Gli agenti antibatterici: Meccanismo di azione, sviluppo ed applicazioni cliniche, meccanismi di resistenza I° anno - Laurea Magistrale Farmacia - 2012-2013 Jean-Denis Docquier Dipartimento di Biologia Mediche Policlinico "Le Scotte", Viale Bracci, II piano, V lotto Tel. 0577 23 3134 [email protected] Gli agenti antibatterici Libri di riferimento: Antibiotics: actions, origins, resistance C. Walsh (ASM Press) Bacteria versus antibacterial agents: an integrated approach O. A. Mascaretti (ASM Press) Studiare le diapositive! Importanza degli antibiotici Usati in medicina, medicina veterinaria e come promotori della crescita (settore agro-alimentare) Consumo: >13.000 tonnellate ogni anno nell’Unione Europea 786 t 6% Human use 3902 t 29% 65% 8528 t Veterinary therapeutic Growth promotion Classificazione dei farmaci antibatterici Struttura chimica (β-lattamici, glicopeptidi) Meccanismo di azione (inibitori sintesi proteica, inibitori trascrizione) Spettro di azione (ampio spettro, spettro ristretto) Farmacocinetica (orali, parenterali) Effetti biologico batteriostatici inibizione reversibile della crescita batterica battericidi inibizione irreversibile crescita batterica (morte cellulare) Log cellule batteriche vitali Antibiotico effetto batteriostatico effetto battericida Tempo (ore) Misura del potere antimicrobico Concentrazione minima inibente Concentrazione crescente Misura del potere antimicrobico Diffusione in agar Incubazione (solitamente 16-24 ore, 37 °C) Farmaci antibatterici: meccanismo di azione Funzione alterata o bloccata antibiotico Bersaglio molecolare blocco reversibile della crescita batterica (azione batteriostatica) I bersagli molecolari devono essere strutture non presenti o diverse da quelle presenti nelle cellule eucariotiche (tossicità selettiva) morte cellulare (azione battericida) Farmaci antibatterici Sostanze che: inibiscono la crescita batterica a concentrazioni che non danneggiano le cellule dell’ospite (tossicità selettiva) possono essere utilizzate per la chemioterapia delle infezioni batteriche Sostanze di origine naturale Antibiotici Sostanze di sintesi Chemioterapici Meccanismo d’azione della penicillina La penicillina, e gli altri β-lattamici, inibiscono la sintesi del peptidoglicano, una struttura macromolecolare tipica dei batteri Meccanismo d’azione della penicillina Le caratteristiche di un buon antibiotico Antibiotico Porine Membrana o parete Bersaglio Essere selettivo Esibire una bassa tossicità Presentare un buon profilo farmacologico Farmaci antibatterici: BERSAGLI MOLECOLARI Sintesi dei folati DNA topoisomerasi Membrana plasmatica Trascrizione Sintesi proteica Sintesi del peptidoglicano Bersagli molecolari degli antibiotici Importanza degli antibiotici β-lattamici Sulfonamides Others Quinolones Macrolides, lincosamides & streptogramins β-lactams Tetracyclines Goossens et al. (2005) Lancet Gli inibitori della sintesi della parete cellulare Numerosi antibiotici attualmente in uso nella pratica clinica sono inibitori della sintesi della parete cellulare: Struttura unica ai Batteri e essenziale per la loro crescita Azione antibatterica altamente selettiva Due distinti meccanismi di azione: β-lattamici Fosfomicina Cicloserina Inibitori di enzimi coinvolti nella biosintesi Glicopeptidi Bacitracina Sequestro del substrato Struttura del PEPTIDOGLICANO NAM = acido N-acetil muramico NAG = N-acetil glucosamina Catene glicaniche NAG NAM NAG NAM NAM NAG NAM NAG NAG NAM NAG NAM Componente peptidica L-alanina D-glutammico L-lisina (o meso-DAP) D-alanina 5 x L-glicina Biosintesi Peptidoglicano – I (sintesi del NAM) NAG-1-P PP P-enolpiruvato (PEP) UTP UDP-NAG NAG = N-acetil glucosamina NAM = acido N-acetil muramico REDUTTASI UDP-NAM UDP-NAG TRASFERASI (PEP) CH2OH H UDP O O H OH H H NH CH2OH OH H C=O CH3 H UDP O O H OH H H O H HC – CH3 COOH NH C=O CH3 Biosintesi Peptidoglicano – II (sintesi del pentapeptide) NAG-1-P UTP PP NAG = N-acetil glucosamina NAM = acido N-acetil muramico P-enolpiruvato (PEP) UDP-NAG UDP-NAG (PEP) UDP-NAM L-Ala RACEMASI D-Ala LIGASI D-Ala-D-Ala UMP NAM Membrana plasmatica Undecaprenil-P P Biosintesi Peptidoglicano – III (completamento del monomero) 5 x L-Gly Citosol NAM Undecaprenil-P Membrana plasmatica Undecaprenil-P P NAG P NAG NAM Biosintesi Peptidoglicano – IV (assemblaggio del monomero) Undecaprenil-P Membrana plasmatica Undecaprenil-P Citosol PIROFOSFATASI Pi TRANSGLICOSILASI P NAG NAM NAG-NAM- NAG-NAM-NAG-NAM- Enzimi di membrana con il dominio catalitico all’esterno della membrana Catena peptidoglicanica in crescita Biosintesi Peptidoglicano – V (cross-link delle catene) NAM NAM NAM Catene non cross-linkate NAG NAG NAG TRANSPEPTIDASI Catene cross-linkate (struttura rigida) NAG NAM NAM NAG NAG D-Ala D-Ala NAM Enzimi di membrana con il dominio catalitico all’esterno della membrana NAG = N-acetil glucosamina Biosintesi Peptidoglicano (sintesi del NAM) NAG-1-P UTP PP NAM = acido N-acetil muramico P-enolpiruvato (PEP) UDP-NAG REDUTTASI UDP-NAG TRASFERASI MurA Fosfomicina (PEP) UDP-NAM Fosfomicina: meccanismo di azione O HOOC C O CH2 P OH OH H H O C C P H3 C O PEP OH OH Fosfomicina (analogo strutturale del PEP) UDP-NAG enolpiruvil trasferasi – SH Effetto biologico: battericida (MurA) La fosfomicina è un substrato “suicida” per l’enzima MurA La fosfomicina compete con il substrato naturale per l’enzima Enzima – S H H O C C P CH3 OH OH OH formazione di un legame covalente stabile che inattiva l'enzima Biosintesi Peptidoglicano (sintesi del pentapeptide) O- N D-Ala O H NAG-1-P UTP PP NH3+ P-enolpiruvato (PEP) UDP-NAG UDP-NAG (PEP) UDP-NAM D-cicloserina L-Ala RACEMASI D-Ala LIGASI D-Ala-D-Ala La D-cicloserina agisce come substrato suicida per la racemasi e la ligasi, inattivandole Biosintesi Peptidoglicano (riciclo di undecaprenil-P) Undecaprenil-P Undecaprenil-P Membrana plasmatica Undecaprenil-P Citosol Bacitracina PIROFOSFATASI Pi P P NAG NAM Bacitracina NAG-NAM-NAG-NAMAttiva solo sui Gram+ (non attraversa la membrana esterna dei Gram-) Catena peptidoglicanica in crescita Undecaprenil-P Biosintesi Peptidoglicano – fasi tardive Membrana plasmatica P NAG NAM Reazione di TRANSGLICOSILAZIONE NAG-NAM-NAG-NAM- Glicopeptidi NAM NAM NAM Catena peptidoglicanica in crescita Reazione di TRANSPEPTIDAZIONE NAG NAG NAG Cross-link delle catene peptidoglicaniche Undecaprenil-P Glicopeptidi – meccanismo di azione Membrana plasmatica I glicopeptidi hanno elevata affinità per il dipeptide D-ala-D-ala D-ala-D-ala dipeptide P NAG NAM Reazione di TRANSGLICOSILAZIONE NAM NAM NAG-NAM-NAG-NAM- NAM Catena peptidoglicanica in crescita Reazione di TRANSPEPTIDAZIONE NAG NAG NAG Cross-link delle catene peptidoglicaniche Glicopeptidi • Vancomicina • Teicoplanina Vancomicina Teicoplanina (glicolipopeptide) > Attivi solo sui Gram-positivi > Battericidi (lentamente) Undecaprenil-P Biosintesi Peptidoglicano – fasi tardive Membrana plasmatica P NAG NAM Reazione di TRANSGLICOSILAZIONE NAM NAM NAM b-Lattamici NAG-NAM-NAG-NAM- Catena peptidoglicanica in crescita Reazione di TRANSPEPTIDAZIONE NAG NAG NAG Cross-link delle catene peptidoglicaniche I b-lattamici bloccano gli enzimi che catalizzanola reazione di transpeptidazione b-Lattamici – meccanismo di azione Anello b-lattamico (mima il dipeptide D-Ala-D-Ala) S Transpeptidasi N O OH Membrana plasmatica Gli enzimi bersaglio degli antibiotici b-lattamici sono anche detti Penicillin-Binding Proteins (PBP) Attività battericida S HN O O Enzima inattivato CH2 O H C N O S N COOH Penicillina G – il primo antibiotico (1940) Analogia strutturale fra dipeptide D-Ala-D-Ala e le peniccilline The discovery of natural antibiotics "One sometimes finds what one is not looking for." "People have called it a miracle. For once in my life as a scientist, I agree. It is a miracle, and it will save lives by thousands." Sir Alexander Fleming Nobel Prize for Medicine, 1945 The discovery of natural antibiotics Penicillium notatum produces a compound that inhibits growth of bacteria Staphylococcus epidermidis Inibizione della crescita Effect of penicillin on bacterial cells TEM microscopy Principali famiglie di b-lattamici S R COOH N O S R O R’ N COOH R’ R O R O N COOH R’ N SO3H Penicilline - penicillina G - ampicillina - oxacillina - ticarcillina Cefalosporine - cefazolina - cefamandolo - ceftriaxone - ceftazidime Carbapenemi - imipenem - meropenem - ertapenem Monobattami - aztreonam Le diverse molecole differiscono per > spettro di attività > farmacocinetica I b-lattamici sono gli antibiotici più utilizzati per la loro efficacia, tollerabilità e versatilità di impiego Evoluzione delle Cefalosporine in “generazioni” Gruppo “ossimmino” Migliora attività antibatterica e farmacocinetica Farmaci antibatterici: BERSAGLI MOLECOLARI Membrana plasmatica Polimixine Lipopeptidi ciclici X DAB 6-MO - DAB - Thr - DAB - DAB Thr Leu DAB DAB Polimixina B Colistina DAB = acido 2,4 diaminobutirrico 6-MO = acido 6-metil ottanoico Thr = treonina Leu = leucina X = D-fenilalanina X = D-leucina Meccanismo: attraversano la membrana esterna dei batteri Gramnegativi e danneggiano la membrana plasmatica ricca di fosfatidiletanolamina (Non sono attive sui Gram-positivi la cui membrana è povera in phosfatidiletanolamina) Attività battericida Daptomicina Lipopeptide ciclico Meccanismo: interagisce con la membrana plasmatica e la danneggia. (E’ attiva solo sui Gram-positivi perché non attraversa la OM dei Gram-negativi). Attività battericida Principali bersagli dei farmaci antibatterici: DNA topoisomerasi DNA topoisomerasi di tipo II: - DNA girasi - DNA Topoisomerasi IV The bacterial chromosome DNA ultrastructure is controlled by enzymes called DNA topoisomerases: Type I single strand break Type II double strand break Bacterial DNA topoisomerases E. coli topoisomerases and their role in DNA supercoiling and chromosome replication Enzyme Type Gene(s) Major enzyme function Topoisomerase I I topA Relaxes negative supercoils Topoisomerase II (DNA gyrase) II gyrA gyrB Introduces negative supercoils; relaxes positive supercoils I topB Decatenates replication intermediates and interlinked DNA dimers II parC parE Decatenates DNA: removes positive and negative supercoils Topoisomerase III Topoisomerase IV Catalytic cycle of DNA gyrase Stabilize positive (+) node (-) Break back segment Reseal on front side (-) (-) (-) Requires a double strand break, translocation of a DNA strand while broken DNA is covalently bound to the enzyme; ligation ensures that missing bonds are resealed GyrB GyrA Mechanism of DNA gyrase Mechanism of DNA gyrase Double strand breakage involves a tyrosine residue, which covalently binds each DNA extremities Replicazione cromosoma batterico DUPLICAZIONE SEMICONSERVATIVA bidirezionale; inizia dalla regione oriC Cromosoma (DNA bicatenario superspiralizzato) Le TOPOISOMERASI di tipo II svolgono un ruolo cruciale durante la replica del cromosoma La DNA TOPOISOMERASI IV svolge un ruolo essenziale per la segregazione dei due cromosomi 2 cromosomi superspiralizzati Agents targeting type II DNA topoisomerases: the QUINOLONES Quinolone ring NALIDIXIC ACID The first quinolone agent (1962) Chinoloni: meccanismo di azione DNA Attività battericida Formazione di un complesso ternario DNA-chinolone-topoisomerasi Frammentazione del cromosoma batterico Interazione con il DNA CHINOLONI O Interazione con l'enzima COOH CH3 N N CH2-CH3 interazione tra molecole di farmaco e farmacocinetica O ACIDO NALIDIXICO COOH CH3 N N CH2-CH3 - attivo solo su alcuni Gram-negativi - eliminato rapidamente per via urinaria O N N N H N N COOH ACIDO PIPEMIDICO CH2-CH3 - spettro ampliato include P. aeruginosa - solo per infezioni urinarie O CHINOLONI FLUORURATI F N NORFLOXACINA - spettro ampliato (gram-negativi, stafilococchi, enterococchi) - solo per infezioni urinarie COOH N CH2CH3 N H O F COOH CIPROFLOXACINA - spettro ampio (gram-negativi, stafilococchi, enterococchi) N - farmacocinetica migliorata (anche per infezioni sistemiche) N H N NUOVI CHINOLONI FLUORURATI O F LEVOFLOXACINA - ampio spettro - maggiore attività sui gram-positivi (anche streptococchi) COOH N N O CH3 N H3C O F GATIFLOXACINA - ampio spettro - maggiore attività sui gram-positivi (anche streptococchi) H3C COOH N N O H3C N H NUOVI CHINOLONI FLUORURATI MOXIFLOXACINA - maggiore attività su Gram-positivi e anaerobi (ridotta attività sui Gram-negativi) F H COOH N N N O H3C CEPHALOSPORINS vs. QUINOLONES a generational comparison Cephalosporins Quinolones 1st generation 1st generation Improved activity on gram-negatives 4th generation Improved activity on gram-positives 4th generation Altri farmaci attivi su la DNA girasi: Gli antibiotici cumarinici Novobiocina DNA Novobiocina La NOVOBIOCINA si lega alla subunità B della DNA girasi inibendo l’attività ATPasica azione batteriostatica Principali bersagli dei farmaci antibatterici: Via metabolica della sintesi dei folati The folate pathway dihydropteridine-PP Dihydropteroate synthetase p-aminobenzoic acid (PABA) (DHPS) dihydropteroate Dihydrofolate synthetase Glutamic acid (ATP-dependent) (DHFs) dihydrofolic acid (DHF) Dihydrofolate reductase (DHFR) NADPH-dependent tetrahydrofolic acid (THF) necessary for the biosynthesis of: - purines - thymidine - methionine - glycine Dihydropteroate synthesis dihydropteridine-PP p-aminobenzoic acid (PABA) + Dihydropteroate synthetase (DHPS) dihydropteroate Dihydropteroate synthase Tetrahydrofolate synthesis Dihydrofolic acid Dihydrofolate reductase NADPH (DHFR) NADP+ Tetrahydrofolic acid dihydrofolate reductase Importance of THF THF is a precursor of N5,N10-methylene-THF, a methyldonor co-factor used in many biosynthetic reactions Example: Thimidylate synthase TS N5,N10-methylene-THF dUTP DHF dTTP Inhibitors of the folate pathway dihydropteridine-PP Dihydropteroate synthetase p-aminobenzoic acid (PABA) (DHPS) Sulfonamides (structural analogs of PABA) dihydropteroate dihydrofolic acid (DHF) Dihydrofolate reductase (DHFR) tetrahydrofolic acid (THF) necessary for the biosynthesis of: - purines - thymidine - methionine - glycine Static activity The sulfa drugs The sulfa drugs Prontosil (prodrug of sulfanilamide) Sulfamethoxazole Inhibitors of the folate pathway dihydropteridine-PP Dihydropteroate synthetase p-aminobenzoic acid (PABA) (DHPS) Sulfonamides dihydropteroate Sulfamethoxazole + Trimethoprim = synergism dihydrofolic acid (DHF) Dihydrofolate reductase > broadened spectrum > cidal activity > less prone to resistance (DHFR) Trimethoprim tetrahydrofolic acid (THF) necessary for the biosynthesis of:(structural analog of the pteridine moiety of DHF) - purines - thymidine Static activity - methionine - glycine Trimethoprim and TMP-SMX Analog of the pteridin portion of DHF: DHF Used in combination with SMX (same antimicrobial spectrum and PK/PD properties, 1:5 ratio) Inibitori della sintesi dei folati diidropteridina-PP Diidropteroato sintetasi acido p-aminobenzoico (PABA) (DHPS) Sulfamidici (analoghi strutturali del PABA) acido diidropteroico acido diidrofolico (DHF) Diidrofolato reduttasi (DHFR) acido tetraidrofolico (THF) necessario per la biosintesi di: - purine, - timidina, - metionina - glicina azione batteriostatica Inibitori della sintesi dei folati diidropteridina-PP Diidropteroato sintetasi acido p-aminobenzoico (PABA) (DHPS) Sulfamidici (analoghi strutturali del PABA) acido diidropteroico acido diidrofolico (DHF) Diidrofolato reduttasi (DHFR) Sulfamidico + Trimethoprim = sinergismo > spettro ampliato > attività battericida acido tetraidrofolico (THF) Trimethoprim (analogo strutturale di parte del DHF) azione batteriostatica Principali bersagli dei farmaci antibatterici: Trascrizione La trascrizione nei batteri La trascrizione nei batteri sigma released Ansamicine Rifampicina Target: RNA polimerasi, subunità b Effetto: blocco trascrizione effetto battericida Attive su: > micobatteri > Gram-positivi > alcuni Gram-negativi Antibiotics interferring with transcription Rifamycins (ansamycins) Only one commercial product (semi synthetic derivate of Rifamycin B produced by Nocardia mediterranei) Ansa bridge CH3COO CH3O OH OH OH O OH NH O N O N N OH O Naphtol ring Rifampin Used as a antitubercular (often in combination with isoniazid) 8-10 million cases of tuberculosis Mycobacterium tuberculosis, leading infective agents as cause of death Structure of the bacterial RNA polymerase b’ subunit subunit 2 subunits b subunit Mg2+ The core enzyme (MW ~380 kDa) Mg2+ ion plays an important role in catalysis and protein stability Mechanism of transcription in bacteria Three steps Initiation, elongation, termination The core enzyme cannot initiate transcription by itself, but require the presence of an additional protein, the σ factor (forming the holoenzyme) The σ factor is released after initiation Mechanism of action of rifampin b’ subunit subunit 2 subunits b subunit Mg2+ Binds to the b subunit of the RNA polymerase (IC50 ~ 0.005-0.01 μg/ml) Shorter distance with catalytic Mg2+ is 12 Å Mechanism of action of rifampin Rif Concentration (μM) Run-off transcript Normal transcript in vitro transcription assay 3-mer RNA (CpApU) Rifampin does not block the formation of the initiation complex neither inhibits catalysis BUT Rifampin blocks the RNA elongation Mechanism of action of rifampin Steric hindrance during RNA strand polymerization WHEN RNA transcript length is 2-3 nt Principali bersagli dei farmaci antibatterici: Sintesi proteica 30S 50S complesso di pre-inizio tRNA mRNA 30S Aminoglicosidi mRNA 30S 50S Complesso di inizio proteina 30S 50S Traduzione mRNA Errori di traduzione Blocco traduzione Inhibitors of protein synthesis Aminoglycosides 30S ribosome subunit inhibitor Tetracyclines Macrolides Lincosamides Chloramphenicol Streptogramins Oxazolidinones 50S ribosome subunit inhibitor Aminoglicosidi Purpurosamina Streptidina 2-deossistreptamina L-streptoso Streptomicina Kanamicina Tobramicina Netilmicina Amikacina Garosamina Gentamicina N-metil-glucosamina Bersagli • Ribosoma (subunità 30S) • Membrana esterna dei Gram-negativi (policationi) - Attività battericida - Inattivi su: > batteri anaerobi > batteri intracellulari 30S 50S Complesso di pre-inizio tRNA mRNA 30S mRNA 30S 50S Complesso di inizio Oxazolidinoni legano la subunità 50S e bloccano la sintesi proteica a livello del complesso di inizio attività batteriostatica Oxazolidinoni una nuova classe di farmaci antibatterici Linezolid Attivo su Gram-positivi (non attraversa la OM dei Gram-negativi) Altri farmaci anti-ribosomali proteina 30S mRNA 50S Traduzione Tetracicline Cloramfenicolo Ketolidi attività batteriostatica Macrolidi Lincosamine Streptogramine Tetracicline R Legano la subunità 30S (rRNA 16S) bloccano l'accesso di aminoacil-tRNA al sito A del ribosoma Ampio spettro Attività sui batteri intracellulari Cloramfenicolo Lega la subunità 50S (peptidil-transferasi) Blocca la formazione del legame peptidico Ampio spettro Attività su batteri intracellulari Tossicità midollare Macrolidi Legano la subunità 50S del ribosoma (23S rRNA) e bloccano la transpeptidazione e la traslocazione Eritromicina > Attivi principalmente sui Gram-positivi > Attivi sui batteri intracellulari Lincosamine Meccanismo di azione simile ai macrolidi Spettro ed attività simile ai macrolidi Buona attività sugli anaerobi Clindamicina Ketolidi Meccanismo di azione e spettro simili a quelli dei macrolidi Maggiore affinità per il bersaglio ribosomiale Telitromicina Streptogramine 30% group B 70% group A Meccanismo di azione e spettro simili a quelli dei macrolidi Legano la subunità 50S del ribosoma in due siti diversi (azione sinergica) Farmaci “attivati” nella cellula batterica Metronidazolo Contiene un gruppo NO2 attivato da nitroreduttasi cellulari presenti negli anaerobi Generazione di radicali liberi e altre specie chimiche reattive che danneggiano gli acidi nucleici e le altre macromolecole (interferisce con la struttura elicoidale del DNA) Attività battericida su: - ANAEROBI OBBLIGATI - Helicobacter pylori Farmaci “attivati” nella cellula batterica Isoniazide Metabolizzato dalla Catalasi-Perossidasi KatG di Mycobacterium tuberculosis Generazione di metaboliti che bloccano la sintesi dei lipidi di membrana Attività battericida su: MICOBATTERI TUBERCOLARI