化學結構
頭孢菌素類和青黴素類同屬β -内酰胺抗生素，不同的是頭孢菌素類的母核是7-氨基頭孢烷酸(7-ACA),而青黴素的母核則是6-氨基青黴烷酸，這一結構上的差異使頭孢菌素能耐受青黴素酶。
理化性質
各種頭孢菌素均為頭孢烷酸的衍生
頭孢菌素類抗生素物，其遊離酸或取代酸都是有機酸，一般不溶于水，但其鉀鹽、鈉鹽則易溶于水，所以臨床應用的頭孢菌素類的注射劑型主要制成鈉鹽或鉀鹽。
頭孢烷酸含有不穩定的β-内酰胺環,在有水分子存在的條件下易被水解，堿、酸和溫度升高均能促進水解。所以臨床應用的頭孢菌素注射劑型多制成固體劑型的粉針劑。
注射用頭孢菌素多制成鈉鹽和鉀鹽的幹燥結晶或粉末,密封于安瓿中。這種粉針安瓿劑在室溫下可保存2～3年，臨用前加入注射溶媒溶解後需及時使用。
口服用頭孢菌素類是一些化學穩定性稍高而且能耐受胃酸的品種，如頭孢氨苄、頭孢羟氨苄等多制成遊離酸的片劑或膠囊。
品種分類
笫一代頭孢菌素
第一代頭孢菌素是60年代初開始上市的。從抗菌性能來說，對第一代頭孢菌素敏感的菌主要有β－溶血性鍊球菌和其他鍊球菌、包括肺炎鍊球菌（但腸球菌耐藥），葡萄球菌（包括産酶菌株）、流感嗜血杆菌、大腸杆菌、克雷伯杆菌、奇異變形杆菌、沙門菌、志賀菌等。不同品種的頭孢菌素可以有各自的抗菌特點，如頭孢噻吩對革蘭陽性菌的抗菌作用較優，而頭孢唑林則對某些革蘭陰性菌有一定作用。但是，第一代頭孢菌素對革蘭陰性菌的β-内酰胺酶的抵抗力較弱，因此，革蘭陰性菌對本代抗生素較易耐藥。
第一代頭孢菌素對吲哚陽性變形杆菌、枸橼酸杆菌、産氣杆菌、假單胞菌、沙雷杆菌、拟杆菌、糞鍊球菌（頭孢硫脒除外）等微生物無效。
本代抗生素中常用品種有頭孢唑林、頭孢氨苄、頭孢拉定、頭孢羟氨苄、頭孢克羅等。其中除頭孢唑林隻能供注射外，其他的均可用于口服，也稱口服頭孢。頭孢噻吩、頭孢噻啶、頭孢來星、頭孢乙腈、頭孢匹林等均已少用或不用。
笫二代頭孢菌素
第二代頭孢菌素對革蘭陽性菌的抗菌效能與第一代相近或較低，而對革蘭陰性菌的作用較為優異，表現在：
（l）抗酶性能強一些革蘭陰性菌（如大腸杆菌、奇異變形杆菌等）易對第一代頭孢菌素耐藥。第二代頭孢菌素對這些耐藥菌株常可有效。
（2）抗菌譜廣第二代頭孢菌素的抗菌譜較第一代有所擴大，對奈瑟菌、部分吲哚陽性變形杆菌、部分枸橼酸杆菌、部分腸稈菌屬均有抗菌作用。
第二代頭孢菌素對假單胞屬（銅綠假單胞菌）、不動杆菌、沙雷杆菌、糞鍊球菌等無效。
臨床應用的第二代頭孢菌素主要品種有頭孢孟多、頭孢呋辛、頭孢替安等。
笫三代頭孢菌素
第三代頭孢菌素對革蘭陽性菌的抗菌效能普遍低于第一代（個别品種相近），對革蘭陰性菌的作用較第二代頭孢菌素更為優越。
（1）抗菌譜擴大第三代頭孢菌素的抗菌譜比第二代又有所擴大，對銅綠假單胞菌、沙雷杆菌、不動杆菌、消化球菌、以及部分脆弱拟杆菌有效（不同品種藥物的抗菌效能不盡相同）。對于糞鍊球菌、難辨梭狀芽胞杆菌等無效。
（2）耐酶性能強對第一代或第二代頭孢菌素耐藥的一些革蘭陰性菌株，第三代頭孢菌素常可有效。
笫四代頭孢菌素
第三代頭孢菌素對革蘭陽性菌的作用弱，不能用于控制金黃色葡萄球菌感染。後來發現一些新品種如頭孢匹羅（Cefpirome）等，不僅具有第三代頭孢菌素的抗菌性能，還對葡萄球菌有抗菌作用，稱為第四代頭孢菌素。
關于第一至第四代的劃分不僅适用于頭孢菌素，其他的一些β-内酰胺抗生素也可按此分代。
不良反應
1、過敏反應：
（1）使用本類藥物的超敏反應和過敏反應發生率約≤5%，包括荨麻疹、瘙癢、皮疹（斑丘疹、紅疹、麻疹樣疹）、發熱和寒戰。血清病樣反應、嗜酸性粒細胞增多、關節痛、水腫、生殖器和肛門瘙癢、血管神經性水腫、斯-約綜合征、多型性紅斑、中毒性表皮壞死松解症和剝脫性皮炎。因過敏而緻死者，較少發生。
（2）發生過敏反應的患者大多數均有過敏史，尤其是有青黴素過敏史。
2、血液系統：
（1）接受頭袍菌素類的患者中，約有≥8%串現直接和間接Coombs試驗假陽性結果。其他不良反應包括輕而短暫的中性粒細胞減少、血小闆增多或減少、白細胞減少、淋巴細胞增多、各類血細胞減少，貧血、冉生障礙性貧血、溶血性貧血和出血也會發生。
（2）使用含有N-甲硫四唑側鍊的頭孢菌素（包括頭孢噻吩、頭孢孟多、頭孢甲肟、頭孢尼西、頭孢哌酮、頭孢雷特、頭泡匹胺）可能發生凝血酶原時間延長、活化的部分凝血活酶時間（aPTT）延長和（或）低凝血禹原血症（出血或不出血），這種不良反應常在老年、體别患者，維生素K缺乏者，嚴重腎功能衰竭或胃腸道根治手術後的患者中發生。
（3）近代研究表明，這種N-甲硫四唑側鍊可以幹擾維生素K的代謝和再生，并抑制谷氨酸的y-羧化作用，而這此現象正是肝髒合成凝血酶原過程中有賴于維生素K的參與步驟。因此。臨床上在使用含有這種側鍊的頭孢菌素類時，應當同時使用維生素K預防出血。
3、腎損害：偶見BUN和血肌酐濃度一過性升高。可逆性間質性腎炎偶有報道，腎毒性多在老年、體弱、腎功能已有受損的患者中發生。
4、肝損害：血清AST、ALT和AKP水平一過性升高。膽紅素和（或）LDH水平也可能升高，肝功能受損包括膽汁淤積也有報道，停藥後，以上不良反應可見逆轉。
5、胃腸道不良反應：口服本類藥物最常見的不良反應有惡心、嘔吐、腹瀉和維生素B族缺乏。這些不良反應一般較輕，且為一過性，不過，也有極少患者的這類不良反應的嚴重程度可能達到必須停藥的地步。某些本類藥物還可能引起腹痛、裡急後重、消化不良、舌炎、胃内灼熱感（燒心）和二重感染，這些不良反應在肌内注射或靜脈注射時也可能發生。罕見的情況是。在使用（甚至單次使用）中或停用某些本類藥物後，會由于耐藥産毒的難辨梭狀芽孢杆菌屬引起與頭孢菌素（尤其第二、三代）有關的假膜性小腸結腸炎，文獻已報道過因此而緻死者。
6、局部不良反應：某些本類藥物在肌内注射或靜脈注射後的局部反應是常見的。肌内注射後則更常發生局部疼痛、觸痛、硬結，有時會産生無菌性脹腫或組織壞死。
7、其他不良反應：口服、肌内注射或靜脈注射本類藥物後，可引起神經系統的不良反應。如頭暈、頭痛、乏力、不适和眩暈。幾例兒童因使用頭孢呋辛鈉治療腦膜炎而導緻癫痫發作、腦病、撲翼樣震顫和神經肌肉興奮性增強。腎功能不全患者口服或靜脈注射頭孢嘛吩曾有引起中毒性妄想狂樣反應，可能與血藥濃度上升有關。既往有光敏性皮膚炎史者，使用本類藥物後，可在日光曝曬的部位再發此種皮炎。
臨床應用
第一代頭孢菌素，主要用于耐藥金葡菌感染，常用頭孢噻吩、頭孢拉定、及頭孢唑啉，後者肌注血濃度為頭孢菌素類中最高，是一代中最廣用的品種。口服頭孢菌素主要用于輕、中度呼吸道和尿路感染。
第二代頭孢菌素用以治療大腸杆菌、克雷伯菌、腸杆菌、吲哚陽性變形杆菌等敏感菌所緻的肺炎、膽道感染、菌血症、尿路感染和其他組織器官感染。應用較多的有頭孢呋辛及頭孢孟多等。
第三代頭孢菌素治療尿路感染以及危及生命的敗血症、腦膜炎、肺炎等嚴重感染可獲滿意效果。第三代頭孢菌素治療腦膜炎球菌肺炎也可選用。頭孢他定為目前臨床應用的抗綠膿杆菌最強的抗生素，此外頭孢哌酮也可選用。對腸杆菌科細菌頭孢曲松和頭孢噻肟相仿，頭孢哌酮稍差。新生兒腦膜炎和腸杆菌科細菌所緻的成人腦膜炎須選用第三代頭孢菌素。
發展前景
國外對頭孢菌素的研究開發目标是錄求對包括金葡萄球菌在内的革藍氏陽性菌及包括綠逐直菌在内的革藍氏陰性菌以及對耐藥菌有較好活性而更完美的新品種，即第四代頭孢菌素。該類頭孢菌素應具備的條件：一是對細菌的滲透性好；二是對β－内酰胺酶高度穩定；三是與青黴素結合蛋白的新和性強。其發展趨勢如下：
一.向廣譜、高效方向發展
1.頭孢菌素母核的改造。母核是改造是将頭孢烯1位S原子用氧或碳原子取代構成氧頭孢烯或碳頭孢烯。
氧頭孢烯生物活性較頭孢烯均有不同程度的提高，尤其是對革藍氏陰性菌更為顯著。如氧頭孢孟多為頭孢孟多活性的4～8倍。但這類藥對産β－内酰胺酶耐藥菌的活性未見增強，這是因為對β－内酰胺酶的穩定性差，特别是易被青黴素水解，這是氧頭孢的缺點。
2.3位側鍊的改造。3位側鍊的改造對抗菌活性、代謝及藥動學性質均有很大影響，在3位側鍊上引入硫代雜環或季铵基團可增強對革監氏陽性菌和革藍氏陰性菌的活性。如在研究中的DQ2556、2787、CS－461等都有帶铵基團結構，它們都不同程度地增加了對綠膿杆菌的活性，多數改善了對葡萄球菌的耐藥菌的活性。
3.7位側鍊的改造。7位側鍊的結構砂孢菌素的抗菌譜、抗菌活性及對β－内酰胺酶的穩定性。
二.研究開發長效頭孢菌素
1.3位側鍊帶有酸性功能基因，因蛋白結合率高，血漿半衰期長而具長效作用。如頭孢曲松（半衰期為4.4小時）、頭孢尼可（半衰期為3.8～4.4小時），從而減少約藥次數及費用。
2.口服頭孢菌素制成緩釋長效制劑，如頭孢氨苄、頭孢克羅等均有這種制劑上市。
3.研究開發對耐藥菌有效的品種細菌的耐藥主要在于細菌産生的β－内酰胺酶破壞了β－内酰胺環使之失去抗菌活性。要解決細菌耐藥問題，一種方法是在7位上結構改造中引入對β－内酰胺酶穩定的結構；另一種方法就是采用和β－内酰胺酶抑制制劑合用的複合制劑。由孢菌素受到保護，從而很好地發揮殺菌作用。已開發的有舒哌酮，是頭孢哌酮與舒巴坦的複合制劑。随着抑制更廣的新β－内酰胺酶抑制劑不斷開發，這類複合劑也是很有發展前景的。
4.開發口服頭孢菌素口服頭孢菌素由于服用方便且經濟實惠，因而深受醫務人員和病患者的歡迎。1990年世界頭孢菌素産量2000噸，其中口服頭孢菌素就達16000噸，占80％。80年代以前的口服頭孢菌素隻适用于輕度感染證的治療，第三代口服頭孢菌市民力活性的大幅度提高，因而不僅可以治療上述，而且還可以治療免疫能力低下的嚴重的患者。研究開發口服頭孢菌素有兩條途徑：一是尋找具有良好口服吸收性能的化合物。研究表明，在7β位α碳上帶有酸性基團取代的氧亞氨基團或酸性基團取代的甲叉基團都有良好的吸收性。如頭孢克肟、頭孢替尼及頭孢布坦等均屬這類結構：二是開發酯化前體藥物，增加口服吸收率。近年上市的頭孢替安酯、頭孢泊肟酯、頭孢他美酯等均系此類藥物。如頭孢泊肟酯是頭孢菌素R3746的C－4位羧化成異丙氧羰氧基乙酯後制得，口服吸收率由原來的9.4％上升為58.1％，血藥濃度也由原來的0.62μg/ml上升為8.4μg/ml。正在研制中的還有許多品種，如S-1108、HR916、RO41－3399等。
