8 polymyxinen
polymyxinen zijn een klasse van kationische cyclische decapeptiden gekenmerkt door de aanwezigheid van vijf positief geladen amineresiduen, afkomstig van diaminoboterzuur (Dab), en een lipofiele staart, zoals aangetoond in de structuur van polymyxine B1 (50). Zij tonen krachtige activiteit tegen gramnegatieve bacteriën aan, en werden voor het eerst klinisch gebruikt in de jaren 1950, maar het gebruik werd beperkt door meldingen van toxiciteit, in het bijzonder nefrotoxiciteit. Echter in het afgelopen decennium, met de toenemende prevalentie van multi-drug-resistente Gram-negatieve bacteriën, is er een heropleving in het gebruik van polymyxins als drugs van laatste redmiddel geweest .
Er zijn veel nadelen aan de huidige polymyxinetherapie. De meest voorkomende bereiding in klinisch gebruik is de prodrug van polymyxine E (Colistin) (51) bekend als CMS (Colistin methaansulfonaat), die werd ontwikkeld in de jaren 1960 als een minder toxische doseervorm. Nochtans, als prodrug met vijf gesulfonyleerde aminogroepen, is de farmacokinetiek gecompliceerd en niet goed begrepen. Polymyxine B wordt gedoseerd als het sulfaatzout door langzame infusie om acute toxicologische effecten te overwinnen, maar zorgen over nefrotoxiciteit leiden tot suboptimale dosering. Een” tweede generatie ” polymyxine met een verbeterde therapeutische index, en een doseringsregime ontwikkeld met moderne PK–PD methodologie zou een voordelige aanvulling op het arsenaal tegen multi-drug-resistente Gram-negatieve infecties.
het werkingsmechanisme van polymyxinen is niet volledig begrepen. Polymyxinen binden aan en verstoren negatief geladen lipopolysaccharide (LPS) van het buitenmembraan van gramnegatieve bacteriën, waardoor de passage van polymyxine (en van andere geneesmiddelen) in de periplasmische ruimte. Hoewel de polymyxins kationische amfifiele molecules zijn, is de band en de erkenning aan het buitenmembraan specifiek. Deletie van de vet-acylketen en aminozuur 1 leidt tot polymyxine B nonapeptide (pmbn, (52)), dat, hoewel significant minder actief dan polymyxine B, het vermogen behoudt om het buitenmembraan van gramnegatieve bacteriën permeabiliseren. Het enantiomeer van PMBN is echter geen permeabilisator . Een model van polymyxin die aan hoogst behouden hydrophobic lipide a van LPS binden is bedacht, gebaseerd op NMR studies van polymyxin in complex met LPS. In dit model, staan positief geladen amines met de fosfaten van LPS in wisselwerking, terwijl de lipophilic staart en het lipophilic aminozuur 6-7 gebied van de kern met de lipidenstaart van LPS in wisselwerking staan. Van bepaalde polymyxinederivaten zonder significante antibacteriële activiteit is aangetoond dat zij zich binden aan LPS en de bacteriën doordrenken van de werking van andere antibiotica .
de structuur-activiteitsrelaties van de polymyxinen werden in 2010 uitgebreid onderzocht en sinds die datum zijn er verdere ontwikkelingen geweest in medicinale chemie en preklinische onderzoeken gericht op zowel het verminderen van toxiciteit als het verhogen van het activiteitsniveau, in het bijzonder tegen opkomende multiresistente stammen.
Polymyxins exhibit nephrotoxicity at levels close to the therapeutic dose, as well as a number of poorly characterised acute toxicological effects. Het mechanisme van nefrotoxiciteit wordt momenteel onderzocht, maar aangenomen wordt dat het verband houdt met de kationische aard van het molecuul en de accumulatie in de renale proximale tubulaire epitheliale cellen, met opname gemedieerd door de multi-ligand receptor, MegaLine . Cytotoxiciteit is bepaald in de celtypen waarin het geneesmiddel zich ophoopt, bijvoorbeeld humane proximale tubulaire (HK-2) cellen of proximale tubulale epitheliale (PTEC) cellen, en kan mitochondriale schade, of de betrokkenheid van reactieve zuurstof species impliceren.
de afgelopen jaren zijn een aantal benaderingen gevolgd om de toxiciteit te verminderen en de therapeutische index van polymyxinen te verbeteren. Totale synthese van nieuwe polymyxinederivaten, via de synthese van vaste-fase-peptiden, was de belangrijkste route, waardoor manipulatie op elk punt in de polymyxinestructuur mogelijk was. De Semi-synthese die van polymyxin zelf begint is ook uitgebreid gebruikt, die op de capaciteit van diverse enzymen putten om selectief de lipophilic staart en de tripeptideketen bij specifieke posities te splitsen. Selectieve bescherming van de terminale aminogroepen van de DAB-residuen is ook bereikt , waardoor de semi-synthese van een verscheidenheid aan derivaten van het nonapeptide mogelijk is.
Er is gemeld dat verwijdering van de lipofiele staart en aminozuur 1 om polymyxine B nonapeptide (pmbn) (52) te verlaten, leidt tot een significante vermindering van de nefrotoxiciteit en antibacteriële activiteit, terwijl het vermogen van het molecuul om bacteriën te permeabiliseren voor de werking van andere antibiotica behouden blijft. Deze vermindering van de toxiciteit is onlangs bevestigd door in vivo studies bij AstraZeneca , waarin histopathologie opmerkelijke veranderingen aan het licht bracht in de nieren van ratten die met colistine werden behandeld in vergelijking met ratten die met PMBN of vehiculumcontrole werden behandeld.
in een reeks derivaten zonder de vet-acylketen hebben Katsuma en collega ‘ s onderzoek gedaan naar Pseudomonas-specifieke polymyxine-analogen . Vervanging van de vet-acylketen en aminozuur 1 van de polymyxine door alle basisresiduen, zoals de DAB-Dab-Dab-keten (53a), resulteerde in krachtige en selectieve Pseudomonas-activiteit in vitro, maar met verhoogde acute toxiciteit bij de muis. Een klein hydrofiel aminozuur aan de N-terminal (di-aminopropionzuur (Dap), of serine) (53b,c) resulteerde in Pseudomonas activiteit in vitro vergelijkbaar met polymyxine B zelf. Het DAP-analoog (53b) vertoonde 4,9 maal minder acute toxiciteit dan polymyxine B bij de muis. Het effect op niertoxiciteit is in deze reeks niet gemeld.
een benadering van noordelijke antibiotica om de toxiciteit van polymyxinederivaten te verminderen is geweest om het aantal positieve ladingen in het molecuul te verminderen. Hoewel is aangetoond dat de Dab-residuen in het cyclische gedeelte van polymyxine van cruciaal belang zijn voor zowel de LPS-binding als voor de daaropvolgende antibacteriële activiteit , kan de LPS-binding nog steeds plaatsvinden bij analogen zonder amine-residuen in het lineaire gedeelte van het peptide . Dergelijke derivaten kunnen fungeren als permeabilisatoren voor andere antibiotica en sommige hebben activiteit op zich tegen een smaller spectrum van organismen. Voorbeelden hiervan zijn de nonapeptiden NAB-7061 (54a) met aminobutyraat op positie 3, en NAB-739 (54b) met d-serine op positie 3. Beide behouden het vermogen van polymyxine om het buitenmembraan te permeabiliseren en werken synergetisch met andere antibiotica. Zowel NAB-7061 als NAB-739 vertoonden lagere affiniteiten (CA. een vijfde lager) voor het membraan van de borstelrand van de nierschors dan polymyxine, zoals aangetoond in een radioactief gelabelde gentamicine-verplaatsingstest. NAB-739 vertoonde een lagere cytotoxiciteit in een hk-2-cellijn met IC50-waarden die ongeveer 26 maal lager zijn dan polymyxine B. NAB-739 toonde ook antibacteriële activiteit aan, zowel in vitro als in vivo. Hoewel in vitro profilering een goede activiteit vertoonde tegen E. coli en Klebsiella, was de activiteit verminderd in vergelijking met polymyxine tegen Pseudomonas-soorten. NAB-739 heeft de werkzaamheid aangetoond in een E. coli-infectiemodel , maar tot op heden zijn er geen meldingen van in vivo toxiciteitsstudies.
Cubist Pharmaceuticals hebben gerapporteerd over de vermindering van toxiciteit door de vervanging van de lipofiele staart van polymyxine door een arylureum in verbinding CB-182.804 (55). Tot nu toe is dit de enige van de nieuwe generatie polymyxinen die doorloopt naar Fase I-studies, na het aantonen van verminderde nefrotoxiciteit bij cynomolgousapen .
Pfizer meldde onlangs de synthese van een verscheidenheid aan polymyxinederivaten waarbij de Dab-3 van het lineaire gedeelte van de aminozuurketen werd vervangen door di-aminopropionzuur Dap , dat de antibacteriële activiteit zou versterken. Een verscheidenheid aan biaryl terminale groepen werd onderzocht met de conclusie dat verbindingen met meer polaire zijketens, zoals gemeten door ClogD, minder cytotoxisch waren tegen de hrptec niercellijn, maar een algemene neiging hadden tot verminderde antibacteriële potentie. Eén specifieke Pfizer-verbinding, 5x (56) waarbij de lipofiele staart van polymyxine werd vervangen door een polaire n-fenyl pyridongroep, vertoonde echter een aanzienlijk verminderde in vitro toxiciteit in vergelijking met polymyxine met behoud van activiteit. Verbinding 5x werd in vivo onderzocht op nefrotoxisch potentieel in vergelijking met polymyxine B bij ratten in een 7-daagse studie. Bij een blootstellingsniveau waarbij polymyxine B bij elk dier necrotische nierlaesies veroorzaakte (zij het minimaal) (56), vertoonden geen incidentie van necrotische nierlaesies. Bij de hond werd echter gemeld dat er geen significante veiligheidsmarge van (56) ten opzichte van polymyxine B. inzicht in het verband tussen in vitro toxiciteit en de in vivo situatie bij polymyxinen nog steeds een hindernis is die moet worden overwonnen.
Cantab anti-infectives heeft gemeld dat polymyxine-nonapeptidederivaten waarbij de acylketen een polaire functionaliteit bevat, in vitro en in vivo verminderde toxiciteit vertonen met behoud van in vivo werkzaamheid . Bijvoorbeeld, verbinding (57) werd vergeleken met polymyxine B in een E. coli muis dij model van infectie. Een totale dosis van 10 mg / kg (i.v., b.i.d.) van (57) gaf een 4 log10-vermindering van de bacteriële belasting in vergelijking met de niet-behandelde controle, terwijl dezelfde dosis polymyxine de bacteriële belasting met 4,8 log10 verminderde. Vergelijkbare resultaten werden verkregen in een Klebsiella pneumoniae-infectiemodel, waarbij (57) een vergelijkbare vermindering van de bacteriële belasting (2,3 log10-reductie) gaf als colistine bij 10 mg/kg. In vitro was (57) zes maal minder cytotoxisch dan polymyxine zoals gemeten door IC50 tegen de HK-2-cellijn. In vivo, in een rat model van nefrotoxiciteit, (57) gaf een significant lagere niveaus van urinaire biomarkers van nierbeschadiging (N-acetyl-beta-d-glucosaminidase, albumine en cystatine C) in vergelijking met colistine op hetzelfde dosisniveau.
een andere benadering werd gevolgd door de groep aan de Monash University, die modificaties hebben onderzocht die activiteit tegen resistente stammen vertonen . Polymyxinen met verhoogde lipofiliciteit bij aminozuren 6 en 7 van de kern en een lipofiele keten, bijvoorbeeld FADDI-02 (58a) en FADD1-03 (58b) vertonen een verbeterde activiteit tegen resistente stammen van Pseudomonas aeruginosa en Acinetobacter baumanii in vergelijking met polymyxine B. In vitro toxiciteit wordt niet gemeld; de verbindingen zijn echter geëvalueerd in een in vivo model van nefrotoxiciteit. Histologisch onderzoek toonde geen laesies aan bij deze met FADDI-03 behandelde ratten in vergelijking met positieve tekenen van nierbeschadiging bij de met polymyxine B behandelde dieren. Deze lagere toxiciteit is toegeschreven aan de hoge serumbinding van het molecuul, waardoor accumulatie in de nieren wordt voorkomen.