Модуль3: Характеристика основных групп антибактериальных препаратов
Занятие 6. Бета-лактамные антибиотики. Пенициллины
В соответствии с классификацией антибиотиков по их химическому строению β-лактамы относятся к семейству антибиотических веществ, включающих в свои структуры производные аминокислот. К β-лактамным антибиотикам относятся соединения, имеющие в своей структуре β-лактамное кольцо. Эти вещества образуются мицелиальными грибами (пенициллины, цефалоспорины, цефемы), стрептомицетами (карбапенемы, клавулановая кислота, цефамицины и др.), некоторыми видами нокардий (монобактамы).
Наряду с антибактериальными свойствами некоторые соединения этой группы (карбапенемы) способны инактивировать β-лактамазы — ферменты бактерий, участвующие в деструкции β-лактамного кольца пенициллинов и цефалоспоринов.
По приблизительным подсчетам, из природных источников частичным или полным синтезом получено примерно 10 тыс. соединений, имеющих β-лактамное кольцо. Из этого числа соединений около 50 веществ применяется в клинике.
Бета-лактамные антибиотики находят широкое применение в медицинской практике, так как обладают такими ценными качествами, как надежность, относительно широкий спектр антимикробного действия, высокая активность, стабильность и эффективность. Названные качества дают основания считать эти антибиотики идеальными препаратами для лечения многих бактериальных инфекций.
В настоящее время большое значение имеет так называемый полусинтетический (биологический + химический) способ получения аналогов природного пенициллина, обладающих рядом ценных свойств. Исходным продуктом в указанном синтезе служит 6-аминопенициллановая кислота (6-АПК).
Это вещество практически лишено антибиотических свойств, его биологическая активность составляет примерно 0,002 активности бензилпенициллина. Кислоту получают в результате биосинтеза при развитии P. chrysogenum в специфических условиях его культивирования. Впервые на возможность получения 6-АПК в результате изменения условий культивирования гриба указал К. Като (1953). Позже это соединение предложили получать из культуральной жидкости P. chrysogenum, выращенного в среде без предшественника. Однако наиболее перспективный способ получения 6-АПК — ферментативный метод гидролиза молекулы бензилпенициллина с участием иммобилизованной пенициллинацилазы.
Наиболее широко в медицинской практике применяются полусинтетические пенициллины, полученные на основе 6-амино- пенициллановой кислоты.
6-аминопенициллановую кислоту подвергают химическому ацилированию и получают соответствующие аналоги пенициллина, обладающие иными свойствами, чем природные пенициллины. В результате удалось получить около 50 тыс. полусинтетических пенициллинов, из них около 35 антибиотиков применяются в клинике. Наиболее ценные полусинтетические препараты полученные в результате химической модификации природного антибиотика это: амоксициллин, ампициллин,
диклоксациллин, карбенициллин, метициллин, нафциллин, оксациллин.
Из общего количества природного пенициллина, выпускаемого промышленностью (около 17 тыс. т), примерно 35% используется непосредственно в медицинской практике, а около 65% идет на получение 6-аминопенициллановой кислоты.
Все известные пенициллины подобно бензилпенициллину подавляют синтез клеточной стенки бактерий.
Большим достижением последних лет в создании полусинтетических пенициллинов следует считать получение ациламинопенициллинов (азлоциллин, мезлоциллин, пиперациллин) — пенициллинов 2-го поколения, которые более эффективны в отношении определенных штаммов энтеробактерий и псевдомонад, чем ампициллин и карбенициллин.
Задачей получения новых пенициллинов является разработка препаратов, более устойчивых к β-лактамазам, со сниженной способностью к индуцированию синтеза β-лактамаз, обладающих пролонгированным действием.
Пенициллин — наиболее ценное и мощное из известных средств для лечения заболеваний, вызываемых кокками и некоторыми анаэробными палочками. Преимущество пенициллина состоит в том, что этот препарат — один из наименее токсичных антибиотиков, используемых в медицинской практике. Достаточно указать, что из 4200 больных, получавших пенициллин, только у семи человек отмечены клинически выраженные токсические реакции: температурная реакция у четырех больных, некроток-
сические реакции со стороны центральной нервной системы у двух больных и местная реакция со стороны слизистой оболочки полости рта у одного больного. Вместе с тем в последние годы наблюдаются случаи аллергических реакций больных на повторное применение пенициллина или его производных. Крайнее проявление аллергии — анафилактический шок после внутримышечного введения пенициллина, иногда заканчивающийся смертью.
Во избежание подобных явлений больным перед введением пенициллина необходимо делать накожные пробы для выяснения возможной чувствительности к антибиотику. Высокие лечебные свойства и чрезвычайно низкая токсичность способствовали широкому применению пенициллина в медицине. Одним из первых заболеваний, при котором стали применять этот антибиотик, был сепсис (общая гнойная инфекция). Сепсис чаще всего вызывается стафилококками, стрептококками, а иногда и пневмококками. До открытия пенициллина в 90% случаев септические заболевания кончались летально. В настоящее время процент смертности от сепсиса резко сокращен.
Пенициллин широко применяется в хирургии, успешно используется при лечении остеомиелитов (особенно острых остеомиелитов), карбункулов, инфицированных ран и других заболеваний. Использование пенициллина создало широкие возможности для лечения таких заболеваний, как перитонит и пневмония.
В педиатрической практике пенициллин имеет большое значение при лечении гнойных осложнений после скарлатины (острые лимфадениты, отиты и др.).
Пенициллинотерапия занимает важное место в лечении сифилиса (особенно его ранних форм), который в последнее десятилетие получил очень широкое распространение. С начала 80-х гг., как отмечают И.И. Мавров, М.Н. Бухаров и др. 1989), в мире ежегодно регистрируется 50 млн свежих случаев сифилиса.
Чаще бензилпенициллин применяют внутримышечно, так как при употреблении его в виде таблеток он разрушается под действием желудочного сока.
Применение кислотоустойчивого типа пенициллина — фено-ксиметилпенициллина — позволяет использовать антибиотик в виде таблеток, что имеет большое значение при лечении детей. В зависимости от характера заболевания суточная доза антибиотика составляет от 200 000 до 1 000 000 ед.
Наиболее широкое применение в медицинской практике находят полусинтетические пенициллины, полученные на основе 6-аминопенициллановой кислоты.
Занятие 7. Бета-лактамные антибиотики. Цефалоспорины
По химическому строению антибиотики принадлежат к группе β-лактамных соединений, близких к пенициллинам, в биосинтезе основного (цефемового) ядра которых участвуют две аминокислоты: L-цистеин и L-валин.
Цефалоспорины — антибиотики, образуемые грибами из рода Cephalosporium. Основной продуцент этих антибиотиков — гриб С. acremonium, позднее переименованный в Acremonium chrysogenum, был выделен в 1945 г.
Впервые сообщение о цефалоспорине было сделано в 1948 г. Джузеппе Бротцу. В культуральной жидкости гриба он обнаружил три варианта цефалоспорина: Р, N и С. Цефалоспорин С — главный антибиотик, на основе которого впоследствии были созданы многочисленные полусинтетические препараты с весьма ценными свойствами.
По биологическим свойствам эти антибиотики несколько отличаются от пенициллина. Цефалоспорины подавляют развитие грамположительных и грамотрицательных бактерий, но антибиотическая активность их гораздо ниже, чем у пенициллина.
Подобно пенициллину, цефалоспорины содержат β-лактамное кольцо. Имеется аналогичный пенициллину фермент, катализирующий гидролиз β-лактамного кольца цефалоспорина С, — цефалоспориназа.
Методом смешанного (биологического и химического) синтеза получено большое число (более 30 тыс.) аналогов цефалоспорина с весьма разнообразными спектрами биологического действия. Многие из этих соединений имеют важное практическое (клиническое) значение.
На основе 7-аминоцефалоспорановой и 7-аминодеацетокси- цефалоспорановой кислот удается получить большое число по- лусинтетических антибиотиков, широко применяющихся в медицинской практике.
Первые полусинтетические цефалоспорины (цефалоридин и цефалотин) были синтезированы в 60-х гг. Позднее были получены полусинтетические цефамицины (цефотетан, цефокситин и др.). К настоящему времени полусинтетических цефалоспоринов насчитывается уже более 30 тыс. Около 100 из них внедрены в медицинскую практику или проходят клинические и доклинические испытания. Эти препараты имеют различную антимикробную активность, отличаются стабильностью к действию β-лактамаз и эффективностью при лечении тех или иных заболеваний. В зависимости от названных свойств и времени их получения цефалоспорины подразделяют на четыре поколения.
Цефалоспорины I поколения – цефалоридин, цефалотин, цефазолин, цефалексин и др. Цефалоспорины II поколения – цефамандол, цефокситин, цефуроксим и др. Цефалоспорины III поколения – цефотаксим, цефаклор, цефтазидим, цефтриаксон, цефтизоксим, цефоперазон, цефпирамид и ряд других. Цефалоспорины IV поколения – цефпиром, цефепим и др.
Занятие 8. Полиены – противогрибковые соединения
В настоящее время из всего многообразия противогрибковых препаратов только 6 препаратов – истинные антибиотики. Остальные являются химиотерапевтическими препаратами (табл. 1).
Основная масса противогрибковых антибиотиков относится к группе полиенов. Особенностью их строения является наличие в макроциклическом лактонном кольце сопряженных двойных связей. К полиенам относятся нистатин, амфотерицин В, микогептин, леворин, натамицин.
Таблица 1 – Классификация современных противогрибковых средств
-
Химическая группа
|
Препараты
|
Антибиотики
|
Ароматические антибиотики
Макроциклические лактоны - полиены
|
гризеофульвин
нистатин
амфотерицин В
микогептин
леворин
натамицин
|
Химиотерапевтические препараты
|
Группа азолов:
аллиламины
тиокарбаматы
производные морфолина
галогенизированные фенолы
|
производные имидазола
7 препаратов
производные триазола
3 препарата
3 препарата
2 препарата
2 препарата
4 препарата
|
К группе ароматических антибиотиков, структура которых имеет конденсированные ароматические соединения относится противогрибковый препарат гризеофульвин. Гризеофульвин относится к группе ароматических соединений, представляющих собой конденсированные ароматические компоненты. Антибиотик образуют плесневые грибы из рода Penicillium (P. griseоfulvum, P. nigricans, P. raistrichi и др.). Антибиотик обладает высокой биологической активностью в отношении грибов, имеющих хитиновую оболочку (табл. 2), вызывая у них ненормальный рост с характерным закручиванием.
Таблица 2 – Антимикробный спектр гризеофульвина
Грибы
|
Минимальная подавляющая концентрация, мкг/мл
|
Microsporum canis
М. audouinii
Epidermophyton floccosum
Trichophyton rubrum
Другие патогенные грибы
|
0,22-0,24
0,40-0,46
0,38-0,42
0,14-0,18
25-30
|
Гризеофульвин — малотоксичный препарат. Антибиотик оказался хорошим средством против трихофитии (стригущего лишая), вызываемого грибом Trichophyton rubrum. Он проявляет положительное действие и при лечении ряда других кожных заболеваний и болезней ногтей. Этот антибиотик — эффективный препарат для борьбы с мучнистой росой клубники, огурцов, с возбудителем увядания цитрусовых, он проявляет биологическое действие против возбудителя килы капусты. В связи с широким применением гризеофульвина на практике интерес к нему за последнее время значительно возрос.
Занятие 9. Определение чувствительности микроорганизмов к антибиотикам
Для выбора средств эффективной антимикробной терапии и профилактики важно определять чувствительность выделенных культур возбудителей к антимикробным препаратам. С этой целью применяют несколько методов исследования: диско-диффузионный, метод серийных разведений, метод Е-тестов, пограничных концентраций и другие. Нередко в качестве эпидемического маркера используют резистограмму штаммов — данные по их устойчивости/чувствительности к химиопрепаратам, что позволяет оценивать идентичность штаммов, выделенных из разных источников.
При использовании антибиотиков на практике важно определять чувствительность к ним клинически значимых штаммов микроорганизмов.
Чувствительность микроорганизмов к антибиотикам и другим химиотерапевтическим препаратам (ХТП) необходимо определять в каждом случае инфекции и периодически — в ходе лечения. Главным показателем чувствительности является минимальная ингибирующая концентрация — МИК (мкг/мл), т. е. минимальная концентрация антибиотика, задерживающая рост микроба-возбудителя в стандартном опыте. Значение
величины МИК определяют методом серийных разведений или методом диффузии в агар (дисками или Е-тестами). В любом случае критерием чувствительности является значение величины терапевтического индекса
Т = МИК/К,
где К — концентрация данного антибиотика (мкг/мл) в очаге инфекции (или в крови) при введении терапевтических доз препарата.
Микроб чувствителен, а антибиотик обычно клинически эффективен при Т < 0,3. Значения К можно найти в специальных таблицах.
На практике величина МИК позволяет отнести испытуемый штамм микроорганизма к одной из трех категорий: чувствительный, умеренно устойчивый, устойчивый.
Микроорганизм считают чувствительным, если у него нет механизмов резистентности к данному антимикробному средству и при лечении стандартными дозами инфекции, вызванной данным микроорганизмом, отмечается хорошая терапевтическая эффективность.
Устойчивым к антимикробному средству считают микроорганизм, если он имеет механизмы резистентности к данному препарату и при лечении инфекций, вызванных этим микроорганизмом, нет клинического эффекта даже при использовании максимальных терапевтических доз этого препарата.
Микроорганизм относят к умеренно устойчивым, если по своей чувствительности он занимает промежуточное значение между чувствительными и устойчивыми штаммами. При лечении инфекций, вызванных данным возбудителем, хорошая клиническая эффективность наблюдается только при использовании высоких терапевтических доз препарата (или при локализации процесса в местах концентрации антимикробного средства, например в моче при мочевых инфекциях).
Занятие 10. Устойчивость микроорганизмов к действию антибиотиков
При воздействии ряда антибиотиков на чувствительные к ним микроорганизмы нередко возникают формы, устойчивые к их действию. Особенно быстрая адаптация наблюдается под влиянием стрептомицина и пенициллина. Например, для повышения устойчивости к стрептомицину у Envinia carotovora в 1000 раз (с 0,25 до 250 мкг/мл) потребовалось всего 16 пассажей, а для повышения устойчивости Xanthomonas vesicatoria в 3125 раз необходимо 22 пассажа в средах с постепенно возрастающими концентрациями антибиотика.
В связи с широким использованием антибиотиков в различных сферах практической деятельности решение проблемы возникновения устойчивых форм микробов имеет важное значение. Резистентность микроорганизмов проявляется не только к антибиотикам, но и к химически синтезированным лечебным препаратам. Так, в связи с широким и активным применением в лечебной практике фторхинолонов наблюдается появление и распространение устойчивых к ним микроорганизмов. При этом необходимо подчеркнуть, что чем активнее применяются антибиотики в качестве химиотерапевтических веществ, тем больше возникает устойчивых к ним форм бактерий. Так, если в первый период применения пенициллина обнаружено около 8% резистентных форм Staphylococcus aureus, то к концу 1950 г., т.е. меньше чем через десять лет, их число возросло до 70%. Глобальный характер проблема резистентности микроорганизмов к антибиотикам приобрела в конце 80-х — начале 90-х гг. XX столетия. Многие развитые страны начали разрабатывать и осуществлять на практике национальные программы по сдерживанию возникновения и распространения резистентных форм микроорганизмов.
Теоретический смысл изучения факторов приспособления микроорганизмов к антибиотикам определяется необходимостью выявления механизма этого явления, вскрытия причин адаптации микроорганизмов к новым условиям существования.
Практическое значение проблемы адаптации микробов к действию антибиотиков обусловлено тем, что появление резистентных форм in vivo при применении антибиотиков в лечебной практике или в борьбе с фитопатогенными организмами может привести и приводит к существенному снижению лечебных свойств антибиотиков. Поэтому применение антибиотиков в клинике и особенно выбор того или иного препарата для назначения больному должны учитывать его эффективность в отношении возбудителя заболевания и индивидуальные особенности больного.
Высказываются различные точки зрения на возможность появления устойчивых к антибиотикам форм микроорганизмов. Разнообразие взглядов на феномен резистентности микроорганизмов к антибиотикам и его все возрастающее значение при практическом использовании этих биологически активных веществ требует более подробно рассмотреть все имеющиеся сведения о причинах (механизмах) устойчивости микроорганизмов к антибиотикам. Можно указать на следующие основные факторы, приводящие к устойчивости микроорганизмов к антибиотикам.
1. Состояние клеточной стенки, при котором антибиотик задерживается на поверхности клетки и не проникает внутрь в результате ухудшения проницаемости антибиотиков через пориновые каналы внешней мембраны или по другим причинам.
2. Способность клетки разрушать лекарственный препарат раньше, чем он сможет проявить биологическое действие, посредством конститутивных либо индуцируемых ферментов, усиленно синтезируемых клеткой в присутствии антибиотика, или модифицировать антибиотик.
3. Изменение клеточных структур (рибосом, мембран и др.) или модификация активных центров антибиотика, находящегося в клетке, под действием ряда факторов.
4. Способность бактерий снижать концентрацию антибиотика внутри клетки в результате активного выноса антибиотика.
5. Нарушение в микробной клетке мишени, ответственной за чувствительность микроорганизма к антибиотику.
6. Перенос генов антибиотикорезистентности от устойчивых штаммов микроорганизмов к чувствительным.
В медицинской практике в целях сдерживания процесса воз- никновения форм микроорганизмов, устойчивых к используемым антибиотикам, наметились следующие основные пути.
1. Резкое сокращение использования антибиотиков в качестве профилактических средств и запрещение свободной (без рецепта врача) продажи антибиотических препаратов.
2. Исключение из практики применения в течение многих лет одних и тех же антибиотиков и периодическая замена антибиотиков с возвратом к старым препаратам через 10-15 лет, а также применение антибиотиков при лечении больного не более пяти суток.
3. Повышение лечебных доз антибиотика. Однако это необходимо делать очень осторожно. Для создания в очаге поражения высоких концентраций антибиотиков их вводят непосредственно в эти очаги (внутриплеврально, внутрисуставно, внутричерепно, внутрисосудисто и т.п.).
4. Применение антибиотиков в сочетании с другими препаратами, например, сульфаниламидами, нитрофуранами, гормонами, а также с некоторыми другими биологически активными веществами (продигиозаном, лизоцимом, γ-глобулином и др.) способствует повышению их физиологического действия.
5. Применение иммобилизованных на определенных носителях или инкапсулированных в липосомы антибиотиков. Липосомальные формы антибиотиков. Соответствующим методом получают липосомы. Липосомы — это замкнутые би- или многослойные липидные везикулы (размером от 25-40 до 100 нм и более), близкие по некоторым характеристикам к природным биологическим мембранам. Они не токсичны и не дают побочных реакций. Для образования липосом обычно используют лецитин (фосфатидилхолин) и холестерин в соотношении 1:1. Липосомы могут формироваться и из других липидных и дополнительных компонентов.
В липосомы инкапсулируют те или иные антибиотики. Высокая степень инкапсулирования характерна для таких антибиотиков, как β-лактамы, аминогликозиды, антрациклины, фузидин и др.
Применение антибиотиков в смеси с полимерами или получение модификаций антибиотических веществ в результате химического присоединения их к полимерным материалам (это, по существу, использование иммобилизованных антибиотиков) также способствует пролонгации биологического действия антибиотиков в организме человека, уменьшению их токсичности, улучшению растворимости, повышению устойчивости к действию ферментов. Эффект пролонгирующего действия полимера на антибиотик зависит как от молекулярной массы полимера, так и от химической природы антибиотического вещества.
6. Применение ингибиторов ферментов, инактивирующих используемые антибиотики. Применение ингибиторов ферментов, инактивирующих антибиотики, — один из методов борьбы с устойчивыми к антибиотикам формами микроорганизмов. На практике широко применяются ингибиторы β-лактамаз (клавуланованя кислота, сульбактам) совместно с антибиотиками, относящимися к группе β-лактамов.
Так, эффективно используется в медицинской практике препарат аугментин, состоящий из ампициллина и клавулановой кислоты. Он применяется в лечебной практике с 1987 г., и по антибактериальной активности превосходит многие антибиотики широкого спектра действия.
Амоксиклав — препарат, состоящий из амоксициллина и клавулановой кислоты. Используется для лечения заболевания, возбудителем которого являются полимикробные, в том числе смешанные аэробные и анаэробные инфекции. Препарат препятствует возникновению резистентных форм. Механизм ингибирования β-лактамазы клавулановой кислотой связан со способностью последней проникать в активный центр фермента. При этом происходит реакция ацилирования молекулы лактамазы
Другим примером комбинированного препарата является уназин, в состав которого входят две части ампициллина и одна часть сульбактама. Этот препарат так же, широко применяется в клинике. Сульбактам, входящий в уназин, имеет β-лактамную структуру, но практически не обладает антибактериальной активностью. Однако он является ингибитором β-лактамаз.
Итак, при оценке спектра действия того или иного антибиотика следует учитывать наличие или отсутствие защитных механизмов в клетках микроорганизмов. В настоящее время к основным защитным механизмам относят: 1) модификацию молекул-мишеней действия антибиотика; 2) продукцию ферментов, инактивирующих антибиотик; 3) наличие систем активного выброса антибиотика из клетки.
Различают природную и приобретенную устойчивость к антибиотикам. При природной устойчивости у микроорганизмов отсутствует мишень для действия препарата.
Под приобретенной устойчивостью понимают возникновение в пределах штамма клеток микроорганизмов с существенно более высокими значениями МИК антибиотика для них, чем для популяции в целом.
Клиническая устойчивость штаммов заключается в неэффективности
и невозможности лечения инфекционного заболевания данным антибиотиком, хотя микроорганизм-возбудитель и обладает мишенями для его действия. В этом случае в организме не может быть достигнута такая концентрация препарата, при которой происходит подавление роста микробных клеток.
|
