综述：关于碳青霉烯酶活性的结构洞察：理解现有抑制剂的作用机制并为新型碳青霉烯佐剂的设计提供信息

《RSC Medicinal Chemistry》：Structural insights into the activity of carbapenemases: understanding the mechanism of action of current inhibitors and informing the design of new carbapenem adjuvants

本综述深入探讨了碳青霉烯酶（包括丝氨酸酶和金属酶（MBL））的结构特征与耐药机制，系统总结了已上市（如avibactam、vaborbactam）及在研β-内酰胺酶抑制剂（BLI）对临床重要碳青霉烯酶（如KPC、NDM）的抑制效力，为针对耐药菌（尤其是产金属酶病原体）的新型佐剂研发提供了关键结构见解。

　　

碳青霉烯酶的耐药挑战

抗菌药物耐药性（AMR）正严重挑战碳青霉烯类抗生素作为最后一线疗法的有效性，其核心机制源于病原体产生的碳青霉烯酶。这类酶主要包括丝氨酸β-内酰胺酶（SBL）和金属β-内酰胺酶（MBL）两大类，能够水解碳青霉烯类药物的β-内酰胺环，导致药物失活。目前临床应用的β-内酰胺酶抑制剂（BLI），如克拉维酸、舒巴坦、他唑巴坦、阿维巴坦（avibactam）、瑞来巴坦（relebactam）和瓦博巴坦（vaborbactam），对丝氨酸酶（如KPC型）有效，但对依赖锌离子的金属酶（如NDM、VIM型）却无抑制活性，这构成了当前抗耐药菌治疗的一大局限。

酶学机制与结构基础

碳青霉烯酶的功能活性高度依赖于其三维结构特征。丝氨酸β-内酰胺酶（如KPC-2）通过活性位点的丝氨酸残基对β-内酰胺环发起亲核攻击，形成共价酰基酶中间体，最终导致药物水解。而金属β-内酰胺酶（如NDM-1）则利用一个或两个锌离子激活水分子，使之对β-内酰胺环进行水解，这一机制不依赖于丝氨酸，且不能被传统BLI所抑制。结构生物学研究显示，MBL的活性位点具有宽而浅的底物结合沟，能够容纳多种β-内酰胺类药物，而丝氨酸酶的活性口袋则相对狭窄，这种结构差异直接影响抑制剂的结合与效力。

现有抑制剂的效力与局限

目前已获批的BLI主要针对A类丝氨酸碳青霉烯酶。阿维巴坦（avibactam）是一种非β-内酰胺类抑制剂，可通过形成可逆的共价复合物抑制KPC等酶活性；瓦博巴坦（vaborbactam）则是基于硼酸机制的有效抑制剂。然而，这些药物均对MBL无效。值得注意的是，一些正在研发中的新型抑制剂（如taniborbactam、cefepime/zidebactam组合）展现出对部分B类MBL的抑制潜力，但其临床适用性仍在评估中。

新型抑制剂设计与未来方向

针对MBL的有效抑制是当前研究的焦点。由于MBL活性位点具有锌离子结合域，理想抑制剂应具备强效锌螯合能力，同时保持足够的选择性和安全性，避免对人体金属酶产生抑制。结构导向的药物设计（SBDD）和高通量筛选已发现多个有潜力的先导化合物，其中一些能同时靶向丝氨酸酶和金属酶，即所谓“双功能抑制剂”。此外，佐剂策略——即联合使用抗生素与酶抑制剂——正成为恢复碳青霉烯类药物疗效的重要途径。

临床意义与转化前景

碳青霉烯耐药菌（如产碳青霉烯酶的肺炎克雷伯菌、铜绿假单胞菌和鲍曼不动杆菌）引起的感染与高死亡率相关。理解碳青霉烯酶的结构与机制不仅有助于开发新一代BLI，也对指导临床用药、优化联合治疗方案具有重要意义。未来研究需进一步整合结构生物学、计算化学与药理学手段，推动具有广谱抑制活性的候选药物走向临床，以应对日益严峻的全球耐药挑战。