碳青霉烯类抗菌药物的广谱高效作用与其结构特点有关。青霉素类的C-6位和头孢菌素类的C-7位为β-顺式结构，易被β-内酰胺酶水解，而碳青霉烯类噻唑环中的硫原子被碳原子取代，2位、3位之间以不饱和双键相连，特别是C-6位为反式α-羟乙基侧链，空间位阻增大，更增加了其对β-内酰胺酶的稳定性，目前上市的碳青霉烯类药物均具有此反式构象（图1-1）。

将C-2位进行结构修饰并引入杂环取代基是近年来碳青霉烯类抗菌药物结构改造的热点方向。C-2位取代基的不同直接影响碳青霉烯类药物的抗菌活性，主要有硫取代（如美罗培南、厄他培南、多尼培南）、碳取代（如CP-5609）和三稠环碳青霉烯（如GV-118819）等方式。其中硫取代，特别是以引入吡咯烷硫醚侧链最为常见。如在C-2位侧链吡咯烷的C-5位中引入一个或多个氨基或胍基，会显著增强对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（methicillin resistant Staphylococcus aureus，MRSA）和泛耐药的铜绿假单胞菌的抗菌活性，如研发中的托莫培南CS-023就建立了这种结构。改变吡咯烷环上的取代基更是增强碳青霉烯类药物与细菌PBPs的亲和力和自身稳定性的常见手段，如羟乙基和芳杂族能增强对DHP-1的稳定性和抗革兰氏阴性菌活性，酰胺杂环可增强抗革兰氏阳性菌活性，胍基和苯环可提高对葡萄球菌属的活性等。近年来，人们又发现C-2位引入噻唑环比吡咯烷具有更好的抗MRSA活性，如SM-17466、SM-197436、SM-232721等，这可能与噻唑环较弱的碱性以及环中存在硫原子提高了药物的脂溶性有关。此外，C-2位引入双环能增强对β-内酰胺酶的稳定性，如厄他培南；引入二硫代氨基甲酸酯衍生物或以碳-碳键与脂溶性含氮稠环相连，并在稠环上引入含有季铵离子的化合物，也可明显提高抗MRSA的活性，如ME-1036。

C-3位取代基的碱性强弱也会影响碳青霉烯类抗菌药物的自身稳定性。碱性越强，药物的稳定性越差，碱性越弱，则稳定性越好，降低C-2、C-3位取代基的碱性可以提高化合物分子自身的稳定性。与硫霉素C-3位的氨基相比，亚胺培南（解离常数p K _a=9.9）、美罗培南（p K _a=7.4）、帕尼培南（p K _a=10.9）的C-3位均为氨基酸取代物，侧键碱性大大降低，稳定性明显提高。

与亚胺培南相比，新一代碳青霉烯类药物，如美罗培南、比阿培南、厄他培南、多尼培南等通过在C-1β位引入甲基，使对DHP-1的稳定性显著增强，同时也部分提高了抗革兰氏阴性菌的活性。亚胺培南C-1β位无甲基，易被DHP-1水解进而破坏β-内酰胺环而致其失效。因此需要加入作为DHP-1抑制剂的西司他丁可阻止其在肾内代谢，提高药效并减少肾毒性。帕尼培南与亚胺培南不同，尽管其对DHP-1稳定，但易在肾皮质中蓄积，单独使用时有明显的一过性肾毒性，因此需要与倍他米隆共同使用以促进其肾排泄。

肾毒性和神经毒性（主要为诱导痉挛及癫痫发作）是碳青霉烯类药物最常见的不良反应，目前认为与C-2和C-3位侧链结构、氨基的碱性强度、羧基-碱基的距离及氨基团周围的空间等因素有关。如C-2位是否存在氨基决定了药物的碱性的强度，碱性越强，肾毒性及中枢神经毒性则越大。另外，碳青霉烯类药物的神经毒性也与其特异性结合抑制性神经递质γ-氨基丁酸（γ-aminobutyric acid，GABA）的能力有关，亚胺培南对GABA的亲和力最高，是其神经系统不良反应发生率较高的原因之一。

常用碳青霉烯的主要结构特点如图1-2所示，其中亚胺培南分子式为C ₁₂H ₁₇N ₃O ₄S·H ₂O，相对分子量317.36Da。亚胺培南是在硫霉素结构的基础上，将C-3位末端的氨基改造成为 N-甲酰亚胺衍生物，从中得到稳定性较好的，第一个应用于临床的碳青霉烯类药物。亚胺培南对细菌PBPs及其亚型的高度亲和无特异性，对临床上常见革兰氏阴性需氧菌、革兰氏阳性需氧菌（对MRSA无效）及厌氧菌均具有良好的杀菌活性。

帕尼培南分子式为C ₁₅H ₂₁N ₃O ₄S，相对分子量339.41Da，是C-2位上有乙酰亚胺吡咯环结构的碳青霉烯类药物，主要作用于PBP-2与PBP-3。帕尼培南对各种细菌产生的β-内酰胺酶稳定，对包括金黄色葡萄球菌（对MRSA无效）的革兰氏阳性菌和包括铜绿假单胞菌的革兰氏阴性菌引起的感染均显示出广泛、良好的疗效，对厌氧菌也有较好的活性，其抗菌作用与亚胺培南基本等同。

美罗培南分子式为C ₁₇H ₂₅N ₃O ₅S，相对分子量383.46Da。C-1β位的甲基，增强了美洛培南对DHP-1的稳定性和抗革兰氏阴性菌活性。与亚胺培南相比，美罗培南在C-2位引入了吡咯烷-3-硫基。有研究认为，吡咯烷-3-硫基与碳青霉烯类药物的PBPs（特别是PBP-3）的亲和力有关。如亚胺培南主要作用于大肠埃希菌的PBP-1、PBP-2、PBP-3、PBP-4、PBP-5和PBP-6及铜绿假单胞菌的PBP-1、PBP-2、PBP-4和PBP-5，使细胞破裂后形成内毒素较少的球状体。而美罗培南主要作用于大肠埃希菌和铜绿假单胞菌的PBP-1、PBP-2和PBP-3，使细胞破裂后形成丝状体变或芽状突起的原生质变。

厄他培南分子式C ₂₂H ₂₅N ₃O ₇S，相对分子量为475.515Da，是相对窄谱（对铜绿假单胞菌、鲍曼不动杆菌等非发酵菌无效）、长效的碳青霉烯类药物。其C-2位有吡咯烷基硫醚侧链，显示出对PBP-2和PBP-3的高亲和力，其抗革兰氏阳性菌（对MRSA无效）的活性略弱于亚胺培南，抗肠杆菌科、奈瑟菌属、嗜血杆菌属、莫拉菌属的活性相当于亚胺培南。厄他培南的C-2位上还引入了苯甲酸基团，使其亲脂性显著提高。生理pH下，苯甲酸基团中的羟基即可电离，提高了厄他培南与蛋白质的结合率进而延长其半衰期。与其他碳青霉烯类抗菌药物相比，厄他培南对ESBLs或AmpC酶的稳定性稍差，但对临床分离的产ESBLs或AmpC酶的大肠埃希菌和肺炎克雷伯菌依然敏感。厄他培南对厌氧菌也有较好活性，适用于社区获得性感染。需要注意的是，厄他培南对院内感染常见的铜绿假单胞菌、不动杆菌属、伯克霍尔德菌属等非发酵菌均无效。

比阿培南分子式为C ₁₅H ₁₈N ₄O ₄S，相对分子量350.40Da，是C-2位上有双环三唑的1β-甲基碳青霉烯类药物。侧链上的季铵阳离子显著提高了细菌外膜对比阿培南的通透性。相对于美罗培南，比阿培南对DHP-1更加稳定，对革兰氏阳性菌的活性（对MRSA无效）弱于亚胺培南，但优于美罗培南，对革兰氏阴性菌的活性弱于美罗培南，但优于亚胺培南。