细菌耐药防突变浓度与抗菌药的合理应用
由于大量应用抗菌药物,特别是毫无节制的不合理应用所致的细菌耐药,使寻找并克服细菌耐药方法成为刻不容缓的艰巨任务。美国学者Zhao等首先提出了细菌耐药防突变浓度(MPC)和突变选择窗(MSW)理论,为优化抗菌药物治疗方案和限制耐药突变菌株选择性增殖提供了新思路,也为新药开发提出了新要求。
一、细菌耐药MPC和MSW
1. 概念
MPC是防止第一步耐药突变菌株选择性增殖所需的最低抗菌药浓度。在此浓度下,病原菌必须同时发生两步以上的突变才能生长;或是在一个菌群中,对第一步耐药变异菌株的最小抑菌浓度(MIC)。MSW指MIC与MPC之间的浓度范围,在此范围内,耐药菌株可以被选择性富集(图1)。MSW越宽,越容易出现耐药菌株;反之,MSW越窄,产生耐药菌株的可能性越小。
2. 理论依据
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1990年Baquero最早提出,抗菌药物存在一个最易出现耐药突变菌株的危险浓度范围,但未得到证实。1999年Dong等在对结核分枝杆菌和金黄色葡萄球菌的研究中,确认存在这种浓度范围。该研究发现,随着琼脂平板中喹诺酮类药物浓度增加,平板中菌落数量出现两次明显下降。MIC99时,由于抗菌药抑制或杀灭了大量野生型敏感性细菌的生长,菌落数出现第一次下降;之后菌落数维持在一个相对稳定的平台期,DNA核酸序列分析发现,平台期生长的是耐药选择突变菌株(第一步突变菌),随着药物浓度进一步增加,菌落数出现第二次明显下降,直到浓度增高至某一限度时,琼脂中再无菌落生长,提示该浓度可抑制最不敏感的、发生第一步突变菌株的生长,该浓度即为MPC。显然,当药物浓度在MIC和MPC之间时,耐药突变菌株才被选择性富集扩增。MIC和MPC之间的这个浓度范围就是MSW。
细菌发生耐药突变并在菌群中获得选择性优势生长,是细菌产生耐药的必需条件。细菌自发突变频率很低,仅为10-7(10-8~10-6),细菌数量达到1014时,才可能出现同时发生两次耐药突变的菌株。由此推断,当感染部位的菌群数量低于两次突变所需要的细菌数量时,耐药突变菌株发生第二次突变的可能性极小。由于临床实际中,人体感染部位细菌数量可达到1010CFU,但不可能达到1014CFU,因此不会出现二次突变菌株。MPC、MSW理论就是通过抑制最不敏感、发生一次耐药突变菌株的选择性富集扩增,限制细菌耐药的进一步发展。
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二、MPC、MSW与PK/PD的比较
药代动力学(PK)研究的是体内药物浓度的持续时间,药效学(PD)研究的是药物浓度与抗菌效应的关系。既往仅根据PK参数决定抗菌药的给药方案,但随着耐药现象越来越严重,PD参数也就显得尤为重要。PD参数用以决定防止耐药的给药方案。PK参数可将抗菌药血药浓度持续的时间量化,其中较重要的参数是曲线下面积(AUC)。AUC与MIC结合就有了量化的抗菌药抗菌活性PK/PD参数——AUC24/MIC,它可用来评价抗菌药对敏感细菌的累积杀伤力。但PK/PD参数仅从浓度上反映抗菌活性,没有包括时间因素,即未对浓度在MSW内的时间加以限定。因此传统的PK/PD治疗策略以治愈疾病而非阻止耐药为目标,以体外测定抑制敏感细菌的MIC作为衡量抗菌药物抗菌活性的指标,认为在抗菌药物浓度低于MIC时易诱导产生耐药突变菌株,从而导致细菌耐药发生。而MSW是一种新PK/PD模式,将药物浓度、作用时间和抗菌活性结合起来,直接预测抗菌药引起细菌耐药突变菌株选择的发生,以指导制定最佳给药方案。可见,传统PK/PD模式与MSW理论存在本质上的差异。随着MPC研究的不断深人,MSW理论日益受到临床重视,许多研究者试图建立PK/PD参数与耐药的关系,以期指导治疗。
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Campion等利用体外PK/PD模拟环丙沙星在不同浓度下对甲氧西林耐药金黄色葡萄球菌(MRSA)的杀菌与耐药选择作用。结果发现,当药物浓度始终处于MSW,而AUC/MIC值偏低时,细菌出现低水平耐药菌;但当AUC/MIC>100,而MSW>60%时,细菌变异出现该水平耐药菌株;只有当药物浓度始终高于MPC时才未发现耐药细菌。该结果表明,要避免用药过程中出现细菌耐药,除须满足获得治疗效果的AUC/MIC外,还要尽可能保持药物浓度在MPC以上。
三、MPC、MSW的临床应用
细菌之所以出现耐药,是因为抗菌药物存在MIC和MPC之间的MSW,如果要避免细菌耐药,就必须关闭MSW。MSW越小,抗菌药物处在该窗口的时间越短,细菌耐药可能性越小。关闭MSW可以通过以下方式获得:
1. 提高给药剂量 始终保持抗菌药浓度在MPC之上,这样既可以杀灭所有细菌,又能克服耐药菌的出现。但由于药物安全性问题,临床用药无法保证无限提高用药剂量,因此该法难以在临床上推广。
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2. 临床尽量选用MSW窄的抗菌药 氟喹诺酮类药物由于其结构差异,不同药物MPC和MSW具有显著差别(表1)。结合现有推荐剂量与PK特征,左氧氟沙星(500 mg,qd)、加替沙星(400 mg,qd)、吉米沙星(320 mg,qd)、莫西沙星(400 mg,qd)Cmax分别为5.7、4.2、1.5、4.5 mg/L,对肺炎链球菌的MPC分别为4、2、0.5、1 mg/L。由此推测,用药后药物浓度处于MSW的时间依次为左氧氟沙星>加替沙星>吉米沙星>莫西沙星。莫西沙星、加替沙星对细菌耐药的选择显著低于左氧氟沙星,因此应优先选择这些药物治疗呼吸道感染。
近20年,加拿大研究者对肺炎链球菌耐喹诺酮类的监测证明,长期应用左氧氟沙星,是细菌产生耐药的主要原因,而随着新喹诺酮类尤其是莫西沙星的上市,近年肺炎链球菌对氟喹诺酮类的耐药率显著下降。加拿大自1986年开始用环丙沙星,1998年开始用左氧氟沙星,肺炎链球菌对喹诺酮类耐药从1988年开始逐年上升,到2002年达最高峰,约为5%(图2);2001年加替沙星、莫西沙星开始用于临床,至2003年已超过左氧氟沙星的用量,而细菌耐药从2003年开始下降,至2004年降到1%(图3)。
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3. 通过联合用药关闭MSW 细菌通过一步变异产生耐药菌的几率为10-7~10-9,如果联合用药,细菌必须通过一步变异同时获得对两个药物的耐药,理论上其发生率应为10-14~10-18,而细菌量却远低于1014~1018,因此很难发生自发耐药变异。
Firsov等研究发现,莫西沙星+多西环素在防止金黄色葡萄球菌耐药方面具有协同作用。以AUC24/MIC为200~240小时可限制金黄色葡萄球菌对喹喏酮类发生耐药突变富集为标准,莫西沙星、多西环素先单独、再联合作用于金黄色葡萄球菌。
结果显示,在莫西沙星(AUC24/MIC 60小时)、多西环素(AUC24/MIC 60小时)作为单药治疗时,各自药物浓度在MSW内超过80%给药间隔时间,MIC显著增加;在莫西沙星(AUC24/MIC 30、60小时)、多西环素(AUC24/MIC 60、30小时)两药联合(AUC24/MIC 90、120小时)治疗时,药物浓度之和在MSW内超过30%~50%给药间隔时间,MIC增加不明显;在莫西沙星(AUC24/MIC 60、170小时)、多西环素(AUC24/MIC 170、60小时)两药联合(AUC24/MIC 230小时)治疗时,药物浓度之和超过MSW上限,MIC没有变化。由于230小时接近于莫西沙星单药治疗时抑制金黄色葡萄球菌发生耐药的220小时,因此莫西沙星+多西环素在防止耐药方面具有协同作用,也证实了通过联合用药可以关闭MSW。但联合用药须注意以下几点,以免不合理用药反而导致细菌耐药,如联用药物在人体内的PK过程应有同步性,药物浓度应超过对细菌的MIC值,疗程长者应尽早联合,避免先单独用药一段时间后再联合用药等。
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四、总结
抗菌药物的耐药问题是全球性问题。临床医生不仅要控制感染,还有责任防止耐药菌的产生。制定抗菌药物选择及用药方案,除了根据药物的PK/PD参数外,还应综合考虑细菌发生耐药突变的机制、MPC和MSW,具有不同PK、PD特点的抗菌药必须执行不同的给药方案,以缩短体内药物浓度落在MSW内。
表1 氟喹诺酮类药物对肺炎链球菌MPC值比较
药物MPC50MPC90MIC50MIC90MPC50/MIC50MPC90/MIC90
莫西沙星120.1250.125816
加替沙星240.1250.251616
司氟沙星480.1250.253232
左氧氟沙星880.50.51616
环丙沙星16320.513232, http://www.100md.com
一、细菌耐药MPC和MSW
1. 概念
MPC是防止第一步耐药突变菌株选择性增殖所需的最低抗菌药浓度。在此浓度下,病原菌必须同时发生两步以上的突变才能生长;或是在一个菌群中,对第一步耐药变异菌株的最小抑菌浓度(MIC)。MSW指MIC与MPC之间的浓度范围,在此范围内,耐药菌株可以被选择性富集(图1)。MSW越宽,越容易出现耐药菌株;反之,MSW越窄,产生耐药菌株的可能性越小。
2. 理论依据
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1990年Baquero最早提出,抗菌药物存在一个最易出现耐药突变菌株的危险浓度范围,但未得到证实。1999年Dong等在对结核分枝杆菌和金黄色葡萄球菌的研究中,确认存在这种浓度范围。该研究发现,随着琼脂平板中喹诺酮类药物浓度增加,平板中菌落数量出现两次明显下降。MIC99时,由于抗菌药抑制或杀灭了大量野生型敏感性细菌的生长,菌落数出现第一次下降;之后菌落数维持在一个相对稳定的平台期,DNA核酸序列分析发现,平台期生长的是耐药选择突变菌株(第一步突变菌),随着药物浓度进一步增加,菌落数出现第二次明显下降,直到浓度增高至某一限度时,琼脂中再无菌落生长,提示该浓度可抑制最不敏感的、发生第一步突变菌株的生长,该浓度即为MPC。显然,当药物浓度在MIC和MPC之间时,耐药突变菌株才被选择性富集扩增。MIC和MPC之间的这个浓度范围就是MSW。
细菌发生耐药突变并在菌群中获得选择性优势生长,是细菌产生耐药的必需条件。细菌自发突变频率很低,仅为10-7(10-8~10-6),细菌数量达到1014时,才可能出现同时发生两次耐药突变的菌株。由此推断,当感染部位的菌群数量低于两次突变所需要的细菌数量时,耐药突变菌株发生第二次突变的可能性极小。由于临床实际中,人体感染部位细菌数量可达到1010CFU,但不可能达到1014CFU,因此不会出现二次突变菌株。MPC、MSW理论就是通过抑制最不敏感、发生一次耐药突变菌株的选择性富集扩增,限制细菌耐药的进一步发展。
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二、MPC、MSW与PK/PD的比较
药代动力学(PK)研究的是体内药物浓度的持续时间,药效学(PD)研究的是药物浓度与抗菌效应的关系。既往仅根据PK参数决定抗菌药的给药方案,但随着耐药现象越来越严重,PD参数也就显得尤为重要。PD参数用以决定防止耐药的给药方案。PK参数可将抗菌药血药浓度持续的时间量化,其中较重要的参数是曲线下面积(AUC)。AUC与MIC结合就有了量化的抗菌药抗菌活性PK/PD参数——AUC24/MIC,它可用来评价抗菌药对敏感细菌的累积杀伤力。但PK/PD参数仅从浓度上反映抗菌活性,没有包括时间因素,即未对浓度在MSW内的时间加以限定。因此传统的PK/PD治疗策略以治愈疾病而非阻止耐药为目标,以体外测定抑制敏感细菌的MIC作为衡量抗菌药物抗菌活性的指标,认为在抗菌药物浓度低于MIC时易诱导产生耐药突变菌株,从而导致细菌耐药发生。而MSW是一种新PK/PD模式,将药物浓度、作用时间和抗菌活性结合起来,直接预测抗菌药引起细菌耐药突变菌株选择的发生,以指导制定最佳给药方案。可见,传统PK/PD模式与MSW理论存在本质上的差异。随着MPC研究的不断深人,MSW理论日益受到临床重视,许多研究者试图建立PK/PD参数与耐药的关系,以期指导治疗。
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Campion等利用体外PK/PD模拟环丙沙星在不同浓度下对甲氧西林耐药金黄色葡萄球菌(MRSA)的杀菌与耐药选择作用。结果发现,当药物浓度始终处于MSW,而AUC/MIC值偏低时,细菌出现低水平耐药菌;但当AUC/MIC>100,而MSW>60%时,细菌变异出现该水平耐药菌株;只有当药物浓度始终高于MPC时才未发现耐药细菌。该结果表明,要避免用药过程中出现细菌耐药,除须满足获得治疗效果的AUC/MIC外,还要尽可能保持药物浓度在MPC以上。
三、MPC、MSW的临床应用
细菌之所以出现耐药,是因为抗菌药物存在MIC和MPC之间的MSW,如果要避免细菌耐药,就必须关闭MSW。MSW越小,抗菌药物处在该窗口的时间越短,细菌耐药可能性越小。关闭MSW可以通过以下方式获得:
1. 提高给药剂量 始终保持抗菌药浓度在MPC之上,这样既可以杀灭所有细菌,又能克服耐药菌的出现。但由于药物安全性问题,临床用药无法保证无限提高用药剂量,因此该法难以在临床上推广。
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2. 临床尽量选用MSW窄的抗菌药 氟喹诺酮类药物由于其结构差异,不同药物MPC和MSW具有显著差别(表1)。结合现有推荐剂量与PK特征,左氧氟沙星(500 mg,qd)、加替沙星(400 mg,qd)、吉米沙星(320 mg,qd)、莫西沙星(400 mg,qd)Cmax分别为5.7、4.2、1.5、4.5 mg/L,对肺炎链球菌的MPC分别为4、2、0.5、1 mg/L。由此推测,用药后药物浓度处于MSW的时间依次为左氧氟沙星>加替沙星>吉米沙星>莫西沙星。莫西沙星、加替沙星对细菌耐药的选择显著低于左氧氟沙星,因此应优先选择这些药物治疗呼吸道感染。
近20年,加拿大研究者对肺炎链球菌耐喹诺酮类的监测证明,长期应用左氧氟沙星,是细菌产生耐药的主要原因,而随着新喹诺酮类尤其是莫西沙星的上市,近年肺炎链球菌对氟喹诺酮类的耐药率显著下降。加拿大自1986年开始用环丙沙星,1998年开始用左氧氟沙星,肺炎链球菌对喹诺酮类耐药从1988年开始逐年上升,到2002年达最高峰,约为5%(图2);2001年加替沙星、莫西沙星开始用于临床,至2003年已超过左氧氟沙星的用量,而细菌耐药从2003年开始下降,至2004年降到1%(图3)。
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3. 通过联合用药关闭MSW 细菌通过一步变异产生耐药菌的几率为10-7~10-9,如果联合用药,细菌必须通过一步变异同时获得对两个药物的耐药,理论上其发生率应为10-14~10-18,而细菌量却远低于1014~1018,因此很难发生自发耐药变异。
Firsov等研究发现,莫西沙星+多西环素在防止金黄色葡萄球菌耐药方面具有协同作用。以AUC24/MIC为200~240小时可限制金黄色葡萄球菌对喹喏酮类发生耐药突变富集为标准,莫西沙星、多西环素先单独、再联合作用于金黄色葡萄球菌。
结果显示,在莫西沙星(AUC24/MIC 60小时)、多西环素(AUC24/MIC 60小时)作为单药治疗时,各自药物浓度在MSW内超过80%给药间隔时间,MIC显著增加;在莫西沙星(AUC24/MIC 30、60小时)、多西环素(AUC24/MIC 60、30小时)两药联合(AUC24/MIC 90、120小时)治疗时,药物浓度之和在MSW内超过30%~50%给药间隔时间,MIC增加不明显;在莫西沙星(AUC24/MIC 60、170小时)、多西环素(AUC24/MIC 170、60小时)两药联合(AUC24/MIC 230小时)治疗时,药物浓度之和超过MSW上限,MIC没有变化。由于230小时接近于莫西沙星单药治疗时抑制金黄色葡萄球菌发生耐药的220小时,因此莫西沙星+多西环素在防止耐药方面具有协同作用,也证实了通过联合用药可以关闭MSW。但联合用药须注意以下几点,以免不合理用药反而导致细菌耐药,如联用药物在人体内的PK过程应有同步性,药物浓度应超过对细菌的MIC值,疗程长者应尽早联合,避免先单独用药一段时间后再联合用药等。
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四、总结
抗菌药物的耐药问题是全球性问题。临床医生不仅要控制感染,还有责任防止耐药菌的产生。制定抗菌药物选择及用药方案,除了根据药物的PK/PD参数外,还应综合考虑细菌发生耐药突变的机制、MPC和MSW,具有不同PK、PD特点的抗菌药必须执行不同的给药方案,以缩短体内药物浓度落在MSW内。
表1 氟喹诺酮类药物对肺炎链球菌MPC值比较
药物MPC50MPC90MIC50MIC90MPC50/MIC50MPC90/MIC90
莫西沙星120.1250.125816
加替沙星240.1250.251616
司氟沙星480.1250.253232
左氧氟沙星880.50.51616
环丙沙星16320.513232, http://www.100md.com