cefalosporine - Università di Catanzaro Facoltà di Farmacia
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1. INTRODUZIONE: Cenni storici e fonti Le cefalosporine rappresentano una classe di antibiotici ampiamente utilizzate in terapia grazie al loro ampio spettro d’azione, alla loro favorevole azione battericida (espressa come MIC o MBC), il loro basso indice terapeutico (in quanto battericide solo sull’organismo infettante) e la loro capacità di raggiungere la sede d’infezione. Come tutti gli antibiotici beta-lattamici, il loro meccanismo d’azione battericida (vedi cap. 4.2) si esplica nell’inibizione della sintesi della parete cellulare batterica per interferenza sul processo enzimatico di transpeptidazione che regola la formazione delle reticolazioni polimeriche peptidoglicaniche. Anomalie nella biosintesi del reticolo, porterebbero a smagliature della parete, che provocherebbero la lisi e conseguente morte della cellula batterica.[1] Prima fonte della classe delle cefalosporine fu il Cephalosporium acremonium (Acremonium chrysogenum) isolato nel 1945 da G.Brotzu a Cagliari mentre indagava sulla autopurificazione dell’acqua di mare. Il microrganismo, produttore di una sostanza che aveva attività antibatterica in vitro, fu inviato nel 1948 a E.P. Abraham dell’Università di Oxford il quale osservò che i filtrati crudi ottenuti dalle colture di questo fungo marino erano in grado di inibire in vitro la crescita dello Streptococcus aureus e ricerche in tale direzione, evidenziarono anche la caratteristica del fungo, di curare le infezioni stafilococciche e la febbre tifoide nell’uomo. Si scoprì, infatti, che i fluidi di coltura nei quali cresceva il fungo conteneva tre diversi antibiotici a struttura beta-lattamica che furono denominati: cefalosporina P, N e C. La cefalosporina C ottenuta sia da colture di Cephalosporium (per la grande maggioranza delle cefalosporine) sia di Streptomyces (batterio filamentoso, utile nella formazione delle cefamicine), ha struttura simile ai beta-lattamici, ma con un anello a 6 atomi. Capostipite naturale della famiglia delle cefalosporine, la cefalosporina C si rivelò subito interessante per il suo spettro di attività ampio, in quanto attiva sia verso i batteri Gram+ che verso i Gram-; inoltre, rispetto alla penicillina G, presentava il vantaggio di essere resistente alle b-lattamasi. In realtà, essa non trovò applicazione in sede terapeutica, ma risultò di enorme interesse industriale per produrre l’acido 7-aminocefalosporanico, composto base per l’ottenimento delle cefalosporine semisintetiche di uso clinico. Infatti con l’isolamento del nucleo attivo della cefalosporina C e con l’aggiunta ad esso di catene laterali, fu possibile produrre composti semisintetici dall’attività antibatterica assai più potente del composto di origine. Fig.1. Nucleo di base delle Cefalosporine, ottenuto dalla Cefalosporina C. In seguito alla scoperta di diversi metodi sintetici, la realizzazione di questi antibiotici si è susseguita nel tempo, durante tre generazioni di sintesi (tra il 1960 ed il 1980) che ha consentito di classificare le cefalosporine in farmaci di prima, seconda, terza e poi anche quarta generazione, in base al loro spettro antibatterico verso bacilli Gram-, che aumenta dalla I, II, III e IV generazione;mentre l’attività antistafilococcica diminuisce dalla I alla III generazione. Le cefalosporine di prima generazione si dimostrarono infatti attive solo su stafilococchi, Escherichia Coli, Proteus Mirabilis e salmonella, quelle di seconda generazione presentarono un più ampio spettro d’azione, mentre le cefalosporine di terza e quarta generazione risultarono attive anche sui Gram-. [2] L’introduzione sul mercato della prima cefalosporina è avvenuta nel 1964 con la cefalotina e la cefaloridina, due principi attivi dimostratisi subito efficaci nelle infezioni più gravi. La diffusione del loro impiego nelle più svariate condizioni patologiche rivelò oltre ai pregi anche i limiti, infatti queste due molecole di I generazione risultarono essere poco attive sui Gramper la loro scarsa stabilità in presenza delle beta-lattamasi batteriche. Tale osservazione portò alla ricerca di modifiche chimiche al nucleo di base delle cefalosporine (ad esempio per sostituzione nella catena laterale in posizione 3 dell’anello diidrotiazinico) tali da aumentare la stabilità verso le beta-lattamasi stafilococciche cercando di mantenere un’attività superiore verso bacilli aerobi Gram- rispetto alle aminopenicilline. La progressiva evoluzione della famiglia delle cefalosporine di I, II, III e IV generazione ha quindi ampliato lo spettro antibatterico iniziale che risultava essere limitato ai batteri Gram+, escluso l’enterococco ed a pochi Gram-, inducendo un ampio spettro d’azione anche sui germi produttori di β-lattamasi e sui germi “difficili”, quali Pseudomonas, Serratia, Bacteroides. Di conseguenza, le cefalosporine hanno rappresentato una valida alternativa alla penicillina G, anche nei soggetti allergici a questo antibiotico; infatti, l’incidenza di allergia crociata con le penicilline non supera il 3-7%. In generale, si dovrebbe evitare la somministrazione di cefalosporine in pazienti che abbiano manifestato allergia a penicillina mediata da IgE.[3] 2. CHIMICA: Caratteristiche chimiche-strutturali e classificazione chimica Le cefalosporine derivano chimicamente dall’acido 7-amino cefalosporanico (7-ACA), composto biciclico provvisto di una struttura diidrotiazino-beta-lattamica, correlabile a quella delle penicilline per la presenza del comune nucleo β-lattamico e dalle quali differisce per la presenza di un anello a 6 termini diidrotiazinico. Fig. 2. Struttura generale delle Cefalosporine Fig. 3. Analogie e differenze strutturali tra il nucleo attivo delle Penicilline e quello delle Cefalosporine Attualmente tutte le cefalosporine in commercio sono prodotte come derivati semisintetici a partire dal nucleo di base, cioè l’acido 7-aminocefalosporanico 7-ACA, ottenuto con metodi chimici dalla Cefalosporina C, in quanto l’idrolisi enzimatica non ha dato apprezzabili risultati, visto che, le amidasi batteriche non sono capaci di scindere il legame amidico della catena laterale aminoadipoilica della cefalosporina C (vedi fig.1).[1] Le uniche cefalosporine utilizzate in terapia che non siano derivate dalla Cefalosporina C sono le cefamicine (cefoxitina, cefotetam) le quali sono comunque derivati semisintetici ottenute dalla Cefamicina C prodotta dallo Streptomyces lactamdurans, ma che presentano lo stesso nucleo di base del 7-ACA modificato in C7. Altre modifiche al nucleo di base delle cefalosporine, cioè al 7- ACA possono comunque essere apportate, mantenendo l’attività antibatterica e contribuendo a classificare chimicamente tali antibiotici nelle seguenti quattro classi: Cefemi: doppio legame tra il C3 ed il C4 del nucleo diidrotiazinico; ad es. le aminocefalosporine Cefamicine: sostituzione alfa- metossi in posizione C7 (cefoxitina, cefotetan); Oxacefemi: un atomo di ossigeno al posto dell’atomo di zolfo al livello del nucleo diidrotiazinico (latamoxef); Carbacefemici: un atomo di carbonio al posto dell’atomo di Zolfo nel nucleo diidrotiazinico.[4] Fig. 4. Formule generali dei derivati sintetici dell’acido Cefalosporanico Le cefalosporine sono stabili in ambiente acido anche se non vengono assorbite. -Per le cefalosporine a somministrazione parenterale si utilizzano alcuni sali (sodico, disodico, cloridrato) per renderle solubili. -Per le cefalosporine orali si utilizza, invece sia la forma libera (acida) delle amino cefalosporine sia quella esterificata a livello del gruppo carbossilico in C4 che comporta la formazione di profarmaci.[1] 2.1 CLASSIFICAZIONE PER GENERAZIONI: La classificazione più comune delle cefalosporine è quella che si basa sulle diverse “generazioni”, ognuna delle quali corrisponde ad un certo potere intrinseco, spettro antibatterico e capacità di resistenza all’idrolisi da parte delle β-lattamasi batteriche. Cefalosporine di prima generazione (cefalotina, cefaloridina, cefazolina, cefapirina, cefradina, cefalexina, cefadroxil) La prima cefalosporina semisintetica introdotta in terapia fu la cefalotina. Essa risultava attiva sui Gram+ , alcuni Proteus ed E. Coli, meno attiva sui Gram- e Pseudomonas, inoltre veniva facilmente desacetilata in vivo ad opera delle esterasi, con ottenimento del derivato 3-ossimetilico molto meno attivo dell’antibiotico madre. Modifiche successive con sostituzione del gruppo acetossi con quello piridinico portò alla formazione della Cefaloridina che manteneva lo spettro antibatterico pur non venendo più attaccata dall’esterasi; essa però mostrava a dosi elevate nefrotossicità e non poteva essere somministrata per via orale in quanto non veniva assorbita a livello gastrico. La ricerca di cefalosporine attive per via orale ha portato a nuovi derivati semisintetici, ottenuti per modificazione della catena acetossimetilica in 3 e di quella acilaminica in 7. Altamente attiva, anche dopo somministrazione orale, risultò la cefalessina che presentava analogie strutturali con l’ampicillina, ma presentava comunque il limite di essere inattivate dalle β-lattamasi, enzimi diffusi e responsabili dell’insorgenza dell’antibiotico-resistenza. [1] Spettro antibatterico Sono le cefalosporine più attive nei confronti dei cocchi Gram+ produttori di penicillinasi con l’esclusione degli S. pneumoniae resistenti alla penicillina. Non sono attive sugli Stafilococchi resistenti per mutazione della PBP2 meticillino-resistenti; su alcuni batteri Gram+, tra cui il Clostridium Diphteriae; presentano una limitata potenza, dovuta alla sensibilità alle β-lattamasi prodotte dai Gram-, quali: Escherichia coli , Proteus mirabilis, KES (Klebsiella-EnterobacterSerratia), Haemophilus, Pseudomonas, Acinetobacter e anaerobi come il Bacteroides fragilis.[3] Indicazioni cliniche Come conseguenza dello spettro di attività le cefalosporine sono considerate: - alternative alle penicilline nelle infezioni sostenute dai Gram+ - in profilassi pre-operatoria se si esclude la presenza di anaerobi - in infezioni sostenute da Gram-, se vi è referto di laboratorio e non per la terapia empirica. Le cefalosporine orali sono invece utilizzate per il trattamento delle infezioni respiratorie: otiti, sinusiti, bronchiti. Utili anche nel trattamento delle infezioni delle basse ed alte vie urinarie. Sono ben assorbite per os; se somministrate per ev passano bene i tessuti e sono i farmaci di scelta (in particolare la cefazolina) in caso di profilassi chirurgica; l'eliminazione avviene soprattutto per filtrazione glomerulare e secrezione tubulare.[4] Specialità medicinali d’interesse commerciale in Italia Cefalotina: S.M.: - Cefalotina soluz.iniett. (Biopharma); - Cefalotina sodica (Fisiopharma); Keflin neutro (Lilly); Cefadroxil: S.M.: - Cefadril cpr o sosp.(Agips); - Cephos cpr (C.T. Lab.Farmaceutico); - Foxil (Ist. Biot. Nazionale); - Oradoxil cpr o sosp. Lampugnani. Cefazolina: S.M.: - Cefamezin soluz.iniett.i.m. (Pharmacia Italia); -Cefazolina soluz.iniett.i.m. (Bioprogress) (Merk Generics Italia) (Pliva Pharma) (Teva Pharma Italia); - Recef soluz.iniett.i.m.(Farma uno); - Totacef e.v.- i.m. (Bristol Myers Squibb). Cefalexina: S.M.: - Cefalexina cps o scir. (O.F.F.); - Ceporex cps o cpr (GSK); – Keforal cpr o sosp orale (EG).[5] Cefalosporine di seconda generazione (cefaclor, cefamandolo, cefonicid, cefuroxima, cefprozil, cefamicina, cefoxitina, cefmetazolo, etc.) Con le cefalosporine di seconda generazione si cercò di risolvere il problema dell’inattivazione da parte delle β-lattamasi sia somministrando contemporaneamente le cefalosporine con l’acido clavulanico (composto privo di attività antibatterica, ma provvisto di attività inibente nei confronti delle β-lattamasi), sia sintetizzando nuove molecole contenenti in 7 gruppi acilaminici con elevato ingombro sterico. Da ciò s’intuì che l’azione antimicrobica delle cefalosporine è strettamente collegata alla capacità acilante dell’anello β-lattamico sui centri nucleofili degli enzimi responsabili della sintesi della parete cellulare batterica. Il gruppo voluminoso, oltre ad impedire l’attacco da parte delle β-lattamasi sull’anello beta-lattamico, non permette l’attacco acilante di questo anello sugli enzimi preposti al cross-linking nella sintesi della parete. In seguito, altre ricerche in tal senso portarono alla scoperta della classe delle Cefamicine, derivati semisintetici a struttura 7-metossicefalosporanica; con la sostituzione del gruppo α-aminadipoilico con quello tienilacetico si ottenne la cefossitina che risultò particolarmente stabile sia alle βlattamasi che alle esterasi. Infatti la presenza in 3 del gruppo carbamoilico o di quello tetrazolico in sostituzione di quello esterasico, rende questi antibiotici inattaccabili da parte delle esterasi; mentre la resistenza alle lattamasi è dovuta all’ingombro sterico prodotto dal metossile in 7 α. Successive sintesi portarono alla formazione anche della Cefurossima appartenente al gruppo delle alchilossiiminocefalosporine, composti altamente attivi, stabili all’azione delle beta-lattamasi e caratterizzata da lunga emivita, buona tollerabilità e scarsa tossicità anche ad alte dosi. A questa classe appartengono anche il Cefamandolo (il cui gruppo metiltiotetrazolo è responsabile di ipotrombinemia e di reazione all’alcool), il Cefonicid ( produce sintomi collaterali similinfluenzali) ed il Cefaclor molto utilizzato in terapia.[1] Spettro antibatterico Attive contro tutti i microrganismi sensibili alle cefalosporine di prima generazione, presentano maggior attività nei confronti di numerosi Gram- : klebsiella, H.influenzae, B.fragilis. Sono attive nei confronti dei cocchi Gram+, con l’esclusione degli S. pneumoniae resistenti alla penicillina, e gli Stafilococchi resistenti alla meticillina (nessun b-lattamico) Le cefamicine, incluse in questo gruppo presentano attività anti anaerobi, verso alcuni Gram-, ma ridotta potenza sui Gram+; sono più potenti contro gli Enterobatteri, Neisserie, e Haemophilus e possono risultare sensibili a certe b-lattamasi. Il cefotetan e la cefoxitina hanno una eccellente attività nei confronti degli anaerobi ed in generale sono più resistenti alle b-lattamasi,ma non includono nel loro spettro P.aeruginosa e Proteus. Indicazioni cliniche Sulla base di tale spettro di attività le cefalosporine della seconda generazione sono considerate: - utili nel trattamento di moderate infezioni alle vie respiratorie (soprattutto cefuroxima, cefotiam), ai tessuti morbidi, vie urinarie, gonococciche e stafilococciche - utili nelle infezioni miste da anaerobi-aerobi (in particolare le cefamicine) - utili in associazione con aminoglicosidi - utili nella profilassi pre e post-operatoria Possono essere somministrate per os e per via parenterale. In caso di insufficienza renale il dosaggio deve essere modificato.[4] Specialità medicinali d’interesse commerciale in Italia Cefacloro: S.M.: -Cefaclor sosp orale o cps (Merk generics Italia) (Doc Generici); - Panacef sosp orale o gocce orali o buste o cps o cpr a ril. Modificato (Lilly); - Eurocefix sosp orale o cps (Farma uno); - Oralcef sosp orale o cps (Geymonat); - Takecef sosp orale o cpr ( Sofar); Fuclode sosp orale o cps (Bioprogress) etc..; Cefamandolo: S.M.: - Cefam im (Magis); - Lampomandol (Agips); - Mandokef sol iniet (Lilly); Cefmetazolo: S.M.: - Metafar im (La fare); Cefprozil : S.M.:- Cronocef - Rozicef cpr o sosp (Bristol Myers Squibb); - Procef cpr (Dompè); Cefonicid: S.M.: - Cefonicid sodico im (K24 Pharmaceuticals); - Cefonicid im (Copernico) (Teva Pharma) (Merck generics Italia)(Doc generici); - Silvercef im (Farma Uno); Abiocef im (IBI); - Cefoplus im (Aesculapio); - Diespor im (Biomedica Foscama); Cefobacter im (Agips); - Cefosporin im (Esseti); - Cefodie im (Smithkline beecham); Monocid im (Shire Italia); Cefuroxima: S.M: - Curoxim im (GSK); - Cefurex im o ev (Salus); - Oraxim cpr o buste (Malesi); - Tilexim cpr o buste(Caber); - Zinnat cpr o buste (GSK); - Zoref cpr o buste (Glaxo Allen) etc..[5] Cefalosporine di terza generazione (cefoperazone, cefotaxima, ceftazidima, ceftizoxima, ceftriaxone, cefixima, cefpodoxima proxetil, ceftibutene, latamoxef , moxalactam) Le cefalosporine di I e II generazione hanno un ampio spettro d’azione, ma risultano inattive nei confronti dello Pseudomonas e su varie specie di Proteus. Questi limiti portarono alla ricerca di nuove molecole che risultassero attive anche nei confronti di questi ceppi infettanti, da qui la sintesi delle cefalosporine ureidiche modellate sulla struttura della piperacillina e delle cefalosporine metosiiimminiche riconducibili alla cefuroxima. Entrambe caratterizzate da un’ elevata resistenza alle beta-lattamasi. Al primo gruppo fa capo, il Cefoperazone, la Ceftazidima provvisto di ampio spettro di attività ma stabile nei confronti delle beta-lattamasi prodotte da alcuni batteri Gram- e anche attivi sullo Pseudomonas aeruginosa. Del secondo gruppo fanno parte la Cefotassima ed il Ceftriazone, sono altamente attive su Streptococchi, sulla maggior parte dei Gram- ed hanno in comune tra di loro oltre la porzione βlattame-diidrotiazinica anche la catena in 7. Sostituzioni in posizione 3 portarono quindi, a prodotti stabili sia nei confronti delle beta-lattamasi che delle esterasi, con il vantaggio di mantenere un ampio spettro d’azione, specie nei confronti dei Gram-. Infatti si è osservato che sostituzioni che accrescono la lipofilia aumentano l’attività sui Gram+ mentre la riducono sui Gram-; quest’ultima è esaltata quando nella catena in 7 ci sono gruppi catecolici.[1] Spettro antibatterico le caratteristiche più importanti di questo gruppo sono (fatta eccezione per il cefoperazone) la notevole attività nei confronti dei Gram– e la possibilità di alcuni composti di attraversare la barriera ematoencefalica. Possiedono il più ampio e potente spettro d’attività nei confronti dei patogeni Gram- per la: - stabilità alle più diffuse b-lattamasi - attività sui ceppi resistenti alle cefalosporine di 1° e 2° generazione - attività sui ceppi resistenti ai chinoloni, aminoglicosidi e penicilline a spettro esteso (aminopenicilline, carbenicilline e ureidopenicilline) e sono: -attive sui cocchi Gram+ e sugli anaerobi -attive sugli Enterobatteri, Citrobacter, Neisseria, Moraxella e Haemophilus parzialmente sensibile Acinetobacter. -attive su P.aeruginosa cefotaxime, ceftizoxima e ceftriaxone mentre modesta attività la presentano cefixime e ceftibutene e cefoperazone. Indicazioni cliniche Le cefalosporine orali sono usate per il trattamento ambulatoriale delle infezioni respiratorie ed urinarie resistenti alle cefalosporine di generazione precedenti e nel trattamento da morsi animali. Le cefalosporine a somministrazione parenterale sono indicate nelle infezioni gravi da bacilli Gram-: setticemie, meningiti (sia nella monoterapia che in associazione ad un aminoside), nel trattamento delle pielonefriti nosocomiali, nelle polmoniti, osteomieliti da Gram-, nelle salmonellosi, nelle infezioni miste aerobi-anaerobi (latamoxef) e nella profilassi pre e postoperatoria, nella quale si usa il Ceftazidime perchè è il composto più attivo su P.aeruginosa. Vengono somministrate per via endovenosa, tranne ceftixima che può essere assunta per os. In caso di insufficienza renale il dosaggio deve essere modificato, tranne che per cefoperazone e ceftriaxone che vengono escreti per via biliare.[4] Specialità medicinali d’interesse commerciale in Italia Cefixima: S.M.: - Cefixoral cpr o sosp orale(Menarini); - Suprax cpr o sosp orale(Wyeth Lederle); - Unixime cpr o gran sosp (Firma); Cefoperazone: S.M.: - Bioperazone im (Biopharma); - Farecef im (La fare); - Cefoneg im (Tosi); - Ipazone im (IPA); - Novobiocyl (Francia Farmaceutici); - Zoncef im ( Agips); Cefotaxima: S.M.: - Cefotaxima im (Merk Generics Italia) (IBI) (Levofarma); - Refotax im o ev (Farma Uno); - Spectrocef im (Epifarma); - Cefotaxime im o ev (Faulding Farmaceutici); Claforan (Le Petit); - Zariviz im o ev (Aventis Pharma); Ceftazidima: S.M.: - Glazidim im o sol iniet (GSK); - Spectrum im o sol iniet (Sigmatau); Starcef (Firma); Ceftizoxima: S.M.: -Eposerin im (Pharmacia Italia) Ceftriaxone: S.M.: - Rocefin im (Roche); Ceftibutene: S.M.: - Cedax cps o gran (Schering Plough); - Isocef cps o gran (Ricordati);[5] Cefalosporine di quarta generazione Le cefalosporine di quarta generazione sono: cefodizime: potenza pari al cefotaxime ma attività immunomodulante cefpirome, cefepime: più resistenti alle cefalosporinasi e attivi su P.aeruginosa. Il cefepime ha una struttura chimica simile alle altre cefalosporine, ma dotata di una configurazione che lo rende uno ione dipolare privo di carica netta. Questa caratteristica consente alla molecola di penetrare attraverso la membrana esterna dei bacilli Gram- con una velocità superiore a quella di altre cefalosporine e ciò contribuisce alla elevata attività battericida del farmaco. Inoltre presenta una ottima attività sugli pneumococchi PEN-S e PEN-R (Terapia empirica delle polmoniti e meningiti), è altamente resistente alle β-lattamasi.Sono allo studio cefalosporine attive sulla PBP 2A di stafilococco in grado cioè di superare anche la resistenza alla meticillina. Spettro antibatterico Ampio spettro d’azione si è dimostrato fortemente attivo verso tutti i più comuni Gram+ e Gram-. La molecola si dimostra dotata di eccellente attività verso tutte le Enterobacteriacae e verso Pseudomonas aeruginosa; verso i batteri Gram+, il Cefepime possiede un’elevata attività in particolare nei confronti di S.Pyogenes, S. Pneumonite (anche penicillino-resistente), di S. aureus, Hemophilus e S. epidermidis con eccezione dei ceppi meticillino- resistenti. Cefepima e derivati penetrano facilmente nel liquido cerebrospinale.[6] Indicazioni cliniche Ampio spettro antibatterico e farmaco di prima scelta contro batteri aerobi e anaerobi. Indicato nelle infezioni dell'apparato respiratorio, del tratto urinario inferiore e superiore, della cute e dei tessuti molli; nelle infezioni intraddominali (es. peritoniti e infezioni biliari), nelle setticemie e batteriemie e nella profilassi chirurgica. E' indicato nei bambini per il trattamento delle meningiti cerebrospinali. Specialità medicinali d’interesse commerciale in Italia Cefepime: S.M.: - Cepimex soluz iniett. (UPSA); - Maxipime soluz iniett (Bristol Myers Squibb); - Cepim (Polifarma);[5] 2.1.1 Effetti secondari delle cefalosporine · Reazioni allergiche, possono determinare reazioni simili a quelle delle penicilline, tuttavia la differenza nella struttura chimica dei due gruppi di antibiotici fa si che le cefalosporine risultino maggiormente tollerate. · Tossicità, irritazione locale può essere responsabile di forte dolore nel punto d’iniezione dopo somministrazione i.m. e di tromboflebite dopo ripetute iniezioni e.v. · Nefrotossicità : per alcune cefalosporine è stata dimostrata tossicità renale, con nefrite interstiziale e necrosi tubulare. · Disturbi digestivi e sovraccarico di sodio, ipokaliemia. Si possono verificare aumenti moderati e transitori delle transaminasi e della fosfatasi alcalina nelle cefalosporine ad eliminazione epato-biliare. Cefamandolo, latamoxef, cefmetazolo, cefotetan, cefoperazone causano frequentemente ipoprotrombinemia e disordini della coagulazione. Possono anche indurre reazioni disulfiramsimili e deve perciò essere evitata la contemporanea assunzione di alcool. 2.1.2 Interazioni da evitare Evitare l’associazione: delle cefalosporine scarsamente induttrici di b-lattamasi con le b-lattamine che sono forti induttrici di b-lattamasi: es cefamicine e imipem. Delle cefalosporine (es cefaloridina e cefalotina ) con i diuretici dell’ansa per rischio di aumento della nefrotossicità Della cefalosporine ad effetto ipoprotrombizzante che presentano una sostituzione di Nmetiltiotetrazolo in C3 con anticoagulanti orali per aumentato rischio di emorragie e con alcool etilico per rischio reazione disulfiram Cefalosporine di IV generazione con antiacidi ed anti-H2 per diminuzione della biodisponibilità.[4] TAB. I Principali differenze tra le diverse generazioni di antibiotici cefalosporinici. 2.2 ALTRI ANTIBIOTICI BETA-LATTAMICI : Mossalattame (Latamoxef) Nel 1980 è entrato nell’uso clinico un composto bioisosterico con le cefamicine denominato Lamoxactam (latamoxef, moxalactam). Ottenuto in Giappone, è una oxadetiacefamicina semisintetica, in cui il nucleo beta-lattamico è condensato con quello diidrossazinico.[1] Presenta anche un gruppo aminotiazolile che lo stabilizza verso le beta- lattamasi, mentre il gruppo 3 tiometil metiltetrazolo è responsabile di ipotrombinemia che può complicarsi con trombocitopenia immunomediata. Spettro antibatterico Ampio spettro antibatterico verso i Gram-, e presenta una migliore attivatà contro Staphylococcus aureus e Bacteroides Fragilis; molto attivi a differenza delle cefalosporine di III generazione, verso gli anaerobi resistenti.[3] Specialità medicinali d’interesse commerciale in Italia Attualmente non commercializzato in Italia. Monobattami (Aztreonam) L'aztreonam è il solo agente attualmente in uso di questa classe di antibiotici a struttura monociclica caratterizzato da un’anello 3-aminoabactamico. Il composto è attivo nei confronti di microrganismi aerobi Gram-, in quanto permeabile alla barriera esterna, ed è estremamente resistente a molte delle -lattamasi prodotte da queste specie. Non riesce a superare l'involucro dei Gram+ e quindi non è utilizzato nella terapia di infezioni sostenute da questi microorganismi. Sui Gram- è attivo perché possiede una grande affinità per la PBP3. Il legame con le PBP comporta alterazioni della forma del batterio con effetto battericida. Non interagisce con le PBP degli anaerobi. Spettro antibatterico Ha uno spettro ristretto ai batteri aerobi Gram-, compresi N.menengitis, N gonorrheae, Haemophilus, Salomonelle, Singhelle, numerose Enterobacteriaceae, Pseudomonas e Serratia. Durante il trattamento possono verificarsi aumento delle transaminasi. E’ antibiotico di seconda linea nelle infezioni da Gram- difficili, resistenti ad altre antibiotici. La sua efficacia può essere ampliata mediante l’associazione con altri antibiotici. Per via IM ha biodisponibilità elevata (non viene assorbito per via orale), sono rari i casi di allergia, in genere non incrociata con gli altri β-lattamici.[3] Indicazioni cliniche Indicata nelle infezioni delle vie urinarie, nelle infezioni sistemiche gravi e nella profilassi chirurgica; in tal caso visto il suo ampio spettro antibatterico, può essere usato sia in monoterapie che in associazioni con un altro antibiotico. Specialità medicinali d’interesse commerciale in Italia Aztreonam: S.M.: - Azactam im o ev ( Bristol Myers Sqibb); - Primbactam im o ev (menarini);[5] Fig….Struttura e disposizione spaziale dell’Aztreonam Carbapenemi (Imipenem e Meropenem) I carbapenemici sono antibiotici b-lattamici dotati di un’ unica struttura del nucleo ove all'atomo di zolfo è stato sostituito un atomo di carbonio. Sono derivati dall'acido olivanico (sintetizzato nel 1976) che è un inibitore delle -lattamasi. Nel 1978 è stata prodotta, dallo Streptomyces Catleya, la tienamicina un composto che è risultato chimicamente molto instabile, mentre il suo derivato ottenuto l'anno seguente (1979) N-formidoil-tienamicina nota come imipenem, è il prototipo delle beta-lattamine carbapenemiche. Recentemente è stato commercializzato anche il meropenem, elaborato nel 1987. La loro attività si esplica mediante una fissazione elettiva alle PBP2e, con l’aumentare della concentrazione, anche sulle PBP1a e b e quindi sulle PBP3. L’effetto è rapidamente battericida grazie alla loro velocità di penetrazione attraverso le porine della cellula batterica. Spettro antibatterico I carbapenemici sono i farmaci che esprimono il più ampio spettro antibatterico in vitro non solo nell'ambito dei -lattamici, ma anche includendo le altre classi di antibiotici. Essi infatti inibiscono molti cocchi aerobi ed anaerobi nonchè un gran numero di specie Gram-. Sono invece considerati resistenti E.faecium, S.maltophilia, B.cepacia, gli stafilococchi resistenti all'oxacillina (meticillina), corinebatteri e i patogeni intracellulari. La potenza in vitro dei carbapenemici si osserva nei confronti dei microrganismi produttori di b-lattamasi a spettro esteso o che mostrano resistenze multiple ad altri antibiotici, su questi patogeni i carbapenemici dimostrano attività antibatterica. Sono dotati di una veloce capacità di ingresso nei batteri ed una immediata ed alta affinità con il bersaglio. Imipenem viene inattivato da diidropeptidasi nei tubuli renali e per questo viene somministrato in associazione con cilastatina (1:1), inibitore di diidropeptidasi renale. Meropenem è più attivo dell’imipenem nei confronti dei Gram- e degli anaerobi, mentre imipenem risulta più potente nei confronti dei Gram+. Entrambe le molecole sono efficaci nei confronti degli pneumococchi resistenti alle penicilline. Vengono somministrati per via parenterale e sono escreti per via renale. I più comuni effetti collaterali sono: nausea, vomito, diarrea, esantemi ed edemi nel sito dell'iniezione.[3] Altre Specialità medicinali d’interesse commerciale in Italia Imipem + cilastatina: S.M.: - Imipem sosp inetti im (Neopharma); - Tenacid im (SigmaTau); Tienam soluz inetti im (Merk Sharp); Meropenem :S.M. : Merrem im.[5] Specialità P.A. Indicazioni cliniche Imipem IM 500mg imipenem + cilastatina Merrem 1000mg EV meropenem Indicata nelle infezioni intra-addominali, del tratto respiratorio, ginecologiche, setticemie, del tratto genitourinarie. Osteo-articolari, cutanee ed endocarditi, ma anche nelle infezioni miste da ceppi sensibili di batteri aerobi ed anaerobi. Non è indicata nelle meningiti. Ampio spettro antibatterico e farmaco di prima scelta nelle infezioni dell'apparato respiratorio, del tratto genito-urinario ed intra-addominale es. peritoniti, infezioni biliari, setticemie, batteriemie, nelle infezioni della cute e dei tessuti molli. Indicata anche nelle meningiti e nella profilassi chirurgica. Posologia A:500 mg ogni 6h o 1-4g/die in 2-4 somm; B:60mg/kg/die 0,5-1g ogni 8h ev Tab. II. Principali indicazioni cliniche degli antibiotici Carbapenemici d’interesse commerciale Fig….. Struttura e disposizione spaziale dell’Imipem 3. Cefalosporine presenti nella Farmacia dell’Ospedale di Lamezia Terme e studio condotto sull’“USO DEGLI ANTIBIOTICI NEL P.O. DI L.T. ANNO 2002” Articolo in press. di: Aloe J., Gatti M., Greco A., Vetrice D.. Le Cefalosporine presenti nella Farmacia dell’Ospedale di Lamezia Terme sono riportate in tabella con indicazione della specialità d’interesse commerciale, le principali indicazioni terapeutiche e la posologia. Si tratta per lo più di antibiotici per uso sistemico indicate nella cura delle infezioni gravi o nella profilassi chirurgica ospedaliera. Specialità M. PA Spectrum IM 1FL1g ceftazidima Eposerin IM 1g ceftizoxima Glazidim vena 2g ceftazidima Maxipime IM EV 1g cefepime Rocefin IM 1g ceftriaxone Zariviz C/ Lidoc. IM1g cefotaxima Panacef os sosp. 100ml 5% cefacloro Cefotaxime IBI 1g fiale cefotaxima Spettro d’azione e indicazioni terapeutiche Di uso elettivo e specifico in infezioni batteriche gravi di accertata origine da Gram- "difficili" o da flora mista di Gramresistenti. Indicato in particolare nella profilassi chirurgica e nelle infezioni post-operatorie. Di uso elettivo e specifico in infezioni batteriche gravi da gramdifficili o da flora mista con presenza di gram- resistenti ai più comuni antibiotici. Indicato anche nella profilassi chirurgica. Di uso elettivo e specifico in infezioni batteriche gravi da gramdifficili o da flora mista con presenza di gram- resistenti ai più comuni antibiotici. Indicata anche nella profilassi chirurgica.Spettro antibatterico molto ampio anche su Pseudomonas Ampio spettro antibatterico, contro batteri aerobi e anaerobi e farmaco di prima scelta. Indicato nelle infezioni dell'apparato respiratorio, del tratto urinario inferiore e superiore, della cute e dei tessuti molli; nelle infezioni intraddominali (es. peritoniti e infezioni biliari), nelle setticemie e batteriemie e nella profilassi chirurgica. E' indicato nei bambini per il trattamento delle meningiti cerebrospinali. Di uso elettivo e specifico in infezioni batteriche gravi di accertata origine da Gram- "difficili" o da flora mista di Gramresistenti. Indicato nella profilassi chirurgica e nelle infezioni post-operatorie. Di uso elettivo e specifico in infezioni batteriche gravi di accertata origine da Gram- "difficili" o da flora mista di Gramresistenti. Indicato nella profilassi chirurgica e nelle infezioni post-operatorie. Indicato nelle infezioni da germi sensibili: bronchite acuta e riacutizzazione di bronchite cronica; faringite e tonsillite; nelle infezioni non complicate delle basse vie urinarie; nelle infezioni della cute e dei tessuti molli. Di uso elettivo e specifico in infezioni batteriche gravi di accertata origine da Gram- "difficili" o da flora mista di Gramresistenti. Indicato in particolare nella profilassi chirurgica e nelle infezioni post-operatorie. Posologia A: 1-3g/die ogni 8-12h ev in 2-3 somm; da 1g ogni 812 ore a 4 g ogni 8 ore ev A:im 1-3g/die ogni 8-12h in 2-3 somm ev 1-6g/die; 1-2g ogni 12 h ev o im A e B: 1g ogni 24 h da 1g ogni 812h a 2g ogni 4h A: 250 mg ogni 8h fino ad una dose massima di 2 g al giorno. A: 2 g al giorno per via im o ev (1 g ogni 12h) Sulla base di uno studio epidemiologico SPIN (Studio Policentrico sulle Infezioni Nosocomiali) condotto nell’anno 2001, a livello nazionale, in 19 centri ospedalieri, sono stati raccolti dati relativi a 1098 infezioni nosocomiali. Lo studio ha evidenziato che le più frequenti infezioni sono rappresentate da quelle delle vie urinarie, 37.2%, seguite poi da quelle delle infezioni delle basse vie respiratorie, 18.6%,e da quelle sistemiche 10.7%. Lo studio ha inoltre evidenziato una diversa incidenza di infezioni nei diversi reparti mentre, per quanto riguarda l’eziologia, si è dimostrato che le infezioni ospedaliere sono sostenute nel 57.3% dei casi da batteri Gram – e nel 42.7% dei casi da batteri Gram+. Dato, questo, molto importante in quanto fino a qualche anno fa il 70 % delle infezioni era dovuto a Gram – .Tra gli agenti responsabili delle patologie, nelle 1098 infezioni esaminate, il patogeno più frequentemente isolato è Pseudomonas aeruginosa, seguito da Escherichia coli, Staphilococcus aureus, Staphilococcus epidermidis, P.mirabilis, e tra gli enterococchi, Enterococcus faecalis, Enterococcus faecium. I centri ospedalieri in cui è stato condotto lo studio hanno inoltre testato, nei propri laboratori, la sensibilità dei batteri patogeni agli antibiotici più comunemente utilizzati. E’ emerso che è presente una certa antibiotico-resistenza. Partendo dai dati dello studio SPIN è stato condotto, nel Presidio Ospedaliero di Lamezia Terme, un’ indagine sul consumo di antibiotici, nata dall’esigenza di conoscere l’utilizzo degli antibiotici e al fine di contrastare i fenomeni di antibiotico-resitenza, che incidono negativamente sia sulla salute del paziente e sia sulla degenza e quindi sulla spesa ospedaliera. Lo studio è stato condotto mediante il database della Farmacia Ospedaliera e mediante fogli operativi Excel. Tutto ciò per poter ottenere: dati sul consumo totale degli antibiotici un consuntivo globale sull’ utilizzo dei diversi antibiotici nei vari reparti un’ analisi dettagliata delle molecole più utilizzate in ospedale e nei vari reparti CONSUMO TOTALE DI ANTIBIOTICI OSPEDALE LAMEZIA TERME ANNO 2002 16000 14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0 g V V g IV g g .. g g tri ile g g g g g g g g g g IV IV g g M M g Al tab IV 1m 3 1,5IV 1V 1IM 1 a 2IM 1IM 1IM 1 g g 0m a 1lo I00 I80m ... 0mg Eg E00mIM 00mV 2IM 00m 0m 0 0 5 n 0 m m t . E o E i m a 0 m i 5 5 M t 0 0 e i ic ic 0 to V 0 0m V 5 50 4 M am V 2 5 c I IM M oc id a a ne 0 0 in a IM batamam e I Lid ftaz idimoximaxo a 2 a 4a IVdam fen100olfa a Ea IM 50100 lo I a 1 a IVa I act M I a IV l 0 n i u a n o in in lli b I in 50 ill S c n im + e az iz ri in in in in m a s tin in n a ic + ba eo p e C ft ft ft ac ac ic l ra in a ta at ci m az ic ac ci zo na ic in mpllinaSul ztr efexim Ce Ce Cefloxflox om CClolist icinilaslast oxa enenid tilmflox era Talani om c o l A Cota i C tam+C+Ci vof ropetro NePe Pipina+op anc ro ro itr ika Apic ina+ f ip Cip lar e m l ill eic V l en m m e e M m C C A C A pici G ene ne L M ac T r e ip ip pe Am Pi Im Im Grafico 1: Consumo totale di antibiotici nell’ospedale di Lamezia Terme nell’anno 2002 Dall’ analisi, è emerso che il farmaco più utilizzato in ospedale è la ceftizoxima, seguito dall’associazione sulbactam-ampicillina, e dalla teicoplanina (Grafico 1). La ceftizoxima è una cefalosporina di III generazione con uno spettro antibatterico molto ampio grazie alla stabilità nei confronti delle beta-lattamasi; è molto sensibile sui germi enterobatteri Neisseria, Haemophilus, Branhamella, Streptococco A, Pneumococco, Pasteurella, Treponema, Borrelia.[…] Conclusioni Lo studio ha dimostrato una certa tendenza ad usare soltanto alcune molecole, senza effettuare una scelta mirata. Tutto ciò non fa altro che facilitare la selezione di germi resistenti, vanificando la scelta dell’antibiotico usato. L’indagine effettuata suggerisce che il monitoraggio degli antibiotici risulta fondamentale in particolar modo se effettuato in collaborazione tra farmacisti clinici e microbiologi. Solo cosi sarà possibile elaborare dei protocolli in grado di contenere i costi e di soddisfare le esigenze terapeutiche.[8] 4. CHIMICA COMBINATORIALE: 4.1 Sintesi di nuove librerie di composti beta- lattamici L’approccio chiave per la scoperta di nuovi composti biologicamente attivi è la chimica combinatoriale, con questi metodi sono costruite e proposte intere collezioni di nuovi composti alle compagnie farmaceutiche per un totale screening. La quantità di composti in collezioni ed il numero di collezioni in genere, eccede le possibilità di high-throughput-screening(HTS). L’analisi dei dati di letteratura sul meccanismo d’azione degli antibiotici e della resistenza batterica così come sulla relazione tra la struttura e l’attività biologica degli antibiotici è alla base della metodologia di progetti di nuove molecole β-lattamiche biologicamente attive. La disponibilità di enzimi usati nella sintesi e nella trasformazione di antibiotici b-lattamici, e la comprensione del loro meccanismo d’azione consente l’uso di metodi d’ingegneria enzimatica per la produzione di un gran numero di composti b-lattamici da librerie virtuali. I vantaggi di una via enzimatica rispetto alla sintesi chimica tradizionale, rende l’enzimologia combinatoriale come alternativa alla chimica combinatoriale. L’uso di processi di ingegneria enzimatica è interessante anche per l’uso di tecniche enzimatiche per la produzione di antibiotici beta-lattamici semisintetici. Esistono almeno due modi per la progettazione di nuovi composti beta-lattamici biologicamente attivi: la modificazione specifica e/o la chimica combinatoriale basata sull’impianto di sostituenti favorevoli agli antibiotici beta-lattamici ben noti nella pratica medica, in altre strutture. Il primo metodo è basato sull’importanza della relazione tra la struttura e l’attività biologica dei composti beta-lattamici e sulla comprensione del ruolo e delle proprietà chimico-fisiche dei sostituenti, introducendo analoghi naturali o sintetici. La modificazione specifica richiede una approfondita ricerca e/o un’immensa quantità di studi sperimentali per ogni composto. Il secondo approccio al progetto di nuovi β-lattamici è basato sul principio di similarità, cioè, sull’uso di differenti combinazioni di agenti acilanti e amminoacidi chiave di farmaci noti come blocchi molecolari nella costruzione di nuove strutture. Ci sono numerosi esempi in letteratura che illustrano i vantaggi di un tale approccio. Prima di tutto, una modificazione strutturale simile o identica della catena laterale delle strutture di penicillina, cefalosporina e monobattami, così come modificazioni potrebbero essere menzionate in C2 nelle strutture di penem e carbapenem. Sono usati sistemi eteri, metieteri ed tiometileteri come costituenti di cefalosporine altamente attivi. Deve essere evidenziato che altre proprietà farmacologiche dei composti costruiti in accordo al principio di similarità accanto all’attività antibatterica si può avere uno screening totale di nuovi βlattamici biologicamente attivi. L’estensione dello spettro di attività farmacologia dei nuovi composti è connessa con l’introduzione di frammenti strutturali, che sono responsabili per tipi di specifica attività biologica nei confronti dei β-lattamici. Modificazioni successive dei composti costruiti per incrementare gli effetti farmacologici potrebbero essere effettuate se necessario. A favore di uno di tali approcci è, per esempio, il fatto che alcuni composti, i cui frammenti strutturali sono usati nella costruzione della catena laterale delle penicilline, hanno non solo marcata attività antibatterica ma anche altre attività biologiche: vasodilatatrice, anti-infiammatoria non specifica, immunostimolante ed altre ancora. In genere si usa il principio di similarità per progettare nuovi composti β-lattamici. I composti costruiti sono numerati in tabelle elettroniche E.1-E.4*. Le librerie virtuali contengono strutture βlattamiche sulla base di penami, cefemi, e monobattami. Questi composti sono prodotti per condensazione di amino-gruppi di uno degli amminoacidi chiave con un gruppo carbossilico dell’acido carbonico, usato nella sintesi di penicilline, cefalosporine e monobattami semisintetici conosciuti nella pratica clinica. 6-APA, 7-ADCA,7-ACA, e i loro analoghi in 3 sostituiti, acido 7amino-7metossicefalosporanico e i suoi analoghi in 3 sostituiti ed altri 60 composti sono stati usati come aminoacidi chiave. 85 acidi carbonici sono stati usati come fonte di moieties acile. Più di 4500 strutture virtuali sono state costruite accoppiando gli amminoacidi prima menzionati con gli agenti acilanti. Il numero di nuove strutture β-lattamiche può essere incrementato dall’uso di diverse coppie di sostituenti negli amminoacidi chiave e di numerosi agenti acilanti. Più della metà dei composti progettati possono essere sintetizzati enzimaticamente. Il metodo enzimatico della produzione di composti è una alternativa alla via chimica ed ha alcuni vantaggi perchè consente reazioni che procedono in condizioni miti (in mezzo acquoso, a temperatua ambiente, a pH neutro), che sono importanti specialmente per i composti β-lattamici labili. Il meccanismo d’ azione di enzimi peptidoidrolasi, sono stati usati nella sintesi e nella trasformazione di antibiotici β-lattamici. I nuovi composti individuali β-lattamici, detti hits, ottenuti da processi di biocatalisi, possono essere sintetizzati usando acido-cefalosporin-sintetasi da E.Coli e amino-β-lattamin sintetasi da X. Rubrilineans, che hanno la più alta specificità. Queste hits, sono le aminopenicilline, le aminocefalosporine ed i loro analoghi con sostituenti, amino gruppi nella catena laterale, cioè ureidopenicilline e ureidocefalosporine. Nella miscela di reazione biocatalitica, non solo composti hits, ma anche leads possono essere prodotti per sintesi enzimatica. La disponibilità di enzimi e la comprensione del loro meccanismo di azione sono alla base di nuovi approcci per lo screening di moderni farmaci “combinatorial enzymology”. I metodi di “combinatorial enzymology” consentono la progettazione e la produzione di hits e leads, usati come blocchi per la produzione di differenti aminoacidi chiave e di agenti acilanti, che sono i substrati per gli enzimi usati.[7] 5. MECCANISMO D’AZIONE 5.1 BASATO SUL FARMACOFORO: Relazione struttura-attività SAR La parte reattiva della molecola è il carbonio carbonilico sull'anello del lattame. Le PBP attaccano questa parte della molecola e formano un composto intermedio molto stabile a causa della tautomerizzazione ed dell´ingombro sterico, che impedisce ad un nucleofilo l'attacco e lo spostamento delle PBP. L’anello β-lattamico delle penicilline e delle cefalosporine risulta stereochimicamente identico, ma si ha una differenza a livello dei gruppi carbossilici esociclici. Sembra pertanto che le differenze di attività e stabilità, fra le penicilline e le cefalosporine si abbiano per la stereospecificità dei gruppi carbossilici e per la geometria del sistema biciclico chiuso. Fig. .. Disposizione spaziale a confronto tra le penicilline e le cefalosporine L’anello β-lattamico delle cefalosporine è meno reattivo di quello delle penicilline, l’anello diidrotiazinico sia nel 2-cefem che nel 3-cefem esercita una minore tensione che su quello βlattamico di quanto non lo faccia il sistema tiazolidinico delle penicilline. Molte ricerche sono state dirette ad individuare gruppi chimici “chiave” capaci di stabilizzare la molecola dell’antibiotico verso la β-lattamasi, altresì di garantire la migliore penetrazione nel microrganismo. Le modifiche chimiche che possono essere apportate all’acido 7aminocefalosporanico e che si sono dimostrate utili nel migliorare alcune caratteristiche di questi antibiotici sono: L’atomo di zolfo del nucleo diidrotiazinico può essere sostituito con un atomo di ossigeno o di carbonio(oxacefemi e carbapenemi).; Sostituenti in C 7 corrispondenti alla posizione R1 (legame amidico) sono responsabile della stabilità, delle proprietà antibatteriche e della resistenza alle beta-lattamasi. infatti in C7, la sostituzione α-metossi, sul nucleo β-lattamico delle cefamicine, aumenta la resistenza all’idrolisi da parte delle β-lattamasi e l’attività nei confronti degli anaerobi. Tale sostituzione determina però anche una diminuzione dell’attività antistafilococcica; in C 4: la funzione acida si può esterificare determinando incremento della lipofilia e dell’assorbimento gastroenterico per dare origine ai profarmaci (molecole che liberano il principio attivo in vivo, molto frequente per antibiotici ad uso orale). in C 3 corrispondente alla posizione R2: si hanno modifiche al metabolismo ed alle proprietà farmacocinetiche della cefalosporina, quali la durata di azione e la potenza. Modifiche a questa posizione inoltre interesseranno lo spettro, infatti, l'aggiunta di atomi elettronegativi in R2 conferisce una forza di azionamento a queste cefalosporine per reagire con le PBP e inibirle. Questi tipi di sostituzioni permetteranno una buona distribuzione degli elettroni all'interno del legame doppio fra la terza e la quarta posizione dell’ anello diidrotiazinico che è anche necessario alle PBP per attaccare e legare la cefalosporina. Inoltre la presenza in C3 di un anello metiltiotetrazolo (es. cefamandolo, cefoperazone): conferisce all’antibiotico la proprietà di inibire la aldeide-deidrogenasi e di far accumulare la acetaldeide dopo assunzione di alcool (effetto disulfiram); inoltre, risulta anche responsabile di alterazioni del metabolismo delle vitamina k con ipotrombinemiae, talora anche della riduzione della funzione piastrinica, ambedue responsabili di facile sanguinamento (nel 2,5% dei pazienti in trattamento). La presenza di gruppi eterociclici in 7 e in 3 è responsabile degli effetti anticonvulsivanti e dell’insufficenza renale come nel caso della cefalotina e cefazolina. Catene laterali con il gruppo dell’aminotiazolo favorisce la penetrazione nel corpo batterico. Catene 2-carbossi-2-ossipropano conferisce attività verso lo Pseudomonas Aeruginosa.[3] Tutte le sostituzioni esercitano influenze diverse e l’inserimento di diversi gruppi R1 ed R2, ha portato alla formazione di composti dotati di buona attività e bassa tossicità. Al tempo stesso, alcuni sostituenti sono responsabili, in alcun individui, di intolleranza o di difetti dell’emostasi. Tutti gli sforzi attuali sono diretti ad ottenere delle cefalosporine che abbiano una buona attività sui cocchi Gram+, gli enterococchi, lo Pseudomonas, l’Acinetobacter, gli anaerobi. 5.2 BASATO SUL RECETTORE Il meccanismo d’azione delle cefalosporine consiste in un’inibizione della sintesi della parete cellulare batterica per interferenza sul processo enzimatico di transpeptidazione, che catalizza la formazione delle reticolazioni polimeriche peptidoglicaniche. Tale meccanismo d’azione è stato messo in rapporto con la possibilità che il nucleo fondamentale delle molecole beta-lattamiche, funzioni come analogo strutturale del dimero D-alanina, che forma la porzione terminale del pentapeptide dell’unità basale del peptidoglicano e che interviene nel legame di transpeptidazione terminale.[2] Il peptidoglicano (detto anche mucopeptide o mureina) è formato da due carboidrati azotati: Nacetilglucosamina e l’acido N-acetilmuramico che sono legate tra loro mediante un legame β,1-6. L’acido muramico di una unità strutturale è legato alla N-acetilglucosamina dell’unità successiva mediante un legame β,1-4. Al gruppo carbossilico dell’acido muramico è legato un tetrapeptide i cui aminoacidi sono rappresentati da L-alanina, acido D-glutamico, L-lisina e D-alanina. Questi polimeri lineari sono poi collegati trasversalmente tra di loro, mediante legami peptidici tra la Dalanina terminale di un tetrapeptide e l’aminogruppo della lisina in posizione 3 del tetrapeptide adiacente. L’insieme dei polimeri lineari, collegati trasversalmente tra di loro a livello dei tetrapeptidi, forma così una rigida struttura che avvolge la cellula batterica.[10] La biosintesi del peptidoglicano può perciò essere schematizzata in 3 stadi: Il I° stadio, consiste nella produzione di unità base UDP-acetilglucosamina e UDP-muramilpentapeptide. Il II° stadio, procede con la condensazione delle unità base e il loro trasferimento sulla struttura peptidoglicanica in fase di formazione. Il III° stadio, coinvolge la formazione di legami trasversali (cross-linking) fra le catene peptidoglicaniche neoformate.[1] Quest’ultimo stadio della sintesi del peptidoglicano viene catalizzato da una transpeptidasi, enzima che usa un ossidrile serinico per attaccare la penultima unità di alanina formando un legame covalente, mentre l’alanina terminale viene allontanata (Fig… [2]). Fig. Il complesso enzima-peptidoglicano è attaccato dal gruppo amminico terminale dell’unità pentaglicinica adiacente, che rigenera il sito attivo della transpeptidasi rendendolo disponibile per l’ulteriore azione catalitica e produce un nuovo legame ammidico che lega fra loro le due catene adiacenti. La geometria tridimensionale del sito attivo dell’enzima è importante per la capacità di attaccare solo i peptici batterici. Gli antibiotici β-lattamici sono inibitori selettivi ed irreversibili di questi enzimi. Modelli stereochimici dimostrano infatti che la conformazione di questi antibiotici è molto simile al sistema D-alanina-Dalanina (Waxman et al, 1980; Kelley et al. 1982); probabilmente la transpeptidasi è acilata dagli antibiotici β-lattamici, formando un pennicilloil-enzima per rottura del legame CO-N dell’anello β-lattamico. L’anello β-lattamico in forte tensione è molto più reattivo di un’ammide normale, specialmente se fuso con un opportuno eterociclo per dare un sistema biciclico.[2] Nelle Cefalosporine il residuo eterociclico è ancora legato covalentemente e non può allontanarsi come invece fa la D-alanina terminale (Fig..). Questo costituisce un ostacolo all’avvicinamento da parte dell’unità pentaglicinica ed evita che il sito attivo dell’enzima sia rigenerato, e quindi impedisce il legame crociato del precursore. Ne risulta una parete difettosa, con enzima inattivato. La perdita della tensione dell’anello che si ottiene con la rottura enzimatica del legame β-lattamico è così pronunciata che la reazione non può procedere in senso inverso. In questo modo la transpeptidasi della parete batterica è inattivata in modo stechiometrico.[11-12] Fig. Attacco nucleofilo all’anello β-lattamico da parte di una PBP e successivo riarrangimento molecolare; perdita della tensione dell’anello che si ottiene con la rottura enzimatica del legame β-lattamico è così pronunciata che la reazione non può procedere in senso inverso. Recentemente è stato messo in evidenza che a tale processo partecipano numerosi enzimi in grado di legare con legame covalente gli antibiotici β-lattamici e che quindi rappresentano i siti target per l’azione di penicilline e cefalosporine; questi sono indicati come penicillin-binding-protein PBP (PBPs; Spratt, 1980). Sembra pertanto che i bersagli molecolari, cioè le PBP, per questi composti siano numerosi, anche se interessati tutti alla tappa finale della sintesi del peptidoglicano, e che i batteri ne possiedano in quantità ed entità diverse; ad esempio lo Staphilococcus aureus ha 4 PBPs, mentre l’ E.Coli ne ha 7 con differente affinità per le β-lattamasi. Infatti il legame dei β-lattamici alle PBPs 1a e 1b di E.Coli porta all’inibizione del processo di transpeptidazione nella sintesi del peptidoglicano, mentre l’inibizione dell’attività di altre PBPs di E.Coli potrebbe causare lisi ritardata (PBP2) o la produzione di lunghe forme filamentose del batterio (PBP3), come per l’aztreonam [2]. Le Cefalosporine, così come ogni struttura β-lattamica, penetrano nella cellula batterica attraverso i canali acquosi della membrana esterna cioè attraverso le porine, ed hanno una selettività per una o più PBPs, e una volta legate covalentemente dai β-lattamici determinano il blocco della sintesi del peptidoglicano. La presenza di tratti di peptidoglicano meno solidamente costruiti e l’attivazione delle mureino-idrolasi (enzimi attivati con un processo ancora non chiaro), che sono in grado di depolimerizzare il peptidoglicano stesso, provoca estese rotture del componente fondamentale della parete cellulare, con conseguente lisi osmotica della cellula batterica. Fig…Meccanismo schematizzato di penetrazione all’interno di una cellula batterica di Neisseria Gonorrhoeae, di un antibiotico a struttura β-lattamica con successivo legame alle PBP. Eventuali alterazioni nei meccanismi di penetrazione di tali molecole, cioè alterazioni delle porine, o alterazioni cromosomiche dei siti d’interazione cioè alle PBP determina resistenza batterica a tali molecole. 5.2.1 Legame alle PBPs I targets per le droghe β-lattamiche sono le Penicillin Binding Proteins PBPs , così chiamate perchè legano una penicillina radioattiva e possono essere identificate da autoradiografia di gel sulla quale proteine batteriche sono state separate elettroforeticamente. I batteri hanno diverse PBPs individuali, ognuna con una funzione separata. Convenzionalmente vengono numerate in base alla dimensione, con PBP1 come la proteina più grande. La PBP 1 di un batterio non avrà necessariamente la stessa funzione della PBP1 di un organismo differente. Le PBP fanno parte della famiglia delle proteine serin-trasferasi, come gruppo di proteine specializzate nell’assemblaggio e metabolismo della parete cellulare batterica. Questa famiglia può catalizzare il trasferimento di un gruppo R1-CO di un estere, tioestere o ammide carbonil donatore R1-CO-X-R2 ad un accettore, HY, attraverso la formazione di un legame intermedio serin-estere acil (R1-CO-). Le PBPs possono essere classificate come LMW (basso peso molecolare) o come HMW (alto peso molecolare). Le HMW possono ancora essere suddivise in quelle di classe A e classe B. Questi due gruppi si combinano in una singola catena polipeptidica , tra i domini di transglicolazione e il dominio transpeptidasico. Troviamo inoltre un segnale che non viene tagliato, la cui funzione è quella di ancorare il peptide alla membrana plasmatica. Questo dominio si trova fuso alla porzione N-terminale del modulo di transglicosilazione, che è ancora fuso al modulo di acyl-serin transferasi. In contrasto alle HMW, che sono enzimi multifunzionali, ed essenziali per la sopravvivenza del batterio stesso, le LMW sono proteine monofunzionali e non essenziali per la cellula batterica.[2][13-14-15] La struttura tridimensionale di molte PBP evidenzia α-eliche che racchiudono un core formato da 5 b-sheet antiparalleli, supportate da due eliche da un lato e una singola elica dall’altro con un dominio α-elica centrale (Fig. 7’,8’,9’,10’). Fig.7’ Fig.8’ Fig.9’ Fig.10’ Fondamentalmente troviamo tre motivi dominanti in tutte le PBPs, che costituiscono i siti attivi di queste proteine. Il primo dominio è dato da una sequenza amminoacidica costituita da SXXK N-ter della catena 2a, ed assume una posizione centrale nel sito attivo. Nella proteina in questione ci sono gruppi come la serina e la lisina. Il secondo dominio S/YxN/C è un loop che connette due eliche del dominio e definisce un lato del dominio catalitico. L’ultimo motivo è dato da KSG che si trova nel 3b sheet e definisce l’altro lato del centro catalitico. Sebbene la struttura secondaria sia notevolmente varia in fatto di numero, lunghezza e orientamento, la distanza tra gli atomi più importanti di questi tre motivi differisce lievemente e non supera mai un 1A di distanza.[13] Le PBPs hanno attività transpeptidasi, carbossipeptidasi o glicosiltransferasica e agiscono normalmente per regolare forma e dimensioni cellulari; esse sono anche coinvolte nella formazione del setto e nella divisione cellulare. Le attività di TP (transpeptidasi) e di GT (glicosiltransferasi) sono residenti sul dominio extracellulare delle PBPs. Ci sono due gruppi di PBPs, tra quelle con alto peso molecolare (HMW) PBPs, si distinguono due categorie: le PBPs multidominio, associate soltanto con l'attività di TP e quelle bifunzionali, che catalizzano sia le reazioni di TP che di GT. Le PBPs a basso peso molecolare (LMW) (< kDa60) sono DD-endopeptidasi e DD-carbossipeptidasi, queste ultime sono coinvolte nella rottura del residuo terminale della D-alanina della catena del peptide, una funzione necessaria per il controllo del grado di cross-linking del peptidoglicano. Le PBPs sono i siti targhets di tutti gli antibiotici b-lattamici. L'azione inibitoria dei b-lattamici è basata, come già detto, sulla loro analogia strutturale con la parte dell' D-alanyl-D-alanina (Fig..). Le molecole b-lattamiche acilano la serina del sito attivo del dominio TP delle PBPs, conducendo ad un enzima acilato inattivo che è idrolizzato lentamente [16]. Le PBP usano, infatti, un amminoacido della serina (colorato porpora in fig…) che forma un legame covalente con la catena peptidoglicanica, quindi lo rilascia appena forma il legame incrociato con un'altra parte del reticolo peptidoglicanico. I composti beta-lattamici si legano covalentemente a questa molecola di serina e non la liberano, bloccando permanentemente il sito attivo. L'inibizione dello stadio di cross-linking lascia il peptidoglicano debole meccanicamente e suscettibile di lisi per cambiamenti di pressione osmotica ciò conduce a idrolisi del peptidoglicano e lisi cellulare[17]. Fig.. Struttura tridimensionale dei siti di legame coinvolti durante la formazione di un complesso Cefalosporina-PBPs. Le PBP hanno un amminoacido della serina (colorato porpora in fig…) nel sito attivo e i composti beta-lattamici si legano covalentemente a questa molecola di serina e non la liberano, bloccando permanentemente il sito attivo [14]. Fig.. A.Il nucleo della cefalosporina. L’anello β-lattamico reagisce prontamente con il nucleofilo catalitico, normalmente sul residuo di serina, delle PBPs formando un complesso long-lived acyl enzyme quindi inibendo l’enzima. B.Schema della Cefalosporina dopo formazione del complesso con DD-peptidasi. La parte rossa della Cefalosporina mima la porzione D-ala D-ala del peptidoglicano donatore che nella reazione di cross-linking è il primo substrato attaccato dalla serina catalitica. La D-alanina terminale viene persa e viene formato un’ acil enzima con la penultima D-alanina. La porzione verde della cefalosporina mima il secondo substrato o accettare, pronto per l’attacco sul carbonio carbonilico dell’acil enzima per completare la formazione crosslinking tra l’accettore ed il donatore[18]. Fig…. (A sinistra) Elementi della struttura secondaria del DD-peptidasi rappresentati come cilindri per eliche, nastri per βelementi e spirali per regioni circolari, tutto in giallo. Una superficie trasparente dell’enzima aiuta a visualizzare la profondità dei legami permettendo allo stesso tempo una vista generale della struttura. La molecola della Cefalosporina legata è mostrata come barrette con lo schema di colorazione CPK. (A destra) I legami per elementi del peptidoglicano si possono chiaramente osservare nella rappresentazione verde della superficie dell’enzima. Residui NAM-NAG sono stati modellati sulla struttura dell’acilenzima inserendo i disaccaridi negli spazi della superficie dell’enzima. Questa struttura è stata modificata minimizzando l’energia senza un cambio significativo nella posizione, ciò significa che il modello è realistico[18]. 5.2.2 Resistenza batterica Quando un antibiotico è ampiamente usato si sviluppano inevitabilmente sistemi batterici resistenti. Il meccanismo di resistenza agli antibiotici b-lattamici risiede: nel rilascio di blactamasi nello spazio extracellulare, con sito attivo a serina o a zinco, promuovendo l'idrolisi dell'anello b-lattamico o nel produrre PBPs HMW bifunzionali con siti TP ed GT a bassa affinità attraverso la generazione di geni risultanti da eventi di ricombinazione omologa con altre specie relative [ 7, 8 ]. Questo "scambio di geni” altamente efficiente è diffuso nei sistemi di S. pneumoniae, un organismo altamente mutabile. I fattori molecolari determinanti della resistenza ai b-lattamici sono stati descritti attraverso una struttura tridimensionale ad alta risoluzione dei S.pneumoniae PBP2x [ 9, 10 ] e dall’analisi di mutazioni amminoacidiche in PBP2x.[17] Fig… Struttura tridimensionale di S. pneumonite PBP2x complessata con una Cefalosporina: la Cefotaxima. 4 sided Beta-lactam ring Fig… Sito di attacco delle β-lattamasi sul nucleo attivo della cefalessina:cioè l’anello β-lattamico Comunque le diverse specie batteriche possiedono differenti strutture delle PBPs, mentre gli antibiotici β-lattamici sono selettivi per una determinata PBP; pertanto, alcuni batteri potrebbero risultare intrinsecamente resistenti ad alcuni antibiotici della classe e sensibili ad altri. Inoltre è possibile per una specie sensibile acquisire una resistenza di questo tipo mediante lo sviluppo di HMW PBPs (ad alto peso molecolare), che hanno minore affinità per l’ antibiotico. Le PBPs con minore affinità per gli antibiotici β-lattamici, sono acquisiti da ricombinazioni omologhe tra i geni PBP di differenti specie batteriche. La resistenza alle Cefalosporine da parte dei diversi ceppi batterici è, quindi legata a tanti fattori, quali:-oltre alla presenza di β-lattamasi specifiche e molto attive nello scindere il nucleo βlattamico e/o alla mancanza di PBP specifiche per l’attacco del farmaco, perché mutate; anche alla mancanza di permeabilità della membrana esterna all’antibiotico ed alla mancanza di attivazione di enzimi autolitici nella parete cellulare (vedi Fig….). Fig…Schema di una cellula batterica che ha acquisito diverse forma di resistenza contro gli antibiotici β-lattamici Il meccanismo, comunque più diffuso è quello delle beta-lattamasi, la maggior parte di queste usano lo stesso sistema usato dalle PBP, tanto che molti ricercatori credono che le beta-lattamasi siano stati sviluppati tramite modifica evolutiva delle PBP. Le PBP usano un amminoacido della serina (colorato porpora in fig…) che forma un legame covalente con la catena peptidoglicanica, quindi lo rilascia appena forma il legame incrociato con un' altra parte del reticolo peptidoglicanico. I composti beta-lattamici si legano a questa molecola di serina e non la liberano, bloccando permanentemente il sito attivo. Le beta-lattamasi, hanno una serina simile nella loro tasca attiva del sito così le molecole betalattamiche si legano direttamente alla serina del sito attivo e vengono poi liberate in forma disattivata. Altre beta-lattamasi fanno la stessa cosa, ma usano uno ione zinco anziché un amminoacido della serina per inattivare la penicillina. Esplorando la struttura dell'enzima è un D-alanyl-D-alanina carboxypeptidase/transpeptidase che genera legami cross-linking nella rete peptidoglicanica, questa possiede una serina nel sito attivo dell’enzima, pertanto sarà in grado di legare ed inattivare l’anello beta-lattamico. Gli antibiotici β-lattamici penetrano all’interno della cellula batterica attraverso la parete cellulare e qui si ha l’attacco da parte delle β-lattamasi che attaccano queste molecole mediante attacco nucleofilo al carbonio carbonilico dell’anello β-lattamico e formazione di una struttura inattiva(Fig…). Così i batteri possono distruggere enzimaticamente gli antibiotici β-lattamici, aprendo l’anello β-lattamico ed inattivando la molecola al punto da abolirne l’attività antimicrobica. Nei batteri Gram+ il polimero del peptidoglicano è molto vicino alla superficie della cellula. Solo macromolecole di superficie (capsule) sono esterne al peptidoglicano. Le piccole molecole degli antibiotici β–lattamici possono penetrare facilmente nello strato esterno della membrana citoplasmatica ed interagire con le PBPs, dove si verificano gli stadi finali della sintesi del peptidoglicano. La situazione è differente nei batteri Gram-. La loro struttura superficiale è più complessa e la membrana interna (che è analoga alla membrana citoplasmatica dei batteri grampositivi) è coperta dalla membrana lipopolisaccaridica esterna e dalla capsula (Fig...). La membrana esterna funziona come una barriera impenetrabile per alcuni antibiotici. Comunque alcuni piccoli antibiotici idrofilici, diffondono attraverso i canali acquosi nella membrana esterna che sono formati da proteine chiamate porine. Le penicilline a più ampio spettro, come ampicillina e amoxicillina, e la maggior parte delle cefalosporine diffondono attraverso i pori nella membrana esterna del E. coli, molto rapidamente. Il numero e la dimensione dei pori nella membrana esterna è variabile tra i diversi batteri gram-negativi. Un esempio estremo è lo Pseudomonas aeruginosa, che è intrinsecamente resistente a un’ ampia varietà di antibiotici in virtù dell’assenza delle classiche porine ad alta permeabilità. Teichoic acid Crosslink s Le β-lattamasi, inoltre, possono essere presenti in larga quantità nelle diverse specie batteriche. Differenti microrganismi producono un certo numero di β-lattamasi differenti, sebbene la maggior parte dei batteri produce solo una forma dell’enzima. I substrati specifici di alcuni di questi enzimi sono relativamente stretti e questi spesso sono descritti come penicillinasi o cefalosporinasi. Altri enzimi ad ampio spettro sono meno discriminanti e possono idrolizzare una varietà di antibiotici βlattamici. Le singole penicilline e cefalosporine variano nella loro suscettibilità a questi enzimi. In generale i batteri Gram+ producono una grande quantità di β-lattamasi che è secreta a livello extracellulare. Molti di questi enzimi sono penicillinasi. Nei batteri Gram- le β-lattamasi si trovano in quantità relativamente piccole ma sono localizzate nello spazio periplasmatico tra la membrana cellulare esterna ed interna. Dal momento che gli enzimi della sintesi della parete cellulare sono sulla superficie esterna della membrana, all’ interno queste β-lattamasi sono strategicamente localizzate per la massima protezione del microbo [2]. Nei Gram- le β-lattamasi sono costitutive, cioè vengono normalmente prodotte, e inattivano sia le penicilline che le cefalosporine. Nei Gram+ la sintesi delle β-lattamasi è indotta dalla presenza dello stesso antibiotico ed inoltre risultano efficaci solo nei confronti delle penicilline. In ceppi di S. aureus resistenti è stata isolata e caratterizzata una proteina di membrana che funge da segnale nell’espressione genica della β-lattamasi. Questa proteina transmembranaria a contatto con l’antibiotico si autoscinde, dando origine ad un frammento proteolitico che inattiva il repressore trascrizionale del gene che codifica la β-lattamasi: in questo modo il gene che porta l’informazione per la β-lattamasi (blaZ) può essere espresso. Le cefalosporine si distinguono in generazioni anche sulla base della loro resistenza all'idrolisi delle b-lattamasi. Ad es.le molecole di I generazione presentano potenza piuttosto limitata e spesso condizionata dalla produzione di b-lattamasi nei confronti della quale sono piuttosto sensibili. Quelle di II° generazione sono antibiotici caratterizzati da una maggiore attività e presentano una superiore resistenza alle b-lattamasi rispetto alle cefalosporine della I generazione. I composti inclusi nella III° generazione mostrano un ampio spettro di attività antibatterica, specie verso i Gram-, in virtù della loro resistenza alle ß-lattamasi. Le cefalosporine orali (cefixima, ceftibuten, cefetamet ecc.) sono tutte caratterizzate da notevole stabilità verso l'azione inattivante della ß-lattamasi. 6. CONCLUSIONI Le cefalosporine hanno rappresentato e rappresentano tutt’ora uno dei pilastri della terapia antibatterica, soprattutto quelle di III e IV generazione. Tuttavia anche le cefalosporine di I e II generazione vengono attualmente usate nella pratica clinica (come riportato nei cap. 2.2 e 2.4). Le formulazioni orali sono maggiormente adatte alla terapia di infezioni medio-lievi, mentre le formulazioni parenterali sono indicate nelle infezioni più gravi ed in quelle di tipo ospedaliero. Oggi è comunque importante indirizzare le ricerche farmacologiche e le nuove conoscenze e tecniche per ottenere nuove cefalosporine che abbiano migliori caratteristiche farmacocinetiche, ma anche migliore spettro antibatterico. Tali ricerche sono dirette in più direzioni: Sintesi di cefalosporine ancora più stabili alle β-lattamasi recenti. Ottenere delle cefalosporine anti-Pseudomonas ed anti-Acinetobacter più attive di quelle attuali. Ottenere cefalosporine con attività rinforzata anti-anaerobi, attive anche su Clostridium Difficile. Ottenere delle Cefalosporine ad attività rinforzata sui cocchi Gram+ ed in particolare sugli Stafilococchi meti-R, gli enterococchi e gli Pseudomonas a sensibilità ridotta o resistenti del tutto alle penicilline. [4] Molto recentemente è stato inoltre scoperto che l'anello azetidinonico è in grado di inattivare anche altri tipi di enzimi. Sono quindi apparsi in letteratura studi su derivati β-lattamici che sono in grado di inibire processi enzimatici controllati da proteasi seriniche come la Human Leucocyte Elastase (HLE, la cui azione degradativa su tessuti connettivi è responsabile di numerose malattie), la Human Cytomegalovirus Protease (HCMV, un beta-herpesvirus che provoca seri danni in pazienti immunodepressi), beta-lattami si sono dimostrati utili anche come inibitori dell'assorbimento di colesterolo. Una classe di substrati a struttura beta-lattamica dimostratasi attiva su HLE sono gli Nalcossi(o arilossi)carbonil-3-bromoderivati mentre N-urea-4-alcossi(o arilossi)-derivati sono risultati attivi su HCMV.(Progetti nel campo degli intermedi β-lattamici degli ultimi anni: -Sintesi totale di un intermedio β-lattamico per l'ottenimento di cefalosporine (tiazolina) -Studio di nuovi gruppi protettori per intermedi β-lattamici -Sintesi del (3S,1'R)-3-(1-tbutildimetilsililossi)-etil-azetidin-2-one, intermedio per l'ottenimento di carbapenemi) La struttura dell'anello β-lattamico, particolarmente teso ed attivato nei confronti della sostituzione nucleofila acilica, lo rende un'unità sintetica fondamentale nella progettazione e nella sintesi non solo di nuovi prodotti antibatterici ma più in generale come precursore di nuovi inibitori enzimatici serino-dipendenti, che possiedano cioè una serina nel loro sito attivo. Oltre ai "classici" substrati beta-lattamici ad attività prettamente antibiotica come penicilline, cefalosporine e carbapenemi, sono stati recentemente infatti sviluppati altri derivati beta-lattamici attivi nei confronti di betalattamasi, HLE, HCMV ed anche come inibitori dell'assorbimento di colesterolo. Grazie alla conoscenza dei meccanismi di azione dei principi attivi attualmente noti, è stato possibile individuare alcuni requisiti strutturali comuni ai sistemi beta-lattamici necessari affinché i composti siano attivi come inibitori enzimatici. In particolare sono necessari sostituenti specifici per il riconoscimento da parte dell'enzima (Z1 e Z2) che garantiscano l' accesso dell'inibitore nel batterio, gruppi elettron-attrattori (EWG) responsabili dell'attivazione chimica del legame betalattamico verso l'attacco nucleofilo ed eventualmente un buon gruppo uscente (LG) che faciliti la trasformazione dell'intermedio acil-enzima ad una forma stabile. La ricerca in questo campo è solo all'inizio poichè pochi composti con le caratteristiche sopra descritte sono stati fino ad ora sintetizzati e studiati dal punto di vista della loro attività biologica. Scopo di questi nuovi approcci sintetici è la progettazione, la sintesi e l'esplorazione dell'attività farmacologia di nuovi inibitori enzimatici a struttura beta-lattamica che possiedano in C-3 una catena adatta al riconoscimento molecolare, in C-4 un sostituente elettronattrattore, sull'azoto beta-lattamico un eventuale buon gruppo uscente od un gruppo che migliori ulteriormente il riconoscimento molecolare. Per quanto riguarda la sostituzione al C-3, come riportato in letteratura, i sostituenti più adatti sono rappresentati dalla catena idrossietilica (tipica della classe dei carbapenemi, tienamicina e derivati), oppure da catene ammidiche variamente funzionalizzate (tipiche di penicilline e cefalosporine), oppure da alogeni. La posizione C-3 potrebbe poi anche non portare nessun sostituente come nel caso dell'acido clavulanico La posizione C-4 deve invece essere funzionalizzata con un gruppo elettronattrattore. Questo gruppo deve possedere delle caratteristiche ben precise perché la sua funzione è duplice: deve attivare il carbossile beta-lattamico nei confronti di reazioni di apertura del ciclo da parte di nucleofili (in questo caso rappresentati da un residuo serinico dell'enzima, Enz-OH), e nello stesso tempo deve essere in grado di stabilizzare la carica negativa presente sull'atomo di azoto dell'intermedio aperto. L'intermedio così ottenuto deve poi poter evolvere ad una struttura irreversibilmente inibita, ad esempio attraverso l'idrolisi di una porzione imminica o l'eliminazione di un buon gruppo uscente, per ottenere ideali prodotti di partenza per la preparazione di nuovi antibiotici β-lattamici.[19] Accanto agli sforzi sintetici per ottenere nuovi derivati delle cefalosporine che abbiano migliori caratteristiche strutturali e spettrali, un passo avanti nella cura delle infezioni si può avere solo con un cosciente e attento uso di tutti gli antibiotici (evitando lo sviluppo di forme di resistenza), come dimostrato nello studio condotto, durante il tirocinio pratico, nel Presidio Ospedaliero di Lamezia Terme [cap 4].
