藥學雜誌電子報95期

No. 96
中華民國九十七年九月三十日出版

抗生素治療ESBLs菌種之探討


竹山秀傳醫院藥劑科藥師 陳信宏

壹、引言

Extended-spectrum β-lactamases (ESBLs) 是對β-lactam類抗生素具有抗藥性最常見的一種酵素,β-lactam類抗生素包含penicillins, cephalosporins,與monobactam (aztreonam)。當已被ESBL菌株感染時,β-lactam類抗生素對於已經產生ESBL菌株的療效有限。然而,carbapenems對於這類菌株在治療上是不錯的選擇。

Extended-spectrum β-lactamases (ESBLs)是發展迅速具有水解第三代cephalosporins和aztreonam能力卻能被clavulanic acid所抑制的β-lactamases。由於β-lactamases活性位置周圍的胺基酸結構發生變種而形成主要的TEM-1,TEM-2,和SHV-1基因型態,此類β-lactamases會水解廣效型的β-lactam (oxyimine-β-lactam) 抗生素而影響抗菌效果,也越來越多不是TEM或SHV的基因型態的其他種類的ESBLs也被發現。目前ESBLs載體 (carries) 在臨床上具有極大的意義存在,ESBLs會進行質體譯碼(encoded),而承載ESBL基因的質體因為已經產生基因譯碼,故而產生抗藥性的菌株。因此治療ESBLs菌株感染的抗生素選擇受到很大的限制。雖然Carbapenems嚴重的ESBLs菌株感染的選擇用藥,但是在近年來也有carbapenem抗藥性的菌株被發現。ESBLs菌株似乎對於一些廣效型cephalosporins具敏感性,但是使用此類抗生素治療會有較高治療失敗率1。

美國臨床實驗室標準全國委員會(National Committee for Clinical Laboratory Standards; NCCLS) 對klebsiellae與Escherichia coli是否產生ESBLs的鑑別試驗提供臨床指引,ESBLs鑑別的方法是當clavulanic acid與廣效型cephalosporins共存時會提高cephalosporins對抗ESBLs菌株的活性。ESBLs是gram-negative細菌面對新型的抗生素所產生抗藥性機轉中一種新的能力1。

貳、β-lactams抗藥性的機轉2

Penicillins與其他β-lactams引起抗藥性的機轉:(1)被β-lactamase去活性。(2)Penicillin-binding proteins(PBPs)作用位置的改變。(3)藥物到達PBPs的穿透能力減弱。(4)藥物經由輸出幫浦被排出細胞外。β-lactamase生成是細菌產生抗藥性最常見的機轉。人體中有許多不同型態的β-lactamase已經證實是存在的,在此所討論到的如Pseudomonas aeruginosa 所引起的AmpCβ-lactamase與Enterobacter sp.所引起的extended-spectrumβ-lactamase (ESBL),這些酵素對於Cephalosporins與Penicillin具有相當高的水解能力。Carbapenems對於Cephalosporinase與Penicillinase具有高度的抵抗能力,但是會被metallo- β-lactamase與Carbapenemase所水解2。

β-lactam抗生素必須經過gram-negative細菌外膜的蛋白質通道(porins)而穿越細胞外膜進入菌體。當這種特有的通道受損或向下調節時,就會使抗生素進入細菌的濃度大量降低。然而抗生素進入細菌的濃度雖然不充足,最終仍能抑制細菌生長,因此尚不能構成gram-negative細菌產生抗藥性的主要機轉,而是進入菌體的微量β-lactam抗生素不足以抗衡菌體所產生的β-lactamase的水解而失去抗菌活性。Gram-negative菌種也會產生輸出幫浦(efflux pump),輸出幫浦是存在於細胞質與周質體的蛋白質結構,其可以有效地運輸β-lactam抗生素從周質體逆向排除到細菌外膜外2。

圖一2,是革蘭氏陰性菌細胞外殼之簡易圖。外模脂質雙層,只存在於革蘭氏陰性菌,革蘭氏陽性菌並不存在。外膜脂質雙層由蛋白質所構成蛋白質通道(porins) 所穿越,使親水性物質通過進入細胞膜。胜醣層是細胞獨特的構造,革蘭氏陽性菌較陰性菌厚,外膜與胜醣一起構成細胞壁。Penicillin-binding proteins(PBPs)為膜蛋白,與胜醣交錯鍵結。β-lactamase若存在於周質體(periplasmic),或細胞質膜(cytoplasmic membrance)之外側。其會水解穿越外膜進入菌體內的β-lactam抗生素。

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圖一 革蘭氏陰性菌細胞外殼的簡易圖2

參、ESBLs的分類特性

根據β-lactamases在機能上所呈現特色而有不同,Bush-Jacoby-Medeiros group主要區分為三大類(如表一)3:第一類β-lactamases:cephalosporinases(以AmpC enzymes為典型),主要水解對象為Cephalosporins;clavulanic acid所產生的抑制活性並不高。第二類β-lactamases:涵蓋的範圍較為廣泛,以penicillinases, cephalosporinases, 和廣效型β-lactamases為主,且可被clavulanic acid抑制活性。第三類β-lactamases:metallob-lactamases以penicillins, cephalosporins, 和carbapenems為水解對象。這些β-lactamases的機能特色和胺基酸排列順序不同而產生分子結構差異互相關聯3。其中又以TEM、SHV與OXA是ESBLs最常見的基因型態,分別歸類在classA與classD。

根據各分類系統之定義,ESBLs多具有下列幾項特徵:(1)可有效分解oxyimino cephalosporins類抗生素。(2)有serine active site。(3)其活性可被β-lactamase抑制劑(如:clavulanic acid、sulbactam或tazobactam等)抑制。(4)多數ESBL皆由超過100 kb的質體產生,且該抗藥性基因可藉由質體於同種間或不同菌種間傳播4。雖然ESBLs對於各種oxyimino-β-lactam(如圖二)抗生素都有水解活性,但卻無法水解cephamycins (cefoxitin, cefotetane與cefmetazole)和carbapenems (imipenem, meropenem及ertapenem)。

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圖二 Cefotaxime化學結構式(具oxyimino-β-lactam結構,易被ESBLs水解)

肆、ESBLs院內感染的控管

一篇研究,是在一間擁有一千床,每年住院人數約有23,000位病人的教學醫院,其提供成人急性症狀醫療與術後照顧,排除掉小兒科、婦產科及燒傷病患。該間醫院共有三處ICU,每一處ICU有12床,每兩床由一名護士照顧,器官移植病人則有一名護士照顧,每床都是獨立病房。

從1993年1月到1995年12月。以在加護病房與非加護病房針對ESBL-KP與Non-ESBL-KP菌株培養收集資料,在444位病人中培養出550個菌株,其中共有202個ESBL-KP菌株(如表二)。在加護病房所培養ESBL-KP的總菌株數顯然的比非加護病房來的高5。再者,該醫院於1985年開始就以ceftazidime用於加護病房之嚴重感染症狀之病患。在1993年9月開始管控oxyimino-β-lactam在加護病房的使用,從1993年5月到8月之間開始管控使用oxyimino-β-lactam之前的189DDD/1000位病人-天(藥品耗用劑量以每日定義日劑量Defined Daily Dose, DDD來表示),降低到24DDD/1000位病人-天(1995年9月到12月),則培養出ESBL-KP菌株件數由1994年的1月到4月之間的5.7(件數/1000病人-每天)降低至1995年5月到8月之間的0.6(件數/1000病人-每天)5,如圖三。在此說明了在加護病房治療的病人與醫療單位大量使用oxyimino-β-lactam的確是ESBL-KP菌株盛行的危險因子之一。

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圖三 是在加護病房管制使用oxyimino-β-lactams之後,影響ESBL-KP與non-ESBL-KP相對比例的結果5

伍、 各類抗生素對於ESBL菌種療效之探討

一、Carbapenems

在一篇根據觀察研究6,在455例有K. pneumoniae菌種的培養結果中,有85例已經產生ESBL菌種。在血液培養確定為ESBLs菌種是在五天之後,給予在體外試驗不具抗菌活性的抗生素的死亡率(11例中,7例死亡,死亡率63.6%)比給予體外試驗具抗菌活性的死亡率(71例中,10例死亡,死亡率14.1%)顯著地高。投與具抗菌活性抗生素的71例中,42例是採用十四天的carbapenem抗生素單一療法或合併治療,有兩例是死亡的(死亡率4.8%)。在沒有投與carbapenem抗生素的29例中,有8例死亡(死亡率27.6%)。使用carbapenem治療ESBLs菌種感染可明顯的降低死亡率(mortality)6。

ESBLs菌種對於cephalosporins與aztreonam有抗藥性,且通常連帶aminoglycosides與其他藥物都會有抗藥性,但是該菌種只剩下對carbapenems有敏感性了7。Ertapenem是一種新的carbapenem,對於Gram-positive、Gram-negative與厭氧菌,包含ESBL菌種皆有抗菌能力8。當在加護病房發現產生ESBL的Enterobacteriaceae 。Cephalosporins應該避免用於單一療法,因會容易產生ESBLs的菌種9。比較值得信賴選擇是使用carbapenem (imipenem-cilastatin, ertapenem, or meropenem)10。Carbapenems對於Klebsiella pneumoniae之ESBLs菌種一直以來都有著非常好的體外敏感性6。Cephamycins對於ESBLs也有潛在的治療效果7,11。在一篇研究報告提到:E. coli和K. pneumoniae菌種之中,有一些菌種因為在質體產生plasmid-mediated AmpC-type b-lactamase(被命名為ACT1)而對cefoxitin和cefotetan產生抗藥性。除此之外,一些K. pneumoniae菌種所產生的ACT-1也會對imipenem(圖四)也會產生抗藥性,是因為該菌種的細菌外膜通道(porins)受損而使菌種內抗生素的濃度太低12。

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圖四 Imipenem化學結構式

二、Cephamycin

(一)、Cefmetazole

Cefmetazole(圖五)是cephamycin半合成的衍生物。Cephamycins不同於其他cephalosporins的是在β-lactam環的7-position有一個methoxyl group,這樣對於gram-positive與gram-negative細菌的β-lactamase具有抵抗能力,且扮演對抗cephalosporin具抗藥性的菌種 (Schell et al, 1986)。Cefmetazole發現對於PBPs的作用位置比cefoxitin or cefotetan更具親合性。Cefmetazole比第一代cephalosporin衍生物更具有對抗gram-negative細菌的活性,它能有效對抗包含Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae, Hemophilus influenzae, Proteus mirabilis, 與其它Proteus spp13。

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圖五 Cefmetazole化學結構式

(二)、Flomoxef

lomoxef(圖六)是一個和moxalactam類似的oxacephem (oxacephalosporin)的抗生素。其不同於moxalactam的是以hydroxyethylthiotetrazole group取代methylthiotetrazole group(Ruckdeschel & Eder, 1988)12。Flomoxef根據推測和其他β-lactam抗生素一樣,所呈現的抗菌活性的機轉是藉由和penicillin-binding proteins (PBPs) 結合而抑制細菌細胞壁的合成。β-lactam抗生素是隨著β-lactam環上的CO-N鍵結斷裂,使transpeptidase乙醯化而失去活性。在β-lactam抗生素的暴露之下,當細菌細胞壁聚集受到阻礙時,細菌細胞壁的細胞自溶酵素autolytic enzymes (autolysins and murein hydrolases) 在持續的活性之下,細菌最後會細胞溶解(Gilman et al, 1990)13。Flomoxef是cephamycins唯一中具有difluoromethylthioacetamido group14,使其在Enterobacteriaceae的ESBL菌種具有較好的體外敏感活性11。

在一篇研究中發現,使用cephamycin (eq: cefoxitin)來治療由Enteracteriaceae所引起感染症。在病患體內發現於細菌外膜通道 (porin) 發生突變的菌株,進一步研究之後必須澄清同為cephamycin類之flomoxef是可以對抗此突變的菌株,因為flomoxef的最小抑菌濃度(MIC)顯著地比cefoxitin小11。在此篇研究中發現flomoxef有可能建議治療ESBL-KP所引起的感染11。

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圖六 Flomoxef 化學結構式

三、Cephalosporins

一篇研究是以美國、台灣等地區共十二間醫院共有455例的K. pneumoniae(440位病人)具有ESBLs菌種感染共有85例,其中32位病人隨機投與具有oxyimino-β-lactam的cephalosporins (eg, cefotaxime, ceftazidime, ceftriaxone, cefepime)。其中四位病人投與在敏感度試驗不具抗菌活性的cephalosporins,4位病人皆治療失敗。例外28位病人投與體外敏感度試驗具抗菌活性的cephalosporins,其中15位病人是治療失敗的,有四位病人是在開始使用cephalosporins治療之後的第14天死亡,另外11位改用carbapenem治療,感染症狀改善。Cephalosporins儘管在體外試驗對抗ESBL-KP是有敏感性的,但是用於治療因ESBL-KP引起的嚴重感染卻會治療失敗15。

四、Quinolones

一篇研究報告是評估imipenem與ciprofloxacin對於ESBL-KP菌株所引起的菌血症效療效果的評估16。使用ciprofloxacin的七位病人之中,有五個治療失敗,兩個病人治療是有反應的;使用imipenem治療效果是非常不錯的(十個病人之中八個是有療效的)13。

陸、結論

廣效性Cephalosporins一般用於Pseudomonas aeruginosa之院內感染的經驗療法,卻導致ESBLs之菌株產生。其實當在體外之敏感性試驗儘管ESBLs之菌株對廣效性Cephalosporins具敏感性。建議不要使用Cephalosporins來當作治療用藥,Carbapenems是目前對於該菌種是比較建議使用的抗生素。然而clavulanate對於Extended-spectrum β-lactamases (ESBLs) 有抑制能力,但對於Pseudomonas aeruginosa反倒容易誘導出AmpCβ-lactamases7。積極的使用Carbapenems做ESBLs菌種感染的治療是可以提高病人治療的成功率,卻提高Carbapenems產生抗藥性的風險。Imipenem在各種菌株所產生的抗藥性中,多重型態的AmpC lactmase與廣效型β-lactmases存在的壓力之下,最讓人感到困擾莫過於K. pneumoniae菌株面對抗生素的治療時不斷的蛻變所產生的抗藥性,但往往只能選擇imipenem來治療嚴重的感染症12。使用piperacillin-tazobactam來治療是可避免Carbapenems產生抗藥性的風險,但是治療的效果不彰,也會延長病患的住院天數,增加醫療花費。

目前Cephamycins類的Cefmetazole與Flomoxef已在臨床上使用,這也許是提高療效與避免因Carbapenems濫用而引起抗藥性風險的平衡點,對於臨床上已經產生ESBLs菌種的治療上又多了一項選擇。但是也有報告指出Flomoxef對於Klebsiella pneumoniae反而有誘導對於Carbapenems有抗藥性的風險存在。

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表一 β-lactamases 的分類3

Bush-Jacoby-Medeiros group

1989 Bush group (44)

Richmond-Sykes class (253)

Mitsuhashi-Inoue type (194)a

分子分類

(2, 121, 132)

易被誘導物質

Inhibited by:

代表性的酵素

CAb

EDTA

1

1

Ia, Ib, Id

CSase

C

Cephalosporins

-

-

AmpC enzymes from gramnegative bacteria; MIR-1

2a

2a

未包含

PCase V

A

Penicillins

+

-

Penicillinases from grampositive bacteria

2b

2b

III

PCase I

A

Penicillins, cephalosporins

+

-

TEM-1, TEM-2, SHV-1

2be

2b'

未包含except K1 in class IV

CXase

A

Penicillins, narrow-spectrum and extended-spectrum cephalosporins, monobactams

+

-

TEM-3 to TEM-26, SHV-2 to SHV-6, Klebsiella oxytoca K1

2br

未包含

未包含

未包含

A

Penicillins

+-

-

TEM-30 to TEM-36, TRC-1

2c

2c

II, V

PCase IV

A

Penicillins, carbenicillin

+

-

PSE-1, PSE-3, PSE-4

2d

2d

V

PCase II, PCase III

D

Penicillins, cloxacillin

+-

-

OXA-1 to OXA-11, PSE-2 (OXA-10)

2e

2e

1c

CXase

A

Cephalosporins

+

-

Inducible cephalosporinases from Proteus vulgaris

2f

未包含

未包含

未包含

A

Penicillins, cephalosporins, carbapenems

+

-

NMC-A from Enterobacter cloacae, Sme-1 from Serratia marcescens

3

3

未包含

未包含

B

Most b-lactams, including carbapenems

-

+

L1 from Xanthomonas maltophilia,
CcrA from Bacteroides
fragilis

4

4

未包含

未包含

NDc

Penicillins

-

?

Penicillinase from Pseudomonas
cepacia

a Csase, cephalosporinase; PCase, penicillinase; CXase, cefuroxime-hydrolyzing β-lactamase.

b CA, clavulanic acid.

c ND, not determined.

* Corresponding author. Phone: (914) 732-4440. Fax: (914) 732-5687

表二 在1993年1月到1995年12月之間,宿主已經被K. pneumoniae感染或繁殖時所採集的樣本5

臨床樣本

No. (%) of isolates

ICU

Non-ICU

ESBL-KP

Non-ESBL-KP

ESBL-KP

Non-ESBL-KP

(n = 107)a

(n = 100)

(n = 38)

(n = 199)

尿液

025 (23)

034 (34)

21 (55)

081 (41)

傷口

019 (18)

011 (11)

13 (34)

047 (24)

呼吸道

028 (26)

042 (42)

01 (03)

026 (13)

血液

043 (40)

020 (20)

06 (16)

027 (13)

導尿管

039 (36)

024 (24)

00 (16)

016 (08)

其他

005 (05)

006 (06)

02 (05)

014 (07)

總計

159 (54)

137 (46)

43 (17)

211 (83)