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头孢地尼(CI-983, FK482) 对质粒介导的广谱β-内酰胺酶的稳定性
http://www.100md.com 2003年7月31日 《中国医学论坛报》 2003年第29期
     摘要

    从大肠杆菌原始临床分离株的接合株中,我们纯化了14种质粒编码的广谱β-内酰胺酶。以氨苄青霉素、羧苄青霉素、头孢噻啶、头孢氨苄、头孢呋辛、头孢克肟、头孢地尼、头孢他啶和头孢噻肟作为底物,加入这些酶中的8种以及窄谱β-内酰胺酶TEM-1,分别测定以上各种抗生素的最大反应速率(Vmax)、米氏常数(Km)和相对效能(Vmax/Km)。还测定了另外6种酶对氨苄青霉素、羧苄青霉素、头孢噻啶、头孢氨苄、头孢呋辛、头孢克肟、头孢地尼、头孢他啶和头孢噻肟的相对水解率。对于所有被试验的酶,头孢地尼的Vmax/Km或相对水解率等于或者低于氨苄青霉素、头孢噻啶、头孢氨苄和头孢噻肟的值。总之,头孢地尼对这15种所试验的β-内酰胺酶比头孢呋辛和头孢克肟更加稳定。

    目前,口服头孢菌素类抗生素种类较少。早期的口服头孢菌素,如头孢拉定和头孢氨苄,对某些感染有效,但是,它们均易被β-内酰胺酶水解;另外一种类似的药物,如头孢克洛,对流感嗜血杆菌的活性较强,但也容易被β-内酰胺酶水解。因为这些头孢菌素均易被许多β-内酰胺酶水解,所以都被归于所谓的“第一代”头孢菌素。头孢地尼是一种带有一个C-3乙烯基的氨基噻唑羟亚氨基头孢菌素,这一结构使得它适合口服给药。
, http://www.100md.com
    Neu等人的一项研究分析了一系列β-内酰胺类抗生素的最小抑菌浓度,结果显示头孢地尼有特有的抵抗β-内酰胺酶水解的能力。本研究观察了头孢地尼和其他头孢菌素类对质粒编码的广谱β-内酰胺酶的稳定性。这些酶也能水解后来开发的广谱头孢菌素如头孢他啶和头孢噻肟。本研究中所试验的β-内酰胺酶是TEM-1、TEM-3、TEM-4、TEM-5、TEM-7、TEM-10、TEM-E1、TEM-E2、TEM-E3、TEM-E4、SHV-2、HV-3、SHV-5和BIL-1。这一系列β-内酰胺酶中至少包括了每组广谱β-内酰胺酶中的各一种。

    结果

    一、 细菌菌株

    用于稳定性分析的β-内酰胺酶分离自大肠杆菌菌株(见表1)。

    表1. 本研究所用的产β-内酰胺酶的菌株
, 百拇医药
    菌株

    质粒编码

    β-内酰胺酶

    大肠杆菌K-12

    J53-2

    TEM-1

    大肠杆菌K-12

    C600

    TEM-3

    大肠杆菌K-12

    J53-2

    TEM-4

    大肠杆菌K-12
, 百拇医药
    J53-2

    TEM-5

    大肠杆菌K-12

    J53-2

    TEM-6

    大肠杆菌

    BM694

    TEM-7

    大肠杆菌K-12

    J53-2

    TEM-10

    大肠杆菌K-12

, 百拇医药     J53-2

    TEM-E1

    大肠杆菌K-12

    J53-2

    TEM-E2

    大肠杆菌K-12

    J53-2

    TEM-E3

    大肠杆菌K-12

    J53-2

    TEM-E4

    大肠杆菌K-12

, 百拇医药     J53-2

    SHV-2

    大肠杆菌K-12

    J53-2

    SHV-3

    大肠杆菌K-12

    J53-2

    SHV-5

    大肠杆菌K-12

    J53-2

    BIL-1

    二、β-内酰胺酶的制备

, 百拇医药     β-内酰胺酶样品是从1 L在37℃下的营养肉冻培养基中过夜生长的菌液中制备的。经过在4℃下以6 000 g离心15 min而采集细胞。所得的小颗粒在25 mM的磷酸钠缓冲液(pH为7.0)中洗涤,然后再次进行离心。最后所得的小颗粒在1 mk的25 mM的磷酸钠缓冲液(pH为7.0)中再悬浮后,再在0℃下进行两次各30s的超声(8 μm)照射,在这两次超声照射之间有1 min的冷却过程。所得的溶菌液在4℃下以32 000 g离心30 min。将所得的β-内酰胺酶的粗产物放入一个Sephadex G-75层析柱(2 cm2×90 cm),用25 mM的磷酸钠缓冲液(pH为7.0)在15 mk/h下洗脱。收集最大的β-内酰胺酶部分,用于动力学测定,并对制得的β-内酰胺酶的一致性采用等电位聚焦的方法进行分析。

    三、β-内酰胺酶分析

    采用Perkin-Ekmer Lambda2型分光光度仪,根据β-内酰胺类抗生素底物光吸收度的减少量确定β-内酰胺酶的活性。
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    四、底物的测定

    通过测定8种β-内酰胺类抗生素在固定浓度(0.1 mM)时的水解 确定β-内酰胺酶的底物分布。水解率以与氨苄青霉素的相对值表示。

    五、Vmax、Km和相对效能(Vmax/Km)的测定

    在0.01 mM和0.1 mM的浓度之间测定头孢菌素的水解率;青霉素的水解率则在0.1 mM和1 mM的浓度之间测定。然后用Lineweaver-Burk方法计算β-内酰胺类抗生素被β-内酰胺酶水解的最大反应速率(Vmax)、米氏常数(Km)。结果以相对效能(Vmax/Km)的形式表示,并用Bush和Sykes的方法用氨苄青霉素进行标准化。

    所有β-内酰胺酶都进行了纯化,且每种纯化的酶都具有一个等电点(PI)值,该PI值与文献报道一致。没有存在染色体β-内酰胺酶的证据。Vmax表示该酶对一种结合于酶的活性部位的药物的水解能力。对9种β-内酰胺类底物和8种广谱β-内酰胺酶(见表2)及窄谱的β-内酰胺酶TEM-1(作为对照),我们都获得了其相对于氨苄青霉素的Vmax值。头孢地尼的Vmax值总是比氨苄青霉素和头孢噻啶的值低。这些较低的Vmax值表明,与其他表2中显示的试验药物相比,头孢地尼对于β-内酰胺酶的水解作用更稳定。
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    表2. 8种广谱β-内酰胺酶对9种β-内酰胺类抗生素的相对Vmax值

    β-内酰

    胺酶

    相对Vmax值*

    氨苄

    青霉素

    羧苄

    青霉素

    头孢

    噻啶

    头孢

    氨苄
, 百拇医药
    头孢

    呋辛

    头孢

    克肟

    头孢

    地尼

    头孢

    他啶

    头孢

    噻肟

    TEM-1(对照)

    100

    11

, http://www.100md.com     32

    0.72

    UM

    UM

    UM

    UM

    0.06

    TEM-3

    100

    …

    454

    151

    95

    284
, 百拇医药
    21

    9.1

    536

    TEM-5

    100

    51

    410

    37

    102

    124

    96

    135

    26

, 百拇医药     TEM-10

    100

    48

    58

    3.0

    2.0

    12

    1.5

    30

    2.2

    TEM-E2

    100

    32

, 百拇医药     87

    3.19

    UM

    13

    0.23

    0.87

    0.84

    TEM-E3

    100

    51

    61

    5.3

    95

, 百拇医药     28

    2.4

    44

    1.9

    TEM-E4

    100

    38

    98

    12.5

    1.3

    0.37

    4.2

    6.3

, 百拇医药     2.1

    SHV-3

    100

    15

    119

    11.2

    5.6

    2.1

    0.5

    1.0

    12

    BIL-1

    UM

, 百拇医药     UM

    50

    100

    UM

    UM

    UM

    UM

    UM

    注: UM:由于水解率过低而无法测定;… :未测定;:为与氨苄青霉素的值相比较所得的值,但 BIL-1例外,后者是与nitrocefin的值相比较所得的值。

    水解率只能在药物与酶结合后才能测定酶的活性。Km值可以说明底物与酶结合的亲和力:此值越大,则对底物的亲和力越小。8种广谱β-内酰胺酶对9种β-内酰胺类抗生素的Km值见表3。
, 百拇医药
    表3. 8种广谱β-内酰胺酶对9种β-内酰胺类抗生素的Km值

    β-内酰

    胺酶

    Km值(μM)

    氨苄

    青霉素

    羧苄

    青霉素

    头孢

    噻啶

    头孢

    氨苄
, 百拇医药
    头孢

    呋辛

    头孢

    克肟

    头孢

    地尼

    头孢

    他啶

    头孢

    噻肟

    TEM-1(对照)

    167

    100

, http://www.100md.com     167

    166

    UM

    UM

    UM

    UM

    286

    TEM-3

    63

    …

    100

    333

    250

    250
, 百拇医药
    118

    167

    11

    TEM-5

    69

    38

    143

    77

    250

    125

    200

    330

    21

, 百拇医药     TEM-10

    111

    39

    100

    200

    167

    66

    200

    100

    15

    TEM-E2

    119

    83

, 百拇医药     500

    333

    UM

    1000

    77

    500

    181

    TEM-E3

    91

    38

    91

    333

    250

, 百拇医药     250

    118

    167

    11

    TEM-E4

    29

    72

    80

    200

    200

    17

    500

    1500

, 百拇医药     77

    SHV-3

    83

    111

    59

    30

    500

    100

    16.7

    500

    25

    BIL-1

    UM

, 百拇医药     UM

    166

    118

    UM

    UM

    UM

    UM

    UM

    注: UM:由于水解率过低而无法测定;…

    :

    对于一些酶来说,头孢地尼的Km值比试验中所用的其他药物高,但对另外一些酶则情况刚好相反。总的来说,酶对头孢地尼的亲和力是较低的。

    相对效能(Vmax/Km)则将两个参数都计算在内。如果Vmax 高或酶对药物的亲和力很高(Km低),该酶的效能则较高。相对效能测定结果(见表4)表明,所有酶水解头孢地尼的效能均比水解氨苄青霉素、羧苄青霉素、头孢噻啶、头孢氨苄和头孢噻肟的效能低。在多数情况下,头孢地尼比头孢克肟稳定。
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    表4. 8种广谱β-内酰胺酶水解9种β-内酰胺类抗生素的

    相对效能(Vmax/Km)


    β-内酰

    胺酶

    相对效能(Vmax/Km)*

    氨苄

    青霉素

    羧苄

    青霉素

    头孢

    噻啶

    头孢
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    氨苄

    头孢

    呋辛

    头孢

    克肟

    头孢

    地尼

    头孢

    他啶

    头孢

    噻肟

    TEM-1(对照)

    100

, 百拇医药     18

    23

    0.87

    UM

    UM

    UM

    UM

    0.04

    TEM-3

    100

    …

    285

    38

    48
, 百拇医药
    89

    27

    7.4

    269

    TEM-5

    100

    93

    198

    37

    28

    77

    37

    28

, http://www.100md.com     85

    TEM-10

    100

    137

    64

    1.7

    1.3

    12

    0.83

    33

    16

    TEM-E2

    100

, 百拇医药     32

    20

    1.1

    UM

    0.37

    0.36

    0.21

    0.55

    TEM-E3

    100

    122

    61

    5.7
, 百拇医药
    1.0

    31

    5.7

    24

    16

    TEM-E4

    100

    15

    36

    1.84

    0.19

    0.65

    0.25
, 百拇医药
    0.12

    0.79

    SHV-3

    100

    11

    168

    31

    34

    1.76

    1.8

    0.17

    38

    BIL-1
, 百拇医药
    UM

    UM

    60

    54

    UM

    UM

    UM

    UM

    UM

    注:UM:由于水解率过低而无法测定;… :未测定;:与氨苄青霉素的值相比较所得的值,但BIL-1例外,后者是与头孢氨苄的值相比较所得的值。

    我们还测定了固定底物浓度(头孢菌素类浓度为10-4M,青霉素类浓度为10-3M)的相对水解率 (见表5),这些值虽然比表1所示的Vmax值准确度低,但是它们说明酶有水解这些底物的能力。对于表5所列的所有β-内酰胺酶,头孢地尼都比氨苄青霉素、头孢噻啶、头孢氨苄、头孢呋辛、头孢噻肟或头孢克肟稳定。而且,对于所试验的6种β-内酰胺酶中的3种,头孢地尼的相对水解率均比头孢他啶低。结果强烈地支持表2中所显示的:与大多数头孢菌素相比,头孢地尼是一种对广谱β-内酰胺酶极其稳定的底物。
, http://www.100md.com
    5. 6种广谱β-内酰胺酶水解8种β-内酰胺类抗生素的相对水解率

    β-内

    酰胺酶

    相对水解率*

    氨苄

    青霉素

    头孢

    噻啶

    头孢

    氨苄

    头孢

    呋辛
, 百拇医药
    头孢

    克肟

    头孢

    地尼

    头孢

    他啶

    头孢

    噻肟

    TEM-4

    100

    114

    83

    19

    21
, 百拇医药
    8.8

    34

    39

    TEM-6

    100

    180

    19

    7.7

    9.5

    1.8

    19

    13

    TEM-7
, 百拇医药
    100

    59

    1.5

    0.7

    0.8

    0.44

    1.5

    2.2

    TEM-E1

    100

    123

    26

    5.4
, 百拇医药
    12

    5.3

    2.0

    5.8

    SHV-2

    100

    55

    11

    5.4

    1.8

    0.63

    UM

    1.1
, 百拇医药
    SHV-5

    100

    34

    25

    3.8

    3.9

    1.1

    5.0

    14

    注:UM:由于水解率过低而无法测定;*:与氨苄青霉素的值相比较所得的值。

    讨论

    在本研究中,我们至少检测了8种不同的β-内酰胺类抗生素对于14种部分纯化的广谱β-内酰胺酶以及窄谱β-内酰胺酶TEM-1的稳定性。表4和表5的结果表明,总的来说,头孢地尼对于β-内酰胺酶的稳定性比氨苄青霉素、头孢噻啶、头孢氨苄和头孢噻肟高。而且,在表4和表5中列出的128个稳定性值中,只有13个值表现为其他化合物比头孢地尼更稳定(即数值较低)。在大部分情况下,对于15种β-内酰胺酶,头孢地尼都比头孢呋辛或头孢克肟更稳定。在所有经测试的β-内酰胺类抗生素中,头孢地尼是对TEM-6,TEM-7和TEM-10以及SHV-5酶最稳定的化合物。, http://www.100md.com(爱丁堡大学医学院医学微生物系 D.J.PAPNE和S.G.B.AMYES)