药物作用和耐药机制
Original Essay: http://www2.tulane.edu/~wiser/protozoology/notes/drugs.html, by Mark F. Wiser, Tulane University
药物作用和耐药机制
（针对抗疟药）
化疗是治疗原虫感染的主要手段。 成功的化疗在很大程度上取决于是否能有效利用病原体和宿主之间的代谢差异。 化疗面临的一个问题是病原体发生变异并产生耐药性的能力。下面我们会讨论药物作用和耐药机制的具体例子。
| 选择性毒性 |
|---|
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药物作用
药物通过专门干扰通常被称为“靶点”的细胞或生化过程来发挥作用。 药物靶点的典型例子是被药物抑制的酶。 与宿主相比，有效药物将对病原体表现出选择性毒性。许多因素导致了这种选择性毒性（右表），而且这些因素并不相互排斥。合理的药物设计试图利用这些不同的因素来开发对病原体具有高毒性同时对宿主表现出最小毒性的药物。
氯喹和食物液泡
食物液泡是一种类似溶酶体的细胞器，其中发生血红蛋白的分解和血红素的解毒 (参见食物液泡的更详细讨论)。氯喹在寄生虫的食物液泡中浓缩高达数千倍。这种氯喹在食物液泡中选择性积累的几种机制类型包括：1）由于食物液泡的低 pH 值，氯喹的质子化和离子捕获； 2) 寄生虫转运蛋白主动摄取氯喹； 和/或 3) 氯喹与食物液泡中的特定受体结合。
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| 氯喹 (CQ) 积聚在寄生虫的食物液泡中。 这种积累可能涉及质子化、特定运输和/或与受体（例如血红素）结合后的离子捕获。 氯喹的主要作用是抑制血红蛋白 (Hb) 消化释放的血红素形成血红素 (Hz)。 游离血红素然后裂解膜并导致寄生虫死亡。 氯喹抗性是由于食物液泡中氯喹的积累减少。 两种不同的转运蛋白（CRT 和 MDR1）与耐药性有关。 这些转运蛋白的功能及其在氯喹耐药性中的确切作用尚不清楚。 |
这三种假定机制的确切比例尚不清楚，但普遍认为氯喹通过干扰游离血红素向疟原虫色素的转化而发挥其毒性作用。 食物液泡中的血红蛋白消化会释放出大量血红素。 游离血红素可以裂解膜，导致活性氧中间体的产生，并抑制许多其他过程，因此毒性很大。 血红素通过生物结晶过程在食物液泡中解毒，在该过程中，血红素被隔离成大的不溶性晶体，称为疟原虫色素或疟疾色素。 [见血红素形成的更详细描述。] 氯喹抑制血红素形成的确切机制尚不清楚，但氯喹可以结合血红素，这种结合可能会阻止血红素掺入血红素晶体中。 因此，杀灭寄生虫是与血红蛋白消化相关的代谢废物（即血红素）积累的结果。
其他含有抗疟药的喹啉，如甲氟喹和奎宁，似乎也会影响食物液泡。 然而，尚不清楚这些药物是否结合血红素或影响疟原虫色素的形成。 此外，这些药物的碱度比氯喹弱，可能不会在食物液泡内表现出相同程度的离子捕获。
食物液泡提供了许多潜在的药物靶点。 除了上面讨论的抑制疟原虫色素形成外，参与血红蛋白消化的蛋白酶的特异性抑制剂也正在研究作为潜在的抗疟药。[参见食物液泡蛋白酶的更详细讨论.] 血红蛋白消化和疟原虫色素形成的特殊功能是寄生虫所独有的，在宿主中没有发现。 此外，血红蛋白产生氨基酸和血红素解毒这两种功能对于寄生虫都非常重要。
抗叶酸药
叶酸代谢是几种抗疟药以及用于对抗其他病原体的药物的靶点。 还原型叶酸在涉及氨基酸和核苷酸生物合成的许多单碳转移反应中充当辅因子 (参见维生素和辅因子的更多信息)。由于其高复制率，疟疾寄生虫对作为 DNA 合成前体的核苷酸有很高的需求(参见核苷酸和核酸的信息)，因此对抗叶酸剂尤为敏感。 抗叶酸代谢的两个主要靶点是叶酸和二氢叶酸还原酶 (DHFR) 的从头生物合成。
疟疾寄生虫从头合成叶酸，而人类宿主必须获得预先形成的叶酸并且不能合成叶酸。 寄生虫无法利用外源叶酸，这使得叶酸生物合成成为一个很好的药物靶点。 叶酸由 3 种基本结构单元 GTP、对氨基苯甲酸 (pABA) 和谷氨酸在涉及 5 种酶的途径中合成。 其中一种酶，二氢蝶酸合酶 (DHPS)，会被磺胺类药物抑制。 磺胺多辛和氨苯砜是两种常见的靶向 DHPS 的抗疟药。 磺胺类药物是 pABA 的结构类似物，被 DHPS 转化为不可代谢的加合物。 这导致叶酸池耗尽，从而减少可用于 DNA 合成的胸苷酸量。
叶酸代谢的简化方案。 疟疾寄生虫从头合成叶酸，但不能利用预先形成的叶酸。 叶酸作为辅助因子参与许多生物合成过程。 特别值得注意的是 DNA 合成所需的胸苷酸 (dTMP) 的合成。 以叶酸代谢为靶点的抗疟药的两个主要靶点用加框箭头表示。
DHFR 是一种普遍存在的酶，它通过将二氢叶酸还原为四氢叶酸来参与叶酸的循环。 当四氢叶酸参与生物合成反应（例如，胸苷酸合酶）时，四氢叶酸随后被氧化回二氢叶酸。 抑制 DHFR 将阻止胸苷酸的形成并导致 DNA 合成停滞和随后的寄生虫死亡。 乙胺嘧啶和氯胍是用作抗疟药的两种最常见的 DHFR 抑制剂。 这些药物比宿主酶更能抑制寄生虫的 DHFR，因此显示出对寄生虫的选择性毒性。
| 抗叶酸组合 | |
|---|---|
| 药品 | 病原体 |
| 乙胺嘧啶+磺胺多辛 （或氨苯砜） | 疟原虫 |
| 甲氧苄氨嘧啶（或乙胺嘧啶） + 磺胺嘧啶 | 弓形虫 |
| 甲氧苄啶+磺胺甲恶唑 | 环孢子虫、等孢子虫、肺孢子虫 |
大多数情况下，DHPS 和 DHFR 抑制剂联合使用（右表）以产生协同效应并减缓耐药性的发展。 这些酶的特定点突变导致对药物的亲和力降低。 在存在药物压力的情况下，单个突变可导致耐药性，从而使耐药性得到迅速发展。 药物组合的使用可以减缓耐药性的发展，因为必须发生两个独立的突变才能对两种药物产生耐药性。 法西达是磺胺多辛和乙胺嘧啶的组合，广泛用于治疗无并发症的恶性疟疾。 与乙胺嘧啶类似，甲氧苄氨嘧啶通常与其他磺胺类药物联合使用，用于治疗球虫(弓形虫, 环孢子虫和等孢子虫) 和肺囊虫。
| 可能的氧化还原剂 | |
|---|---|
| 药品 | 病原体 |
| 伯氨喹、青蒿素衍生物 | 疟原虫 |
| 甲硝唑, 替硝唑 | 贾第鞭毛虫、内变形虫、毛滴虫 |
| 苯并咪唑、硝呋替莫司 | 克氏锥虫 |
涉及氧化还原机制的药物
几种抗原生动物药物被认为通过氧化应激起作用（右表）。代谢过程会产生活性氧中间体 (ROI)，它会破坏细胞成分，例如脂质、蛋白质和核酸 (参见氧化应激综述)。大多数原生动物病原体的高代谢活性将导致产生更高水平的ROI。 疟疾寄生虫就是一个例子，它由于血红蛋白消化和游离血红素的释放而产生ROI。 [参见血红素和 ROI的更详细描述.] 所有细胞都有 ROI 可以解毒的机制(例如, 氧化还原代谢). 专门增加寄生虫氧化应激水平的药物可能会压倒这些 ROI 防御机制并导致寄生虫死亡。 作为直接氧化剂的药物以及参与氧化还原循环（有时称为无效氧化还原循环）的药物可以增加氧化应激水平。
许多参与氧化还原反应的药物在对其靶点有效之前需要被激活。 例如，甲硝唑和其他硝基咪唑是影响多种厌氧菌和原生动物的广谱药物。 这些药物通过将硝基还原为阴离子自由基而被激活。 阴离子自由基具有高反应性，会与蛋白质和 DNA 形成附属物，导致功能丧失。 尤其是，与 DNA 的反应会导致链断裂和复制抑制，从而导致细胞死亡。 硝基咪唑的还原需要强还原条件，厌氧生物比好氧生物具有更大的还原潜力。 这解释了这些化合物对厌氧生物的选择性。 换句话说，药物优先被病原体激活。
对于甲硝唑，还原的铁氧还蛋白似乎是导致其还原的主要电子供体（见下图）。 丙酮酸铁氧还蛋白氧化还原酶 (PFOR) 的存在与对甲硝唑的敏感性之间存在良好的相关性。 受甲硝唑影响的所有三种原生动物（表）都缺乏线粒体，并且具有与许多厌氧细菌中发现的相似的 PFOR。 具有线粒体的好氧生物使用丙酮酸脱氢酶代替 PFOR 来生产乙酰辅酶 A。
硝基咪唑的作用。 硝基咪唑 (R-NO2) 通过还原为阴离子自由基被寄生虫激活。 这种高度反应性的阴离子自由基会破坏 DNA 和蛋白质，导致寄生虫死亡。 在贾第鞭毛虫、内阿米巴和毛滴虫中，甲硝唑似乎被铁氧还蛋白特异性还原。 好氧生物会利用其他电子供体来还原硝基咪唑，并且也有可能建立无效循环，导致产生 ROI，其中氧气是最终的电子受体。 通常，NAD 氧化还原酶以水为最终产物进行氧化还原循环。
硝基咪唑（例如苯并二唑）和相关的硝基呋喃化合物（例如硝呋替莫）也对克氏锥虫有效。 负责最初减少这些药物的电子供体尚不清楚，寄生虫特异性的基础也不清楚。 这两种药物都有一定的毒性并且没有表现出良好的治疗指数。 硝呋替莫作用的机制被认为涉及其还原后无效的氧化还原循环，而苯并二唑被推测会抑制特定的还原酶，从而降低寄生虫去除 ROI 的能力。
| 已知有几种人类遗传病可以提供一定程度的抗疟疾保护 (见先天抵抗力)。6-磷酸葡萄糖脱氢酶 (G6PD) 缺陷个体的红细胞中 NADPH 水平较低，这是维持还原型谷胱甘肽所必需的。 由于谷胱甘肽过氧化物酶参与 ROI 的解毒，因此较低水平的还原型谷胱甘肽将导致对氧化应激的敏感性增加。 由于寄生虫的新陈代谢导致 ROI 水平增加，加上缺乏 G6PD 的红细胞去除 ROI 的能力降低，将导致受感染的红细胞过早裂解，从而提供一些抗疟疾保护。 寄生虫不仅需要保护自己不受 ROI 的影响，还需要确保宿主红细胞在寄生虫完成红细胞分裂之前不会受到损害。 事实上，有人提出寄生虫可能为宿主红细胞提供谷胱甘肽以增加其还原能力。 某种程度上相关的是，伯氨喹治疗在 G6PD 缺陷患者中是禁忌的，因为它会导致溶血性贫血。 这可能与伯氨喹产生 ROI 的能力和 G6PD 缺陷型红细胞的还原电位降低有关。 |
| 耐药机制 |
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耐药性
耐药性的出现严重限制了针对原生动物病原体的可用药物库。 寄生虫已经进化出许多方法来克服药物的毒性 (右表)。 耐药性通常涉及药物靶点的突变，因此药物也不会结合或抑制靶点。在单点突变可产生耐药性的情况下，耐药性会迅速发展。 耐药性的另一种机制涉及表达更高水平的靶点。 这可以通过增加转录和翻译或基因扩增来实现。 这导致需要更高水平的药物来达到相同水平的抑制。减少药物积累或将药物代谢为无毒产物将导致到达靶点的药物减少，也可能导致耐药性。耐药性还可能涉及相同或不同靶点中突变的积累，这将产生累加或协同效应。在药物压力下将选择具有导致药物敏感性降低的突变或遗传多态性的寄生虫。
在某些情况下，特定突变与耐药性相关（见表）。法西达 (SP) 抗性与磺胺多索因和乙胺嘧啶（分别为二氢叶酸合成酶和二氢叶酸还原酶）靶向的酶的特定突变相关。氯喹耐药性（在下面更详细地讨论）与食物液泡膜上发现的转运蛋白（氯喹耐药转运蛋白，CRT）突变相关。 另一种食物液泡转运蛋白，多药耐药基因 1 (MDR1)，已被暗示在耐药性中发挥辅助作用。 对甲氟喹和奎宁耐药的基础尚不清楚，但mdr1基因也可能与此有关。
氯喹. 氯喹耐药性与食物液泡中积累的氯喹数量减少有关，食物液泡是氯喹的作用部位(见上文)。这种积累减少的机制是有争议的。 一些研究表明，药物蓄积的减少是由于药物流出的增加。 而其他研究表明，氯喹积累水平的降低更为重要。 观察到维拉帕米和相关药物可以逆转氯喹耐药表型，这导致人们猜测 ATP 依赖性转运蛋白在药物流出和氯喹耐药中发挥作用，类似于癌症中的多药耐药 (MDR)。 已在食物液泡膜上鉴定出一种名为 PfMDR1 的 MDR 样转运蛋白。 然而，无法证明 PfMDR1 与氯喹耐药性之间存在明确的相关性。 但不能排除 PfMDR1 在氯喹耐药性中的辅助作用。
氯喹抗性克隆和氯喹敏感克隆之间的遗传杂交和作图研究导致在 7 号染色体上鉴定出与氯喹抗性相关的 36 kb 区域。 这个 36 kb 区域中的 10 个基因之一编码具有 10 个跨膜结构域的蛋白质，类似于类似于氯离子通道的转运蛋白。 该基因被命名为 pfcrt，该蛋白质定位于食物液泡膜。pfcrt基因中的几个突变显示与氯喹抗性表型和一个突变相关，在残基 76 (K76T) 处用苏氨酸 (T) 替换赖氨酸 (K) 显示与氯喹抗性完美相关。 据推测，这些突变会影响食物液泡中氯喹的积累，但氯喹抗性的确切机制尚不清楚。 此外，观察到氯喹耐药性出现的次数相对较少，然后随后传播，这导致人们猜测多个基因参与了耐药性的发展(参见更多讨论)。
补充阅读
- Foley M 和 Tilley L (1998) 喹啉抗疟药. 新代理人的行动和阻力机制以及前景.(Quinoline antimalarials. Mechanisms of action and resistance and prospects for new agents.) 药理学 & 治疗学 79:55.
- Hyde JE (2007) 耐药和疟疾 ——一些看法. FEBS 期刊 274, 4688-4698。
- Ouellette M (2001) 生物化学和分子机制 寄生虫的耐药性. Trop Med Int Health 6:874.
- Rosenthal PJ 和 Goldsmith RS (2001) 抗原虫药. 在基础和临床药理学 第 8 版. 麦格劳-希尔公司 Inc.（可通过 Stat!Ref 获取在线版本 Tulane 的书籍 医学图书馆).
- Samuelson J (1999) 为什么甲硝唑对细菌和寄生虫. 抗菌剂化疗. 43:1533.
- Wellems TE 和 Plowe CV (2001) 耐氯喹疟疾. J Inf Dis 184:770.
