抗生素的分類和作用機理與前沿應用

抗生素的定義

抗生素是由微生物（包括細菌、真菌、放線菌等）或其他生物在生命活動過程中所產生的，具有抑制其他微生物生長或直接殺滅作用的次級代謝產物，以及用化學方法合成或半合成的結構類似物。在微觀世界的戰場上，細胞與微生物的博弈從未停止。抗生素作為人類干預這場戰爭的重要工具，通過精準靶向細菌細胞的重要結構，實現了對感染性疾病的有效控制。從抑制細胞壁合成到干擾蛋白質制造，從破壞膜結構到阻斷遺傳信息傳遞，這些精巧的作用機制體現了人類對細胞生物學理解的不斷深化。

抗生素的分類

01 按作用機制分類

(1) 抑制細胞壁合成：阻斷細菌細胞壁主要成分肽聚糖的合成，導致菌體因滲透壓失衡而破裂溶解。如青霉素類、頭孢菌素類。

(2) 抑制蛋白質合成：與細菌核糖體特定亞基結合，干擾氨基酸-tRNA對接或肽鏈形成，阻斷蛋白質合成。如四環素類、大環內酯類。

(3) 抑制核酸合成：抑制DNA回旋酶或RNA聚合酶活性，干擾遺傳物質復制與轉錄過程。如利福平、喹諾酮類。

(4) 破壞細胞膜完整性：與細胞膜磷脂或固醇成分結合，增加膜通透性，引起胞內物質泄漏。如多粘菌素B。

(5) 干擾代謝途徑：競爭性抑制葉酸合成等關鍵代謝步驟，如磺胺類。

02 按化學結構分類

(1) β-內酰胺類：青霉素、頭孢菌素

(2) 大環內酯類：阿奇霉素、克拉霉素

(3) 氨基糖苷類：鏈霉素、慶大霉素

(4) 四環素類：多西環素、米諾環素

03 按抗菌譜分類

(1) 窄譜：主要針對特定菌種

(2) 廣譜：可抑制多種革蘭氏陽性/陰性菌（如氯霉素）

04 按抗菌譜分類

天然抗生素：直接從微生物發酵產物中提取的抗生素。如青霉素G、鏈霉素。

半合成抗生素：以天然抗生素為母核，經化學修飾改造。如阿莫西林、頭孢呋辛。
全合成抗生素：通過化學合成制備。如喹諾酮類、磺胺類。

抗生素使用注意事項

1. 選型：明確污染微生物類型，結合抗菌譜、藥敏試驗及作用機制精準選用。

2. 濃度：按說明書或預實驗確定min有效濃度，避免過高（傷細胞）或過低（防污染失效）。

3. 使用：培養全程持續添加，根據抗生素穩定性確定添加時間與補加間隔。

4. 存儲：-20℃避光密封保存，溶液需分裝避免反復凍融，特殊品種按說明書調整。

文獻案例

1. IG0770  硫酸慶大霉素

（Bai J,et al.ISME J. 2024 Jan 8;18(1):wrae052）

抗生素干預候選類群顫藻菌（Candidatus Tremblaya phenacola，T. phenacola PSOL）后螺旋粉蚧（棉粉蚧）的繁殖表型測定；（A）四環素與慶大霉素抗生素干預模型的構建；（B）不同組螺旋粉蚧從性成熟至產卵開始的時長（產卵前期）；（C）不同組螺旋粉蚧的總產卵時長；（D）不同組的后代數量；（E）不同組后代的雄性比例。

（Bai J,et al.ISME J. 2024 Jan 8;18(1):wrae052）

（C）—（E）表示用 0.75 mg/mL慶大霉素和 0.25 mg/mL四環素干預候選類群顫藻菌（Candidatus Tremblaya phenacola，T. phenacola PSOL）后，雷帕霉素靶蛋白（mTOR）信號通路中關鍵基因的相對表達量。

2. IP5100 硫酸多粘菌素B

本文報道了一種可靶向炎癥部位、并在革蘭氏陰性菌區域特異性強制釋放 PMB 的納米顆粒。該顆粒通過透明質酸（hyaluronic acid，HA）與 PMB 分子的靜電自組裝構建而成，旨在實現肺炎的安全有效治療。全身給藥后，PMB-HA 納米顆粒可主動在肺部聚集，精準靶向炎癥部位活化內皮細胞膜上高表達的 CD44 受體，進而與受損肺泡 - 毛細血管膜處的細菌接觸。

由于 PMB 與細菌外膜脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）之間存在靜電和疏水相互作用，PMB-HA 納米顆粒中的 PMB 分子可通過與 LPS 競爭性結合，從納米顆粒中釋放并插入細菌內部。此外，通過屏蔽 PMB 的陽離子特性，PMB-HA 納米顆粒相較于游離 PMB 展現出優異的生物安全性。因此，該智能遞送系統有望為 PMB 在未來細菌性炎癥疾病臨床治療中的 “復興" 開辟新路徑。

（Zhang P,et al.Nanoscale. 2022 Oct 27;14(41):15291-15304. doi: 10.1039/d2nr02026b.）

3. IT2870  四環素堿

（Wang B,et al.Mol Cell. 2021 Mar 4;81(5):1100-1115.e5. doi: 10.1016/j.molcel.2020.12.033.）

（E）和（G）為大腸桿菌細胞中LshCas13a（E 圖）和 LbuCas13a（G 圖）對 EYFP mRNA 的敲低效率定量結果。EYFP mRNA 含一段 28 個核苷酸的間隔序列互補片段，其后連接一段 8 個核苷酸的片段（含或不含抗標簽序列）。EYFP mRNA 的轉錄通過四環素誘導啟動。

引用文獻

[1]. Bai J, Zuo Z, DuanMu H, Li M, Tong H, Mei Y, Xiao Y, He K, Jiang M, Wang S, Li F. Endosymbiont Tremblaya phenacola influences the reproduction of cotton mealybugs by regulating the mechanistic target of rapamycin pathway. ISME J. 2024 Jan 8;18(1):wrae052. doi: 10.1093/ismejo/wrae052. PMID: 38519099; PMCID: PMC11014885.

[2]. Zhang P, Ouyang Q, Zhai T, Sun J, Wu J, Qin F, Zhang N, Yue S, Yang X, Zhang H, Hou Y, Deng L, Wang F, Zhan Q, Yu Q, Qin M, Gan Z. An inflammation-targeted nanoparticle with bacteria forced release of polymyxin B for pneumonia therapy. Nanoscale. 2022 Oct 27;14(41):15291-15304. doi: 10.1039/d2nr02026b. PMID: 36039653.

[3]. Wang B, Zhang T, Yin J, Yu Y, Xu W, Ding J, Patel DJ, Yang H. Structural basis for self-cleavage prevention by tag:anti-tag pairing complementarity in type VI Cas13 CRISPR systems. Mol Cell. 2021 Mar 4;81(5):1100-1115.e5. doi: 10.1016/j.molcel.2020.12.033. Epub 2021 Jan 19. PMID: 33472057; PMCID: PMC8274241.

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