chinoloni

annuncio pubblicitario
INDICE GENERALE
INDICE GENERALE
II
INTRODUZIONE
III
CAPITOLO 1
6
1.1 – STRUTTURA GENERALE ______________________________________ 7
1.2 FLUOROCHINOLONI DI PRIMA GENERAZIONE ________________ 8
1.3 FLUOROCHINOLONI DI SECONDA GENERAZIONE ____________ 10
1.4 FLUOROCHINOLONI DI TERZA GENERAZIONE _______________ 11
CAPITOLO 2
12
2.1 – GENERALITA’ _______________________________________________ 13
2.2 MODIFICHE STRUTTURALI DELLA MOLECOLA _______________ 14
2.2.1 POSIZIONE 1 _______________________________________________ 14
2.2.2 POSIZIONE 2 _______________________________________________ 15
2.2.3 POSIZIONE 3 E 4 ____________________________________________ 15
2.2.4 POSIZIONE 5 _______________________________________________ 15
2.2.5 POSIZIONE 6 _______________________________________________ 15
2.2.6 POSIZIONE 7 _______________________________________________ 15
2.2.7 POSIZIONE 8 _______________________________________________ 16
2.3 CARATTERISTICHE MOLECOLARI DELLA DNA GIRASI ________ 17
2.3.1 CICLO DELLA DNA GIRASI _________________________________ 17
2.3.2 RUOLO DELLA SUBUNITA’ GYRB ___________________________ 18
2.3.3 RUOLO DELLA GYRA _______________________________________ 20
2.4 INTERAZIONE DNA-CHINOLONI ______________________________ 22
2.5 COMPLESSO DNA-GIRASI-CHINOLONE _______________________ 25
2.6 CONCLUSIONI ________________________________________________ 27
BIBLIOGRAFIA
28
II
INTRODUZIONE
III
Pur essendo stati introdotti per la prima volta sul mercato americano circa
cinquant’anni fa, i Fluorochinoloni vengono considerati ancora oggi dei farmaci
innovativi.
Originariamente, la loro struttura chimica di base proviene dall'acido
nalidissico, un derivato prodotto dalla sintesi della clorochina, una delle molte
sostanze studiate negli USA contro la malaria subito dopo la 2° guerra mondiale.
I primi derivati sono stati l’acido ossolinico e l’acido pipemidico ed il loro
impiego era limitato alle infezioni del tratto urinario. Successive modifiche alla sua
struttura molecolare ne hanno allargato lo spettro di attività antibiotica e modificato la
farmacocinetica. Il motivo di questo loro successo può essere riassunto schematicamente
nelle seguenti note:
a) I Fluorochinoloni costituiscono una classe di antibiotici con uno spettro
d’azione antibatterico tra i più ampi di tutti gli antibiotici.
b) Presentano il vantaggio di poter essere somministrati, almeno nella maggior
parte dei casi, per via orale e di essere altrettanto efficaci, rispetto ad altri somministrati
per via sistemica.
c) Sono commercialmente più economici rispetto ad altri classi di antibiotici.
d) Presentano una bassa tossicità.
e) Le ultime generazioni di Fluorochinoloni rientrano pienamente nei protocolli
clinici per la cura ospedaliera o effettuata in CAP per malattie dell’apparato respiratorio
in genere e più in particolare alcune forme gravi di Polmonite batterica,
somministrandoli in associazione con antibiotici di altri classi.
f) Pur essendo già stata segnalata l’insorgenza di un certo livello di farmaco
resistenza batterica verso i Fluorochinoloni è già stata segnalata per alcuni ceppi
batterici ma è da considerarsi, a differenza delle penicilline, ancora ferma a livelli di
contenimento, inoltre sono note da tempo a questo proposito le linee guida che
prevedono l’uso di questi farmaci combinato con altri antibiotici per abbassare questo
rischio ed elevare il loro spettro d’azione antibatterico.
g) Da tempo la sperimentazione clinica ha definitivamente imposto questo
gruppo di farmaci tra le tre principali classi di antibiotici ad ampio spettro assieme alle
Penicilline ed alle Cefalosporine.
IV
I loro bersagli molecolari sono le Topoisomerasi batteriche di tipo II,
generalmente la DNA girasi nei batteri gram-negativi e la Topoisomerasi IV nei batteri
gram-positivi. Tali enzimi catalizzano il superavvolgimento negativo del DNA, che si
realizza tagliando un’elica di DNA in punti specifici e facendo passare, poi, un’altra
porzione di DNA attraverso il segmento precedentemente tagliato (anche chiamato
“gate”), prima di “ricucirlo”. I chinoloni, formando un complesso stabile con la girasi e
il frammento di DNA tagliato, inibiscono l’ultima fase di tale processo.
Il loro impiego clinico riguarda prevalentemente:
a) Vie Urinarie
b) Malattie a Trasmissione sessuale
c) Patologie diarroiche
d) Infezioni della pelle e parti molli
e) Osteomieliti
d) Infezioni delle vie respiratorie superiori: i Fluorochinoloni non sempre
sono considerati farmaci di prima scelta per questo tipo di patologie rappresentate, ad
esempio, da Otiti medie, faringiti, tonsilliti e sinusiti. La sola infezione che in questo
caso fa eccezione è costituita dall’Otite esterna necrotizzante, per la quale è richiesto
un loro uso primario, in particolare la Ciprofloxacina , per la sua riconosciuta capacità
di contrastare le infezioni sostenute dallo Pseudomonas Aeruginosa. Questa patologia
ricade più frequentemente nei soggetti diabetici anziani.
e) Infezioni delle vie aeree inferiori: l’enoxacina, la fleroxacina e la
Lomefloxacina si sono rivelate efficaci nel trattamento delle Polmoniti e delle bronchiti
causate da Haemophylus Influenzae e dalla B.catharralis, ma non adatti nel contrastare
le infezioni pneumococciche. I Chinoloni somministrati per via orale, tuttavia non sono
consigliati come farmaci di prima scelta nelle infezioni respiratorie, mentre quelli
impiegati per via intramuscolo, nei paesi dove sono stati messi in commercio in questa
forma, possono svolgere un ruolo importante nel trattamento delle polmoniti
nosocomiali e di quelle conseguenti ad infezioni polmonari d portatori di HIV(1).
V
CAPITOLO 1
PRINCIPI ATTIVI
1.1 – STRUTTURA GENERALE
I fluorochinoloni sono i primi antibiotici interamente di sintesi; la loro
struttura
è costituita da un nucleo centrale altamente conservato, legato a
gruppi laterali variabili nei vari derivati (fig.1).
R5
O
R6
O
OH
X8
R7
N
R1
Fig. 1: Rappresentazione generale della struttura chinolonica
Come già visto, studi sulla clorochina hanno portato alla sintesi del
primo farmaco di questa classe, usato un tempo come antisettico urinario(fig.2).
N
N
CH3
O
CH3
O
O
Cl
H3C
N
N
N
C2H5
CLOROCHINA
ACIDO NALIDISSICO
Fig. 2: Conversione della clorochina in acido nalidissico
Attualmente l’unica specialità a base di acido nalidissico presente in
commercio è BETAXINA.
7
1.2 FLUOROCHINOLONI DI PRIMA GENERAZIONE
Dall’acido nalidissico sono stati ottenuti altri derivati:
l’ACIDO PIPEMIDICO (fig.3) e la NORFLOXACINA, dalla quale si sono
ottenuti a loro volta:
CIPROFLOXACINA
–
OFLOXACINA
–
PEFLOXACINA
-
LOMEFLOXACINA.
Queste
ultime
cinque
molecole
appartengono
alla
classe
O
O
fluorochinoloni di PRIMA GENERAZIONE (fig.4).
O
O
F
N
F
ON
N
N
HN
C2 H5
H3C
C2 H5
PEFLOXACINA
N
O
O
F
H3C
N
N
HN
CH3
MORFOLINA
CICLOPROPILE
CIPROFLOXACINA
OFLOXACINA
O
F
HN
O-
N
N
H3C
O
F
O-
O
N
METILE
NORFLOXACINA
O
N
N
PIPERAZINA
N
O-
O
O-
N
N
C2 H5
F
LOMEFLOXACINA
Fig.4: Struttura dei fluorochinoloni di prima generazione
8
dei
O
O
O-
N
N
N
N
HN
C2 H5
ACIDO PIPEMIDICO
Fig.3: Struttura dell’acido pipemidico
I chinoloni di tale classe sono attivi prevalentemente sui batteri gram (-).
Le specialità più vendute a base di ACIDO PIPEMIDICO sono
PIPEMID e UROTRACTIN, utilizzati soltanto come antisettici e antimicrobici
urinari.
Molto più ampio è, invece, l’uso ed il successo commerciale dei
successivi fluorochinoloni (soprattutto della ciprofloxacina).
Le specialità più importanti a base di NORFLOXACINA sono:
- NOROXIN (anche in collirio) – SEBERCIM – UTINOR – NORFLOX.
Le specialità contenenti PEFLOXACINA sono PEFLACIN e PEFLOX.
La OFLOXACINA è presente sul mercato anche come collirio col nome
commerciale di EXOCIN (fascia C a totale carico dell’assistito) nonché come
classico disinfettante urinario (FLOBACIN e OFLOCIN). Tale principio attivo è
una miscela racemica il cui enantiomero attivo (eutomero) è la forma S, anche
denominata LEVOFLOXACINA (fig.5).
O
O
F
O-
N
H3C
N
N
O
CH3
Fig.5: Struttura della levofloxacina
Le specialità a base di tale principio attivo sono:
- LEVOXACIN – PRIXAR – TAVANIC
Sono principalmente usate per bronchiti, sinusiti, polmoniti e infezioni
della pelle e dei tessuti molli.
9
Le specialità a base di CIPROFLOXACINA sono:
- CIPROXIN – FLOCIPRIN – OFTACILOX (collirio)
Come già visto, il ciproxin è utilizzato, soprattutto in ambito ospedaliero,
per la cura di moltissimi tipi di infezioni: respiratorie, oculari, urinarie, ossee e
articolari, genitali (gonorrea), di cavità addominale, pelle e tessuti molli e infine
anche per la prevenzione da infezioni e la sepsi di pazienti con scarse difese
immunitarie.
Le specialità a base di LOMEFLOXACINA sono utilizzate per infezioni
respiratorie e urinarie:
- LOMEBACT – OKACIN – CHIMONO – MAXAQUIN – UNIQUIN
1.3 FLUOROCHINOLONI DI SECONDA GENERAZIONE
Questi derivati agiscono anche sui batteri gram (+), ma nessuno di questi
è in commercio (fig.6).
CH3 O
F
H3C
NH2 O
O
F
O-
N
H3C
N
O-
N
N
F
HN
HN
CH3
GREPAFLOXACINA
SPARFLOXACINA
CH3 O
O
F
H3C
N
ON
F
HN
F
Fig.6: Struttura dei fluorochinoloni di seconda generazione
10
O
La temafloxacina, fu autorizzata nel 1992, a gennaio, ma già ad aprile
erano stati segnalati casi di anemia emolitica insorta dopo assunzione del
farmaco; la “sindrome da temafloxacina” iniziava dopo alcuni giorni dal
trattamento e si caratterizzava per la presenza di urine scure, dolore al fianco,
brividi e una caratteristica caduta dell’ emoglobina. Nei due terzi si sviluppava
anche un’ insufficienza renale acuta che obbligava ad emodialisi; nella metà si
verificò epatopatia moderata e coagulopatia. Si dimostrò che l’ emolisi era
anticorpo
mediata.
Nel
giugno
del
1992,
sei
mesi
soli
dopo
la
commercializzazione, la casa produttrice ritirava il farmaco dal commercio (2).
Le altre due molecole di questa classe, invece, non sono disponibili in
Italia e comunque sono molto cardiotossiche. La sparfloxacina determina anche
induzione di resistenza e fotosensibilizzazione.
1.4 FLUOROCHINOLONI DI TERZA GENERAZIONE
Otre che sui batteri gram (+) e (-), tali derivati allargano il loro spettro
d’azione
anche
ai
batteri
anaerobi.
L’unico
in
commercio
è
la
MOXIFLOXACINA (fig.7), le cui specialità sono OCTEGRA e AVALOX. I
distretti su cui agiscono sono gli stessi della levofloxacina, ad eccezione di pelle
e tessuti molli.
O
O
F
N
O-
N
N
OCH3
MOXIFLOXACINA
Fig.7: Struttura della moxifloxacina
Appartiene a questa classe anche la TROVAFLOXACINA che è stata
ritirata dal commercio a causa dei suoi effetti collaterali epatici (3).
11
CAPITOLO 2
MECCANISMO D’AZIONE
12
2.1 – GENERALITA’
Come già visto, i chinoloni svolgono la loro azione antibatterica inibendo
la DNA girasi e la DNA topoisomerasi II. Tali enzimi sono entrambi due
tetrameri composti da due subunità (gyrA e gyrB nella girasi e parC e parE nella
topoisomerasi II). Tagliano una porzione di doppia elica di DNA (chiamata G o
“gate-segment”), fanno passare un segmento di DNA intatto attraverso la
rottura (T o “Transported-segment”) ed infine riagganciano le estremità
tagliate, usando come fonte di energia l’ATP, che facilita i cambiamenti
conformazionali dell’enzima. Infine entrambi i segmenti T e G vengono
rilasciati dal complesso enzimatico. Si pensa che i fluorochinoloni siano in
grado di inibire il passaggio del segmento di DNA intatto, formando un
complesso molto stabile con i frammenti di DNA tagliato e la girasi.
13
2.2 MODIFICHE STRUTTURALI DELLA MOLECOLA
Fig.8: Struttura della molecola chinolonica in cui R indica i siti di possibili modifiche
strutturali (3)
2.2.1 POSIZIONE 1
Questa posizione fa parte del complesso di legame con l’enzima ed il
DNA ed è coinvolta nell’assemblaggio di due o più molecole di farmaco nella
tasca recettoriale. La più importante modifica è l’inserimento di un gruppo
ciclopropilico, seguito dal gruppo 2,4-difluorofenilico.
Nella ofloxacina la posizione 1 è collegata alla 8 tramite la creazione di
una struttura a tre cicli con un metile legato ad un carbonio asimmetrico;
sebbene questa sia stata una valida alternativa al gruppo ciclopropilico,
l’isomero S è molto più attivo di quello R, a causa del maggior numero di
molecole di tale enantiomero che riescono a raccogliersi nella tasca recettoriale
formata dal DNA e dall’enzima. Comunque la potenza di tale eutomero risulta
ancora minore di quella avente il sostituente ciclopropilico.
14
2.2.2 POSIZIONE 2
Tale posizione è molto vicina alla porzione di legame all’enzima, per cui
si pensa che ogni sostituente ingombrante inibisca l’accesso al sito e riduca
quindi l’attività biologica. Soltanto un atomo di zolfo incorporato in un piccolo
anello può sostituire l’idrogeno in tale posizione.
2.2.3 POSIZIONE 3 E 4
Tali posizioni sono considerate critiche per il legame al DNA tagliato o
perturbato e, a tutt’oggi, non sono state effettuate utili sostituzioni. Sembra che
il gruppo 3-carbossilico e 4-carbonilico siano essenziali per l’attività
biologica.
2.2.4 POSIZIONE 5
Aggiunte di gruppi metilici, amminici, idrossilici aumentano l’attività
contro batteri gram (+), mentre sostituenti metossilici diminuiscono l’attività.
2.2.5 POSIZIONE 6
L’inserimento di un atomo di fluoro in questa posizione ha
notevolmente incrementato l’attività biologica rispetto alle molecole originarie.
Sono in corso di studio nuovi chinoloni 6-H sostituiti che sembrano essere
molto promettenti.
2.2.6 POSIZIONE 7
Questo sito interagisce direttamente con l’enzima. I sostituenti ottimali
in tale posizione contengono cicli a 5 o 6 membri contenenti un atomo di
azoto. Generalmente l’inserimento di un’aminopirrolidina o di un gruppo
metilico sull’anello aumenta l’attività gram (+), mentre la piperazina aumenta
l’attività gram (-). Recenti osservazioni hanno messo in evidenza che gruppi
molto ingombranti in tale posizione proteggono dall’azione delle “effluxprotein”
batteriche,
aumentano
l’attività
l’insorgenza di resistenza.
15
anti-anaerobica
e
riducono
2.2.7 POSIZIONE 8
Questa posizione influenza l’intera configurazione sterica molecolare.
Per cui, cambiamenti della struttura possono alterare l’accesso del farmaco
all’enzima o ai siti di legame al DNA. Un atomo di alogeno libero può
incrementare l’attività contro gli anaerobi. Tali sostituenti assieme ai gruppi
metilici e metossilici aumentano l’attività contro i cocci gram (+). Un atomo di
idrogeno (ciprofloxacina) o un anello fuso (ofloxacina), aumentano l’attività
contro la topoisomerasi IV riducendo quella contro la girasi. Il contrario
succede inserendo un alogeno. Il cambiamento del carbonio con un azoto o
l’inserimento di gruppi metilici o metossilici aumentano la potenza
antimicrobica (fig.9) (4).
R1
NH2
R5
CH3
N
R7
R8
N
H3C
H3C
N
N
O
Fig.9: Sostituenti risultati utili nell’aumentare l’attività
16
2.3 CARATTERISTICHE MOLECOLARI DELLA DNA
GIRASI
La conoscenza della struttura molecolare di tale enzima, arricchita anche
dall’ottenimento di immagini cristallografiche di alcune sue porzioni, ha aiutato
a capirne meglio l’interazione con tali principi attivi. Si sta cercando, infatti, di
identificare i siti di legame più significativi, anche se la “tasca” recettoriale è
molto più complessa di quanto sembri, in quanto coinvolge anche il DNA.
La DNA girasi catalizza il superavvolgimento negativo del DNA ed è
costituita da due proteine chiamate GyrB e GyrA associate in un oligomero
A2B2 (5).
La porzione N-terminale di 43kDa del dominio GyrB contiene i siti di
legame e di idrolisi dell’ATP, mentre la porzione N-terminale del dominio
GyrA contiene i siti di legame e di taglio del DNA e una regione con degli
aminoacidi implicati nella resistenza ai chinoloni (da 67 a 106) che formano la
zona QRDR.
2.3.1 CICLO DELLA DNA GIRASI
La DNA girasi altera lo stato topologico del DNA inducendone un
superavvolgimento negativo attraverso un complesso meccanismo che sfrutta
come fonte di energia l’ATP. Tale processo avviene legando due residui di
tirosina ai gruppi fosfato presenti su entrambi i filamenti di DNA. In tal modo,
quindi, ciascun monomero dell’enzima viene covalentemente legato al
terminale 5’ del DNA tagliato, tramite un legame fosfotirosinico. L’enzima, poi,
apre il DNA creando il G-segment e fa passare attraverso il solco creato un
secondo segmento intatto di DNA (T-segment); infine la porzione G è rilegata e
il segmento T è liberato dall’enzima (fig.10).
Fig.10: Ciclo della DNA girasi (6)
2.3.2 RUOLO DELLA SUBUNITA’ GYRB
La maggior parte dei residui che legano l’ATP si trovano nel DOMINIO 1
della porzione N-terminale (da 1 a 220) di GyrB, ma ci sono altri due residui
(Gln335 e Lys337) appartenenti al DOMINIO 2 (da 220 a 392) che sono in grado di
contattarlo. Sebbene il ruolo di tali residui altamente conservati sia ancora poco
noto, sembra siano implicati nella trasmissione dei cambi conformazionali
dell’enzima da GyrB a GyrA dopo l’idrolisi dell’ATP. La porzione 98-118 che
lega e idrolizza l’ATP, forma un foglietto- con il braccio N-terminale dell’altro
monomero, contenente residui essenziali per il processo di dimerizzazione
(fig.11).
E’ stato visto che mutazioni della regione C-terminale di GyrB
riguardanti
gli
aminoacidi
Asp426
e
Lys447
determinano
variazioni
nell’interazione dell’enzima con i chinoloni. Ciò, quindi, fa pensare che, o
questa porzione è direttamente coinvolta nella formazione della tasca di legame
ai chinoloni, oppure tale subunità fa parte del sito attivo di GyrA. Infatti è stato
18
visto che vari residui di tale regione, in particolare Asp424, sono necessari per il
taglio ed il legame del DNA (fig.12) (7).
Fig.11: Conformazione aperta e chiusa del sito che lega l’ATP. Nella conformazione chiusa
(in giallo) la porzione 98-118 è avvolta attorno all’ATP, il cui fosfato è contattato dai due residui
del dominio 2. Lys103 e Lys110 sono coinvolte nella catalisi come Tyr109 che lega l’anello
dell’adenina. Dopo l’idrolisi, il sito attivo assume la conformazione aperta a cui si lega la
novobiocina bloccandolo (5).
Fig.12: Struttura cristallografica di un frammento di 92Kda della topoisomerasi di lievito.
Sono evidenti, in tale immagine, i siti di resistenza ai chinoloni sulla porzione A’ (QRDR) e B’
della topoisomerasi. Questi ultimi siti (Asp451 e Lys477) sono equivalenti a quelli della girasi e
sono colorati in grigio chiaro e in nero rispettivamente (7).
19
2.3.3 RUOLO DELLA GYRA
Tale subunità comprende un frammento di 29 kDa contenente il sito
attivo della tirosina e un frammento costituito da tre -eliche appartenenti al
dominio CAP, delle quali solo due adiacenti (la seconda e la terza) sono critiche
per il legame al DNA. L’elica 4, invece, è importante per il riconoscimento
della sequenza di DNA ancor prima del taglio. In tale elica sono presenti tre
importanti aminoacidi: Thr744, un residuo molto conservato inserito all’interno
della proteina, Ser740 e Gln743, che sono rivolti verso l’esterno e costituiscono dei
residui poco conservati che potrebbero contribuire a determinare delle
differenze tra gli enzimi delle varie specie nel riconoscimento delle sequenze di
DNA e nella diversa sensibilità ai farmaci (fig.13 e fig.14) (8).
Fig.13: Struttura dimerica della topoisomerasi II di lievito. In questa immagine è
evidente la porzione di 92 kDa contenente un frammento di DNA inserito nei vari siti di
legame (8).
20
Fig.14: Particolare del sito di legame al DNA. In tale immagine viene evidenziata la vicinanza
della elica 4, in particolare dei residui 740 e 743, al DNA (8).
A livello della subunità A sono presenti delle regioni di resistenza ai
chinoloni chiamate QRDR che comprendono i residui da 67 a 106, a cui se ne
aggiungono altri (9). E’, quindi, possibile che il farmaco interagisca anche con
questi siti (fig.14A e 14B).
Fig. 14A: Struttura integrale del dimero GyrA59.
21
Fig.14B: Ingrandimento della regione evidenziata nella precedente figura. Gli aminoacidi
che conferiscono resistenza ai chinoloni: 51 nell’elica 2, 67 nell’elica 3, 83 e 87 nell’elica 4 (9).
2.4 INTERAZIONE DNA-CHINOLONI
Da recenti studi sembra che due molecole del farmaco interagiscono col
DNA al sito attivo dell’enzima, intercalandosi tra due basi azotate o addirittura
sostituendosi ad una di esse (10, 11): è stato visto, infatti, che i chinoloni
possono formare dei legami H preferenzialmente con la guanina (fig.18) (12).
Sembra, inoltre, che per l’interazione DNA-chinolone sia necessario il Mg2+. E’
stato infatti mostrato che il Mg2+ interagisce con i chinoloni tramite il gruppo
carbonilico e carbossilico dei carboni 3 e 4. E’ possibile, quindi, che i chinoloni
leghino il gruppo fosfodiesterico del DNA attraverso un ponte di Mg 2+ che
coinvolge anche i carboni 3 e 4 (13).
In un recente studio (14), viene evidenziata la struttura tridimensionale
di un complesso costituito dall’acido oxolinico e da una porzione
polinucleotidica terminale di DNA (sequenza T*GGTTGAC), con spettroscopia
NMR bidimensionale. Il frammento finale ottenuto è molto stabile, nonostante
manchi della coppia di basi T:A; la sequenza finale è, infatti, 5’-GCGC-3’. Le
molecole di farmaco non solo spiazzano la coppia terminale di basi, ma forzano
nel solco minore i residui di adenosina, tanto da ridurre la disponibilità dei loro
gruppi idrossilici al riaggancio successivo (dopo il taglio della girasi) (fig.15,
16).
22
Fig.15: Due immagini del complesso DNA-chinolone. Le catene rosse e viola costituiscono le
sequenze di 8 paia di basi del frammento di DNA (14).
Fig.16: Altra immagine del complesso DNA-chinolone (14)
23
L’acido oxolinico non ha gruppi ionizzabili
che interagiscano con i
gruppi fosfato o atomi di H disponibili per formare legami H con il DNA
(fig.17). E’ probabile, quindi, che in questo modello di interazione intervengano
forze di van der Walls o effetti idrofobici, per la presenza di dipoli e quadrupoli
provenienti dai sistemi ad anello dell’acido oxolinico.
O
O
O
O-
O
N
C2 H5
Fig.17: Struttura dell’acido oxolinico
Fig.18: Possibili interazioni del farmaco col DNA (7)
24
2.5 COMPLESSO DNA-GIRASI-CHINOLONE
Gli studi molecolari sull’organizzazione e sul funzionamento della girasi
hanno consentito di costruire dei modelli di interazione con il DNA e i
chinoloni; modelli che, però, non sono delle descrizioni definitive, in quanto
richiedono ancora l’applicazione della cristallografia a raggi X.
Durante il ciclo catalitico si ha, come già visto, un grande cambio
conformazionale dell’enzima, che favorisce l’azione coordinata del dominio
CAP della subunità A, contenente il sito attivo della tirosina, e di una porzione
della subunità B (chiamata “Rossmann fold”); tale porzione con i residui
GyrB426 e Gyr447, si avvicina al sito attivo e alle sequenze QRDR della GyrA,
stabilizzando il complesso DNA-girasi-chinolone nella fase di rottura del DNA
e, insieme all’elica 4 del dominio CAP, favorisce il corretto assemblaggio
molecolare e, conseguentemente, il corretto riconoscimento delle specifiche
sequenze di DNA da tagliare (8).
I siti della GyrA coinvolti nell’interazione con il farmaco si trovano
sull’elica 4 del dominio N-terminale , in particolare Ser83 e Asp87.
Si è pensato che il residuo 447 di GyrB abbia un’ulteriore interazione con
lo scheletro di DNA; infatti al sito attivo della girasi, una porzione di DNA è
distorta per favorire l’interazione del fosfato con la tirosina. E’ possibile che tale
residuo stabilizzi il DNA nella forma distorta.
Due (o più) molecole del farmaco, quindi, sembrano coinvolte nel legame
a questo grosso complesso enzimatico: entrambe interagiscono con specifici
residui della proteina (soprattutto tramite il sostituente R7 che forma dei
legami H con i residui di GyrB ed il sostituente R1 che interagisce con i residui
di GyrA); per quanto riguarda il legame al DNA, è possibile che una molecola
formi un legame H tra il gruppo amminico di una guanina e i suoi due gruppi
carbonilico e carbossilico;
l’altra, invece, potrebbe formare un grosso
complesso di coordinazione contenente un atomo di Mg2+, che fa da ponte tra il
gruppo carbonilico e carbossilico del farmaco e due atomi di O di due gruppi
fosfato (fig. 19, fig.20).
25
Fig.19: Tasca di legame della girasi ai chinoloni. Sono evidenziati i residui che interagiscono
con il farmaco (7)
Fig.20: Complesso ternario DNA-enzima-fluorochinolone (3)
26
2.6 CONCLUSIONI
I chinoloni costituiscono una classe di farmaci antibatterici di nuova
generazione. Il loro meccanismo d’azione è abbastanza specifico e solo in pochi
casi determina insorgenza di resistenza. Lo studio molecolare del loro recettore
sta aiutando a definirne in modo preciso l’interazione, per poter effettuare
opportune ed efficaci sostituzioni strutturali sul farmaco. Tale interazione
sembra, però, essere molto complessa, perché coinvolge anche il DNA nella sua
forma distorta o tagliata.
A tutt’oggi, comunque, sono molte le molecole con alta potenza
antibatterica e ridotti effetti collaterali presenti in commercio; basti pensare al
Ciproxin o al Levoxacin, che hanno avuto e stanno avendo molto successo
anche in ambito ospedaliero. Il loro uso è svariato: dalle infezioni delle vie
urinarie a quelle articolari e via dicendo.
Al contrario, quelli di ultima generazione (Sparfloxacina, Temafloxacina
Trovafloxacina etc.), pur avendo mostrato uno spettro d’azione più ampio dei
precedenti, hanno poi deluso le aspettative a causa dei loro gravi effetti
collaterali cardiaci ed epatici e all’induzione di fotosensibilizzazione e di
resistenza.
Non basta, quindi, studiarne solo l’interazione col recettore; bisogna
valutarne poi anche gli aspetti farmacocinetici, che non sempre vanno di pari
passo con la potenza farmacodinamica.
Comunque è indispensabile, soprattutto negli ospedali, un impiego
razionale di tali farmaci. Facendone un uso indiscriminato, infatti, il tasso di
resistenza a questi preziosi antibiotici, pur essendo ancora basso, potrebbe
crescere. E’ importante, quindi, inquadrare bene le singole patologie, e saper
valutare l’opportunità o meno di impiegarli nel trattamento.
27
BIBLIOGRAFIA
28
1. FARMACAP: Le infiammazioni delle vie aeree; www.farmacap.it/mensile.htm
2. www.unict.it/fpc/monografia02.html
3. F. Van Bambeke: Fluoroquinolones: from structure to activity and toxicity
4. Lance R. Peterson: Quinolone Molecular Structure-ActivityRelationships: What
We Have Learned about Improving Antimicrobial Activity. CID 2001:33 (Suppl 3)
5. Valerie Lamour, Laurence Hoermann, Jean-Marc Jeltsch, Pierre Oudet,
Dino Moras: An Open Conformation of the Thermus thermophilus Gyrase B ATPbinding Domain. THE JOURNAL OF BIOLOGICAL CHEMISTRY Vol. 277, No.
21, Issue of May 24, pp. 18947–18953
6.www.math.ucdavis.edu/~jst/math227Spring2003/lectures/presentations/Bios
lides_lectures07-08.ppt
7.
Jonathan Heddle, Anthony Maxwell: Quinolone-Binding Pocket of DNA
Gyrase: Role of GyrB. ANTIMICROBIAL AGENTS AND CHEMOTHERAPY,
June 2002, p. 1805–1815
8. Dirk Strumberg, John L. Nitiss, Jiaowang Dong, Jerrylaine Walker, Marc
C. Nicklaus, Kurt W. Kohn, Jonathan G. Heddle, Anthony Maxwell, Siegfried
Seeber, Yves Pommier: Importance of the Fourth Alpha-Helix within the CAP
HomologyDomain of Type II Topoisomerase for DNA Cleavage Site Recognition and
Quinolone Action. ANTIMICROBIAL AGENTS AND CHEMOTHERAPY, Sept.
2002, p. 2735–2746
9. S. Marvin Friedman, Tao Lu, Karl Drlica: Mutation in the DNA Gyrase A
Gene of Escherichia coli That Expands the Quinolone Resistance-Determining Region.
ANTIMICROBIAL AGENTS AND CHEMOTHERAPY, Aug. 2001, p. 2378–2380
29
10.
Shen, Baranowski,
Pernet: Mechanism of inhibition of DNA gyrase by
quinolone antibacterials: specificity and cooperativity of drug binding to DNA.
Biochemistry (1989) 28:3879–3885
11. Tornaletti, Pedrini: DNA unwinding induced by nalidixic acid binding to DNA.
Biochem. Pharmacol. (1988) 37:1881–1882
12. Tornaletti, Pedrini: Studies on the interaction of 4-quin-olones with DNA by
DNA unwinding experiments. Biochim. Biophys. Acta (1988)
13. Christian Noble, Faye M. Barnard, Anthony Maxwell: Quinolone-DNA
Interaction: Sequence-Dependent Binding to Single-Stranded DNA Reflects the
Interaction within the Gyrase-DNA Complex. ANTIMICROBIAL AGENTS AND
CHEMOTHERAPY, Mar. 2003, p. 854–862
14. Jennifer Tuma, William H. Connors, David Stitelman, Clemens Richert:
On the Effect of Covalently Appended Quinolones on Termini of DNA Duplexes. J Am
Chem Soc. 2002 Apr 24;124(16):4236-46
15. Hyun Jung Hwangbo, Young-Ae Lee, Jung Hag Park, Yong Rok Lee, Jong
Moon Kim, Seh-Yoon Yi, Seog K. Kim: Interaction of Norfloxacin with SuperCoiled DNA. Bull. Korean Chem. Soc. 2003, Vol. 24, No. 5
16. Karl Drlica Xilin Zhao: DNA Gyrase, Topoisomerase IV, and the 4-Quinolones.
MICROBIOLOGY AND MOLECULAR BIOLOGY REVIEWS, Sept. 1997, p.
377–392
30
Scarica