8 Polymyxins
Polymyxins są klasą kationowych cyklicznych dekapeptydów charakteryzujących się obecnością pięciu dodatnio naładowanych reszt aminowych z kwasu di-amino masłowego (Dab) i lipofilowego ogona, jak pokazano w strukturze polimyksyny B1 (50). Wykazują silną aktywność przeciwko bakteriom Gram-ujemnym i po raz pierwszy zostały użyte klinicznie w latach 50., ale stosowanie było ograniczone doniesieniami o toksyczności, szczególnie nefrotoksyczności. Jednak w ciągu ostatniej dekady, wraz ze wzrostem częstości występowania multi – lekoopornych bakterii Gram-ujemnych, nastąpił odrodzenie w stosowaniu polimyksyn jako leków ostateczności .
istnieje wiele wad obecnej terapii polimyksyny. Najczęstszym preparatem do stosowania klinicznego jest prolek polimyksyny E (kolistyna) (51) znanej jako CMS (Metanosulfonian kolistyny), który został opracowany w 1960 roku jako mniej toksyczna forma dawkowania. Jednak jako prolek z pięcioma sulfonylowanymi grupami aminowymi farmakokinetyka jest skomplikowana i nie jest dobrze poznana. Polimyksyna B jest podawana jako sól siarczanowa w powolnym wlewie w celu przezwyciężenia ostrych efektów toksykologicznych, ale obawy dotyczące nefrotoksyczności prowadzą do nieoptymalnego dawkowania. Polimyksyna” drugiej generacji ” o ulepszonym indeksie terapeutycznym i schemacie dawkowania opracowanym przy użyciu nowoczesnej metodologii PK-PD byłaby korzystnym dodatkiem do zbrojowni przeciwko wielolekoopornym infekcjom Gram–ujemnym.
sposób działania polimyksyn nie jest w pełni poznany. Polimyksyny wiążą się i zakłócają Ujemnie naładowany lipopolisacharyd (LPS) zewnętrznej błony bakterii Gram-ujemnych, umożliwiając przejście polimyksyny (i innych leków) do przestrzeni peryplazmicznej. Chociaż polimyksyny są kationowymi cząsteczkami amfifilowymi, wiązanie i rozpoznawanie z błoną zewnętrzną jest specyficzne. Delecja łańcucha tłuszczowo-acylowego i aminokwasu 1 prowadzi do nonapeptydu polimyksyny B (PMBN, (52)), który chociaż znacznie mniej aktywny niż polimyksyna B, zachowuje zdolność do przenikania zewnętrznej błony bakterii Gram-ujemnych. Enancjomer PMBN nie jest jednak permeabilizatorem . Opracowano model wiązania polimyksyny z silnie zachowanym hydrofobowym lipidem a LPS, oparty na badaniach NMR polimyksyny w kompleksie z LPS. W tym modelu dodatnio naładowane aminy oddziałują z fosforanami LPS, podczas gdy lipofilowy ogon i lipofilowy aminokwas 6-7 regionu rdzenia oddziałują z lipidowym ogonem LPS. Wykazano, że niektóre pochodne polimyksyny bez znaczącej aktywności przeciwbakteryjnej wiążą się z LPS i przenikają bakterie do działania innych antybiotyków .
w 2010 r.dokonano kompleksowego przeglądu zależności struktura–aktywność polimyksyn i od tego czasu nastąpił dalszy rozwój chemii medycznej i badań przedklinicznych ukierunkowanych zarówno na zmniejszenie toksyczności, jak i zwiększenie poziomu aktywności, szczególnie wobec pojawiających się szczepów wielolekoopornych.
Polymyxins exhibit nephrotoxicity at levels close to the therapeutic dose, as well as a number of poorly characterised acute toxicological effects. Mechanizm nefrotoksyczności jest obecnie badany, jednak uważa się, że jest on związany z kationowym charakterem cząsteczki i akumulacją w komórkach nabłonka bliższych kanalików nerkowych, z wychwytem pośredniczonym przez wieloligandowy receptor, megalinę . Cytotoksyczność została określona w typach komórek, w których gromadzi się lek, na przykład w ludzkich komórkach kanalików proksymalnych nerki (HK-2) lub w komórkach nabłonka kanalików proksymalnych (ptec) i może obejmować uszkodzenie mitochondriów lub udział reaktywnych form tlenu.
w ostatnich latach podjęto szereg podejść w celu zmniejszenia toksyczności i poprawy wskaźnika terapeutycznego polimyksyn. Całkowita synteza nowych pochodnych polimyksyny, poprzez syntezę peptydów w fazie stałej, była główną drogą, umożliwiając manipulację w dowolnym punkcie struktury polimyksyny. Semi-synteza począwszy od samej polimyksyny również została szeroko wykorzystana, czerpiąc ze zdolności różnych enzymów do selektywnego rozszczepiania lipofilowego ogona i łańcucha tripeptydowego w określonych pozycjach. Uzyskano również selektywną ochronę końcowych grup aminowych reszt Dab, umożliwiając pół-syntezę różnych pochodnych nonapeptydu.
donoszono, że usunięcie lipofilowego ogona i aminokwasu 1 w celu opuszczenia nonapeptydu polimyksyny B (PMBN) (52) prowadzi do znacznego zmniejszenia nefrotoksyczności i aktywności przeciwbakteryjnej przy jednoczesnym zachowaniu zdolności cząsteczki do przenikania bakterii do działania innych antybiotyków. To zmniejszenie toksyczności zostało niedawno potwierdzone w badaniach in vivo w AstraZeneca, w których histopatologia wykazała istotne zmiany w nerkach szczurów leczonych kolistyną w porównaniu z tymi, które były leczone PMBN lub grupą kontrolną nośnika.
w serii pochodnych pozbawionych łańcucha tłuszczowo-acylowego, Katsuma i współpracownicy badali specyficzne dla Pseudomonas analogi polimyksyny . Zastąpienie łańcucha tłuszczowo-acylowego i aminokwasu 1 polimyksyny wszystkimi zasadowymi pozostałościami, takimi jak łańcuch Dab-Dab-Dab (53a), spowodowało silną i selektywną aktywność Pseudomonas in vitro, ale ze zwiększoną toksycznością ostrą u myszy. Mały aminokwas hydrofilowy na N-końcu (kwas di-amino propionowy (dap) lub seryna) (53b,c) powodował aktywność Pseudomonas in vitro porównywalną z samą polimyksyną B. Analog Dap (53b) wykazywał 4,9-krotnie mniejszą toksyczność ostrą niż polimyksyna B u myszy. W tej serii nie zgłaszano wpływu na toksyczność nerek.
podejście podjęte przez Północne antybiotyki do zmniejszenia toksyczności pochodnych polimyksyny polegało na zmniejszeniu liczby dodatnich ładunków w cząsteczce. Chociaż wykazano , że pozostałości Dab w cyklicznej części polimyksyny mają kluczowe znaczenie zarówno dla wiązania LPS, jak i dla późniejszej aktywności przeciwbakteryjnej, wiązanie z LPS może nadal odbywać się w analogach pozbawionych reszt aminowych w liniowej części peptydu . Takie pochodne mogą działać jako czynniki przenikające do innych antybiotyków, a niektóre same w sobie działają przeciwko węższemu spektrum organizmów. Przykłady obejmują nonapeptydy NAB-7061 (54A) z aminomaślanem w pozycji 3 i NAB-739 (54B) z D-seryną w pozycji 3. Oba zachowują zdolność polimyksyny do przenikania błony zewnętrznej i działają synergistycznie z innymi antybiotykami. Zarówno NAB-7061, jak i NAB-739 wykazywały niższe powinowactwa (ok. jedna piąta niższa) dla błony brusznicy kory nerkowej niż polimyksyna, co wykazano w znakowanym radioizotopem teście wypierania gentamycyny. NAB-739 wykazał mniejszą cytotoksyczność w linii komórkowej HK-2 z wartościami IC50 około 26 razy mniej niż polimyksyna B. NAB-739 wykazywał również działanie przeciwbakteryjne zarówno in vitro, jak i In vivo. Podczas gdy profilowanie in vitro wykazało dobrą aktywność przeciwko E. coli i Klebsiella, aktywność była zmniejszona w porównaniu do polimyksyny przeciwko gatunkom Pseudomonas. NAB-739 wykazał skuteczność w modelu zakażenia E. coli, jednak do tej pory nie zgłoszono badań toksyczności in vivo.
firma Cubist Pharmaceuticals poinformowała o zmniejszeniu toksyczności poprzez zastąpienie lipofilowego ogona polimyksyny arylomocznikiem w związku CB-182,804 (55). Jak dotąd jest to jedyna nowa generacja polimyksyn, która przeszła do badań fazy I, po wykazaniu zmniejszonej nefrotoksyczności u małp cynomolgotycznych .
Pfizer niedawno poinformował o syntezie różnych pochodnych polimyksyny , w których Dab-3 liniowej części łańcucha aminokwasowego został zastąpiony dap kwasu di-amino propionowego, który został zgłoszony w celu zwiększenia aktywności przeciwbakteryjnej. Różne biarylowe grupy końcowe badano z wnioskiem, że związki o bardziej polarnych łańcuchach bocznych, mierzonych metodą ClogD, były mniej cytotoksyczne wobec linii komórek nerki hRPTEC, ale miały ogólną tendencję do zmniejszania działania przeciwbakteryjnego. Jednak jeden szczególny związek Pfizera, 5x (56), w którym lipofilowy ogon polimyksyny został zastąpiony polarnym ugrupowaniem N-fenylo-pirydonowym, wykazywał znacznie zmniejszoną toksyczność in vitro w porównaniu do polimyksyny, zachowując jednocześnie aktywność. Związek 5x badano in vivo pod kątem potencjału nefrotoksycznego w porównaniu do polimyksyny B u szczurów w 7-dniowym badaniu. Na poziomie narażenia, w którym polimyksyna B powodowała martwicze zmiany w nerkach u każdego zwierzęcia (aczkolwiek minimalne) (56), nie stwierdzono występowania martwiczych zmian w nerkach. Jednak u psów nie stwierdzono istotnego marginesu bezpieczeństwa (56) w stosunku do polimyksyny B. zrozumienie związku toksyczności in vitro z sytuacją in vivo w polimyksynie jest nadal przeszkodą do pokonania.
cantab anty-infectives donosi, że pochodne nonapeptydowe polimyksyny, w których łańcuch acylowy zawiera funkcję polarną, wykazują zmniejszoną toksyczność in vitro i In vivo, zachowując skuteczność in vivo . Na przykład związek (57) porównano z polimyksyną B w mysim modelu zakażenia uda E. coli. Całkowita dawka 10 mg/kg mc. (IV., 2.I.d.) (57) dawała zmniejszenie obciążenia bakteryjnego o 4 log10 w porównaniu do nieleczonej grupy kontrolnej, podczas gdy ta sama dawka polimyksyny zmniejszała obciążenie bakteryjne o 4, 8 log10. Podobne wyniki uzyskano w modelu zakażenia Klebsiella pneumoniae, w którym (57) uzyskano podobne zmniejszenie obciążenia bakteryjnego (zmniejszenie o 2,3 log10) w stosunku do kolistyny w dawce 10 mg / kg. In vitro, (57) był sześciokrotnie mniej cytotoksyczny niż polimyksyna, co oznaczono IC50 względem linii komórkowej HK-2. In vivo, w modelu nefrotoksyczności u szczurów, (57) dawało znacząco niższy poziom biomarkerów uszkodzenia nerek w moczu (N-acetylo-beta-D-glukozaminidaza, albumina i Cystatyna C) w porównaniu z kolistyną przy tej samej dawce.
inne podejście zostało przyjęte przez grupę z Monash University, która badała modyfikacje wykazujące aktywność przeciwko szczepom opornym . Polimyksyny o zwiększonej lipofilności w aminokwasach 6 i 7 rdzenia oraz łańcuch lipofilowy, np. FADDI-02 (58A) i FADD1-03 (58b) wykazują lepszą aktywność wobec opornych szczepów Pseudomonas aeruginosa i Acinetobacter baumanii w porównaniu z polimyksyną B. toksyczność in vitro nie jest zgłaszana; jednakże związki te zostały ocenione w modelu nefrotoksyczności in vivo. Badanie histologiczne nie wykazało zmian u szczurów leczonych FADDI – 03 w porównaniu z dodatnimi objawami uszkodzenia nerek u zwierząt leczonych polimyksyną B. Tę niższą toksyczność przypisuje się wysokiemu wiązaniu cząsteczki w surowicy, zapobiegając jej gromadzeniu się w nerkach.