抗菌剤

抗菌薬は細菌感染症の治療に使用されます。抗生物質は一般的に、 β-ラクタム系、マクロライド系、キノロン系、テトラサイクリン系、アミノグリコシド系に分類されます。これらのカテゴリー内での分類は、抗菌スペクトル、薬力学、化学組成によって決まります。^{[ 10 ]}特定の抗菌薬を長期間使用すると、腸内細菌の数が減少し、健康に悪影響を及ぼす可能性があります。プロバイオティクスの摂取と健康的な食事は、破壊された腸内細菌叢の補充に役立つ可能性があります。ただし、再発性クロストリジオイデス・ディフィシル感染症など、長期にわたる抗生物質治療からの回復が困難な患者には、便移植が検討される場合があります。^{[ 11 ] [ 12 ]}

20世紀における抗菌薬の発見、開発、使用により、細菌感染症による死亡率は減少した。抗生物質の時代は、1936年のスルホンアミド系薬剤の治療への応用から始まり、その後、1945年から1970年頃にかけて、構造的に多様で非常に効果的な薬剤が多数発見・開発された「黄金時代」が続いた。1980年以降、臨床使用のための新しい抗菌薬の導入は減少しているが、これは新しい薬剤の開発と試験にかかる莫大な費用が一因となっている。^{[ 13 ]}同時に、細菌、真菌、寄生虫、および一部のウイルスが、既存の複数の薬剤に対して抗菌薬耐性を驚くほど増加させている。^{[ 14 ]}

抗菌薬は、例えばウイルス性呼吸器感染症において、医師によって最も一般的に使用され、誤用されている薬剤の一つです。抗菌薬の広範かつ不適切な使用の結果、抗生物質耐性病原体の出現が加速し、世界的な公衆衛生に対する深刻な脅威となっています。耐性の問題は、現在の抗菌薬に耐性を持つ病原性細菌に対して有効な抗菌剤を探すための新たな努力を必要としています。この目標に向けた戦略としては、多様な環境からのサンプリングの増加、メタゲノミクスの適用による現在未知で培養されていない微生物によって産生される生物活性化合物の特定、および細菌標的に合わせた低分子ライブラリーの開発などが考えられます。^{[ 15 ]}

抗真菌薬は、真菌を殺したり、それ以上の増殖を防いだりするために使用されます。医学では、水虫、白癬、鵞口瘡などの感染症の治療に使用され、哺乳類細胞と真菌細胞の違いを利用して作用します。細菌とは異なり、真菌とヒトはどちらも真核生物です。したがって、真菌細胞とヒト細胞は分子レベルで類似しているため、宿主生物にも存在しない抗真菌薬の標的を見つけることがより困難になります。その結果、これらの薬にはしばしば副作用があります。これらの副作用の中には、薬が適切に使用されない場合、生命を脅かすものもあります。^{[ 16 ]}

抗真菌剤は、医療用途に加えて、湿気や水のある住宅建材の室内カビを抑制するためによく求められています。表面に吹き付ける重曹（炭酸水素ナトリウム）は抗真菌剤として作用します。重曹を吹き付けた後、または吹き付けずに塗布される別の抗真菌溶液は、過酸化水素と薄い表面コーティングの混合物で、カビを中和し、表面をカプセル化して胞子の放出を防ぎます。浴室や台所などの高湿度エリアで使用するために、抗真菌剤を添加して製造された塗料もあります。その他の抗真菌表面処理には、通常、カビの増殖を抑制することが知られている金属の変種、例えば銅、銀、亜鉛を含む顔料や溶液が含まれています。これらの溶液は毒性があるため、一般には入手できません。^{[ 17 ]}

抗ウイルス薬は、ウイルス感染症の治療に特化して使用される薬剤の一種です。抗生物質と同様に、特定の抗ウイルス薬は特定のウイルスに使用されます。これらは、体外でウイルス粒子を積極的に不活性化する殺ウイルス薬とは区別されるべきです。 ^{[ 18 ]}

多くの抗ウイルス薬は、 HIVを含むレトロウイルス感染症の治療を目的として設計されています。重要な抗レトロウイルス薬には、プロテアーゼ阻害剤のクラスが含まれます。口唇ヘルペスや性器ヘルペスを引き起こすことで最もよく知られているヘルペスウイルスは、通常、ヌクレオシド類似体であるアシクロビルで治療されます。ウイルス性肝炎は、互いに関連性のない5種類の肝向性ウイルス（AE）によって引き起こされ、感染の種類に応じて抗ウイルス薬で治療される場合があります。インフルエンザA型およびB型ウイルスの一部は、オセルタミビルなどのノイラミニダーゼ阻害剤に対して耐性を持つようになり、新しい物質の探索が続けられています。^{[ 19 ]}

抗寄生虫薬は、線虫、条虫、吸虫、感染性原虫などの寄生虫によって引き起こされるリーシュマニア症、マラリア、シャーガス病などの感染症の治療に用いられる薬剤の一種です。抗寄生虫薬には、メトロニダゾール、ヨードキノール、アルベンダゾールなどがあります。^{[ 10 ]}すべての治療用抗菌薬と同様に、宿主に深刻な損傷を与えることなく、感染した生物を殺さなければなりません。^{[ 20 ]}

広範囲スペクトル治療薬は、複数の種類の病原体に対して活性を示します。このような治療薬は、パンデミックに対する潜在的な緊急治療薬として提案されています。^{[ 21 ]}

抗菌剤としては、幅広い種類の化学化合物や天然化合物が使用されています。有機酸とその塩は、乳酸、クエン酸、酢酸など、食品の成分または消毒剤として広く使用されています。例えば、牛肉の枝肉は、大腸菌の発生率を減らすために、酸を噴霧してからすすぎ洗いまたは蒸されることがよくあります。^{[ 22 ]}

Hg ²⁺やPb ²⁺などの重金属カチオンは抗菌活性を持つが、毒性を持つ可能性がある。近年、配位化合物の抗菌活性が研究されている。^{[ 23 ] [ 24 ] [ 25 ] [ 26 ]}

Traditional herbalists used plants to treat infectious disease. Many of these plants have been investigated scientifically for antimicrobial activity, and some plant products have been shown to inhibit the growth of pathogenic microorganisms.^[27] A number of these agents appear to have structures and modes of action that are distinct from those of the antibiotics in current use, suggesting that cross-resistance with agents already in use may be minimal.^[28]

オゾンは空気、水、プロセス機器中の微生物を殺菌することができ、厨房排気換気、ゴミ室、グリーストラップ、バイオガスプラント、廃水処理場、繊維生産、醸造所、酪農場、食品および衛生用品製造、製薬業界、瓶詰め工場、動物園、自治体の飲料水システム、スイミングプールおよびスパ、衣類の洗濯、屋内のカビや臭いの処理などの場面で使用されています。^{[ 43 ] [ 44 ]}

抗菌スクラブは、スクラブの臭いや汚れの蓄積を減らし、結果としてスクラブの寿命を延ばすことができます。これらのスクラブは、さまざまな色やスタイルでも販売されています。抗菌技術は急速に発展しており、これらのスクラブは容易に入手可能で、毎年より高度なバージョンが市場に出回っています。^{[ 45 ]}これらの細菌は、オフィスの机、休憩室、コンピューター、その他の共有テクノロジーに広がる可能性があります。これにより、メチシリン耐性黄色ブドウ球菌などの感染症の発生や感染につながる可能性があり、その治療には医療業界が 年間200億ドルを費やしています。

Elements such as chlorine, iodine, fluorine, and bromine are nonmetallic in nature and constitute the halogen family. Each of these halogens have a different antimicrobial effect that is influenced by various factors such as pH, temperature, contact time, and type of microorganism. Chlorine and iodine are the two most commonly used antimicrobials. Chlorine is extensively used as a disinfectant in the water treatment plants, drug, and food industries. In wastewater treatment plants, chlorine is widely used as a disinfectant. It oxidizes soluble contaminants and kills bacteria and viruses. It is also highly effective against bacterial spores. The mode of action is by breaking the bonds present in these microorganisms. When a bacterial enzyme comes in contact with a compound containing chlorine, the hydrogen atom in that molecule gets displaced and is replaced with chlorine. This in turn changes the enzyme function which ultimately leads to the death of the bacterium. Iodine is most commonly used for sterilization and wound cleaning. The three major antimicrobial compounds containing iodine are alcohol-iodine solution, an aqueous solution of iodine, and iodophors. Iodophors are more bactericidal and are used as antiseptics as they are less irritating when applied to the skin. Bacterial spores on the other hand cannot be killed by iodine, but they can be inhibited by iodophors. The growth of microorganisms is inhibited when iodine penetrates into the cells and oxidizes proteins, genetic material, and fatty acids. Bromine is also an effective antimicrobial that is used in water treatment plants. When mixed with chlorine it is highly effective against bacterial spores such as S. faecalis.^[46]

アルコールは一般的に消毒剤および殺菌剤として使用されます。アルコールは栄養細菌、ほとんどのウイルス、および真菌を殺します。エチルアルコール、n-プロパノール、およびイソプロピルアルコールは、最も一般的に使用される抗菌剤です。^{[ 47 ]}メタノールも消毒剤ですが、非常に毒性が強いため、一般的には使用されません。大腸菌、サルモネラ菌、および黄色ブドウ球菌は、アルコールによって増殖が阻害される細菌です。アルコールはエンベロープウイルスに対して高い有効性があります（60～70%エチルアルコール）。70%イソプロピルアルコールまたはエタノールは、抗菌剤として非常に効果的です。水が存在すると、70%アルコールはタンパク質の凝固を引き起こし、微生物の増殖を阻害します。アルコールは胞子に関してはあまり効果的ではありません。作用機序は、タンパク質を変性させることです。アルコールは、タンパク質構造に存在する水素結合を妨害します。アルコールは微生物に存在する脂質膜も溶解します。^{[ 48 ] [ 49 ]}細胞膜の破壊は、細胞死を促進するアルコールのもう1つの特性です。アルコールは安価で効果的な抗菌剤です。製薬業界で広く使用されています。アルコールは、手指消毒剤、殺菌剤、消毒剤に一般的に使用されています。

フェノール（石炭酸とも呼ばれる）は、抗菌剤として使用された最初の化学物質の1つです。高い消毒作用を持ち、0.1%～1%の濃度では静菌作用、1%～2%の濃度では殺菌作用と殺真菌作用を示します。5%溶液は48時間で炭疽菌胞子を死滅させます。^{[ 50 ]}

フェノールは、口腔洗浄剤や家庭用洗剤に最も一般的に使用されています。^{[ 51 ]}これらは、幅広い細菌、真菌、ウイルスに対して活性があります。チモールやクレゾールなどのフェノール誘導体は、フェノールに比べて毒性が低いため使用されています。これらのフェノール化合物は、ベンゼン環と-OH基が構造に組み込まれています。これらはより高い抗菌活性を持っています。これらの化合物は、タンパク質を沈殿させて変性させること、および微生物の細胞膜に浸透して破壊することによって、微生物の増殖を阻害します。ヘキサクロロフェン（ビスフェノール）は界面活性剤として使用されます。その殺菌特性のため、石鹸、ハンドソープ、スキンケア製品に広く使用されています。また、殺菌剤としても使用されます。クレゾールは効果的な抗菌剤であり、マウスウォッシュや咳止めドロップに広く使用されています。

Aldehydes are highly effective against bacteria, fungi, and viruses. Aldehydes inhibit bacterial growth by disrupting the outer membrane. They are used in the disinfection and sterilization of surgical instruments. As they are highly toxic, they are not used in antiseptics. Currently, only three aldehyde compounds are of widespread practical use as disinfectant biocides, namely glutaraldehyde, formaldehyde, and ortho-phthalaldehyde (OPA) despite the demonstration that many other aldehydes possess good antimicrobial activity.^[52] However, due to its long contact time other disinfectants are commonly preferred.

Microorganisms have a minimum temperature, an optimum, and a maximum temperature for growth.^[53] High temperature as well as low temperatures are used as physical agents of control. Different organisms show different degrees of resistance or susceptibility to heat or temperature, some organisms such as bacterial endospore are more resistant while vegetative cells are less resistant and are easily killed at lower temperatures.^[54] Another method that involves the use of heat to kill microorganisms is fractional sterilization. This process involves the exposure to a temperature of 100 degrees Celsius for an hour per day for several days.^[55] Fractional sterilization is also called tyndallization. Bacterial endospores can be killed using this method. Both dry and moist heat are effective in eliminating microbial life. For example, jars used to store preserves such as jam can be sterilized by heating them in a conventional oven. Heat is also used in pasteurization, a method for slowing the spoilage of foods such as milk, cheese, juices, wines and vinegar. Such products are heated to a certain temperature for a set period of time, which greatly reduces the number of harmful microorganisms. Low temperature is also used to inhibit microbial activity by slowing down microbial metabolism.^[56]

Foods are often irradiated to kill harmful pathogens.^[57] There are two types of radiations that are used to inhibit the growth of microorganisms – ionizing and non-ionizing radiations.^[58] Common sources of radiation used in food sterilization include cobalt-60 (a gamma emitter), electron beams and X-rays.^[59]Ultraviolet light is also used to disinfect drinking water, both in small-scale personal-use systems and larger-scale community water purification systems.^[60]

Desiccation is also known as dehydration. It is the state of extreme dryness or the process of extreme drying. Some microorganisms like bacteria, yeasts and molds require water for their growth. Desiccation dries up the water content thus inhibiting microbial growth. On the availability of water, the bacteria resume their growth, thus desiccation does not completely inhibit bacterial growth. The instrument used to carry out this process is called a desiccator. This process is widely used in the food industry and is an efficient method for food preservation. Desiccation is also largely used in the pharmaceutical industry to store vaccines and other products.^[61]

Antimicrobial surfaces are designed to either inhibit the ability of microorganisms to grow or damaging them by chemical (copper toxicity) or physical processes (micro/nano-pillars to rupture cell walls). These surfaces are especially important for the healthcare industry.^[62] Designing effective antimicrobial surfaces demands an in-depth understanding of the initial microbe-surface adhesion mechanisms. Molecular dynamics simulation and time-lapse imaging are typically used to investigate these mechanisms.^[63]

Osmotic pressure is the pressure required to prevent a solvent from passing from a region of high concentration to a region of low concentration through a semipermeable membrane. When the concentration of dissolved materials or solute is higher inside the cell than it is outside, the cell is said to be in a hypotonic environment and water will flow into the cell.^[53]When the bacteria is placed in hypertonic solution, it causes plasmolysis or cell shrinking, similarly in hypotonic solution, bacteria undergoes plasmotysis or turgid state. This plasmolysis and plasmotysis kills bacteria because it causes change in osmotic pressure.^[64]