化学结构
头孢菌素类和青霉素类同属β -内酰胺抗生素，不同的是头孢菌素类的母核是7-氨基头孢烷酸(7-ACA),而青霉素的母核则是6-氨基青霉烷酸，这一结构上的差异使头孢菌素能耐受青霉素酶。
理化性质
各种头孢菌素均为头孢烷酸的衍生
头孢菌素类抗生素物，其游离酸或取代酸都是有机酸，一般不溶于水，但其钾盐、钠盐则易溶于水，所以临床应用的头孢菌素类的注射剂型主要制成钠盐或钾盐。
头孢烷酸含有不稳定的β-内酰胺环,在有水分子存在的条件下易被水解，碱、酸和温度升高均能促进水解。所以临床应用的头孢菌素注射剂型多制成固体剂型的粉针剂。
注射用头孢菌素多制成钠盐和钾盐的干燥结晶或粉末,密封于安瓿中。这种粉针安瓿剂在室温下可保存2～3年，临用前加入注射溶媒溶解后需及时使用。
口服用头孢菌素类是一些化学稳定性稍高而且能耐受胃酸的品种，如头孢氨苄、头孢羟氨苄等多制成游离酸的片剂或胶囊。
品种分类
笫一代头孢菌素
第一代头孢菌素是60年代初开始上市的。从抗菌性能来说，对第一代头孢菌素敏感的菌主要有β－溶血性链球菌和其他链球菌、包括肺炎链球菌（但肠球菌耐药），葡萄球菌（包括产酶菌株）、流感嗜血杆菌、大肠杆菌、克雷伯杆菌、奇异变形杆菌、沙门菌、志贺菌等。不同品种的头孢菌素可以有各自的抗菌特点，如头孢噻吩对革兰阳性菌的抗菌作用较优，而头孢唑林则对某些革兰阴性菌有一定作用。但是，第一代头孢菌素对革兰阴性菌的β-内酰胺酶的抵抗力较弱，因此，革兰阴性菌对本代抗生素较易耐药。
第一代头孢菌素对吲哚阳性变形杆菌、枸橼酸杆菌、产气杆菌、假单胞菌、沙雷杆菌、拟杆菌、粪链球菌（头孢硫脒除外）等微生物无效。
本代抗生素中常用品种有头孢唑林、头孢氨苄、头孢拉定、头孢羟氨苄、头孢克罗等。其中除头孢唑林只能供注射外，其他的均可用于口服，也称口服头孢。头孢噻吩、头孢噻啶、头孢来星、头孢乙腈、头孢匹林等均已少用或不用。
笫二代头孢菌素
第二代头孢菌素对革兰阳性菌的抗菌效能与第一代相近或较低，而对革兰阴性菌的作用较为优异，表现在：
（l）抗酶性能强一些革兰阴性菌（如大肠杆菌、奇异变形杆菌等）易对第一代头孢菌素耐药。第二代头孢菌素对这些耐药菌株常可有效。
（2）抗菌谱广第二代头孢菌素的抗菌谱较第一代有所扩大，对奈瑟菌、部分吲哚阳性变形杆菌、部分枸橼酸杆菌、部分肠秆菌属均有抗菌作用。
第二代头孢菌素对假单胞属（铜绿假单胞菌）、不动杆菌、沙雷杆菌、粪链球菌等无效。
临床应用的第二代头孢菌素主要品种有头孢孟多、头孢呋辛、头孢替安等。
笫三代头孢菌素
第三代头孢菌素对革兰阳性菌的抗菌效能普遍低于第一代（个别品种相近），对革兰阴性菌的作用较第二代头孢菌素更为优越。
（1）抗菌谱扩大第三代头孢菌素的抗菌谱比第二代又有所扩大，对铜绿假单胞菌、沙雷杆菌、不动杆菌、消化球菌、以及部分脆弱拟杆菌有效（不同品种药物的抗菌效能不尽相同）。对于粪链球菌、难辨梭状芽胞杆菌等无效。
（2）耐酶性能强对第一代或第二代头孢菌素耐药的一些革兰阴性菌株，第三代头孢菌素常可有效。
笫四代头孢菌素
第三代头孢菌素对革兰阳性菌的作用弱，不能用于控制金黄色葡萄球菌感染。后来发现一些新品种如头孢匹罗（Cefpirome）等，不仅具有第三代头孢菌素的抗菌性能，还对葡萄球菌有抗菌作用，称为第四代头孢菌素。
关于第一至第四代的划分不仅适用于头孢菌素，其他的一些β-内酰胺抗生素也可按此分代。
不良反应
1、过敏反应：
（1）使用本类药物的超敏反应和过敏反应发生率约≤5%，包括荨麻疹、瘙痒、皮疹（斑丘疹、红疹、麻疹样疹）、发热和寒战。血清病样反应、嗜酸性粒细胞增多、关节痛、水肿、生殖器和肛门瘙痒、血管神经性水肿、斯-约综合征、多型性红斑、中毒性表皮坏死松解症和剥脱性皮炎。因过敏而致死者，较少发生。
（2）发生过敏反应的患者大多数均有过敏史，尤其是有青霉素过敏史。
2、血液系统：
（1）接受头袍菌素类的患者中，约有≥8%串现直接和间接Coombs试验假阳性结果。其他不良反应包括轻而短暂的中性粒细胞减少、血小板增多或减少、白细胞减少、淋巴细胞增多、各类血細胞减少，贫血、冉生障碍性贫血、溶血性贫血和出血也会发生。
（2）使用含有N-甲硫四唑侧链的头孢菌素（包括头孢噻吩、头孢孟多、头孢甲肟、头孢尼西、头孢哌酮、头孢雷特、头泡匹胺）可能发生凝血酶原时间延长、活化的部分凝血活酶时间（aPTT）延长和（或）低凝血禹原血症（出血或不出血），这种不良反应常在老年、体别患者，维生素K缺乏者，严重肾功能衰竭或胃肠道根治手术后的患者中发生。
（3）近代研究表明，这种N-甲硫四唑侧链可以干扰维生素K的代谢和再生，并抑制谷氨酸的y-羧化作用，而这此现象正是肝脏合成凝血酶原过程中有赖于维生素K的参与步骤。因此。临床上在使用含有这种侧链的头孢菌素类时，应当同时使用维生素K预防出血。
3、肾损害：偶见BUN和血肌酐浓度一过性升高。可逆性间质性肾炎偶有报道，肾毒性多在老年、体弱、肾功能已有受损的患者中发生。
4、肝损害：血清AST、ALT和AKP水平一过性升高。胆红素和（或）LDH水平也可能升高，肝功能受损包括胆汁淤积也有报道，停药后，以上不良反应可见逆转。
5、胃肠道不良反应：口服本类药物最常见的不良反应有恶心、呕吐、腹泻和維生素B族缺乏。这些不良反应一般较轻，且为一过性，不过，也有极少患者的这类不良反应的严重程度可能达到必须停药的地步。某些本类药物还可能引起腹痛、里急后重、消化不良、舌炎、胃内灼热感（烧心）和二重感染，这些不良反应在肌内注射或静脉注射时也可能发生。罕见的情况是。在使用（甚至单次使用）中或停用某些本类药物后，会由于耐药产毒的难辨梭状芽孢杆菌属引起与头孢菌素（尤其第二、三代）有关的假膜性小肠结肠炎，文献已报道过因此而致死者。
6、局部不良反应：某些本类药物在肌内注射或静脉注射后的局部反应是常见的。肌内注射后则更常发生局部疼痛、触痛、硬结，有时会产生无菌性胀肿或组织坏死。
7、其他不良反应：口服、肌内注射或静脉注射本类药物后，可引起神经系统的不良反应。如头晕、头痛、乏力、不适和眩晕。几例儿童因使用头孢呋辛钠治疗脑膜炎而导致癫痫发作、脑病、扑翼样震颤和神经肌肉兴奋性增强。肾功能不全患者口服或静脉注射头孢嘛吩曾有引起中毒性妄想狂样反应，可能与血药浓度上升有关。既往有光敏性皮肤炎史者，使用本类药物后，可在日光曝晒的部位再发此种皮炎。
临床应用
第一代头孢菌素，主要用于耐药金葡菌感染，常用头孢噻吩、头孢拉定、及头孢唑啉，后者肌注血浓度为头孢菌素类中最高，是一代中最广用的品种。口服头孢菌素主要用于轻、中度呼吸道和尿路感染。
第二代头孢菌素用以治疗大肠杆菌、克雷伯菌、肠杆菌、吲哚阳性变形杆菌等敏感菌所致的肺炎、胆道感染、菌血症、尿路感染和其他组织器官感染。应用较多的有头孢呋辛及头孢孟多等。
第三代头孢菌素治疗尿路感染以及危及生命的败血症、脑膜炎、肺炎等严重感染可获满意效果。第三代头孢菌素治疗脑膜炎球菌肺炎也可选用。头孢他定为目前临床应用的抗绿脓杆菌最强的抗生素，此外头孢哌酮也可选用。对肠杆菌科细菌头孢曲松和头孢噻肟相仿，头孢哌酮稍差。新生儿脑膜炎和肠杆菌科细菌所致的成人脑膜炎须选用第三代头孢菌素。
发展前景
国外对头孢菌素的研究开发目标是录求对包括金葡萄球菌在内的革蓝氏阳性菌及包括绿逐直菌在内的革蓝氏阴性菌以及对耐药菌有较好活性而更完美的新品种，即第四代头孢菌素。该类头孢菌素应具备的条件：一是对细菌的渗透性好；二是对β－内酰胺酶高度稳定；三是与青霉素结合蛋白的新和性强。其发展趋势如下：
一.向广谱、高效方向发展
1.头孢菌素母核的改造。母核是改造是将头孢烯1位S原子用氧或碳原子取代构成氧头孢烯或碳头孢烯。
氧头孢烯生物活性较头孢烯均有不同程度的提高，尤其是对革蓝氏阴性菌更为显著。如氧头孢孟多为头孢孟多活性的4～8倍。但这类药对产β－内酰胺酶耐药菌的活性未见增强，这是因为对β－内酰胺酶的稳定性差，特别是易被青霉素水解，这是氧头孢的缺点。
2.3位侧链的改造。3位侧链的改造对抗菌活性、代谢及药动学性质均有很大影响，在3位侧链上引入硫代杂环或季铵基团可增强对革监氏阳性菌和革蓝氏阴性菌的活性。如在研究中的DQ2556、2787、CS－461等都有带铵基团结构，它们都不同程度地增加了对绿脓杆菌的活性，多数改善了对葡萄球菌的耐药菌的活性。
3.7位侧链的改造。7位侧链的结构砂孢菌素的抗菌谱、抗菌活性及对β－内酰胺酶的稳定性。
二.研究开发长效头孢菌素
1.3位侧链带有酸性功能基因，因蛋白结合率高，血浆半衰期长而具长效作用。如头孢曲松（半衰期为4.4小时）、头孢尼可（半衰期为3.8～4.4小时），从而减少约药次数及费用。
2.口服头孢菌素制成缓释长效制剂，如头孢氨苄、头孢克罗等均有这种制剂上市。
3.研究开发对耐药菌有效的品种细菌的耐药主要在于细菌产生的β－内酰胺酶破坏了β－内酰胺环使之失去抗菌活性。要解决细菌耐药问题，一种方法是在7位上结构改造中引入对β－内酰胺酶稳定的结构；另一种方法就是采用和β－内酰胺酶抑制制剂合用的复合制剂。由孢菌素受到保护，从而很好地发挥杀菌作用。已开发的有舒哌酮，是头孢哌酮与舒巴坦的复合制剂。随着抑制更广的新β－内酰胺酶抑制剂不断开发，这类复合剂也是很有发展前景的。
4.开发口服头孢菌素口服头孢菌素由于服用方便且经济实惠，因而深受医务人员和病患者的欢迎。1990年世界头孢菌素产量2000吨，其中口服头孢菌素就达16000吨，占80％。80年代以前的口服头孢菌素只适用于轻度感染证的治疗，第三代口服头孢菌市民力活性的大幅度提高，因而不仅可以治疗上述，而且还可以治疗免疫能力低下的严重的患者。研究开发口服头孢菌素有两条途径：一是寻找具有良好口服吸收性能的化合物。研究表明，在7β位α碳上带有酸性基团取代的氧亚氨基团或酸性基团取代的甲叉基团都有良好的吸收性。如头孢克肟、头孢替尼及头孢布坦等均属这类结构：二是开发酯化前体药物，增加口服吸收率。近年上市的头孢替安酯、头孢泊肟酯、头孢他美酯等均系此类药物。如头孢泊肟酯是头孢菌素R3746的C－4位羧化成异丙氧羰氧基乙酯后制得，口服吸收率由原来的9.4％上升为58.1％，血药浓度也由原来的0.62μg/ml上升为8.4μg/ml。正在研制中的还有许多品种，如S-1108、HR916、RO41－3399等。
