8 Les Polymyxines

Les polymyxines sont une classe de décapeptides cycliques cationiques caractérisés par la présence de cinq résidus amines chargés positivement, provenant de l’acide di-amino-butyrique (Dab), et d’une queue lipophile, comme le montre la structure de la polymyxine B1 (50). Ils démontrent une activité puissante contre les bactéries à Gram négatif et ont été utilisés pour la première fois en clinique dans les années 1950, mais leur utilisation a été limitée par des rapports de toxicité, en particulier de néphrotoxicité. Cependant, au cours de la dernière décennie, avec la prévalence croissante des bactéries Gram-négatives multirésistantes aux médicaments, il y a eu une résurgence de l’utilisation des polymyxines comme médicaments de dernier recours.

Le traitement actuel à la polymyxine présente de nombreux inconvénients. La préparation la plus courante en utilisation clinique est la prodrogue de la Polymyxine E (Colistine) (51) connue sous le nom de CMS (Colistin methane sulfonate), qui a été développée dans les années 1960 sous forme de dosage moins toxique. Cependant, en tant que promédicament avec cinq groupes aminés sulfonylés, la pharmacocinétique est compliquée et mal comprise. La polymyxine B est dosée sous forme de sel sulfaté par perfusion lente pour surmonter les effets toxicologiques aigus, mais des préoccupations concernant la néphrotoxicité conduisent à un dosage sous-optimal. Une polymyxine de « deuxième génération » avec un indice thérapeutique amélioré et un schéma posologique développé avec une méthodologie PK–PD moderne constitueraient un ajout avantageux à l’arsenal contre les infections à Gram négatif multirésistantes aux médicaments.

Le mode d’action des polymyxines n’est pas entièrement compris. Les polymyxines se lient et perturbent le lipopolysaccharide chargé négativement (LPS) de la membrane externe des bactéries à Gram négatif, permettant le passage de la polymyxine (et d’autres médicaments) dans l’espace périplasmique. Bien que les polymyxines soient des molécules amphiphiles cationiques, la liaison et la reconnaissance à la membrane externe sont spécifiques. La délétion de la chaîne d’acyle gras et de l’acide aminé 1 conduit au nonapeptide polymyxine B (PMBN, (52)), qui bien que significativement moins actif que la polymyxine B, conserve la capacité de perméabiliser la membrane externe des bactéries Gram négatives. Cependant, l’énantiomère du PMBN n’est pas un perméabilisant. Un modèle de liaison de la polymyxine au lipide hydrophobe A hautement conservé du LPS a été conçu, basé sur des études RMN de la polymyxine en complexe avec le LPS. Dans ce modèle, les amines chargées positivement interagissent avec les phosphates du LPS, tandis que la queue lipophile et la région de l’acide aminé lipophile 6-7 du noyau interagissent avec la queue lipidique du LPS. Il a été démontré que certains dérivés de la polymyxine sans activité antibactérienne significative se lient au LPS et perméabilisent les bactéries à l’action d’autres antibiotiques.

Les relations structure-activité des polymyxines ont été examinées de manière approfondie en 2010 et depuis cette date, de nouveaux développements en chimie médicinale et des études précliniques ont été réalisés dans le but à la fois de réduire la toxicité et d’augmenter le niveau d’activité, en particulier contre les souches multirésistantes émergentes.

Polymyxins exhibit nephrotoxicity at levels close to the therapeutic dose, as well as a number of poorly characterised acute toxicological effects. Le mécanisme de la néphrotoxicité est actuellement à l’étude, mais on pense qu’il est lié à la nature cationique de la molécule et à son accumulation dans les cellules épithéliales tubulaires proximales rénales, avec une absorption médiée par le récepteur multi-ligand, la mégaline. La cytotoxicité a été déterminée dans les types cellulaires dans lesquels le médicament s’accumule, par exemple les cellules tubulaires proximales rénales humaines (HK-2) ou les cellules épithéliales tubulaires proximales (PTEC), et peut impliquer des lésions mitochondriales ou l’implication d’espèces réactives de l’oxygène.

Au cours des dernières années, un certain nombre d’approches ont été entreprises pour réduire la toxicité et améliorer l’indice thérapeutique des polymyxines. La synthèse totale de nouveaux dérivés de la polymyxine, via la synthèse peptidique en phase solide, a été la voie principale, permettant une manipulation en tout point de la structure de la polymyxine. La semi-synthèse à partir de la polymyxine elle-même a également été largement utilisée, tirant parti de la capacité de diverses enzymes à cliver sélectivement la queue lipophile et la chaîne tripeptidique à des positions spécifiques. Une protection sélective des groupes aminés terminaux des résidus Dab a également été obtenue, permettant la semi-synthèse d’une variété de dérivés du nonapeptide.

Il a été rapporté que l’élimination de la queue lipophile et de l’acide aminé 1 pour laisser la polymyxine B nonapeptide (PMBN) (52) conduit à une réduction significative de la néphrotoxicité et de l’activité antibactérienne tout en conservant la capacité de la molécule à perméabiliser les bactéries à l’action d’autres antibiotiques. Cette réduction de la toxicité a récemment été confirmée par des études in vivo à AstraZeneca, dans lesquelles l’histopathologie a révélé des modifications notables des reins de rats traités par la colistine par rapport à ceux traités par le PMBN ou le contrôle du véhicule.

Dans une série de dérivés dépourvus de chaîne d’acyle gras, Katsuma et ses collègues ont étudié des analogues de polymyxines spécifiques à Pseudomonas. Le remplacement de la chaîne d’acyle gras et de l’acide aminé 1 de la polymyxine par tous les résidus basiques, tels que la chaîne Dab-Dab-Dab (53a), a entraîné une activité puissante et sélective des Pseudomonas in vitro, mais avec une toxicité aiguë accrue chez la souris. Un petit acide aminé hydrophile au niveau N-terminal (acide di-amino propionique (Dap) ou sérine) (53b, c) a entraîné une activité de Pseudomonas in vitro comparable à la polymyxine B elle-même. L’analogue Dap (53b) a montré une toxicité aiguë 4,9 fois moins élevée que la polymyxine B chez la souris. L’effet sur la toxicité rénale n’a pas été rapporté dans cette série.

Une approche adoptée par les antibiotiques du Nord pour réduire la toxicité des dérivés de la polymyxine a été de réduire le nombre de charges positives dans la molécule. Bien que les résidus de Dab dans la partie cyclique de la polymyxine se soient avérés cruciaux à la fois pour la liaison au LPS et pour l’activité antibactérienne ultérieure, la liaison au LPS peut encore avoir lieu dans des analogues dépourvus de résidus d’amine dans la partie linéaire du peptide. De tels dérivés peuvent agir comme perméabilisateurs à d’autres antibiotiques et certains ont une activité à part entière contre un spectre plus étroit d’organismes. Des exemples incluent les nonapeptides NAB-7061 (54a) avec de l’aminobutyrate en position 3, et NAB-739 (54b) avec de la d-sérine en position 3. Les deux conservent la capacité de la polymyxine à perméabiliser la membrane externe et à agir en synergie avec d’autres antibiotiques. Les deux NAB-7061 et NAB-739 ont démontré des affinités inférieures (env. un cinquième de moins) pour la membrane de bordure en brosse du cortex rénal que la polymyxine, comme démontré dans un essai de déplacement de gentamicine radiomarqué. Le NAB-739 a démontré une cytotoxicité plus faible dans une lignée cellulaire HK-2 avec des valeurs de CI50 environ 26 fois inférieures à la polymyxine B. Le NAB-739 a également démontré une activité antibactérienne in vitro et in vivo. Alors que le profilage in vitro a montré une bonne activité contre E. coli et Klebsiella, l’activité a été réduite par rapport à la polymyxine contre les espèces de Pseudomonas. Le NAB-739 a démontré son efficacité dans un modèle d’infection à E. coli, cependant, à ce jour, aucune étude de toxicité in vivo n’a été rapportée.

Cubist Pharmaceuticals a signalé la réduction de la toxicité par le remplacement de la queue lipophile de la polymyxine par une urée arylique dans le composé CB-182,804 (55). Jusqu’à présent, c’est la seule de la nouvelle génération de polymyxines à passer à des essais de phase I, après avoir démontré une néphrotoxicité réduite chez les singes cynomolgous.

Pfizer a récemment rapporté la synthèse d’une variété de dérivés de la polymyxine dans laquelle le Dab-3 de la partie linéaire de la chaîne d’acides aminés a été remplacé par de l’acide di-amino propionique Dap, qui a été rapporté pour améliorer l’activité antibactérienne. Une variété de groupes terminaux biaryles ont été étudiés avec la conclusion que les composés avec plus de chaînes latérales polaires, tels que mesurés par ClogD, étaient moins cytotoxiques contre la lignée de cellules rénales hRPTEC, mais avaient une tendance générale à réduire la puissance antibactérienne. Cependant, un composé particulier de Pfizer, 5x (56) où la queue lipophile de la polymyxine a été remplacée par une fraction polaire de N-phényl pyridone, a montré une toxicité in vitro considérablement réduite par rapport à la polymyxine tout en conservant son activité. Le potentiel néphrotoxique du composé 5x a été examiné in vivo par rapport à la polymyxine B chez le rat au cours d’une étude de 7 jours. À un niveau d’exposition où la polymyxine B produisait des lésions rénales nécrotiques chez tous les animaux (quoique minimes) (56), aucune incidence de lésions rénales nécrotiques n’a été observée. Cependant, chez le chien, il n’y a pas eu de marge de sécurité significative de (56) par rapport à la polymyxine B. Comprendre la relation entre la toxicité in vitro et la situation in vivo chez les polymyxines reste un obstacle à surmonter.

Cantab anti-infectieux a rapporté que les dérivés nonapeptidiques de la polymyxine dans lesquels la chaîne acyle contient une fonctionnalité polaire démontrent une toxicité réduite in vitro et in vivo tout en conservant une efficacité in vivo. Par exemple, le composé (57) a été comparé à la polymyxine B dans un modèle d’infection de la cuisse de souris E. coli. Une dose totale de 10 mg / kg (i.v., b.i.d.) de (57) a donné une réduction de 4 log10 de la charge bactérienne par rapport au contrôle non traité, tandis que la même dose de polymyxine a réduit la charge bactérienne de 4,8 log10. Des résultats similaires ont été obtenus dans un modèle d’infection de Klebsiella pneumoniae, où (57) a donné une réduction similaire de la charge bactérienne (réduction de 2,3 log10) à la colistine à 10 mg / kg. In vitro, (57) était six fois moins cytotoxique que la polymyxine mesurée par IC50 par rapport à la lignée cellulaire HK-2. In vivo, dans un modèle de néphrotoxicité chez le rat, (57) a donné des niveaux significativement plus faibles de biomarqueurs urinaires de lésions rénales (N-acétyl-bêta-d-glucosaminidase, albumine et cystatine C) par rapport à la colistine à la même dose.

Une autre approche a été adoptée par le groupe de l’Université Monash, qui a étudié des modifications qui montrent une activité contre des souches résistantes. Les polymyxines présentant une lipophilie accrue au niveau des acides aminés 6 et 7 du noyau et une chaîne lipophile, par exemple FADDI-02 (58a) et FADD1-03 (58b) montrent une activité améliorée contre les souches résistantes de Pseudomonas aeruginosa et d’Acinetobacter baumanii par rapport à la polymyxine B. La toxicité in vitro n’est pas rapportée; cependant, les composés ont été évalués dans un modèle in vivo de néphrotoxicité. L’examen histologique n’a montré aucune lésion chez ces rats traités par FADDI-03 par rapport à des signes positifs de lésions rénales chez les animaux traités par polymyxine B. Cette toxicité moindre a été attribuée à la forte liaison sérique de la molécule, empêchant l’accumulation dans les reins.