8 Polymyksin

Polymyksin er en klasse af kationiske cykliske decapeptider karakteriseret ved tilstedeværelsen af fem positivt ladede aminrester, fra DI-amino smørsyre (Dab), og en lipofile hale, som vist i strukturen af polymyksin B1 (50). De viser potent aktivitet mod Gram-negative bakterier og blev først anvendt klinisk i 1950 ‘ erne, men brugen var begrænset af rapporter om toksicitet, især nefrotoksicitet. Men i løbet af det sidste årti, med den stigende forekomst af multiresistente gramnegative bakterier, har der været en genopblussen i brugen af polymyksiner som lægemidler af sidste udvej .

der er mange ulemper ved den nuværende polymyksinbehandling. Det mest almindelige præparat i klinisk anvendelse er prodrug af Polymyksin E (Colistin) (51) kendt som CMS (colistinmethansulfonat), som blev udviklet i 1960 ‘ erne som en mindre toksisk doseringsform. Som et prodrug med fem sulfonylerede aminogrupper er farmakokinetikken imidlertid kompliceret og ikke godt forstået. Polymyksin B doseres som sulfatsaltet ved langsom infusion for at overvinde akutte toksikologiske virkninger, men bekymringer om nefrotoksicitet fører til suboptimal dosering. Et” anden generation ” polymyksin med et forbedret terapeutisk indeks og et doseringsregime udviklet med moderne PK–PD-metode ville være en fordelagtig tilføjelse til rustningen mod multiresistente Gram-negative infektioner.

virkningsmåden af polymyksiner er ikke fuldt ud forstået. Polymyksiner binder til og forstyrrer det negativt ladede lipopolysaccharid (LPS) af den ydre membran af gramnegative bakterier, hvilket tillader passage af polymyksinet (og af andre lægemidler) ind i det periplasmiske rum. Selvom polymyksinerne er kationiske amfifile molekyler, er bindingen og genkendelsen til den ydre membran specifik. Deletion af fedt-acylkæden og aminosyre 1 fører til polymyksin B nonapeptid (pmbn, (52)), som, selv om det er signifikant mindre aktivt end polymyksin B, bevarer evnen til at gennemtrænge den ydre membran af gramnegative bakterier. Enantiomeren af PMBN er imidlertid ikke en permeabilisator . En model af polymyksinbinding til det stærkt konserverede hydrofobe lipid A af LPS er blevet udtænkt , baseret på NMR-undersøgelser af polymyksin i kompleks med LPS. I denne model interagerer de positivt ladede aminer med fosfaterne af LPS, mens den lipofile hale og den lipofile aminosyre 6-7 region af kernen interagerer med lipidhalen af LPS. Visse polymyksinderivater uden signifikant antibakteriel aktivitet har vist sig at binde til LPS og at gennemtrænge bakterierne til virkningen af andre antibiotika .

polymyksinernes struktur–aktivitetsforhold blev grundigt gennemgået i 2010, og siden denne dato har der været yderligere udviklinger inden for lægemiddelkemi og prækliniske undersøgelser rettet mod både at reducere toksicitet og øge aktivitetsniveauet, især mod nye multiresistente stammer.

Polymyxins exhibit nephrotoxicity at levels close to the therapeutic dose, as well as a number of poorly characterised acute toxicological effects. Mekanismen for nefrotoksicitet er i øjeblikket under undersøgelse, men det antages at være relateret til molekylets kationiske natur og akkumulering i de renale proksimale tubulære epitelceller med optagelse medieret af multi-ligandreceptoren, megalin . Cytotoksicitet er blevet bestemt i de celletyper, hvori lægemidlet akkumuleres, for eksempel humane renale proksimale tubulære (HK-2) celler eller proksimale tubulepitelceller (PTEC) celler og kan involvere mitokondriel skade eller involvering af reaktive iltarter.

i de senere år er der foretaget en række tilgange for at reducere toksiciteten og forbedre det terapeutiske indeks for polymyksin. Total syntese af nye polymyksinderivater via fastfasepeptidsyntese har været hovedvejen, hvilket tillader manipulation på ethvert tidspunkt i polymyksinstrukturen. Semisyntese, der starter fra polymyksin selv, er også blevet anvendt i vid udstrækning, idet man trækker på forskellige menneskers evne til selektivt at spalte den lipofile hale og tripeptidkæden i specifikke positioner. Selektiv beskyttelse af de terminale aminogrupper af Dab-rester er også opnået , hvilket muliggør semisyntese af en række derivater af nonapeptidet.

det er rapporteret, at fjernelse af den lipofile hale og aminosyre 1 For at forlade polymyksin B nonapeptid (PMBN) (52) fører til en signifikant reduktion i nefrotoksicitet og antibakteriel aktivitet, samtidig med at molekylets evne til at gennemtrænge bakterier bevares til virkningen af andre antibiotika. Denne reduktion i toksicitet er for nylig blevet bekræftet af in vivo-undersøgelser på AstraZeneca , hvor histopatologi afsløret markante ændringer i nyrerne af rotter behandlet med colistin i forhold til dem, der er behandlet med PMBN eller køretøj kontrol.

i en række derivater, der mangler fedt-acylkæden, har Katsuma og kolleger undersøgt Pseudomonas-specifikke polymyksin-analoger . Udskiftning af fedt-acylkæden og aminosyren 1 af polymyksin med alle basiske rester, såsom Dab-Dab-Dab-kæden (53a), resulterede i potent og selektiv Pseudomonas-aktivitet in vitro, men med øget Akut toksicitet hos mus. En lille hydrofil aminosyre ved N-terminalen (di-amino propionsyre (DAP) eller serin) (53b, c) resulterede i Pseudomonas aktivitet in vitro sammenlignelig med polymyksin B selv. DAP-analogen (53b) viste 4,9 gange mindre akut toksicitet end polymyksin B i musen. Virkningen på nyretoksicitet er ikke rapporteret i denne serie.

en tilgang taget af nordlige antibiotika til at reducere toksiciteten af polymyksinderivater har været at reducere antallet af positive ladninger i molekylet. Selvom Dab-rester i den cykliske del af polymyksin har vist sig at være afgørende for både LPS-binding og for efterfølgende antibakteriel aktivitet , kan binding til LPS stadig finde sted i analoger, der mangler aminrester i den lineære del af peptidet . Sådanne derivater kan fungere som permeabilisatorer for andre antibiotika, og nogle har aktivitet i sig selv mod et snævrere spektrum af organismer. Eksempler inkluderer nonapeptiderne NAB – 7061 (54a) med aminobutyrat i position 3 og NAB-739 (54B) med d-serin i position 3. Begge bevarer polymyksins evne til at gennemtrænge den ydre membran og virker synergistisk med andre antibiotika. Både NAB – 7061 og NAB-739 viste lavere affiniteter (ca. end polymyksin, som påvist i en radiomærket gentamicinforskydningsassay. NAB-739 viste lavere cytotoksicitet i en HK-2-cellelinie med IC50-værdier, der var ca. 26 gange mindre end polymyksin B. NAB – 739 viste også antibakteriel aktivitet både in vitro og in vivo. Mens in vitro-profilering viste god aktivitet mod E. coli og Klebsiella, blev aktiviteten reduceret sammenlignet med polymyksin mod Pseudomonas-arter. NAB – 739 har vist effekt i en E. coli-infektionsmodel , men indtil videre har der ikke været rapporter om in vivo toksicitetsundersøgelser.Cubist Pharmaceuticals har rapporteret om reduktion af toksicitet ved udskiftning af den lipofile hale af polymyksin med et arylurinstof i forbindelse CB-182.804 (55). Indtil videre er dette den eneste af den nye generation af polymyksiner, der udvikler sig til fase i-forsøg, efter at have demonstreret reduceret nefrotoksicitet hos cynomolgøse aber .DAB – 3 af den lineære del af aminosyrekæden blev erstattet med di-amino propionsyre Dap , som blev rapporteret at forøge den antibakterielle aktivitet. En række biarylterminale grupper blev undersøgt med den konklusion, at forbindelser med flere polære sidekæder, målt ved ClogD, var mindre cytotoksiske over for hrptec-nyrecellelinjen, men havde en generel tendens til reduceret antibakteriel styrke. Imidlertid viste en bestemt forbindelse, 5 gange (56), hvor den lipofile hale af polymyksin blev erstattet af en polær n-phenylpyridondel, signifikant reduceret in vitro-toksicitet sammenlignet med polymyksin, mens den bibeholdt aktivitet. Forbindelse 5 gange blev in vivo undersøgt for nefrotoksisk potentiale sammenlignet med polymyksin B hos rotter i et 7-dages studie. På et eksponeringsniveau, hvor polymyksin B frembragte nekrotiske nyrelæsioner hos hvert dyr (omend minimal) (56), viste ingen forekomst af nekrotiske nyrelæsioner. Hos hunden var der dog ingen signifikant sikkerhedsmargin på (56) over polymyksin B. forståelsen af forholdet mellem in vitro-toksicitet og in vivo-situationen i polymyksin er stadig en hindring, der skal overvindes.Cantab antiinfektiva har rapporteret, at polymyksin nonapeptidderivater, hvor acylkæden indeholder en polær funktionalitet, viser reduceret toksicitet in vitro og in vivo, samtidig med at in vivo-effekten bevares . For eksempel blev forbindelse (57) sammenlignet med polymyksin B i en E. coli-muselårmodel for infektion. En samlet dosis på 10 mg/kg (i.v., b.I.d.) på (57) gav en reduktion på 4 log10 i bakteriebyrden sammenlignet med ikke-behandlet kontrol, mens den samme dosis polymyksin reducerede bakteriebyrden med 4,8 log10. Lignende resultater blev opnået i en Klebsiella pneumoniae-infektionsmodel, hvor (57) gav en lignende reduktion i bakteriebyrden (2,3 log10-reduktion) til colistin ved 10 mg/kg. In vitro (57) var seks gange mindre cytotoksisk end polymyksin målt ved IC50 mod HK-2-cellelinjen. In vivo gav i en rottemodel af nefrotoksicitet (57) et signifikant lavere niveau af urinbiomarkører for nyreskade (N-acetyl-beta-D-glucosaminidase, albumin og cystatin C) sammenlignet med colistin på samme dosisniveau.

en anden tilgang er taget af gruppen ved Monash University, der har undersøgt ændringer, der viser aktivitet mod resistente stammer . Polymyksiner med øget lipofilicitet ved aminosyrerne 6 og 7 i kernen og en lipofile kæde, f.eks. FADDI-02 (58A) og FADD1-03 (58B) viser forbedret aktivitet mod resistente stammer af Pseudomonas aeruginosa og Acinetobacter baumanii sammenlignet med polymyksin B. in vitro-toksicitet er ikke rapporteret; forbindelserne er imidlertid blevet evalueret i en in vivo-model for nefrotoksicitet. Histologisk undersøgelse viste ingen læsioner hos disse faddi-03 behandlede rotter sammenlignet med positive tegn på nyreskade hos de polymyksin B behandlede dyr. Denne lavere toksicitet er tilskrevet den høje serumbinding af molekylet, hvilket forhindrer akkumulering i nyrerne.