Kháng Sinh Họ BLACTAMIN

• Hoạt hóa hệ thống thủy giải ở tế bào vi trùng, gây tổn thương và giết chết vi trùng Vi khuẩn đề kháng với các β lactamin theo các cơ chế sau: • Đề kháng enzym: vi khuẩn tiết ra beta la

KHÁNG SINH HỌ β-LACTAMIN

1 ĐẠI CƯƠNG

Kháng sinh thuộc họ β -lactamin là những kháng sinh có cấu trúc azetidin-2- on (còn được gọi là vòng

β -lactamin) - một amid vòng bốn cạnh.

Dị vòng azetidin 2-on thường được liên kết với một dị vòng khác:

Azetidin-2- on + thiazolidin → cấu trúc Penam (nhóm penicillin) Trong nhóm này còn có các chất tương đồng với penicillin mang cấu trúc Penem, Carbapenam và Oxapenam (nhân

O

1 2

3 4 azetidin-2-on

beta-lactam

N S

O

HN

CH3COOH

H H

H

CH3CO

R

1 23

4 5 6 7

N C

COOH

N O

O

HN

COOH

H H

H

CO R N

S

O

HN H HCO

O

COOH

R2

H H HN CO

R1

1

2 34 5 6 7

8 Cephaslosporin

N S

O

COOH

R2

OCH3HN

CO

R1

N C

O

COOH

R2

HN CO

R1

H H

X R1 CO HN R3

R2COOH O

O N

cephamycin carbacephem oxacephem

Hoạt tính kháng khuẩn của những kháng sinh họ β lactamin phụ thuộc vào:

• Sự hiện diện của một chức có tính acid trên N hoặc C2

• Sự hiện diện của một chức amid khác có N gắn ở vòng azetidinon

• Cấu dạng của 2 hoặc nhiều carbon bất đối

Các kháng sinh họ β lactamin thể hiện tác động diệt khuẩn do:

• Ức chế những enzym tham gia vào quá trình tổng hợp peptidoglycan (thành phần chính của vách tế bào vi khuẩn)

• Hoạt hóa hệ thống thủy giải ở tế bào vi trùng, gây tổn thương và giết chết vi trùng

Vi khuẩn đề kháng với các β lactamin theo các cơ chế sau:

• Đề kháng enzym: vi khuẩn tiết ra beta lactamase, thủy phân vòng beta lactam tạo những dẫn chất không có hoạt tính

• Đề kháng không enzym bằng cách thay đổi tính thẩm thấu của màng tế bào vi khuẩn (nhất là ở vi khuẩn gram âm); biến mất hoặc biến đổi các PBP (chủ yếu ở vi khuẩn gram dương)

NHÓM PENICILLIN

Năm 1929 Flemming ly trích được benzyl penicillin (penicillin G) từ môi trường nuôi cấy

Penicillium notatum, đến năm 1949 chất này được đưa vào sử dụng trong lâm sàng Đến năm

1957 người ta tách được 6APA, mở đầu cho một loạt các penicillin bán tổng hợp

Cấu trúc chung

Phương pháp sinh học

Các penicillin thiên nhiên có được từ môi trường nuôi cấy Penicillium notatum Có nhiều

penicillin thiên nhiên, khác nhau do các nhóm R, chỉ có 2 chất trong nhóm này được sử dụng để điều trị:

- Penicillin G = benzyl penicillin

- Penicillin V = phenoxy methyl penicillin

Để có được penicillin mong muốn, người ta thêm vào môi trường nuôi cấy các tiền chất tươngứng Ví dụ thêm acid phenyl acetic hoặc amid của chúng trong trường hợp muốn có penicillin

G hoặc acid phenoxy acetic trong trường hợp muốn có penicillinV

N

SO3H O

O

NH

CH3COOH

H H

H

CH3C

R O

Penicillin

Ngày nay bằng phương pháp đột biến (dùng tia X hoặc tia cực tím), người ta có thể tạo được những chủng Penicillium cho năng suất cao hơn so với chủng cổ điển.

Phương pháp bán tổng hợp

Từ 1950, nhiều nghiên cứu được thực hiện để có được những penicillin bán tổng hợp có thể uống được, kháng được β lactamase, phổ rộng hơn so với các penicillin thiên nhiên

Quá trình bán tổng hợp thường bao gồm 2 giai đoạn:

• Giai đoạn tạo 6APA theo 2 cách:

+ Thủy phân benzyl penicillin (thu được từ phương pháp sinh học) bằng cách dùngacylase (tiết ra từ Escherichia hay Alcaligenne ) để cắt nhóm acyl, tạo 6APA

+ Hoặc thủy phân bằng phương pháp hóa học dưới tác động của dimethyldicloro silan (CH3)2SiCl2 ở -400C, tiếp theo là sự thủy giải với n-butanol cũng ở -400C và sự thủy giải nhanh ở 00C

• Giai đoạn acyl hóa 6APA bằng acid clorid tương ứng có sự hiện diện của triethylamin

Tính chất

Tính chất vật lý

Các penicillin dưới dạng muối hoặc dạng acid là những bột trắng không mùi khi tinh khiết.Phổ UV: đa số các nhóm R acyl hóa trên 6APA đều là vòng thơm nên cho phổ hấp thu ở vùng

UV có thể ứng dụng được

Phổ IR: ở vùng 1600-1800 cm-1 có các đỉnh đặc trưng với các nhóm sau đây:

• Nhóm lactam ở giữa 1760 và 1730 cm-1

• Chức amid ngoại vòng ở giữa 1700 và 1650 cm-1

N S

O

NH

COOH

H H

O

COO H

N C Cl

CH2O

SiMe22

N S

O

H2N

COOH

H H

H

Acylase

Penicillin G

N S

O

COOH H

N C O

CH2O

O

H 2 N

COOH

H H

H CO

R

• Chức carboxyl ở khoảng 1600 cm-1

Tính chất hóa học

Tính acid

Các penicillin có khả năng tạo muối natri và kali tan trong nước, trong khi đó các muối kim loại nặng (ví dụ muối Cu++) thì không tan hoặc kích thích sự phân hủy

Các penicillin cũng có khả năng tạo muối với các amin:

+ Tạo các penicillin thủy giải chậm (tác động trễ) như procain penicillin (tác động kéo dài 24-48h), benethamin penicillin (tác động kéo dài từ 3-7 ngày), benzathin penicillin (tác động kéo dài 2-4 tuần)

+ Một số chất có tính base ví dụ các aminosid, các alkaloid khi trộn chung với penicillin trong cùng một ống tiêm sẽ gây ra kết tủa

Các penicillin cũng có khả năng tạo thành những este, sẽ là những tiền chất có khả năng phóng thích trở lại các kháng sinh này invivo.

Tính không bền của vòng beta lactam

- Sự phân hủy trong môi trường kiềm: ở pH ≥ 8 sẽ có sự tấn công cuả ion OH- trên carbonyl lactam gây ra sự mở vòng theo qui luật chung, cuối cùng sẽ có sự tạo thành acid penicilloic, nhưng sự decarboxyl có thể xảy ra tiếp theo để tạo acid penilloic

Nếu trong môi trường có sự hiện diện của những muối kim loại nặng (Zn2+, Cd2+, Pb2+ hoặc

Hg2+) sẽ làm cho acid penicilloic bị phân hủy thành carbinolamin không bền, chất này sẽ tiếp tục bị phân hủy tạo D-penicillamin và acid penaldic Acid penaldic đến lượt nó có thể bị decarboxyl hóa để trở thành penicillo-aldehyd

→

N S

O

NH

CH3COOH

H

CH3C

CH3COOH

H

CH3C

R O O O H

HN

S C

NH

CH3COOH

H

CH3C

R

O

O O

-CO2

NH C R O

3 H

COOH

CH3

S HN

CH3S

HN

Hg Cl CH

NH C

- Sự alcol phân và amino phân: vòng beta lactam nhạy với một số tác nhân ái nhân khác với xúc tác của các ion kim loại nặng: Cu 2+, Zn 2+, Sn 2+ ; ví dụ nếu tác nhân ái nhân là

hydroxylamin (NH 2OH) thì sản phẩm tạo thành là dẫn chất của acid hydroxamic, chất này sẽ tạo phức với Fe+++ (màu đỏ) hoặc với Cu++ (màu xanh ngọc)

- Sự phân hủy trong môi trường acid: dưới sự hiện diện của ion H+, sự tấn công ái điện tử trên nguyên tử S, kích thích sự mở vòng lactam và vòng thiazolidin, tiếp theo là sự tái sắp xếp để tạo thành cấu trúc oxazolic của acid penicillenic Cuối cùng, nếu môi trường quá acid, có thể tạo thành acid penillic

- Ngoài ra vòng β lactam có thể bị mở bởi β lactamase tiết ra từ vi khuẩn

Định lượng

Sản phẩm phân hủy của các penicillin có tính khử được xacù định bằng phương pháp oxy hóa (có thể bằng dung dịch nitrat Hg, điểm tương đương được xác định bằng phương pháp đo thế).Sản phẩm cần định lượng được định lượng trong cùng một điều kiện như thế sau khi cho tác dụng với NaOH trong vòng 15 phút

Từ đó suy ra hàm lượng penicillin nguyên vẹn chưa mở vòng β lactam

Độc tính và tai biến

Các kháng sinh nhóm penicillin rất ít độc, tai biến chủ yếu do dị ứng, dị ứng nhẹ gây ngứa, nổi mề đay; dị ứng nặng gây shock phản vệ, có thể xảy ra cho người dùng thuốc lần đầu, nhưng thường xảy ra nhất ở những người dùng thuốc nhiều lần, ít xảy ra ở trẻ em do cơ chế miễn dịch yếu cũng như chưa dùng thuốc nhiều lần Triệu chứng shock phản vệ nặng nhất là phù phổi và trụy tim mạch (rất nguy hiểm), phù thanh quản gây nghẹt thở

N S

O

NH

CH3COOH

H

CH3C

R

O

N

S CO

NH

CH3COOH

H

CH3C

R O

D D

N S

O

CH3COOH

CH3N

CH N

C R

O C

CH3

COOH

CH3C HS N H O

H 7

6 5 4

3 2 1

CH3COOH

CH3H

C O

R C

N CH C

N N C S

COOH R

6 5 4

3 2 1

6 7

1 234 5

Phân loại Penicillin nhóm I

Penicillin thiên nhiên

Penicillin G Penicillin V

- Penicillin G (benzyl penicillin): gồm loại tác động nhanh (benzyl penicillin Na hoặc K) và loại tác động chậm (procain penicillin, benethamin penicillin, benzathin penicillin) Dùng bằng đường tiêm.

1 UI = 0,6µg benzyl penicillin natri hoặc 1 UI = 0,627µg benzyl penicillin kali

- Penicillin V (phenoxy methyl penicillin): do có sự hiện diện của nhóm phenoxy methyl trên nhóm carboxamid, nguyên tử oxy cạnh nhân benzen làm cho dãy bên cạnh có tính hút e - (ngược lại với penicillin G), đảm bảo tính bền trong môi trường acid, giới hạn sự chuyển thành acid penicillenic trong môi trường dạ dày Vì vậy, penicillin V có thể dùng uống được nhưng nó thể hiện sinh khả dụng cũng không hoàn hảo

Penicillin bán tổng hợp Những chất này bền trong môi trường acid, hấp thu tốt hơn cho tỷ lệ hoạt chất trong huyết thanh cao hơn và thời gian bán hủy dài hơn

- Penicillin bán tổng hợp từ penicillin G: azidocillin, clometocillin

- Penicillin bán tổng hợp từ penicillin V: pheneticillin, propicillin, phenbenicillin

Phổ kháng khuẩnPenicillin nhóm I có phổ kháng khuẩn hẹp, không tác dụng trên trực khuẩn gram âm; hoạt tính chủ yếu trên:

- Cầu khuẩn gram dương: tụ cầu không tiết penicillinase, liên cầu, phế cầu (khuynh hướng tăng MIC và xuất hiện những chủng đề kháng)

- Cầu khuẩn gram âm: lậu cầu (khuynh hướng tăng MIC và xuất hiện những chủng đề kháng)

- Xoắn khuẩn: xoắn khuẩn giang mai, leptospira và Borelia burgdorferi.

- Trực khuẩn gram dương: trực khuẩn gây bệnh bạch hầu, bệnh than, listeria, erysipelothrix

Penicillin nhóm II

Gồm những penicillin phổ hẹp gần giống penicillin nhóm I, nhưng có khả năng kháng lại

penicillinase do tụ cầu vàng Staphylococcus aureus tiết ra Sự kháng lại penicillinase có được

chủ yếu do sự cản trở về mặt không gian cuả các nhóm thế ở vị trí amino-6

N S

O

HN

CH3COO

H H

H

CH3CO

O

HN

CH3COO

H H

H

CH3CO

CH2

o Z

α

K

Z = CH3 : pheneticillin = C 2 H 5 : propicillin = C6H5 : phenbennicillin

_ _ _

N S

O

HN

CH3COO

H H

H

CH3CO

CH2

N S

O

HN

CH3COO

H H

H

CH3CO

CH2

o

Penicillin nhóm III

Gồm những penicillin bán tổng hợp có được do sự thay thế trên Cα của chức carboxamid của penicillin G một nhóm amin Sự thay đổi về mặt cấu trúc làm mở rộng hoạt phổ trên các vi khuẩn gram âm và trên những vi khuẩn mà hai nhóm trên tác dụng yếu Tùy theo sự hiện diện hay không một nhóm thế trên nhóm amin, nhóm này được phân thành nhóm IIIA và IIIB

Nhóm IIIA: Ampicillin và các dẫn chất

Ampicillin và amoxicillin

Do hiệu quả hút e- của nhóm − NH2 nên ampicillin và amoxicillin bền trong môi trường acid, có thể dùng uống được So với ampicillin, amoxicillin hấp thu qua đường tiêu hóa tốt hơn và sự hấp thu không bị cản trở bởi thức ăn

Các tiền chất của ampicillin

N S

O

HN

CH3COO

H H

H

CH3CO

O CH3

O CH3

Na Meticillin

N S

O

HN

CH3COO

H H

H

CH 3 CO

C C N

O C CH3

X

Y

Na isoxazolylpenicillin

N S

Na N

NH N C

CH 3

H3C

C CO H

Các tiền chất của ampicillin sử dụng 2 vị trí bảo vệ tạm thời hoặc chức amin của ampicillin (hetacillin và metampicillin); hoặc chức acid trên C2 dưới dạng este yếu (pivampicillin và bacampicillin) Các tiền chất này hấp thu vào cơ thể dưới dạng không biến đổi, sau đó bị thủygiải cho trở lại ampicillin

Phổ kháng khuẩn

Phổ kháng khuẩn của nhóm này là phổ của penicillin G cộng thêm một số vi khuẩn gram âm

như Haemophilus, Escherichia, Proteus mirabilis, Salmonella, Shigella Một số vi khuẩn gây

nhiễm trùng mắc phải tại bệnh viện thì không nhạy cảm với nhóm kháng sinh này:

Enterobacter, Serratia, Proteus indol dương, Providencia, Bacillus pyocyanic.

Nhóm III B: N-acyl penicillin

Nhóm này được nghiên cứu từ 1970 theo hướng mở rộng hoạt phổ sang vi khuẩn gram âm nhất là những vi khuẩn mắc phải tại bệnh viện Gồm các kháng sinh azlocillin, mezlocillin, piperacillin

Về mặt phổ kháng khuẩn, các kháng sinh này thể hiện tác động trên các mầm đề kháng với ampicillin như : Klebsiella, Enterobacter, Proteus indol dương, Serratia, Pseudomonas…

Penicillin nhóm IV (α carboxy penicillin)

Cấu trúc có nhóm carboxyl trên carbon benzylic của peni G với mục đích mở rộng phổ sang

vi khuẩn gram âm không nhạy cảm với aminopenicillin Nhóm này gồm carbenicillin,

Ureidopenicillin

NaN

SO2 CH3

N C NH O

N

N

CH3O O

ticarcillin (dùng tiêm), carindacillin (dùng uống) Hoạt tính trên trực khuẩn mủ xanh là thành công đầu tiên của nhóm này.

Phổ kháng khuẩn: carbenicillin thể hiện tác động giống amino benzylpenicillin đối với cầu khuẩn gram dương, cầu khuẩn gram âm và trực khuẩn gram dương

Đối với trực khuẩn gram âm, tác động trên những loài nhạy cảm với ampicillin và thêm

những loài như: Pseudomonas aeruginosa, Proteus indol dương, Enterobacter, Serratia,

Providencia, Citrobacter, Acinetobacter, Yersinia, Klebsiella, Bacteroides fragilis.

Có hiệu ứng diệt khuẩn đồng vận với aminosid (gentamycin, tobramycin) trên trực khuẩn mủ xanh đa đề kháng

Ticarcillin có hoạt tính tốt hơn carbenicillin trên trực khuẩn mủ xanh

Penicillin nhóm V (6 α penicillin)

Temocillin (6 α methoxy ticarcillin)

N S

COOH O

CH3

CH3

OCH3HN

CO CH COOH S

Temocillin

Kháng sinh này ít hoạt tính trên cầu khuẩn gram dương và có hoạt tính trung bình trên các vi khuẩn Enterobacterie Temocillin có hoạt tính kém hơn cefotaxim hoặc ceftazidim

Peudomonas aeruginosae, Campilobacter và Acinetobacter cũng như những vi khuẩn gram âm

kỵ khí như Bacteroides fragilis đề kháng với temocillin.

S

H

HN

COO O

H H CO

CH 3

CH 3

HN CO

Formidacillin

Chất này có hoạt tính trên Enterobacterie, trực khuẩn gram âm nhưng không có tác dụng trên

vi khuẩn gram dương Hoạt tính của formidacillin mạnh hơn nhiều so với temocillin và piperacillin

Penicillin nhóm VI (Amidinopenicillin)

Nhóm penicillin này xuất hiện năm 1972, trong đó một chức amidin liên kết với N của acid 6APA Gồm mecillinam (dùng tiêm) và tiền chất của nó là pivmecillinam (uống)

Phổ kháng khuẩn hẹp, tập trung chủ yếu trên vi khuẩn gram âm Hoạt tính đối với vi khuẩn gram âm, có thể phân chia như sau:

• Rất nhạy cảm: Escherichia coli.

• Nhạy cảm: Yersinia, Salmonella, Shigella, Enterobacter, Citrobacter, Klebsiella (không sản xuất hoặc sản xuất yếu penicillinase).

• Nhạy cảm không thường xuyên: Proteus, Providencia, Serratia…

• Đề kháng: Haemophilus và Pseudomonas.

Amdinopenicillin có hoạt tính rất yếu khi dùng một mình Chúng có hiệu ứng đồng vận với các beta lactam khác (đồng vận với cephalosporin trên enterobacterie; với penicillin G trên staphylococcus)

CEPHALOSPORIN Đại cương

Năm 1948 lần đầu tiên người ta trích được cephalosporin C từ môi trường nuôi cấy

Cephalosporium acremonium Cepha C có hiệu quả trên những Staphylococcus đề kháng

Penicillin, nhưng hiệu quả này yếu không thể sử dụng trên lâm sàng, nên người ta thay đổi cấu trúc nhằm thay đổi hoạt tính của phân tử để có thể ứng dụng được trong điều trị Những biến đổi về mặt cấu trúc mong dẫn đến mở rộng phổ kháng khuẩn sang vi khuẩn gram âm, đặc biệt những vi khuẩn nguy hiểm trong môi trường bệnh viện; gia tăng sự đề kháng của phân tử đối với beta lactamase và cải thiện về mặt dược động học

Cấu trúc

Cấu trúc chung của các cephalosporin như sau

X = S phân biệt tùy thuộc R7

N S

O

N

CH3COO

H H

H

CH3CH

Na+

CH2 O CO C(CH3)3(HCl)

Mecillinam Pivmecillinam (Selexid)

8

R và R3 thay đổi

R7 = H hoặc OCH3

X = S hoặc O

Nhóm COOH có thể ở dạng acid, muối hay este.

Phân tử có 2 C bất đối C6 (R) C7 (R) mới có hoạt tính sinh học

Nhóm thế R làm biến đổi đặc tính kháng khuẩn (phổ, MIC) và tính bền của phân tử

Sự đề kháng với beta lactamase có thể có được bằng cách lựa chọn hợp lý R, R7 và X

Sự thay đổi trên R3 làm thay đổi đặc tính dược động học của phân tử (điều này có thể làm gia tăng hoạt tính kháng khuẩn đặc biệt đối với Staphylococcus và Pseudomonas)

Điều chế

Tất cả các cephalosporin sử dụng trong điều trị là những phân tử bán tổng hợp

Bán tổng hợp từ cephalosporin C

Cephalosporin C từ sự lên men được thủy giải thành acid 7-aminocephalosporanic (7ACA), sau đó có thể biến đổi (hoặc không) ở R3, tiếp tục được acyl hóa bằng acid clorid thích hợp

Bán tổng hợp từ penicillin

Nguyên tắc là làm rộng vòng thiazolidinyl của penicillin bằng cách gắn thêm một nhóm CH2

ở vị trí 2 sau đó biến vòng penam thành vòng cephem

H 2 O

acid 2-hydroxy adipic 7-ACA

NOCL HCOOH

COOHCOOH

3

CH3R

H

S

CH3COOH

Tính chất

Tính chất vật lý

Các cephalosporin thường ở dạng bột tinh thể trắng hoặc có màu nhẹ, không mùi hoặc có mùithoảng nhẹ Vài cephalosporin có mùi lưu huỳnh (ví dụ cefalexin, cefradin…)

Sự hiện diện của 3 carbon bất đối (6,7 và trong trưởng hợp α thay thế ở vị trí7), do đó trong dung dịch nước cephalosporin là những chất quay cực phải Có thể dựa vào năng suất quay cực để định tính hoặc kiểm độ tinh khiết.

Phổ UV: cấu trúc cephem cho 2 hấp thu một ở khoảng 260nm, một ở khoảng 220nm.

Phổ IR : như trường hợp penicillin vùng 1600-1800cm-1 là vùng đặc trưng nhất

Tính chất hóa học

Tính không bền của vòng beta lactam

Sự tấn công của các tác nhân ái nhân (AN): các base mở vòng azetidin -2 -on, tạo ra những dẫn chất của acid cephalosporic không có hoạt tính sinh học Những tác nhân ái nhân có thể là:

• các base (NaOH, KOH) tạo muối của acid cephalosporic

• các alcol (alcol phân) tạo các este của acid cephalosporanic.

• các amin (amino phân) tạo amid không có hoạt tính sinh học

Sự tấn công của tác nhân ái điện tử AE: ngược lại với penicillin, các cephalosporin bền hơn trong môi trường acid

N

H H N R O O

H

S

R 3

COOH H

N

H H N R

NH2OH

N

H H N R O

O

H

S

R3COOH NHOH

H

acid hydroxamic