综述：新型β-内酰胺抗生素对抗细菌耐药性的广阔前景

《Drug Design, Development and Therapy》：Promising Future of Novel Beta-Lactam Antibiotics Against Bacterial Resistance

本综述系统探讨了新型β-内酰胺抗生素（beta-lactam antibiotics）及其抑制剂（BLIs）在应对全球细菌耐药性危机中的前沿进展。重点介绍了包括双β-内酰胺（bis-beta-lactams）、大环嵌入β-内酰胺（macrocycle-embedded beta-lactams）、β-内酰胺聚合物包埋纳米复合物（polymer inclusion nano-complex）以及新型β-内酰胺/β-内酰胺酶抑制剂组合（如ceftazidime-avibactam, meropenem-vaborbactam）和头孢地尔（cefiderocol）在内的多种创新策略。这些新药通过结构修饰、双重靶向青霉素结合蛋白（PBPs）、规避β-内酰胺酶（如KPC, NDM, OXA）降解及利用铁载体机制等，显著增强了对多重耐药（MDR）革兰氏阴性菌（Gram-negative bacteria）和革兰氏阳性菌（如MRSA）的抗菌活性，为临床治疗提供了充满希望的新方向。

　　

Abstract

抗菌素耐药性是一个日益严重的全球性问题，它损害了抗生素的疗效，尤其是由于这些药物的误用和过度使用。β-内酰胺抗生素因其广谱活性而被广泛使用，但日益受到细菌耐药机制的威胁。近期研究表明，耐药的革兰氏阴性菌引起了许多医院感染，这使得寻找新的治疗方法变得极为紧迫。本综述探讨了新型β-内酰胺抗生素开发的最新进展，包括新的药物组合和结构修饰，旨在克服β-内酰胺酶降解并有效靶向突变的青霉素结合蛋白（PBPs）。克服革兰氏阴性菌耐药的主要机制之一是产生β-内酰胺酶，它会破坏β-内酰胺环并使药物失效。新思路包括在药物中加入一个以上的β-内酰胺环、与强效β-内酰胺酶抑制剂组合以及制造混合结构。这些策略在临床前评估中显示出可喜的结果。新型β-内酰胺抗生素在对抗耐药细菌菌株方面展现出巨大潜力。未来的方向应强调大规模体内验证、纳入新型β-内酰胺酶抑制剂以及开发先进的药物递送系统。这些策略的整合可以增强β-内酰胺药物的临床适用性，并为应对抗菌素耐药性的全球负担提供可持续的解决方案。

Introduction

抗生素耐药性是一个日益严重的全球健康问题，主要由抗生素的过度使用、误用和频繁处方驱动，尤其是β-内酰胺类药物。β-内酰胺抗生素的特点是其化学结构中存在一个β-内酰胺环，包括几个亚类，如青霉素类、头孢菌素类和碳青霉烯类。每个亚类都具有独特的特性并表现出不同的抗菌谱。这些药物对多种革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌均有活性。

β-内酰胺抗生素的功效主要取决于它们与青霉素结合蛋白（PBPs）的亲和力，这些蛋白对细菌细胞壁合成至关重要。在革兰氏阳性菌中，对β-内酰胺的耐药性通常源于PBPs的改变，从而降低药物结合和功效。

应对β-内酰胺耐药性的一个主要挑战，尤其是在革兰氏阴性菌中，是β-内酰胺酶的产生。这些酶水解β-内酰胺环，通过破坏其结构完整性使抗生素失活。这种机制显著促进了耐药性的发展，因为细菌不仅使抗生素失活，还进化出额外的防御机制，使问题更加复杂。

产生β-内酰胺酶的“超级细菌”的出现和传播对公共健康构成严重威胁。这些多重耐药微生物与住院时间延长、治疗失败、药物不良事件增加、医疗成本增高以及护理质量下降有关。解决这个问题需要多方面的策略，包括发现可规避常规耐药机制的新型抗生素、实施抗生素管理计划以及持续监测耐药趋势。

缓解耐药性的一个重要方面涉及β-内酰胺酶抑制剂的使用。通常将克拉维酸、他唑巴坦和舒巴坦等药物与β-内酰胺抗生素联合给药，以抑制酶促降解。诸如哌拉西林-他唑巴坦和头孢他啶-阿维巴坦等联合疗法已证明对耐药菌株有显著疗效，通过保护β-内酰胺组分的活性改善了临床结果。

鉴于现有治疗方案的局限性和β-内酰胺酶介导的耐药性威胁日益增长，持续的研究一直专注于开发新型β-内酰胺抗生素。这些新药旨在克服常见的耐药机制并扩大对多重耐药微生物的抗菌谱。本综述的目的是定义和总结新兴β-内酰胺抗生素的作用，并根据研发管道和体外研究的结果强调其潜在优势。这些见解可能有助于为未来的临床使用提供信息并更有效地指导对抗抗菌素耐药性的策略。

Mechanisms of Beta-Lactam Resistance and the Need for Novel Therapeutics

β-内酰胺酶是细菌耐药性的关键介质，能够水解β-内酰胺环，从而降低β-内酰胺抗生素的亲和力和功效。这种酶活性显著导致发病率和死亡率上升，尤其是在β-内酰胺药物的误用或过度使用驱动下。β-内酰胺酶根据分子结构和催化机制分为四个主要组别。A类包括超广谱β-内酰胺酶（ESBLs）和碳青霉烯酶，如肺炎克雷伯菌碳青霉烯酶（KPC）、Temoniera β-内酰胺酶（TEM）、巯基可变β-内酰胺酶（SHV）、头孢噻肟酶-Munich（CTX-M）和圭亚那超广谱β-内酰胺酶（GES），主要由肠杆菌科产生。这些酶可以水解青霉素和头孢菌素，使治疗结果复杂化。克拉维酸是许多A类酶的已知抑制剂。B类或金属β-内酰胺酶（MBLs）需要二价金属离子（通常是锌）来发挥酶活性。重要的例子包括新德里金属β-内酰胺酶（NDM）、维罗纳整合子编码金属β-内酰胺酶（VIM）、亚胺培南酶（IMP）、圣保罗金属β-内酰胺酶（SPM）和德国亚胺培南酶（GIM）。这些酶对大多数β-内酰胺酶抑制剂耐药，但可被EDTA等螯合剂灭活。C类或AmpC β-内酰胺酶，对头霉素类和氧亚氨基头孢菌素产生耐药性。代表性例子包括头霉素酶（CMY）、达兰医院AmpC（DHA）、头霉素水解AmpC（FOX）、AmpC型头孢菌素酶（ACT）和肺炎克雷伯菌MIR头孢菌素酶（MIR）。与克拉维酸不同，这些酶可被硼酸衍生物抑制。它们通常编码在染色体上并且可能是可诱导的，带来了额外的治疗挑战。D类包括氧acillinases（OXA型），常见于不动杆菌属和铜绿假单胞菌。具有临床意义的例子包括氧acillinase-48（OXA-48）、氧acillinase-23（OXA-23）、氧acillinase-58（OXA-58）、氧acillinase-143（OXA-143）和氧acillinase-235（OXA-235）。这些酶表现出可变的活性，一些变体能够水解碳青霉烯类，这些碳青霉烯类通常被认为是最后手段的抗生素。

最近一项针对重症监护病房鲍曼不动杆菌的系统综述报告了惊人的临床负担。在分析的317株分离株中，近60%与肺炎有关，约三分之一与血流感染有关，使其成为最常见的医院获得性并发症。同一项研究还揭示了非常高的β-内酰胺酶基因检出率：ADC2在几乎所有分离株中检测到（98.4%），OXA-23同样普遍（95.6%），碳青霉烯酶基因NDM-1存在于超过一半的菌株中（57.1%）。这些发现强调了β-内酰胺酶介导的耐药性的主导地位，并强化了迫切需要创新的β-内酰胺抗生素来管理此类感染。

此外，近期的体外研究探索了在单个分子结构中组合一个以上的β-内酰胺环，以增强抗菌功效并降低耐药性发展的可能性。

虽然传统的β-内酰胺酶抑制剂如克拉维酸、舒巴坦和他唑巴坦已成功使用，但耐药菌株的出现凸显了当前疗法的局限性。迫切需要开发能同时对丝氨酸和金属β-内酰胺酶都有活性的新一代抑制剂。例如，Taniborbactam（VNRX-5133），一种新型环状硼酸盐β-内酰胺酶抑制剂，已显示出对A类、C类和D类丝氨酸β-内酰胺酶以及临床相关的B类金属β-内酰胺酶的强效活性。该化合物目前处于后期临床试验阶段，是首批具有双重覆盖范围的广谱抑制剂之一。此外，其他最近批准的抑制剂如阿维巴坦（一种二氮杂双环辛烷，与头孢他啶联合）和瑞莱巴坦（也是一种二氮杂双环辛烷，与亚胺培南联合）拓宽了对抗碳青霉烯耐药肠杆菌的治疗选择，尽管它们对金属β-内酰胺酶仍然基本无效。

此外，新型β-内酰胺酶变体的不断识别强调了对创新抗生素设计进行持续研究的必要性，这些设计应不易受常规耐药机制影响。

Trimer of Phenoxy-Methyl Penicillin

苯氧甲基青霉素砜的三聚体对阴沟肠杆菌P99表现出酶抑制活性（IC₅₀）为20 μg/mL（0.018 μmol/mL），这与舒巴坦的IC₅₀ 5 μg/mL（0.02 μmol/mL）相当。针对普通变形杆菌1028/Bc，该三聚体的IC₅₀为196 μg/mL（0.22 μmol/mL），而舒巴坦显示出显著更高的效力，IC₅₀为0.12 μg/mL（0.0048 μmol/mL）。

Bis-Beta-Lactam Antibiotics

双β-内酰胺是新型抗生素药物，结构源自常规β-内酰胺抗生素如氨苄青霉素和阿莫西林。这些化合物近乎对称的二聚体，对大肠杆菌中的PBP1a突变表现出增强的亲和力。它们的双功能性质使其能够同时结合两个突变的PBPs，增加了它们的抗菌潜力。在结构上，化合物II源自6-氨基青霉烷酸（6-APA），而化合物III和V源自氨苄青霉素（α-氨基苄青霉素），化合物VII和XI*源自阿莫西林（α-氨基-对羟基苄青霉素）。它们对大肠杆菌突变PBP的抑制浓度（IC₅₀）各不相同，显示了其靶向结合的潜力。

Macrocycle-Embedded Beta-Lactam

该类代表双环β-内酰胺抗生素，提供高构象适应性，允许以头对头（HH）或头对尾（HT）方向酰化PBP2a。这些化合物对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）和粪肠球菌（E. faecium）中的PBP5fm显示出前景。来自4系列和5系列的一些化合物在头孢洛林结合位点附近结合PBP2a*。

值得注意的是，化合物5c包含32个原子，是该领域研究的同类中最大的，显示出作为新型抗生素的潜力。有趣的是，化合物活性随结构取向而变化：在某些情况下，纯HH更有效（例如5a和5b），而在其他情况下（例如5c和5e），HH/HT混合物更有效。化合物5d显示纯HH无活性。

4系列化合物比5系列表现出更高的普遍效力。这归因于它们的结构组成，特别是大环中存在两个双键，与饱和的5系列形成对比。

Beta-Lactam Polymer Inclusion Nano-Complex

该策略旨在保护β-内酰胺抗生素，特别是氨苄青霉素三水合物，免受β-内酰胺酶介导的降解，并增强其对耐药病原体的稳定性。这是通过将氨苄青霉素与聚合物PAM-18Na（聚（马来酸-交替-十八烯）钠盐）结合来实现的。PAM-18Na具有溶解有机分子的能力，使其成为保护β-内酰胺免受酶攻击的有前途的保护剂。

该聚合物在水溶液中无论pH值如何都能保持稳定的疏水性（芘的I3/I1 ≈ 0.95）。当与氨苄青霉素三水合物结合时，其保护效果是pH依赖性的，在pH 7.0时最高（约80%活性），在pH 10.0时降至20%。

降解测试评估了三种浓度的氨苄青霉素三水合物（1、3和5 mg/mL），含和不含PAM-18Na。在酸性条件下240分钟后，单独药物的生物利用度在5、3和1 mg/mL时分别保留65%、60%和55%。当与PAM-18Na结合时，这些值显著上升至约90%、75%和65%。与PAM-18Na共同给药时，半衰期也以浓度依赖的方式改善。

使用来自荧光假单胞菌的C类β-内酰胺酶（AmpC）进行的β-内酰胺酶抑制试验表明，PAM-18Na将酶对氨苄青霉素三水合物的活性从0.207 U/mL降低到0.029 U/mL。针对金黄色葡萄球菌菌株的纸片扩散结果总结于表中。

最小抑菌浓度（MIC）值也随着聚合物包埋而降低。对于金黄色葡萄球菌ATCC 29213，MIC从8 μg/mL（单独）降至3.5 μg/mL（与PAM-18Na）。对于ATCC 43300，从34 μg/mL降至7 μg/mL。

Novel Beta-Lactam/Beta-Lactamase Inhibitor Combinations

几种新的β-内酰胺/β-内酰胺酶抑制剂（BL/BLI）组合已显示出对抗耐药细菌菌株和β-内酰胺酶的有效性。这些组合在治疗多重耐药（MDR）微生物方面特别有价值。以下是一些最近最具临床意义的发展：

Ceftazidime-Avibactam (CZA)

该组合由头孢他啶（一种第三代头孢菌素）和阿维巴坦（一种非β-内酰胺β-内酰胺酶抑制剂）组成。

由于阿维巴坦不诱导染色体AmpC或MBLs，因此它对产生AmpC的微生物有效。CZA对丝氨酸碳青霉烯酶（例如KPC）、C类头孢菌素酶、一些D类氧acillinases和A类超广谱β-内酰胺酶（ESBLs）具有广谱活性，但对金属β-内酰胺酶无效。值得注意的是，CZA对铜绿假单胞菌有效。临床研究表明，CZA在治愈率和28天死亡率方面不劣于美罗培南。

Ceftolozane-Tazobactam (C/T)

C/T结合了头孢洛扎（一种具有改善的膜通透性和对β-内酰胺酶耐药性的新型头孢菌素）和他唑巴坦（一种青霉素砜类的不可逆β-内酰胺酶抑制剂）。它对革兰氏阴性医院内肺炎特别有效，并且在危重、机械通气患者中以2 g/1 g每8小时给药时显示出疗效。

Meropenem-Vaborbactam (MVB)

该组合将美罗培南（一种碳青霉烯）与瓦博巴坦（一种环状硼酸β-内酰胺酶抑制剂）配对。

瓦博巴坦不抑制MBLs或OXA型碳青霉烯酶如OXA-48，但增强了美罗培南对产生A类和C类β-内酰胺酶的革兰氏阴性菌的活性。它对一些对CZA耐药的KPC变体也有效。

Imipenem-Relebactam (IMR)

IMR由亚胺培南（一种碳青霉烯）和瑞莱巴坦（一种非β-内酰胺双环二氮杂双环辛烷β-内酰胺酶抑制剂）组成。

瑞莱巴坦抑制A类和C类β-内酰胺酶，包括假单胞菌衍生的头孢菌素酶（PDC），但对B类（MBLs）无效，并且对D类β-内酰胺酶的活性有限。

Novel Beta-Lactam Antibiotic: Cefiderocol

头孢地尔是一种新型头孢菌素β-内酰胺抗生素，对革兰氏阴性菌，尤其是多重耐药（MDR）菌株如肠杆菌目具有强效的体外活性。它具有一个氯儿茶酚侧链，能够螯合三价铁，促进铁载体介导的摄取进入细菌并逃避外排泵。

头孢地尔表现出对β-内酰胺酶降解的强大稳定性，这归因于其C-3和C-7侧链。C-7侧链在结构上类似于头孢他啶，而C-3侧链类似于头孢吡肟。

在临床环境中，已经出现耐药性。例如，在一例铜绿假单胞菌感染中，在使用头孢洛扎-他唑巴坦治疗后，MIC从2 mg/L增加到8 mg/L，表明可能存在交叉耐药。耐药机制被认为涉及ampC和TonB依赖性受体（TBDR）基因的突变。

头孢地尔的临床试验进一步支持其治疗作用。APEKS-NP试验表明，头孢地尔在治疗医院内肺炎（包括呼吸机相关病例）方面不劣于美罗培南。CREDIBLE-CR试验评估了头孢地尔对碳青霉烯耐药感染的效果，发现与最佳可用疗法相比微生物学反应相似，但在鲍曼不动杆菌感染中死亡率更高，强调了这种新型药物的前景和局限性。

现实世界的研究也报道了头孢地尔的不同结果，证实了其在某些情况下的有效性，但也突出了治疗期间耐药性的发展，特别是在鲍曼不动杆菌感染中。

β-内酰胺抗生素的活性和稳定性深受其化学结构的影响，特别是β-内酰胺环、稠环和侧链取代。青霉素和头孢菌素酰基侧链的修饰改变了其抗菌谱和对β-内酰胺酶的耐药性。例如，在第三代头孢菌素（如头孢噻肟、头孢他啶）中引入庞大的肟基增强了其对A类酶水解的稳定性，并扩大了对革兰氏阴性菌的活性。在头霉素（如头孢西丁）中添加7-α-甲氧基改善了对AmpC β-内酰胺酶的耐药性。在碳青霉烯中，反式-1-羟乙基取代基提供了对大多数丝氨酸β-内酰胺酶的弹性，而噻唑烷环中缺少硫原子则增强了通过革兰氏阴性菌孔蛋白通道的渗透。

更近期的结构创新产生了具有独特机制的药物。例如，头孢地尔包含一个儿茶酚侧链，允许铁载体介导的摄取，绕过外排泵和孔蛋白突变，同时保持对广谱β-内酰胺酶的强大稳定性。双β-内酰胺通过连接两个β-内酰胺核设计而成，实现了对突变PBPs的双重结合，从而在耐药大肠杆菌中恢复了抗菌活性。类似地，大环嵌入β-内酰胺改善了构象灵活性，增强了对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）中PBP2a的酰化作用。

这些SAR指导的修饰说明了结构定制如何直接影响抗菌谱、耐药性特征和临床适用性，构成了持续开发新型β-内酰胺以克服不断进化的耐药性的基础。

尽管新型β-内酰胺抗生素和β-内酰胺酶抑制剂的开发取得了令人鼓舞的进展，但必须承认几个局限性。Taniborbactam（VNRX-5133）虽然在体外对丝氨酸和金属β-内酰胺酶表现出强效活性，但仍处于后期临床研究阶段，其长期安全性和有效性仍有待确认。类似地，头孢地尔作为一种铁载体头孢菌素，已显示出对β-内酰胺酶的强大稳定性，但在治疗期间铜绿假单胞菌和鲍曼不动杆菌中已经出现耐药性，引发了关于交叉耐药机制的担忧。此外，许多已批准的β-内酰胺/β-内酰胺酶抑制剂（BL/BLI）组合，如头孢他啶-阿维巴坦和亚胺培南-瑞莱巴坦，对B类金属β-内酰胺酶仍然无效，限制了它们在由NDM-、VIM-或IMP-producing病原体引起的感染中的效用。这些挑战强调了需要进行持续的临床试验、强有力的抗菌药物管理以及持续的监测计划，以确保这些药物在对抗多重耐药革兰氏阴性感染中的可持续使用。

Conclusion

超级细菌对全球医疗保健构成升级的威胁，β-内酰胺酶的过度生产和抗生素的不当使用加速了病原菌，尤其是革兰氏阴性菌的耐药性。这一挑战加剧了对创新抗生素和新治疗策略的需求。新型β-内酰胺抗生素代表了克服这些障碍的有前途的方法。尽管在临床前和早期临床研究中已证明有鼓舞人心的结果，但其长期有效性需要进一步验证。未来的研究应专注于大规模体内研究、开发具有更广活性的下一代β-内酰胺酶抑制剂以及先进的药物递送系统以提高稳定性和治疗结果。对抗耐药性的努力已经包括既定的β-内酰胺酶抑制剂——如克拉维酸、舒巴坦和他唑巴坦——以及更新的方法，包括聚合物包埋复合物、大环嵌入β-内酰胺、双β-内酰胺抗生素、下一代β-内酰胺/β-内酰胺酶抑制剂组合以及像头孢地尔这样采用独特耐药规避机制的新型药物。因此，持续的研究和开发对于对抗抗菌素耐药性的快速演变并确保在临床实践中保持有效的治疗选择至关重要。强调这些方向将增强新型β-内酰胺的临床适用性，并支持其作为对抗耐药细菌病原体的可行治疗选择的作用。

Disclosure

作者报告在此工作中无利益冲突。

Acknowledgment

我们向所有为完成本综述文章做出贡献的人表示诚挚的感谢。