第二节　抗菌药物对细菌的影响

临床应用抗菌药物的直接目的就是在不损伤宿主的情况下，杀死细菌。而实际上影响抗菌效果的因素相当多，细菌并非那么容易被消灭。一般条件和常规用量下，药物对细菌的作用有三种，即杀死细菌、抑制细菌和细菌产生耐药性。体内外实验证明低浓度的抗菌药物对细菌的形态、结构、生化特性、繁殖速率、细菌毒性和药物敏感性等都有影响，这些影响在临床实验室也经常观察到。本章主要对这些方面的研究成果做介绍。

一、抗菌药物对细菌形态的影响

对细菌形态的影响因素很多，包括细菌的培养条件（温度、时间、pH、离子浓度、培养基成分等）、机体内环境及不利于细菌生长的物质（如药物、抗体等）等因素影响着细菌的形态。在抗菌药物的作用下，细菌的形态有两个典型的变化。其一是杆菌变为丝状体（filament，即长度超过10µm的杆菌）；另一种是细菌变为球形细胞（round cell）。不同的形态变化反映着抗菌药物不同的抗菌机制。对β-内酰胺类来说，以PBP2为靶位的抗生素多引起球形改变，以PBP3为靶位的多引起丝状体改变。如果一种药物和二者都能结合，则可能在不同的浓度下使细菌出现两种变化。

丝状体含有多个基因组，把它们置于无药培养基中，在适宜的条件下，就会形成多个独立的细菌。丝状体的形成是由于杆菌在不断生长繁殖的过程中不能分裂所致。诱导丝状体形成的抗菌药物主要是β-内酰胺类，其他抗菌药物如萘啶酸、呋喃妥因、磺胺类、TMP等也有类似效应。不同的细菌所形成的丝状体不同，如大肠埃希菌在阿莫西林作用下产生的丝状体很短，而铜绿假单胞菌在头孢氨苄或甲氧噻吩头孢菌素作用下形成的丝状体很长。β-内酰胺类对肠杆菌科细菌超微结构的影响相近，在低浓度下形成的丝状体结构与正常细菌类似；随浓度升高，细胞壁越来越不规则，直到形成不连续的细胞壁，引起丝状体裂解，内容物溢出。许多丝状体中间膨大，并在膨大处裂解。

β-内酰胺类抗生素主要使细菌变为丝状体，但部分头孢菌素既可使细菌变为丝状体，又可使细菌变成球形细胞。如美罗培南在浓度≤MIC时，引起丝状改变；当浓度高于2倍MIC时，会出现球形改变。亚胺培南以PBP2为靶位，主要使细菌变为球形细胞。其他抗菌药物如磷霉素、美西林（mecillinam）、6-APA等也引起球形变化。

美西林和6-APA的作用位点是细菌的青霉素结合蛋白2（PBP-2）。美西林可使所有的肠杆菌科细菌和多数拟杆菌属细菌变为圆形或卵圆形细胞，譬如在1/8 MIC美西林浓度下作用6h，奇异变形杆菌就可形成直径7～12µm的圆形细胞，转移到不含药物的培养基中4h，就可恢复原有的杆菌形态。在1/4MIC 的6-APA浓度下作用6h，细菌可变为卵圆形或多形性细胞，直径在2～5µm，长度在8～15µm之间。磷霉素在低浓度下的作用与6-APA相似，高浓度时与美西林的作用难分。抗菌药物对细菌形态的影响与温度有关，如在10mg/L的美西林中，大肠埃希菌在30℃形态正常，而在42℃就形成球形细胞。

不同药物对细菌的影响不同，当药物的作用相反时，对细菌形态的影响也会出现拮抗作用。最典型的例子是苯唑西林和利福平之间的拮抗作用。利福平能抑制细菌横壁的溶解，而β-内酰胺类的作用恰恰相反。金黄色葡萄球菌在1/3MIC的甲氧西林浓度下3h，会形成具有多层厚横壁而形态较大的菌细胞。如果细菌首先在含有利福平的环境中生长3h，然后再接种于含苯唑西林的琼脂中，细菌细胞就不会增大。但如果细菌对利福平耐药，形成的细菌只受苯唑西林影响。

二、抗菌药物对细菌结构的影响

β-内酰胺类药物是人类最先发现的抗生素，其品种很多。这类抗生素的作用部位是细胞壁。在抗生素的作用下细胞壁的主要变化是厚度的改变和交联细胞壁的形成。由于作用靶位不完全相同，不同的β-内酰胺类药物对细胞壁的影响存在差异。同一种药物在不同的浓度和作用条件下，对同一种细菌的超微结构的影响也不同。除此之外，其他药物也影响着细菌的超微结构和大小（表7-1）。

（一）细胞壁厚度的变化

许多抗菌药物在一定浓度下与细菌作用一段时间会引起细菌细胞壁厚度的改变。譬如葡萄球菌在低于MIC浓度的青霉素环境中，细胞壁厚度正常，细胞横膈（septa）规则，高于MIC浓度的环境中作用很短时间，细胞壁就会明显变薄，同时细胞横膈变的不规则。金黄色葡萄球菌若暴露于四环素、氯霉素和利福平等药物，细胞壁可增厚3～4倍。

抗菌药物可引起细菌交联壁厚度的变化。金黄色葡萄球菌在利福平环境中生长4h，不仅细胞壁增厚3～4倍，而且使细菌的交联壁增厚达正常的2～10倍。其中的原因可能是利福平只能抑制细胞壁的线性延伸，并不能抑制细胞壁的增厚过程。头孢唑肟在低于MIC的浓度下能抑制细胞壁的合成，但它使葡萄球菌形成较薄的细胞壁和交联壁。

（二）多层细胞壁的形成

细菌在抗菌药物的作用下，细胞壁不仅可以增厚，而且可以形成多层结构。例如金黄色葡萄球菌在氯霉素的作用下可以形成三层细胞壁包绕的细菌。在1/2MIC浓度的奎奴普汀（quinupristin）与达福普汀（dalfoprisdn）的复合制剂（辛内吉）中作用24h，形成的细胞壁可多达6层。

1.细胞胞壁的破裂

环丝氨酸、磷霉素和万古霉素能抑制肽聚糖合成的早期阶段，对革兰阳性球菌的形态和超微结构的影响类似于β-内酰胺类，但它们并不干扰青霉素结合蛋白。当葡萄球菌与甲氧西林、磷霉素或环丝氨酸接触后，约5%的细菌细胞壁发生破裂，细胞质突出于菌细胞表面。一般来说，破裂部位远离交联壁，即破裂发生在“老的”细胞壁。

2.多交联壁细菌的形成

多交联壁（multiple cross-walls）细菌是指细胞分裂多次后仍由细胞壁连接在一起，共同享有一个细胞壁的多细胞聚合体（multi-cell complexes）。正常情况下，细菌分裂后，交联细胞壁随之松解形成两个独立的子代细菌。多交联壁细菌不同，其分裂过程仍在进行，但交联细胞壁的溶解受到抑制。这种特殊的细菌虽有多组遗传物质，但仍属一个菌落形成单位。在低于MIC的青霉素浓度下，金黄色葡萄球菌形成的多交联细胞壁细胞最典型。

在抗菌药物的作用下，细菌超微结构的变化可以单独存在，也可以同时发生。一般说来这些变化是可逆的，在不含药物的培养基中可恢复正常。多交联细胞壁细菌在无药物的培养基中会逐渐形成较小的多聚细胞体，最终形成单个的菌细胞。

在研究抗菌药物对细菌的影响时要注意，细菌的大小和超微结构受培养基物理性状的影响。譬如金黄色葡萄球菌在肉汤培养基中培养24h，其直径为0.7～0.9µm，细胞壁厚度为50nm，而在1%的琼脂中直径为0.9～1.1µm，细胞壁厚度在75～100nm之间。在含氯唑西林1/3MIC的液体、半固体和固体培养基中细菌直径依次增大，多交联壁细菌逐渐增多。

3.外膜突出

多黏菌素B可作用于大肠埃希菌、黏质沙雷菌和沙门菌，细菌外膜呈现突出现象，在高浓度时还可呈液泡状突出。突出的部位主要是细胞壁外膜的外层，但冰冻蚀刻技术证明突出涉及外膜双层结构。

4.核糖体的分布异常

核糖体是细菌合成蛋白质的场所，其直径为15～20nm，沉降系数为70S，每个细菌细胞含有数万个核糖体。正常情况下，核糖体游离于细胞质中，但抑制蛋白质合成的抗菌药物能影响核糖体的分布。譬如氯霉素使细菌的核质向细胞中心聚集，核糖体向胞质膜集中，细菌中心的核糖体减少甚至消失。大肠埃希菌在3倍MIC浓度的庆大霉素和阿米卡星环境中3h，细菌中心的核糖体会消失，核物质聚集成龙卷风状。在低于MIC的四环素浓度下，敏感细菌内可出现核糖体缺乏区，而其他区域的核糖体浓度正常或增加。

三、抗菌药物对细菌质量的影响

细菌在抗菌药物的作用下会改变其大小，当然也影响着它的质量。人们常用重量和菌落形成单位的比值（weight/CFU ratio）来表示细菌质量的变化。由于该比值是定量的，它所反映出的细胞大小的变化比显微镜观察到的变化要准确。当细菌群体中细菌大小比较均匀时，该比值与单个细胞的重量相当；当细菌的大小发生变化时，该比值也随之升降；细菌恢复为正常形态时，该比值也恢复到正常值范围。据此可以推算细菌恢复正常形态所需要的时间。

随药物浓度的变化，革兰阴性杆菌的weight/CFU比值的变化可分为3种类型：①随药物浓度升高，比值逐渐升高，升到一定值后保持不变。②在低浓度时（0～1/2MIC），该比值与细菌大小呈比例升高，见于氨苄西林和阿莫西林。③药物浓度升高时，才开始比值变化较小，然后陡然上升，并伴有细胞溶解现象。这种情况见于应用头孢磺啶（cefsulodin）时。但细胞溶解时该比值不能正确反映单个细胞的质量，使用时必须注意。

四、抗菌药物对细菌毒力的影响

抗菌药物可以通过多种途径影响细菌的毒力，人们研究较多的是对细菌黏附力和毒性物质合成能力的影响。

（一）影响细菌的黏附

细菌通过菌毛黏附于宿主细胞后才能诱发感染过程，抗菌药物可以促进或削弱这种作用。具有促进作用的药物有萘啶酸，它在低于MIC浓度时促进大肠埃希菌对上皮细胞的黏附。多数抗菌药物如链霉素、氯霉素、四环素、大环内酯类、万古霉素、替考拉宁等在低于MIC的浓度下，能抑制细菌对上皮组织的黏附。克林霉素则在1/4MIC浓度时能抑制大肠埃希菌却促进化脓性链球菌对上皮细胞的黏附。人们认为抑制黏附的机制有三种：①抑制黏附素的合成与表达；②诱导合成异常功能的黏附素；③促进黏附素的释放。

抗真菌药物也具有抑制黏附的作用，如酵母菌在1/2 MIC的氟康唑浓度下生长的18小时后，黏附性降低22%，1/2MIC浓度的两性霉素B能完全阻断白色念珠菌对上皮细胞的损伤作用。

抗菌药物也会影响 细菌生物被膜（bacterial biofilm，BBF）的形成。BBF系指细菌吸附于惰性物体如生物医学材料或机体黏膜表面后，分泌多糖蛋白复合物，使细菌相互粘连并将其自身克隆聚集缠绕其中形成的膜样物。细菌生物被膜的形成大致可以分为附着期、繁殖分化期、成熟期等三期，一般在附着期和繁殖分化期，细菌对抗菌药物比较敏感，感染容易控制。由于生物被膜的附着期和繁殖分化期时间短，在临床上难以及时确诊，结果是往往错过临床治疗的最佳时间。大环内酯类药物能减少细菌黏附，抑制生物被膜的形成，增强其他药物渗透性，但不能杀灭生物被膜内的病原菌。N-乙酰半胱氨酸（NAC）可以抑制细菌的黏附.减少细胞外多糖蛋白复合物的产生，破坏已生成的生物被膜，对被膜下细菌也有一定的杀菌作用，并与其他抗菌药物有协同作用。

（二）影响细菌毒性物质的合成

抗菌药物对细菌毒力的作用一般并不影响细菌的正常生长，可能抗菌药物只是选择性地影响了细菌毒性物质的产生和释放。抗菌药物对细菌毒性物质的影响也表现在促进和抑制两方面。低浓度的链霉素、林可霉素、氯霉素、红霉素和杆菌肽能抑制金黄色葡萄球菌产生α-溶血素，而甲氧西林和万古霉素能促进其产生；低浓度的四环素则能抑制金葡菌产生脂酶。低浓度的林可霉素能促进大肠埃希菌和霍乱弧菌产生较多的内毒素，而低浓度的阿奇霉素能抑制铜绿假单胞菌外毒素A和蛋白酶的量。

不同药物的靶位不同，所引起的内毒素释放量不同。譬如头孢他啶以PBP3为靶位，引起的内毒素释放量是亚胺培南（以PBP2为靶位）的10倍。引起内毒素释放量较少的药物除亚胺培南外还有美西林（mecillinam）、头孢吡肟和头孢诺米等，但效果最好的还是亚安培南。新出现的碳青酶烯类如美罗培南和帕尼培南主要以PBP3为靶位，并没有降低内毒素的作用。显然研制以PBP2为靶位的抗生素，既可以杀灭致病微生物，又可以降低内毒素的作用，达到提高疗效的目的。

（蔡本志　马淑霞　王春敏　杨淑凤）