Пенициллины
Пенициллины — одна из важнейших групп антибиотиков. Со времени появления первого пенициллина создано много других антимикробных препаратов, но природные пенициллины все еще находят широкое применение. На их основе синтезируют и новые препараты. Среди последних многие обладают уникальными свойствами, что делает антибиотики этой группы наилучшим средством лечения при целом ряде инфекционных заболеваний.
Историческая справка
История выдающегося научного исследования — открытия и изучения пенициллина — описана самими его участниками (Fleming, 1946; Florey, 1946, 1949; Abraham, 1949; Chain, 1954). В 1928 г., изучая различные виды стафилококков в лаборатории госпиталя Св. Марии в Лондоне, Александр Флеминг заметил, что одна из культур заражена плесневыми грибами и колонии бактерий вокруг нее погибли. Питательная среда, на которой росли грибы, заметно подавляла жизнедеятельность многих микроорганизмов. Плесневый грибок принадлежал к роду Penicillium, и Флеминг назвал антибактериальное вещество пенициллином.
Спустя 10 лет группа исследователей из Оксфордского университета под руководством Флори, Чейна и Эйбрехема получила препарат пенициллина для системного применения. К маю 1940 г. было обнаружено, что введение неочищенного пенициллина мышам, зараженным стрептококками, оказывало сильнейшее лечебное действие. Несмотря на то что получать пенициллин в лабораторных условиях было очень нелегко, к 1941 г. ученые сумели собрать достаточное количество вещества, чтобы испытать его на больных с тяжелыми стафилококковыми и стрептококковыми инфекциями, которые не поддавались лечению всеми известными тогда лекарственными средствами. Неочищенный препарат, который удавалось выделить в те годы, содержал всего 10% пенициллина, и для получения одной суточной дозы требовалось около 100 л среды, на которой выращивали плесневые грибы. Penicillium notatum выращивали тогда на подкладных суднах (Herrell, 1945). Среди больных, на которых проводили испытания в 1941 г., был полицейский с тяжелой смешанной инфекцией, вызванной стафилококками и стрептококками. Часть пенициллина, которым его лечили, была выделена из мочи других больных, получавших препарат. Говорят, что один оксфордский профессор назвал пенициллин «удивительным веществом, выращенным в подкладных суднах и пропущенным через полицию Оксфорда для очистки».
Вскоре в США началось широкомасштабное исследование пенициллина. В 1942 г. было получено 122 млн ед пенициллина, а проведенные в Йельском университете и клинике Мейо первые клинические испытания дали превосходные результаты. К весне 1943 г. пенициллином уже пролечили 200 больных. Результаты лечения были настолько впечатляющими, что главный военный врач США дал согласие на клиническое испытание пенициллина в военном госпитале. Вскоре после этого пенициллин стали применять во всех медицинских учреждениях вооруженных сил США.
Решающим шагом на пути к массовому производству пенициллина стало открытие технологии глубинных культур. Если вначале удавалось выделить менее 500 г вещества в месяц, то к 1950 г. уже получали почти 150 тонн пенициллина. Первый пенициллин на фармацевтическом рынке стоил несколько долларов за 100 000 ед, а сейчас то же количество препарата можно купить за несколько центов.
Химические свойства
Молекула пенициллина состоит из двух колец — тиазолидинового и бета-лактамного (рис. 45.1). Вместе они составляют пенициллиновое ядро, которое обеспечивает биологическую активность пенициллинов. При малейших изменениях и структуре этой части молекулы антимикробные свойства препаратов пропадают. С бета-лактамным кольцом связан боковой радикал, определяющий многие фармакологические свойства препарата (табл. 45.1). У природных пенициллинов строение радикала зависит от состава среды, на которой растут Penicillium spp. Самой высокой антимикробной активностью среди природных пенициллинов обладает бензилпенициллин — кроме феноксиметилпенициллина, он единственный природный препарат, который применяют в лечебной практике.
Полусинтетические пенициллины
Единицы активности пенициллинов
За единицу активности пенициллинов принимают активность 0,6 мкг натриевой соли бензилпенициллина. Таким образом, 1 мг чистой натриевой соли бензилпенициллина соответствует 1667 ед, а 1 мг чистой калиевой соли бензилпенициллина — 1595 ед. Дозу и активность полусинтетических пенициллинов рассчитывают по массе.
Механизмы действия пенициллинов и цефалоспоринов
Бета-лактамные антибиотики оказывают бактерицидное действие на чувствительных микроорганизмов. Механизм этого действия до конца не изучен, но полученные на сегодня данные уже позволяют понять основные его закономерности (Tomasz, 1986; Ghuysen, 1991; Bayles, 2000).
Джеймса Парка (Park and Strominger, 1957). При подавлении последующих стадий синтеза УДФ-ацетилмурамил-пентапептид накапливается в клетках. Синтез нуклеотида Парка завершается присоединением дипептида D-Ала—D-Ала. Образование дипептида начинается с рацемизации L-аланина, затем, под действием D-аланил-D-аланинлигазы, происходит его конденсация. Циклосерин — структурный аналог D-аланина — является конкурентным ингибитором какаланинрацемазы, таки D-аланил-D-аланинлигазы (гл. 48).
На второй стадии происходит полимеризация УДФ-ацетил-мурамил-пентапептида и УДФ-ацетилглюкозамина с освобождением уридиновых нуклеотидов.
Транспептидазы — это только один вид белков, на которые действуют β-лактамные антибиотики. В совокупности все эти белки называются пенициллинсвязывающими белками (Spratt, 1980; Ghuysen, 1991). Они есть у всех бактерий — например, у Staphylococcus aureus их четыре, а у Escherichia coli — по крайней мере семь. Со всеми этими белками β-лактамные антибиотики связываются ковалентно, хотя и с разной скоростью. Под действием антибиотика происходит инактивация пенициллинсвязывающих белков, что так или иначе приводит к повреждению бактерии. Самые крупные пенициллинсвязывающие белки Escherichia coli (la и lb) — уже упоминавшиеся транспептидазы — завершают синтез пептидогликана. При их инактивации бактерии принимают форму шариков и разрываются. Пенициллинсвязываюший белок 2 также участвует в поддержании формы бактерии, однако при его инактивации бактерия разрушается медленнее, чем при инактивации транспептидаз. Пенициллинсвязывающий белок 3 необходим для образования клеточной перегородки при делении. При его инактивации неразделившиеся бактерии принимают вид длинных тонких нитей. Есть и другие механизмы гибели бактерий. Так, пенициллины нарушают равновесие между синтезом пептидогликана и его разрушением эндогенными пептидогликангидролазами (ауто-лизинами), при этом наступает аутолиз бактерий. Кроме того, пенициллины взаимодействуют с белками цитоплазматической мембраны бактерий, напоминающими белки-холины, — в результате бактериальная клетка деполяризуется (Bayles, 2000).
Механизмы устойчивости бактерий к пенициллинам и цефалоспоринам
Многие бактерии содержат ферменты, способные разрушать β-лактамные антибиотики. К ним относятся амидогидролазы, но они недостаточно активны и не обеспечивают надежной защиты бактерий. Зато концентрация β-лактамаз может быть достаточно велика, и они успешно разрушают некоторые β-лактамные антибиотики (рис. 45.1 и 45.3). Известно несколько видов β-лактамаз, но большинство бактерий вырабатывают только один вид фермента. Субстратная специфичность некоторых β-лактамаз относительно высока, поэтому их часто называют пенициллиназами или цефалоспориназами. Бета-лактамазы широкого спектра действия могут разрушать многие β-лакгамные антибиотики. Разные препараты по-разному чувствительны к β-лактамазам.
Обычно грамположительные бактерии образуют β-лактамазы в большом количестве и секретируют их во внешнюю среду (рис. 45.3). Большая часть β-лактамаз — пенициллиназы. Гены стафилококковой пенициллиназы находятся в плазмиде, которую бактериофаги переносят от одной бактерии к другой (трансдукция). Пенициллиназа индуцируется субстратом, и иногда ее доля достигает 1% сухого веса бактерии. Грамотрицательные бактерии, наоборот, вырабатывают β-лактамазы в небольшом количестве, из клетки они не выводятся, а накапливаются в периплазматическом пространстве, между наружной и цитоплазматической мембранами (рис. 45.3). Такое расположение β-лактамаз наиболее выгодно для защиты бактерий, так как ферменты, участвующие в синтезе клеточной стенки, находятся у наружной поверхности цитоплазматической мембраны. У грамотрицательных бактерий гены, кодирующие β-лактамазы, расположены как на хромосомах, так и в плазмидах. При конъюгации плазмиды передаются от бактерии к бактерии. Сами же ферменты могут быть конститутивными или индуцируемыми. Они действуют и на пенициллины, и на цефалоспорины (Davies, 1994). Однако существуют антибиотики, чувствительные к β-лактамазам (например, карбенициллин) и все же способные вызвать гибель некоторых грамотрицательных микроорганизмов, вырабатывающих эти ферменты.
Другие факторы, влияющие на активность β-лактамных антибиотиков
Активность β-лактамных антибиотиков зависит от концентрации бактерий и от стадии инфекционного процесса. Исследования показали, что активность антибиотиков может быть в несколько тысяч раз выше при действии на колонии с низкой концентрацией бактерий, чем при действии на колонии с высокой концентрацией. Причин тому может быть несколько. В колониях с высокой концентрацией доля умеренно устойчивых к антибиотикам бактерий больше, больше вырабатывается β-лактамаз; играет роль и фаза роста культуры. Клиническое значение этого явления не определено. Длительность и интенсивность антибактериальной терапии зависят и от стадии инфекционного процесса. Чем позже начинают лечить зараженных лабораторных животных, тем большие дозы пенициллинов требуются и тем дольше длится лечение. Объясняется это тем, что скорость размножения бактерий выше всего в начале заболевания, а пенициллины более активны в отношении бактерий в фазе логарифмического роста. При переходе в стационарную фазу, когда синтез пептидогликана завершен, активность этих антибиотиков падает.
Присутствие белков и других компонентов гноя, низкий pH и низкое Р02 существенно не снижают активность β-лактамных антибиотиков. Но на бактерий, находящихся внутри клеток, они не действуют.
Классификация и фармакологические свойства
Пенициллины удобно классифицировать по спектру действия (табл. 45.1; Chambers, 2000).
Бензилпенициллин и близкий к нему феноксиметилпенициллин высокоактивны в отношении чувствительных к ним штаммов грамположительных кокков, но оба препарата легко разрушаются пенициллиназой и поэтому не действуют на большинство штаммов Staphylococcus aureus.
Пенициллины, устойчивые к пенициллиназе (метициллин, нафциллин, оксациллин, клоксацилпин и диклокса-циллин), менее активны в отношении микроорганизмов, чувствительных к бензилпенициллину, но в то же время хорошо действуют на Staphylococcus aureus и Streptococcus epidermidis, которые вырабатывают пенициллиназу и чувствительны к метициллину.
Антимикробный спектр ампициллина, амоксициллина, бакампициллина и некоторых других препаратов расширен за счет действия на грамотрицательных бактерий, таких, как Haemophilus influenzae, Escherichia coli и Proteus mira-bilis. К сожалению, как эти, так и другие, описанные ниже, препараты быстро разрушаются β-лактамазами широкого спектра действия, которые все чаще обнаруживают у выделенных от больных грамотрицательных бактерий.
Спектр действия карбенициллина, кариндациллина (инданилового эфира карбенициллина) и тикарциллина шире за счет активности в отношении Pseudomonas spp., En-terobacter spp. и Proteus spp. На грамположительных кокков и Listeria monocytogenes эти препараты действуют слабее, чем ампициллин.
Мезлоциллин, азлоциллин и пиперациллин активны в отношении Pseudomonas spp., Klebsiella spp. и некоторых других грамотрицательных бактерий. Кроме того, пиперациллин, подобно ампициллину, очень хорошо действует на грамположительные кокки и Listeria monocytogenes.
Фармакокинетика и фармакодинамика каждого препарата подробно рассмотрены ниже, здесь же мы коснемся лишь наиболее общих их фармакологических свойств. При приеме внутрь пенициллины всасываются и распределяются по всему организму, быстро достигая терапевтических концентраций в тканях и биологических жидкостях (синовиальной, плевральной, перикардиальной, желчи). Однако в секрете предстательной железы, головном мозге и водянистой влаге глаза концентрация этих препаратов низка. Почти не проникают они и в живые фагоциты. Концентрация пенициллинов в СМЖ может быть различной в зависимости от условий: в норме она не достигает и 1% сывороточной концентрации, а при воспалительном процессе может возрастать до 5%. Пенициллины быстро выводятся, в основном путем к
Видео по теме
.
Редактор: профессор А.Г. Гилман Изд.: Практика, 2006 год.
