耐药问题。（六）多尼培南
多尼培南对许多细菌表现出不同的PBP亲和力，特别是对铜绿假单胞菌中的PBP-2和PBP-3和大肠埃希菌中的PBP-2具有高亲和力，因此多尼培南比亚胺培南增加了抗假单胞菌活性。（张 樱）参考文献
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碳青霉烯抗菌药物为迄今抗菌谱最广、抗菌活性最强的一类β-内酰胺类抗菌药物，其对多种β-内酰胺酶高度稳定，对多数头孢菌素耐药菌仍可发挥优良抗菌作用，并且存在抗菌药物后效应。其作用机制是通过抑制胞壁黏肽合成酶，从而阻碍细胞壁黏肽合成，使细菌胞壁缺损，菌体膨胀致使细菌胞质渗透压改变和细胞溶解而杀灭细菌。碳青霉烯类对革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌及厌氧菌都有强大的抗菌活性。但随着临床应用的增加，耐碳青霉烯类抗菌药物的细菌逐渐增多，碳青霉烯类抗菌药物耐药已引起全球的关注。一、肠杆菌科细菌对碳青霉烯类药物耐药机制
肠杆菌科细菌对碳青霉烯类抗菌药物耐药的机制主要有四种：①碳青霉烯酶的产生；②外膜蛋白（outer member protein）的缺失或数量的减少，亲和力降低；③药物作用靶位的改变，主要是青霉素结合蛋白PBPs的改变；④外排泵的高表达。（一）碳青霉烯酶的产生
碳青霉烯酶能水解几乎所有β-内酰胺类抗菌药物（包括碳青霉烯类），是碳青霉烯类耐药的主要机制。现已发现的碳青霉烯酶主要属于Ambler分子分类中的A、B、D类。A、D类为丝氨酸酶，B类为金属β-内酰胺酶（MBLs）。碳青霉烯酶可由染色体和质粒编码，通过质粒或转座子在不同菌种间传播。在肠杆菌科细菌中，主要是A类酶和B类酶。
1.A类碳青霉烯酶
属于Bush分类2f组，为丝氨酸碳青霉烯酶，包括IMI/NMC、SME、GES和KPC，可水解多种β-内酰胺类药物，包括碳青霉烯类、头孢菌素类、青霉素类药物和氨曲南，可导致细菌对碳青霉烯类抗菌药物的敏感性从降低到完全耐药。（1）SME/IMI/NMC-A：
这三组酶由染色体编码并水解广泛的底物，包括青霉素类、部分头孢菌素类、氨曲南和碳青霉烯类药物。bla基因位于染色体前噬SME菌体的基因岛内。SME-1与SHV和TEM超广谱酶同源性为40%，SME-1具有NMC-A特定位点的氨基酸如105位的组氨酸，238、239位的半胱氨酸，207位的酪氨酸。SME-2、SME-3是由SME-1点突变而来，生化特性与酶动力参数均相似于SME-1。SME的调控蛋白为Sme-R，其调控类似NMC-A、AmpC。
IMI碳青霉烯酶较少见，迄今仅报告了6种变体（IMI-1至IMI-6），大多数存在于肠杆菌科细菌特别是大肠埃希菌中。IMI生化特性和酶动力参数类似于NMC-A，但IMI易被他唑巴坦所抑制，水解头孢噻肟和头孢他啶能力较弱，也能被头孢菌素和碳青霉烯类抗菌药物所诱导，其正向调控蛋白ImiR与NmcR相似，同源性95%，属于Lys-R型家族调控蛋白。bla基因的表达受LysR家族的bla-R基因编码的转录IMIIMI调节子调节。上游和下游的复合体分别编码了IS2-like元件和转座酶基因，其可能参与了IMI的移动。
NMC-A与IMI-1、IMI-2有8个氨基酸不同。NMC-A的产生可被头孢菌素和碳青霉烯类抗菌药物所诱导，正性调节蛋白NmcR也属于LysR家族，编码序列位于开放阅读框的上游，其调控蛋白类似于AmpR。（2）GES：
GES酶最初被认为是超广谱β-内酰胺酶（ESBLs）的一种。目前报道的24种GES变体中，只有GES-2、GES-4、GES-5、GES-6、GES-11、GES-14和GES-18属碳青霉烯酶。GES-4、GES-5、GES-6来自肺炎克雷伯菌，有报道GES-5产自肺炎克雷伯菌、大肠埃希菌和阴沟肠杆菌。GES-4、GES-5、GES-6在170位点由天冬酰胺或丝氨酸替代，它们与亚胺培南的水解有关。bla基因通常编码在可转移GES质粒的Ⅰ类基因盒整合子上；然而，染色体编码的bla基因也发现GES于肠杆菌科细菌中。（3）KPC：
KPC已确定了22种变体（KPC-1～KPC-22），最常见的是KPC-2和KPC-3（两者仅有一个氨基酸不同），我国主要为KPC-2。KPC主要存在于肺炎克雷伯菌中，大肠埃希菌、弗劳地枸橼酸杆菌、黏质沙雷菌、肠杆菌属和假单胞菌属也有报道。产KPC的肠杆菌科细菌对青霉素类和头孢菌素类高水平耐药，但对碳青霉烯类抗菌药物可低水平或中水平耐药。克拉维酸和相关的酶抑制剂对KPC的体外抑制作用低于其他A类酶。产KPC的肠杆菌科细菌常常也表达其他质粒介导的β-内酰胺酶。bla基因通常嵌入转座子Tn4401（一种基于Tn3的转座KPC子），能够高频率移动碳青霉烯酶编码基因。含有bla的转座子位KPC于可转移的质粒上，包括属于IncFII、IncA/C、IncN、IncI2、IncX、KIncR和ColE不相容组的质粒。编码bla的质粒通常还携带其他耐药KPC基因，如喹诺酮类、氨基糖苷类、四环素类、甲氧苄啶磺胺类耐药基因，因此，这种产KPC的肺炎克雷伯菌常表现为多耐药甚至广泛耐药。
2.B类碳青霉烯酶
B类碳青霉烯酶，又称金属β-内酰胺酶（metallo-βlactamases，MBLs），属于Bush分类3组，水解除氨曲南外的所有β-内酰胺类抗菌2+药物，其活性位点Zn能被EDTA所抑制，但不能被克拉维酸、舒巴坦、他唑巴坦抑制，编码基因位于有转移能力的整合元件上。此类酶基于水解底物和蛋白结构的不同分为B1、B2和B3亚类。B1和B3亚类水解广泛的β-内酰胺类，包括青霉素类、头孢菌素类和碳青霉烯类；B2亚类只水解碳青霉烯类抗菌药物。B1亚类包括IMP、VIM、NDM和2+SIM家族。B1亚类携带两个Zn，紧密型和松散型互相配合；而B3亚2+2+类的两个Zn具有相似的亲和力；B2亚类只需要一个Zn就可达到最大的酶活性，另一个锌离子的同时结合反而导致酶活性的降低。（1）VIM：
VIM型碳青霉烯酶目前已报道43型。这种类型的酶已经成为世界上最流行的质粒介导的MBLs。VIM主要由铜绿假单胞菌产生，其次是大肠埃希菌和肺炎克雷伯菌，阴沟肠杆菌较少。bla主要嵌入在VIM转座子的Ⅰ类整合子基因盒中，整合结构有100多种不同的排列，包括编码氨基糖苷类、氯霉素和磺酰胺类的抗性基因。最初发现blaVIM整合子位于IncN质粒型，然而，最近也发现它们也可位于大的不兼容的可转移质粒上，如IncA/C、IncR、IncHI2、IncI1和IncW，也可被整合到细菌染色体。携带bla的大肠埃希菌和肺炎克雷伯菌主要是多VIM克隆传播。
NDM：NDM主要存在于肠杆菌科细菌特别是大肠埃希菌和肺炎克雷伯菌中，在不动杆菌属也有报道。NDM能够水解青霉素类、碳青霉烯类和头孢菌素类药物。携带NDM的细菌常表现为多耐药或泛耐药。目前，已报道了17型NDM（NDM-1～NDM-17）。在肠杆菌科细菌中，bla主要由不同大小的质粒携带，包括IncL/M、IncA/C、NDMIncX、IncF和IncHI1。这些质粒可在不同肠杆菌科细菌间传播。菌株携带质粒编码的bla和其他β-内酰胺酶基因，如编码OXA酶NDM（OXA-1、OXA-10）、质粒介导的AmpCs（CMY型，DHA型）、ESBLs（CTX-M型、SHV型）、其他碳青霉烯酶（VIM型、OXA-48）以及其他非β-内酰胺类（氨基糖苷类、大环内酯类、喹诺酮类）耐药基因，这些元件编码在相同或不同的质粒上。肠杆菌科细菌的blaNDM周围遗传结构主要由上游的ISAba125插入序列与下游的ble（博来MBL霉素抗性编码基因）共同构成完整的或截短的结构。bla和bleNDMMBL由位于ISAba125 3′端的启动子控制下共同表达。bla基因的起源NDM仍未清楚，目前假定它最初被整合到存在于环境物种中的鲍曼不动杆菌，然后转座到肠杆菌科细菌的可复制的质粒上。（2）IMP：
IMP现已有48种变体被证实。已报道的IMP型β-内酰胺酶主要存在于铜绿假单胞菌、不动杆菌属、大肠埃希菌、肺炎克雷伯菌、产酸克雷伯菌、阴沟肠杆菌和枸橼酸杆菌属。与bla一样，bla作为VIMIMP基因盒也被整合在携带多种抗性基因的Ⅰ类整合子和Ⅲ类整合子上。这些整合子通常位于可水平转移的转座子和接合质粒上。携带blaIMP的质粒属于不同的不相容组，包括IncL/M、IncN和IncHI2。染色体编码的bla基因主要在非发酵菌中，但并不常见。IMP
3.D类碳青霉烯酶
属于Bush分类2d组，包括一些苯唑西林酶（OXA），在质粒和染色体均可编码，和其他碳青霉烯酶相比对碳青霉烯类药物的水解力较低。产OXA的碳青霉烯耐药菌株通常还有其他耐药机制（膜孔蛋白的缺失）。与A类碳青霉烯酶和C类β-内酰胺酶相反，D类酶导致高水平的替莫西林（temocillin）耐药。有关OXA酶的分型请参见本章第三部分及本书第十三章相关内容。（二）外膜蛋白的缺失或数量的减少伴有由质粒或染色体介导高水平β-内酰胺酶（AmpC）的持续产生
经典的外膜孔蛋白为大肠埃希菌三聚体的孔道蛋白OmpF、OmpC和PhoE。OmpF和OmpC更偏向于微小的阳离子通过，而PhoE更偏向于阴离子通过，OmpF允许通过的溶质分子比OmpC略大。在肠杆菌科细菌中许多药物如β-内酰胺类、四环素类、氯霉素、喹诺酮类主要通过高通透性的孔蛋白通道进入。最早报道的孔蛋白缺失的菌株是黏质沙雷菌，由于ompF基因突变，从而使OmpF丢失，引起对氨基糖苷类和β-内酰胺类抗菌药物耐药。当广谱的头孢菌素如头孢噻肟被用于临床后，发现在阴沟肠杆菌中有AmpC酶的产量升高同时伴有孔蛋白表达的降低，从而大大提高了耐药性。
肠杆菌科细菌外膜蛋白的缺失或数量的减少，伴有质粒或染色体介导的AmpC酶的高水平表达，是细菌对碳青霉烯类抗菌药物耐药的机制之一，主要见于肺炎克雷伯菌、产气肠杆菌、阴沟肠杆菌中。而这些高水平表达的酶可以是AmpC酶、ESBLs，也可以是碳青霉烯酶。缺失或数量减少的孔蛋白主要是OmpC、OmpF、OmpK35、OmpK36、OmpK37蛋白，且通常是在碳青霉烯类抗菌药物的选择压力下造成的。（三）外排泵高表达
细菌外排泵可将细胞内的抗菌药物主动泵出，使细胞内抗菌药物浓度下降，从而产生耐药。研究表明，肠杆科细菌中外排泵AcrAB-TolC高表达同时伴OmpK35和OmpK36孔蛋白的缺失与碳青霉烯类耐药相关。（四）药物作用靶位的改变
碳青霉烯类抗菌药物能与革兰氏阴性菌的PBPs结合，导致细菌细胞壁缺失和溶解。如PBP发生改变致抗菌药物不能结合或亲和力下降，则产生耐药。在肠杆菌科中，通过此途径造成对亚胺培南等耐药的较少见。目前只发现在产气肠杆菌和奇异变形杆菌中由于PBP2a的改变造成亲和力下降，以致对碳青霉烯类抗菌药物耐药。二、铜绿假单胞菌对碳青霉烯类药物耐药机制（一）碳青霉烯酶的产生
铜绿假单胞菌产生的碳青霉烯酶主要是MBLs，近十年在世界范围内报道不断。目前，国际上铜绿假单胞菌中检测出的MBLs主要有VIM和IMP家族，以及SPM、GIM、NDM、SIM、AIM、KHM和DIM，其中VIM-2是主要的MBLs。编码MBLs基因位于细菌的染色体或质粒上，并以基因盒的形式存在于整合子中，随着整合子在不同细菌之间移动传递。绝大部分MBLs基因位于Ⅰ型整合子中，少数IMP型位于Ⅲ型整合子中。产MBLs的铜绿假单胞菌对碳青霉烯类药物高水平耐药（MIC>32mg/L）。IMP酶有广泛的底物特异性，包括对碳青霉烯类和头孢菌素类的高亲和力，但对6-α-甲氧基-青霉素具有弱亲和力。基于262位点残基的不同，IMP分为IMP-1-like和IMP-6-like。虽然IMP-1-like在262位具有Ser残基，而IMP-6-like在此位置为Gly残基。IMP-1与IMP-6相比，对青霉素类（特别是青霉素和氨苄西林）、头孢他啶、头孢噻肟和亚胺培南具有更高的水解效率。（二）膜孔蛋白的缺失（OprD2突变或丢失）
铜绿假单胞菌的细胞壁两侧具有内外两层膜，外膜蛋白OprC、OprD2及OprE均具有孔道活性。1986年Quinn首次报道了膜孔蛋白OprD在铜绿假单胞菌对碳青霉烯类药物耐药中发挥作用，其主要分为OprD1、OprD2及OprD3。OprD蛋白的表达在转录及转录后水平能够被一些物质高度调节，例如：一些金属、生物活性分子、氨基酸、外排泵调节子等。OprD的高突变性和高度调节性使其成为碳青霉烯类耐药铜绿假单胞菌最基本的耐药机制。OprD是许多氨基酸、肽类等物质的共同通道，这些分子和碳青霉烯类药物竞争进入细菌内，抑制药物进入菌内而产生耐药。对亚胺培南耐药铜绿假单胞菌的oprD基因常见突变有三种：一是11bp DNA小片段缺失（编码区395～405位），导致移码突变和形成提前新终止密码子，引起OprD2肽链异常；二是1204bp DNA大片段缺失（启动子上游519位到编码区685位），不能转录mRNA，导致OprD2蛋白缺失；三是插入序列插入oprD2基因中，引起OprD2蛋白缺失。
OprD2表达的减少和缺失使铜绿假单胞菌对亚胺培南产生耐药，但对其他碳青霉烯类药物的影响较少，只在一定程度上提高美罗培南和多尼培南对铜绿假单胞菌的最低抑菌浓度，当同时存在其他耐药机制时才会出现对两者的耐药，如外排泵表达上调、AmpC酶的高产等。oprD2基因缺失后铜绿假单胞菌仅对亚胺培南低水平耐药，当伴有其他耐药机制时，铜绿假单胞菌对亚胺培南才呈现高度耐药，且对美罗培南和多尼培南也耐药；而Livermore研究认为，OprD蛋白减少或缺失的铜绿假单胞菌仅对亚胺培南耐药，对其他抗菌药物仍敏感，为窄谱耐药；当合并MexAB-OprM过度表达时，铜绿假单胞菌会对其他抗菌药物耐药，如喹诺酮类、其他β-内酰胺类药物。OprD缺失可能是铜绿假单胞菌在碳青霉烯类药物选择压力下产生的首要耐药机制。而当铜绿假单胞菌进一步受到碳青霉烯类药物选择压力，其他耐药机制将会产生。某些耐药机制可能与OprD突变同时发生并成为附加耐药机制，如对于临床分离铜绿假单胞菌，青霉素结合蛋白无论是通过影响与抗菌药物的结合还是oprD基因表达的下调，其在铜绿假单胞菌对碳青霉烯类药物耐药的机制中都起到了重要作用。（三）外排泵高表达
根据染色体同源性不同可将外排泵分为5个家族：主要易化子超家族（major facilitator superfamily，MFS）、多药和毒物化合物外排家族（multidrug and toxic efflux，MATE）、耐药结节细胞分化家族（resistance-nodulation-division family，RND）、小多药耐药家族（small multidrug-resistance，SMR）和ATP结合盒（ATP binding cassette，ABC）。铜绿假单胞菌中RND家族外排泵与细菌耐药有密切关系，该家族外排泵结构都是由染色体编码的内膜外排转运蛋白（efflux transporters）、周质膜融合蛋白（periplasmic membrane fusion protein，MFP）和外膜外排蛋白（outer membrane efflux protein，OMP）三组分构成。铜绿假单胞菌至少有12个RND外排泵，研究表明，MexAB-OprM、MexCDOprJ、MexEF-OprN、MexXY-OprM四种外排泵与碳青霉烯类药物耐药相关。
1.MexAB-OprM
MexAB-OprM是最早发现的RND外排泵。国内外对临床铜绿假单胞菌的大量研究表明，MexAB-OprM的过表达是铜绿假单胞菌对美罗培南耐药的主要原因，它能够将已经进入菌体的美罗培南转运出菌体胞质，引起对美罗培南耐药。但MexAB-OprM过表达或缺失并不明显影响铜绿假单胞菌对亚胺培南的敏感性。部分原因是OprD的存在使得亚胺培南能快速渗透进菌体。
MexAB-OprM表达受mexR、nalB和nalD三个基因的负调节：MexR属于调节因子MarR家族，mexR基因位于mexAB-oprM上游274个碱基处，编码MexAB-OprM表达的阻遏因子，与mexR和mexA之间区域结合，导致mexAB-oprM启动子受抑制，MexAB-OprM表达降低；nalB为TetR家族抑制子，nalB突变体中mexR结合位点改变，导致MexAB-OprM高表达；nalD（PA3574）编码了类似TetR家族抑制子的蛋白，能和mexAB-oprM上游的启动子结合，nalD突变可引起MexAB-OprM过表达。
2.MexCD-OprJ
mexCD-oprJ在正常生长条件下为沉默基因，与固有耐药性无关，但喹喏酮类和β-内酰胺类（如哌拉西林、美罗培南，但不作用于羧苄西林和亚胺培南）能够诱导MexCD-OprJ的表达。Giske等从临床上分离得到23株具有美罗培南抗性的铜绿假单胞菌，仅一株过表达MexD。他们还以Phe-Arg-β-naphtylamide作为外排泵抑制剂，先后测定美罗培南的MIC，过表达MexD菌株使用外排泵抑制剂后，美罗培南的MIC降低，充分说明外排泵MexCD-OprJ与美罗培南耐药有关。MexCD-OprJ表达受nfxB基因负调节，该基因编码的NfxB阻遏蛋白能够结合在mexC基因上游，调控MexCD-OprJ的表达。根据nfxB突变菌株对抗菌药物耐药性的不同，可以分为A和B两种类型，分别表达中等水平（A型）或高水平（B型）的泵系统，B型突变株比野生菌株对传统的青霉素类、非典型的β-内酰胺类、碳青霉烯类和氨基糖苷类的敏感性低4～8倍。因此推测nfxB基因突变，导致MexCD-OprJ高表达可能与铜绿假单胞菌对碳青霉烯类抗菌药物耐药有关。
3.MexXY-OprM
MexXY-OprM作用底物包括氟喹诺酮类、氨基糖苷类和某些β-内酰胺类（如头孢吡肟、美罗培南，但与头孢他啶和亚胺培南无关）。研究发现对亚胺培南、美罗培南、厄他培南耐药的不同铜绿假单胞菌菌株中，MexX有不同程度的过表达，所以推测MexXY-OprM过表达也是引起铜绿假单胞菌对碳青霉烯类耐药的机制之一。MexXY-OprM表达受mexZ基因的负调控，它是类似TetR的抑制子，位于mexXY基因上游。但不是所有的mexZ基因的突变体都过表达MexXY，所以推测铜绿假单胞菌中还有其他调节基因存在。
4.MexEF-OprN
mexEF-oprN与mexCD-oprJ相似，在正常生长条件下为沉默基因，氯霉素通过MexT调节MexEF-OprN过表达，喹喏酮类、甲氧苄啶存在时可诱导其高表达。nfxC或mexS突变能够导致MexEF-OprN高表达和OprD的低表达，从而解释了铜绿假单胞菌对碳青霉烯类的耐药。mexT位于mexEF-oprJ上游和mexS下游，编码LysR家族的转录激活
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