Бета-лактамные антибиотики: спектр действия, механизм и побочные эффекты

Введение

Класс антибиотиков широкого спектра действия

β-лактамовые антибиотики (бета-лактамовые антибиотики) – это антибиотики, содержащие в своей химической структуре β-лактамное кольцо. К ним относятся производные пенициллина (пенамы), цефалоспорины и цефамицины (цефемы), монобактамы, карбапенемы и карбацефемы. Большинство β-лактамовых антибиотиков действуют, ингибируя биосинтез клеточной стенки бактерий, и являются наиболее широко используемой группой антибиотиков. До 2003 года, по объему продаж, более половины всех коммерчески доступных антибиотиков составляли β-лактамные соединения. Первый открытый β-лактамовый антибиотик, пенициллин, был выделен из штамма *Penicillium rubens* (в то время известного как *Penicillium notatum*). Бактерии часто развивают устойчивость к β-лактамовым антибиотикам, синтезируя β-лактамазу – фермент, разрушающий β-лактамное кольцо. Для преодоления этой устойчивости β-лактамовые антибиотики могут применяться совместно с ингибиторами β-лактамазы, такими как клавулановая кислота.

Медицинское применение

β-лактамные антибиотики показаны для профилактики и лечения бактериальных инфекций, вызванных чувствительными микроорганизмами. Изначально β-лактамные антибиотики были активны главным образом только против грамположительных бактерий, однако недавняя разработка антибиотиков широкого спектра действия, активных против различных грамотрицательных микроорганизмов, расширила их применение. В невоспаленных (нормальных) мозговых оболочках проникновение β-лактамных антибиотиков низкое и составляет 0,15 от соотношения AUCCSF/AUCS (отношение площади под кривой концентрации в спинномозговой жидкости к площади под кривой концентрации в сыворотке крови).

Нежелательные реакции

Частые побочные реакции при лечении β-лактамными антибиотиками включают диарею, тошноту, сыпь, крапивницу, суперинфекцию (включая кандидоз). Нечастые побочные эффекты включают лихорадку, рвоту, эритему, дерматит, ангионевротический отек, псевдомембранозный колит. Вероятно, существует перекрестная чувствительность в 5–10% случаев между производными пенициллина, цефалоспоринами и карбапенемами, однако этот показатель оспаривался различными исследователями. Тем не менее, риск перекрестной реактивности достаточен для того, чтобы оправдать противопоказание всех β-лактамных антибиотиков пациентам с анамнезом тяжелых аллергических реакций (крапивница, анафилаксия, интерстициальный нефрит) на любой β-лактамный антибиотик. В редких случаях аллергические реакции могут быть спровоцированы контактом, например, при поцелуях или половом контакте с партнером, принимающим эти антибиотики. Реакция Яриша-Герксгеймера может возникнуть после начального лечения спирохетозной инфекции, такой как сифилис, β-лактамным антибиотиком.

Ингибирование синтеза клеточной стенки

[[Файл:Пенициллиновый ингибитор.svg|thumb|305px|upright|left|Пенициллин и большинство других β-лактамных антибиотиков действуют, ингибируя пенициллиносвязывающие белки, которые обычно катализируют образование поперечных связей в клеточных стенках бактерий. β-лактамные антибиотики являются бактерицидными и действуют, ингибируя синтез пептидогликанового слоя клеточных стенок бактерий. Пептидогликановый слой важен для структурной целостности клеточной стенки.

β-лактамные антибиотики являются аналогами d-аланил-d-аланина – конечных аминокислотных остатков в предшественниках NAM/NAG пептидных субъединиц формирующегося пептидогликанового слоя. Структурное сходство между β-лактамными антибиотиками и d-аланилом-d-аланином облегчает их связывание с активным центром пенициллиносвязывающих белков. β-лактамное ядро молекулы необратимо связывается (ацилирует) с остатком Ser403 активного центра пенициллиносвязывающего белка. Это необратимое ингибирование пенициллиносвязывающих белков предотвращает завершение образования поперечных связей (транспептидацию) формирующегося пептидогликанового слоя, нарушая синтез клеточной стенки. β-лактамные антибиотики блокируют не только деление бактерий, включая цианобактерии, но и деление цианелл – фотосинтетических органелл глаукофитов, и деление хлоропластов мхов. В отличие от этого, они не оказывают влияния на пластиды высокоразвитых сосудистых растений. Это подтверждает эндосимбиотическую теорию и указывает на эволюцию деления пластид у наземных растений. В нормальных условиях предшественники пептидогликана сигнализируют о реорганизации клеточной стенки бактерий и, как следствие, запускают активацию автолитических гидролаз клеточной стенки. Ингибирование образования поперечных связей β-лактамами вызывает накопление предшественников пептидогликана, что приводит к перевариванию существующего пептидогликана автолитическими гидролазами без образования нового пептидогликана. В результате бактерицидное действие β-лактамных антибиотиков еще больше усиливается.

Окисление гуанина

Другая возможность, предложенная для объяснения большей части цитотоксичности бета-лактамов, связана с окислением гуанина в бактериальном пуле нуклеотидов. Включение окисленного гуанина в ДНК может вызывать цитотоксичность. Бактериальная цитотоксичность может возникать из-за неполной репарации тесно расположенных 8-оксо-2'-дезоксигуанозиновых повреждений в ДНК, приводящей к разрывам двойных нитей. Первый параметр известен как "параметр Вудварда", h, и представляет собой высоту (в ангстремах) пирамиды, образованной атомом азота β-лактама в качестве вершины и тремя соседними атомами углерода в качестве основания. Второй называется "параметром Коэна", c, и представляет собой расстояние между атомом углерода карбоксилата и атомом кислорода β-лактамового карбонила. Считается, что это расстояние соответствует расстоянию между местом связывания карбоксилата и оксианионной ямой фермента PBP. Лучшие антибиотики характеризуются более высокими значениями h (более реакционноспособны к гидролизу) и более низкими значениями c (лучше связываются с PBPs). (Примером такого фермента является Нью-Делийская металло-бета-лактамаза 1, обнаруженная в 2009 году). Гены, кодирующие эти ферменты, могут изначально присутствовать на бактериальной хромосоме или приобретаться посредством передачи плазмид (плазмидо-опосредованная устойчивость), а экспрессия гена β-лактамазы может индуцироваться воздействием β-лактамов. Выработка β-лактамазы бактерией не обязательно исключает все варианты лечения β-лактамовыми антибиотиками. В некоторых случаях β-лактамовые антибиотики могут вводиться одновременно с ингибитором β-лактамазы. Например, Аугментин (FGP) состоит из амоксициллина (β-лактамовый антибиотик) и клавулановой кислоты (ингибитор β-лактамазы). Клавулановая кислота предназначена для подавления всех ферментов β-лактамазы и эффективно действует как антагонист, предотвращая воздействие ферментов β-лактамазы на амоксициллин. Другая комбинация β-лактама/ингибитора β-лактамазы – пиперациллин/тазобактам, обладающая широким спектром антибактериальной активности, включая грамположительные и грамотрицательные аэробные и анаэробные бактерии. Добавление тазобактама к пиперациллину повысило его стабильность против широкого спектра ферментов β-лактамазы, включая некоторые β-лактамазы расширенного спектра. Изучаются другие ингибиторы β-лактамазы, такие как борные кислоты, которые необратимо связываются с активным центром β-лактамаз. Это является преимуществом по сравнению с клавулановой кислотой и подобными бета-лактамными конкурентами, поскольку они не могут быть гидролизованы и, следовательно, не становятся бесполезными. В настоящее время проводятся обширные исследования по разработке специализированных борных кислот для воздействия на различные изоферменты β-лактамаз. Однако во всех случаях, когда подозревается инфекция, вызванная бактериями, продуцирующими β-лактамазу, выбор подходящего β-лактамового антибиотика следует тщательно обдумать перед началом лечения. В частности, выбор адекватной терапии β-лактамовыми антибиотиками имеет первостепенное значение в отношении организмов, несущих определенный уровень экспрессии β-лактамазы. В этом случае, отказ от использования наиболее подходящей терапии β-лактамовыми антибиотиками в начале лечения может привести к селекции бактерий с более высоким уровнем экспрессии β-лактамазы, что затруднит дальнейшие попытки с другими β-лактамовыми антибиотиками. В контексте медицинской фармакологии пенициллины, цефалоспорины и карбапенемы, хотя и содержат β-лактамовое кольцо, служащее основной структурой, также имеют вспомогательное кольцо, несущее карбоксилатную группу, расположенную на той же стороне, что и карбонильная группа в β-лактамовом кольце, и эта структурная конфигурация имеет решающее значение для их антимикробной активности. Бактериальная устойчивость к этим антибиотикам в основном возникает из-за выработки β-лактамаз, ферментов, гидролизующих амидную связь β-лактамового кольца, тем самым устраняя антимикробную активность этих антибиотиков. Этот механизм устойчивости подчеркивает важность структурной целостности β-лактамового кольца для функции антибиотика. Изменение цвета от бесцветного или светло-желтого до янтарного или даже красного в водном растворе β-лактамового антибиотика может указывать на гидролиз β-лактамазой амидных связей в β-лактамовом кольце. Это часто наблюдается с хромогенным субстратом β-лактамазы, таким как цефтриаксон, мерапенем или нитроцефин, который претерпевает отчетливое изменение цвета от желтого к красному при гидролизе амидной связи в β-лактамовом кольце β-лактамазой. Некоторые β-лактамовые антибиотики, такие как цефтриаксон и меропенем, известны своей относительной нестабильностью в растворе, особенно при длительном хранении, и разлагаются в водном растворе даже в отсутствие β-лактамазы. Для цефтриаксона цвет растворов может варьироваться от светло-желтого до янтарного в зависимости от продолжительности хранения, концентрации и используемого разбавителя. Исследование показало, что концентрация меропенема снизилась до 90% от первоначальной концентрации через 7,4 часа при 22°C и через 5,7 часа при 33°C, что указывает на деградацию с течением времени, а также в отношении устойчивого Streptococcus pneumoniae к пенициллину. Измененные PBPs не обязательно исключают все варианты лечения β-лактамовыми антибиотиками.

Another possibility that has been proposed to account for much of the cytotoxicity of beta lactams focuses on the oxidation of the guanine nucleotide in the bacterial nucleotide pool. The incorporation of oxidized guanine nucleotide into DNA could cause cytotoxicity. Bacterial cytotoxicity could arise from incomplete repair of closely spaced 8 oxo 2' deoxyguanosine lesions in the DNA resulting in double strand breaks. The first is known as "Woodward's parameter", h, and is the height (in angstroms) of the pyramid formed by the nitrogen atom of the β lactam as the apex and the three adjacent carbon atoms as the base. The second is called "Cohen's parameter", c, and is the distance between the carbon atom of the carboxylate and the oxygen atom of the β lactam carbonyl. This distance is thought to correspond to the distance between the carboxylate binding site and the oxyanion hole of the PBP enzyme. The best antibiotics are those with higher h values (more reactive to hydrolysis) and lower c values (better binding to PBPs). (An example of such an enzyme is New Delhi metallo beta lactamase 1, discovered in 2009.) The genes encoding these enzymes may be inherently present on the bacterial chromosome or may be acquired via plasmid transfer (plasmid mediated resistance), and β lactamase gene expression may be induced by exposure to β lactams. The production of a β lactamase by a bacterium does not necessarily rule out all treatment options with β lactam antibiotics. In some instances, β lactam antibiotics may be co administered with a β lactamase inhibitor. For example, Augmentin (FGP) is made of amoxicillin (a β lactam antibiotic) and clavulanic acid (a β lactamase inhibitor). The clavulanic acid is designed to overwhelm all β lactamase enzymes, and effectively serve as an antagonist so that the amoxicillin is not affected by the β lactamase enzymes. Another β lactam/β lactamase inhibitor combination is piperacillin/tazobactam with a broad spectrum of antibacterial activity that includes Gram positive and negative aerobic and anaerobic bacteria. The addition of tazobactam to piperacillin has enhanced its stability against a wide range of β lactamase enzymes including some Extended Spectrum β lactamases. Other β lactamase inhibitors such as boronic acids are being studied in which they irreversibly bind to the active site of β lactamases. This is a benefit over clavulanic acid and similar beta lactam competitors, because they cannot be hydrolysed, and therefore rendered useless. Extensive research is currently being done to develop tailored boronic acids to target different isozymes of beta lactamases. However, in all cases where infection with β lactamase producing bacteria is suspected, the choice of a suitable β lactam antibiotic should be carefully considered prior to treatment. In particular, choosing appropriate β lactam antibiotic therapy is of utmost importance against organisms which harbor some level of β lactamase expression. In this case, failure to use the most appropriate β lactam antibiotic therapy at the onset of treatment could result in selection for bacteria with higher levels of β lactamase expression, thereby making further efforts with other β lactam antibiotics more difficult. In the context of medical pharmacology, penicillins, cephalosporins, and carbapenems, while all have the β lactam ring that serves as the fundamental structure, also have an auxiliary ring that carries a carboxylate group that is positioned on the same side as the carbonyl group within the β lactam ring, and, as such, this structural configuration is critical to their antimicrobial activity. Bacterial resistance to these antibiotics primarily occurs through the production of β lactamases, enzymes that hydrolyze the amide bond of the β lactam ring, thereby eliminating the antimicrobial activity of these antibiotics. This resistance mechanism underscores the importance of the structural integrity of the β lactam ring for the antibiotic's function. The color change from colorless or light yellow to amber or even red in an aqueous solution of a β lactam antibiotic can denote β lactamase hydrolysis of amide bonds in the β lactam ring. This is often observed with a chromogenic β lactamase substrate like ceftriaxone, merapenem, or nitrocefin, that undergoes a distinctive color change from yellow to red as the amide bond in the β lactam ring is hydrolyzed by β lactamase. Some β lactam antibiotics like ceftriaxone and meropenem are known to be relatively unstable in solution, especially when stored for extended periods, and degrade in an aqueous solution even without the presence of β lactamase. For ceftriaxone, the color of solutions can range from light yellow to amber, depending on the length of storage, concentration, and diluent used. A study found that meropenem concentrations dropped to 90% of the initial concentration at 7.4 hours at 22°C and 5.7 hours at 33°C, indicating degradation over time. and penicillin resistant Streptococcus pneumoniae. Altered PBPs do not necessarily rule out all treatment options with β lactam antibiotics.

Биосинтез

На сегодняшний день обнаружены два различных метода биосинтеза β-лактамового ядра этого семейства антибиотиков. Первым открытым путем был путь пенамов и цефемов. Этот путь начинается с нерибосомной пептидной синтетазы (NRPS), ACV-синтазы (ACVS), которая генерирует линейный трипептид δ (L α-аминоадипил) L-цистеин D-валин (ACV). ACV окислительно циклизуется (две циклизации, катализируемые одним ферментом) до бициклического промежуточного соединения изопенициллина N изопенициллиновой N-синтазой (IPNS), формируя структуру ядра пенама. Различные трансамидации приводят к образованию различных природных пенициллинов. thumb|center|550px|alt=Обзор биосинтетических путей к различным классам β-лактамовых соединений.|На этой схеме представлены различные методы замыкания β-лактамового кольца в различных классах β-лактамовых соединений. Пенамы и цефемы циклизуются окислительно (первый ряд); клавамы и карбапенемы замыкаются посредством амидирования с использованием АТФ (второй и третий ряды); а некоторые монобактамы могут замыкаться третьим методом (четвертый ряд). Биосинтез цефемов отделяется от пути изопенициллина N окислительным расширением кольца до ядра цефема. Как и в случае с пенамами, разнообразие цефалоспоринов и цефамицинов обусловлено различными трансамидациями, как и в случае с пенициллинами. В то время как замыкание кольца в пенамах и цефемах происходит между позициями 1 и 4 β-лактама и является окислительным, в клавамах и карбапенемах кольца замыкаются двухэлектронными процессами между позициями 1 и 2 кольца. β-лактамосинтетазы отвечают за эти циклизации, а карбоксилат исходных открытых субстратов активируется АТФ. В клавамах β-лактамовое кольцо формируется до образования второго кольца; в карбапенемах β-лактамовое кольцо замыкается вторым по порядку. Биосинтез β-лактамового кольца табтоксина аналогичен биосинтезу клавамов и карбапенем. Замыкание лактамового кольца в других монобактамах, таких как сульфазецин и нокардицины, может включать третий механизм, связанный с инверсией конфигурации у β-углерода.

To date, two distinct methods of biosynthesizing the β lactam core of this family of antibiotics have been discovered. The first pathway discovered was that of the penams and cephems. This path begins with a nonribosomal peptide synthetase (NRPS), ACV synthetase (ACVS), which generates the linear tripeptide δ (L α aminoadipyl) L cysteine D valine (ACV). ACV is oxidatively cyclized (two cyclizations by a single enzyme) to bicyclic intermediate isopenicillin N by isopenicillin N synthase (IPNS) to form the penam core structure. Various transamidations lead to the different natural penicillins. thumb|center|550px|alt=Overview of biosynthetic routes to the different classes of β lactam compounds.|This figure outlines the different methods of β lactam closure among the various classes of β lactam compounds. Penams and cephems are cyclized oxidatively (first row); clavams and carbapenems are closed by ATP utilizing amidation (second and third row); and some monobactams may be closed by a third method (fourth row). The biosynthesis of cephems branch off at isopenicillin N by an oxidative ring expansion to the cephem core. As with the penams, the variety of cephalosporins and cephamycins come from different transamidations, as is the case for the penicillins. While the ring closure in penams and cephems is between positions 1 and 4 of the β lactam and is oxidative, the clavams and carbapenems have their rings closed by two electron processes between positions 1 and 2 of the ring. β lactam synthetases are responsible for these cyclizations, and the carboxylate of the open ring substrates is activated by ATP. In clavams, the β lactam is formed prior to the second ring; in carbapenems, the β lactam ring is closed second in sequence. The biosynthesis of the β lactam ring of tabtoxin mirrors that of the clavams and carbapenems. The closure of the lactam ring in the other monobactams, such as sulfazecin and the nocardicins, may involve a third mechanism involving inversion of configuration at the β carbon.