頭孢菌素為典型的β-內酰胺類抗生素，由于其抗菌譜廣、安全性高，一直是全身用抗細菌藥TOP1小類，也是市面上品種和批文數量最多的藥物類別之一。由于自身結構的不穩定性，頭孢菌素結構中多個位點均易發生降解，在生產、運輸、貯藏和臨床使用過程易產生雜質。本文對頭孢菌素的主要降解途徑進行了總結，并根據其降解機理提出了控制策略。

一、頭孢菌素類抗生素的基本結構

頭孢菌素類抗生素通常由發酵產生的7-氨基頭孢烷酸（7-ACA）及其類似物（如7-ADCA、GCLE、7-AVNA等）為母核經半合成得到，其母核由四元的β-內酰胺環與六元的二氫噻嗪環駢合而成，C-4位上連接羧基，C-7位上連接酰胺基側鏈。頭孢菌素類化合物具有手性，其母核C-6和C-7位均為R構型。

▲圖1-典型的頭孢菌素類抗生素合成路線

▲圖2-頭孢菌素類抗生素的基本結構

頭孢菌素類抗生素的主要降解途徑包括異構化、氧化、水解、聚合物等。

▲圖3-頭孢菌素類抗生素的主要降解途徑

二、異構化

異構化是頭孢菌素類抗生素的主要降解途徑之一，絕大多數頭孢菌素均可產生此類雜質。頭孢菌素結構中多個位點可發生異構化，主要包括：

（1）雙鍵異位：母核六元環上雙鍵發生異位，形成異構體。該降解途徑在各種頭孢菌素藥物中普遍存在。異構體的產生與溫度、水分等因素密切相關，通常溶液狀態下更易產生該雜質。異構體的產生機理可能是親核試劑進攻C-2位后發生雙鍵重排，水分子可作為親核試劑或為親核試劑提供溶劑，加速異構體的形成。文獻報道，當C4-位羧基存在吸電子基團時更容易產生異構體。

▲圖4-頭孢呋辛酯和頭孢克洛及其?3-異構體

例如，頭孢呋辛酯有關物質檢查項中含異構體的系統適用性溶液（1），即為頭孢呋辛酯溶液加熱1h破壞得到；頭孢呋辛酯片在高溫60℃影響因素試驗中，異構體增長顯著；通過干法制粒工藝控制制劑中的水分含量，可將頭孢呋辛酯片長期穩定性過程中的異構體含量控制在幾乎不增長；異構體為頭孢泊肟酯片穩定性過程的主要降解雜質之一，參比制劑采用鋁塑加干燥劑加鋁袋的包裝形式，可有效控制制劑中水分含量，減緩異構體的增長趨勢。

（2）6R, 7S異構：母核C-7位發生異構體，形成6R, 7S-異構體。頭孢菌素C-7位為R構型，在特定性條件下可轉化為S構型。例如頭孢克肟EP雜質C，頭孢哌酮EP雜質F、頭孢地尼ChP雜質N等。通常，大部分頭孢菌素類不易產生此類型雜質，但部分頭孢菌素的水溶液在酸堿破壞條件下易產生6R, 7S-異構體，例如鹽酸頭孢吡肟。

▲圖5-頭孢克肟和頭孢地尼及其6R, 7S-異構體

（3）順反異構：7位側鏈順式甲氧亞氨基及其類似結構發生雙鍵順反異構，形成E-異構體。第三、第四代頭孢菌素如頭孢克肟、頭孢噻肟、頭孢吡肟、頭孢曲松等藥物均可產生此類型雜質。順反異構通常由光介導產生，此類藥物應避光貯藏。

▲圖6-頭孢吡肟和頭孢噻肟及其E-異構體

例如，頭孢曲松鈉有關物質檢查項即采用將其在光照破壞24h后產生E-異構體的溶液進行系統適用性試驗；注射用頭孢曲松鈉光照影響因素試驗結果表明，暴露于光照條件下30天產品中E-異構體可由未檢出增長至0.2%，帶外包裝產品E-異構體則未增長。

三、β-內酰胺環開環

頭孢菌素結構中的四元β-內酰胺環高度不穩定，在酸、堿、水分子、親核試劑等進攻下極易開環，形成開環產物，例如頭孢克肟EP雜質A、頭孢地尼ChP雜質E、頭孢丙烯EP雜質I等。開環雜質可進一步脫羧、分子內酯化，例如頭孢地尼ChP雜質I/J/K/L、頭孢地尼ChP雜質U、頭孢克肟EP雜質B等。部分開環雜質可進一步丟失結構中的六元環片段，形成含活潑羰基的雜質，例如頭孢他啶EP雜質G、頭孢吡肟EP雜質C等。

▲圖7-頭孢唑林和頭孢丙烯及其開環雜質

▲圖8-頭孢地尼開環+內酯化+脫羧雜質

▲圖9-頭孢吡肟和頭孢他啶開環進一步降解雜質

開環雜質在頭孢菌素中廣泛存在，是其主要降解途徑。文獻報道，當C-3位連有強吸電子基團或C-7位側鏈酰胺鍵連有供電子基團時，更易發生β-內酰胺環開環。開環產物通常具有多個異構體，例如頭孢唑林EP雜質I存在3個手性中心，理論上可產生8個異構體，頭孢克肟雜質A存在4個光學異構體且在樣品均可檢出。

產品中的水分、酸堿性輔料、含活潑羥基的輔料等均會加速頭孢菌素的開環降解，在處方工藝設計時需予以考慮。例如，頭孢克肟三水合在高濕度條件下極易產生開環雜質，工藝過程過度干燥導致結晶水丟失或研磨破壞結晶水微觀結構同樣使其易產生開環降解產物。

四、C-3或C-4位側鏈水解

（1）C-3位側鏈水解：當C-3側鏈為乙酰氧甲基、氨基甲?；蝾愃平Y構時，易生成C-3位側鏈水解產物，例如頭孢呋辛、頭孢西丁、頭孢噻肟、頭孢曲松等。水解產物可進一步發生分子內酯化，生成內酯化合物，例如頭孢噻吩、頭孢噻肟、頭孢曲松等。

▲圖10-頭孢呋辛和頭孢西丁及其C-3位側鏈水解雜質

▲圖11-頭孢噻吩及其水解+分子內酯化雜質

（2）C-4位側鏈水解：當C-4位側鏈成酯時，遇水、酸、堿、熱等條件易發生水解，例如頭孢呋辛酯易降解生成頭孢呋辛、頭孢泊肟酯易降解生成頭孢泊肟。此類品種對水分敏感，通常采用干法或粉末直壓工藝。通過控制產品中的水分含量及貯藏溫度，可有效降低產品中水解雜質的含量。

▲圖12-頭孢泊肟酯和頭孢呋辛酯及其C-4位側鏈水解雜質

五、氧化降解

頭孢菌素類抗生素結構中的二氫噻嗪環含硫原子，易產生氧化雜質。此外，頭孢克洛等結構C-4位也可能被氧化。

（1）母核硫氧化：產物為亞砜或砜。其中，亞砜常以一對異構體形式存在。例如頭孢拉定EP雜質C和雜質D，即為一對亞砜異構體。通常，氧化降解需要較為劇烈的條件，例如頭孢泊肟酯通過加入雙氧水破壞形成氧化雜質（ChP雜質J和雜質K），作為有關物質檢查項系統適用性，但頭孢泊肟酯原料及片劑在穩定性過程中雜質J和雜質K幾乎不增長。頭孢地尼、頭孢克肟、頭孢呋辛酯、頭孢唑林等多數頭孢菌素均可能產生該類雜質。需要注意的是，輔料如聚維酮引入的過氧化物可能會加速氧化降解產物的生成。

▲圖13-頭孢拉定和頭孢泊肟酯及其母核氧化雜質

（2）C-4位氧化：頭孢克洛等頭孢菌素C-3位連接氯，使得其C-4位易發生氧化，生成頭孢克洛ChP雜質E等系列氧化產物，也是頭孢克洛在穩定性過程的主要降解產物之一。文獻報道，頭孢克洛氧化是其固體狀態下特有的降解途徑，溶液狀態未分離出此類雜質，可能是溶液狀態頭孢克洛β-內酰胺環本身易發生開環，并進一步降解生成系列雜質。

圖14-頭孢克洛及其C-4位氧化雜質

六、聚合物

頭孢菌素類抗生素中的高分子聚合物是引發過敏反應的重要原因，根據其聚合反應發生方式，可分為L型聚合和N型聚合。L型聚合指側鏈活潑基團直接親核進攻β-內酰胺環中羰基碳原子或其他活性位點，N型聚合則僅與母核相關，由β-內酰胺環開環后與另一分子發生親核加成反應形成。相較于青霉素類抗生素易發生N型聚合，頭孢菌素類抗生素由于空間位阻原因，已公開報道的聚合物以L型聚合為主。

聚合物的產生與產品中的水分等密切相關，在溶液狀態易產生，因此對于口服顆粒劑、干混懸劑、注射用無菌分裝等劑型的頭孢菌素，臨床使用時需加入水配置，尤其需要關注使用中穩定性考察過程聚合物的變化情況。

傳統的聚合物雜質檢測方法主要包括Sephadex G-10凝膠色譜法、高效凝膠色譜法（如TSK凝膠色譜法）等，但采用凝膠色譜法小分子降解物易與聚合物雜質一同出峰，方法專屬性較差，采用專屬的反向高效液相色譜法（RP-HPLC）控制聚合物雜質成為理想的質控策略。目前，EP和USP采用RP-HPLC對頭孢西丁鈉、頭孢噻肟鈉、頭孢呋辛酯等多個頭孢菌素類抗生素中的二聚體進行控制，ChP則主要采用凝膠色譜法控制聚合物含量，僅有頭孢唑肟鈉、頭孢泊肟酯采用RP-HPLC法控制，且未明確頭孢唑肟二聚體的結構。

▲圖14-頭孢菌素聚合物雜質結構（L型聚合）

▲圖15-青霉素聚合物雜質結構（N型聚合）

七、總結

頭孢菌素結構中C-3、C-4、C -7位側鏈、β-內酰胺環等多個位點均易發生降解，多個降解途徑均與水分、溫度等因素密切相關，因此頭孢菌素類產品需特別關注水分對雜質的影響，并通過避免濕度、光照、溫度等因素提升產品質量。

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