CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Kháng sinh 1. Định nghĩa kháng sinh và phân loại theo cấu trúc hóa học Kháng sinh (antibiotics) là những chất kháng khuẩn (antibacterial substances) được tạo ra bởi các chủng vi sinh vật (vi khuẩn, nấm, Actinomycetes), có tác dụng ức chế sự phát triển của các vi sinh vật khác [58]. Theo quan điểm hiện đại, kháng sinh được mở rộng đến cả những chất kháng khuẩn có nguồn gốc tổng hợp như các sulfonamid và quinolon.
Hiện nay, có nhiều cách để phân loại kháng sinh nhưng cách phân loại phổ biến nhất là dựa trên cấu trúc phân tử, cơ chế tác động và phổ hoạt động của từng kháng sinh. Một vài cách phân loại khác trong đó có thể bao gồm đường đưa thuốc (đường tiêm, đường uống hay đường đặt trực tràng…). Kháng sinh trong cùng một nhóm cấu trúc sẽ thể hiện các đặc tính tương tự như nhau về hiệu quả tác dụng, độc tính và cả tác dụng không mong muốn. Phân loại kháng sinh theo cấu trúc hóa học [58,20] STT Tên nhóm Phân nhóm Đại diện 1 Beta-lactam Penicilin penicilin G-V, amoxicilin, ampicilin … Cephalosporin cephalexin, cefixim, cefepim, ceftriaxon, … Carbapenem imipenem, doripenem, meropenem, ertapenem Monobactam aztreonam Các chất ức chế beta- sulbactam, tazobactam, lactamase acid clavulanic … 2 Aminoglycosid gentamycin, tobramycin, amikacin … 3 Macrolid erythromycin, spiramycin, azithromycin … 4 Lincosamid lincomycin, clidamycin… 5 Phenicol chloramphenicol 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 6 Tetracyclin tetracyclin, doxycyclin, mynocyclin 7 Peptid Glycopeptid vancomycin, teicoplanin Polypeptid polymyxin, colistin Lipopeptid daptomycin 8 Quinolon ciprofloxacin, ofloxacin, levofloxacin… 9 Sulfamide sulfamethoxazole, sulfanilid sulacetamide … 10 Các nhóm kháng metronidazole, nystatin, sinh khác griseofulvin … 1.
Cơ chế và vị trí tác dụng của kháng sinh Hoạt tính kháng khuẩn của hầu hết các nhóm kháng sinh đều liên quan trực tiếp đến các đặc tính điển hình của cấu trúc vi khuẩn hoặc các quá trình trao đổi chất của chúng. Để tìm hiểu vị trí tác dụng của một loại kháng sinh cụ thể trước hết phải nắm được cấu trúc của kháng sinh và nơi nó có thể gắn kết (Hình 1). Hầu hết các đích của kháng sinh thường liên quan trực tiếp đến tế bào vi khuẩn thông qua việc ức chế quá trình sinh trưởng của tế bào hoặc ức chế hình thành vật liệu di truyền [16]. Các vị trí tác dụng của kháng sinh [16] 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.
Ức chế quá trình sinh tổng hợp protein Kháng sinh ngăn cản sự khởi đầu quá trình tổng hợp protein bằng cách gắn vào tiểu đơn vị ribosom 30S và 50Svới các cơ chế bao gồm: Liên kết không đảo ngược với ribosom 30Svà ngăn cản phức hệ khởi đầu 30S (30S- mRNA-tRNA): Các aminoglycosid (diệt khuẩn). Liên kết có thể đảo ngược với ribosom 30S và ức chế quá trình liên kết aminoacyl-t- RNA với vị trí tiếp nhận trên ribosom 70S: Các tetracycline (kháng khuẩn). Cản trở có thể đảo ngược quá trình tương tác giữa mRNA và ribosom 30S mà không gây sai sót trong dịch mã mRNA như các aminoglycoside: spectinomycin (kháng khuẩn). Liên kết với ribosom 50S ức chế hoạt tính của peptidyl transferase: lincomycin, clindamycin, cloramphenicol (kháng khuẩn) Ức chế quá trình chuyển vị trí của peptidyl tRNA từ vị trí A đến P trên ribosom bằng cách liên kết với ribosom 50S-23S RNA: các marcrolid (kháng khuẩn) Ngoài cơ chế trên, các kháng sinh còn có khả năng tác động lên quá trình kéo dài chuỗi peptid nhờ vào liên kết với yếu tố kéo dài G (EF-G) và ức chế giải phóng EF-G từ phức hệ EF-G/GDP: acid fusidic (kháng khuẩn) 1.
Ức chế quá trình sinh tổng hợp acid nucleic Kháng sinh có thể tác động quá trình sinh tổng hợp acid nucleic bao gồm cả sinh tổng hợp RNA và DNA. Quá trình ức chế sinh tổng hợp RNA nhờ vào liên kết với các RNA polymerase độc lập với DNA và ức chế sự khởi đầu tổng hợp RNA: rifampin, rifamycin, rifampicin (diệt khuẩn). Đối với sinh tổng hợp DNA, kháng sinh liên kết với tiểu đơn vị A của DNA gyrase (topoisomerase) và ngăn cản quá trình siêu cuộn xoắn của DNA bởi vậy ức chế quá trình tổng hợp DNA: quinolon, fluoroquinolone, acid oxolinic (diệt khuẩn). Bên cạnh cơ chế ức chế quá trình sinh tổng, một số kháng sinh còn là các tác nhân làm suy yếu chức năng của khuôn DNA.
Về mặt lý thuyết không có loại nào trong số các tác nhân trên được sử dụng trong trị liệu. Cơ chế của chloroquine và miracil D (lucanthone) là ức chế plasmodia và schistosome tương ứng bằng cách xen 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com kẽ vào DNA và từ đó dẫn đến ức chế tổng hợp acid nucleic. Thuốc nhuộm acridine như proflavine cũng hoạt động theo cơ chế xen kẽ, nhưng vì chúng có độc tính và gây ung thư ở động vật có vú nên chúng cũng không được sử dụng làm chất kháng khuẩn. Kìm hãm các quá trình trao đổi chất Cơ chế này thông qua quá trình ức chế sinh tổng hợp acid folic.
Đây là chất rất quan trọng trong quá trình trao đổi chất của cả acid nucleic và acid amin. Một số loại kháng sinh như sulphonamid và trimethoprim thể hiện tính chất như một cơ chất giả cần thiết cho quá trình trao đổi chất ở tế bào vi khuẩn. Cơ chế này làm cho enzyme của vi khuẩn gắn với kháng sinh thay vì gắn với cơ chế thông thường. Cụ thế đối với sulfonamid, đóng vai trò như tetrahydrofolate là một thành phần quan trọng trong việc tổng hợp acid folic ở tế bào vi khuẩn.
Các chất tương tự acid para-aminobenzoic ức chế cạnh tranh đối với sự hình thành acid folic: sulfonamid, sulfone, para-aminosalicylic, depsone (kháng khuẩn). Liên kết với dihydrofolate reductase và ức chế sự hình thành acid tetrahydrofolic: trimethoprim, methotrexate, pyrimethamine (kháng khuẩn). Tác động lên thành tế bào vi khuẩn Kháng sinh đại diện cho cơ chế ức chế sinh tổng hợp acid mycolic, một thành phần của thành tế bào vi khuẩn, là isoniazid. Tuy nhiên cơ chế chính tác động lên thành tế bào vi khuẩn của kháng sinh đó là quá trình ức chế tổng hợp thành tế bào vi khuẩn.
Quá trình tổng hợp peptidoglycan diễn ra theo ba bước, và mỗi bước đều có thể trở thành đích tác động của kháng sinh. Trong đó giai đoạn thứ ba của quá trình tổng hợp thành tế bào bao gồm quá trình polymer hóa và gắn peptidoglycan mới sinh vào thành tế bào là giai đoạn tác động chủ yếu của kháng sinh. Giai đoạn này có sự tham gia của các PBP đó là các enzyme thuộc họ transglycosylase và transpeptidase. Hai loại enzyme này đóng vai trò then chốt trong việc hình thành peptidoglycan bằng cách thêm các pentapeptide disaccarid để mở rộng chuỗi glycan của phân tử peptidoglycan đã có và cả chuỗi liên kết ngang của các đơn vị peptidoglycan chưa trưởng thành.
Các loại thuốc thuộc nhóm beta-lactam như penicillin, carbapenem và cephalosporin có thể ngăn chặn liên kết ngang của các đơn vị peptidoglycan bằng cách ức chế sự hình thành liên kết peptide được xúc tác bởi các PBP. 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Tác động lên màng tế bào vi khuẩn Kháng sinh có thể thay đổi tính thấm của màng với các ion natri và kali. Valinomycin thay đổi tính thấm của màng đối với ion K+ của cả tế bào nhân sơ và nhân chuẩn bởi vậy nó không phải là chất kháng khuẩn được dùng trong hóa trị liệu.
Tuy nhiên monensin (ở gia súc) và salinomycin (ở heo) được sử dụng rộng rãi trong thú y và có thể tức chế cả vi khuẩn, protozoa và metazoan ký sinh. Ngoài ra một số nhóm kháng sinh có thể liên kết với màng tế bào chất và khử cực, ví dụ như daptomycin khử cực màng phụ thuộc canxi, và điều đó dẫn đến sự ngừng tổng hợp đại phân tử và phá vỡ màng tế bào ở vi khuẩn. Một đích tác dụng quan trọng khác của kháng sinh trên màng tế bào đó là LPS. Kháng sinh sẽ liên kết với LPS để phá hủy lớp màng ngoài.
LPS có vài điểm tích điện âm có khả năng tương tác với các kháng sinh cyclopeptid như polymyxin và colistin tích điện dương, ngoài ra một vài phản ứng kỵ nước giữa hai phân tử cũng dẫn tới làm phân ra lớp màng ngoài. Các kháng sinh nhóm polyen tạo kênh ion giả gắn với màng sterol của màng tế bào nấm tạo ra phức hệ màng-polyen có thể thay đổi tính thấm của màng, dẫn tới làm thất thoát các thành phần của tế bào như ester phosphate, acid hữu cơ, nucleotide và thậm chí cả các protein tế bào. Cơ chế cuối cùng tác động lên màng tế bào là cản trở quá trình tổng hợp màng lipid. Những kháng sinh này ức chế quá trình liên kết của các tiểu đơn vị tạo thành ergosterol và có thể trực tiếp phả hủy màng tế bào nấm: các kháng sinh này thuộc nhóm imidazoles: miconazole, ketoconazole, clotrimazole, và fluconazole.
Kháng sinh nhóm beta-lactam Đây là nhóm kháng sinh lớn và được sử dụng rộng rãi trong công tác điều trị tại nhiều nơi. Việc đặt tên là kháng sinh beta-lactam dựa trên cấu trúc phân tử có vòng beta-lactam, một amid nội phân tử mà nhóm amin ở vị trí beta so với nhóm chức acid. Các kháng sinh nhóm này gắn vào PBP và ngăn cản quá trình sinh tổng hợp peptidoglycan ở thành tế bào làm cho tế bào vi khuẩn bị ly giải và chết. Nhóm kháng sinh này bao gồm 5 phân nhóm là: penicillin, cephalosporin, monobactam, carbapenem và nhóm chất ức chế beta-lactamase.
7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Penicillin [20,72] Đây là nhóm được Alexander Fleming phân lập đầu tiên từ môi trường nuôi cấy nấm Penicillium notatum. Dựa trên phổ tác dụng chúng được chia thành 4 loại: Penicillin tự nhiên: Tác dụng mạnh trên các cầu khuẩn Gram (+) không sinh penicillinase. Penicillin kháng penicillinase: Có phổ hẹp, được nghiên cứu chỉ nhằm tiêu diệt các tụ cầu sinh penicillinase mà loại penicillin tự nhiên không tác dụng.
Aminopenicillin: Có phổ mở rộng. Tác dụng tương tự như penicillin tự nhiên trên vi khuẩn Gram (+) nhưng yếu hơn, tuy nhiên lại mở rộng tác dụng trên một số vi khuẩn Gram (-) như Haemophilus influenza, Salmonella, Escherichia coli, … Penicillin phổ rộng: loại này có tác dụng mạnh hơn các loại khác trên các vi khuẩn Gram (-) (đặc biệt Pseudomonas và Proteus) do tăng tính thấm qua màng tế bào vi khuẩn. Ưu điểm chủ yếu của nhóm này là có tác dụng lên Pseudomonas aeruginosa. Cephalosporin Năm 1948, Abraham và cộng sự đã phân lập được từ môi trường nuôi cấy nấm Cephalosporium acremonium hợp chất đặt tên là cephalosporin C.
Hợp chất này có tác dụng kháng khuẩn nhưng rất yếu, tuy nhiên nó lại chính là tiền đề cho việc tổng hợp ra các loại cephalosporin sau này. Hiện nay có bốn thế hệ cephalosporin được phân loại dựa trên phổ tác dụng đối với vi khuẩn Gram (-) và độ bền của chúng đối với các beta-lactamase [72]. Thế hệ I: Tác dụng mạnh nhất trên các vi khuẩn Gram (+) và yếu nhất trên vi khuẩn Gram (-). Không bền và dễ bị beta-lactamase phá hủy.