8 polymyxiner

polymyxiner är en klass av katjoniska cykliska dekapeptider som kännetecknas av närvaron av fem positivt laddade aminrester, från di-amino smörsyra (Dab) och en lipofil svans, som visas i strukturen av polymyxin B1 (50). De visar potent aktivitet mot gramnegativa bakterier och användes först kliniskt på 1950-talet, men användningen begränsades av rapporter om toxicitet, särskilt nefrotoxicitet. Men under det senaste decenniet, med den ökande förekomsten av multi-läkemedelsresistenta gramnegativa bakterier, har det skett en återuppkomst i användningen av polymyxiner som läkemedel av sista utväg .

det finns många nackdelar med den nuvarande polymyxinterapin. Den vanligaste beredningen i klinisk användning är prodrugen av Polymyxin E (Colistin) (51) känd som CMS (Colistinmetansulfonat), som utvecklades på 1960-talet som en mindre giftig doseringsform. Men som ett prodrug med fem sulfonylerade aminogrupper är farmakokinetiken komplicerad och inte väl förstådd. Polymyxin B doseras som sulfatsaltet genom långsam infusion för att övervinna akuta toxikologiska effekter, men oro för nefrotoxicitet leder till suboptimal dosering. Ett” andra generationens ” polymyxin med ett förbättrat terapeutiskt index och en doseringsregim utvecklad med modern PK–PD-metodik skulle vara ett fördelaktigt tillskott till rustningen mot Multi-läkemedelsresistenta gramnegativa infektioner.

verkningsmekanismen för polymyxiner är inte fullständigt förstådd. Polymyxiner binder till och stör den negativt laddade lipopolysackariden (LPS) av det yttre membranet av gramnegativa bakterier, vilket möjliggör passage av polymyxin (och andra läkemedel) i det periplasmiska utrymmet. Även om polymyxinerna är katjoniska amfifila molekyler är bindningen och igenkänningen till det yttre membranet specifikt. Deletion av fettacylkedjan och aminosyran 1 leder till polymyxin B-nonapeptid (PMBN, (52)), som även om den är betydligt mindre aktiv än polymyxin B, behåller förmågan att permeabilisera det yttre membranet hos gramnegativa bakterier. Enantiomeren av PMBN är emellertid inte en permeabiliserare . En modell av polymyxinbindning till den mycket konserverade hydrofoba lipiden a av LPS har tagits fram , baserat på NMR-studier av polymyxin i komplex med LPS. I denna modell interagerar de positivt laddade aminerna med fosfaterna av LPS, medan den lipofila svansen och den lipofila aminosyran 6-7-regionen i kärnan interagerar med lipidsvansen hos LPS. Vissa polymyxinderivat utan signifikant antibakteriell aktivitet har visat sig binda till LPS och permeabilisera bakterierna till verkan av andra antibiotika .

strukturaktivitetsförhållandena för polymyxinerna granskades omfattande 2010 och sedan det datumet har det skett Ytterligare utveckling inom läkemedelskemi och prekliniska undersökningar riktade mot både minskning av toxiciteten och ökning av aktivitetsnivån, särskilt mot framväxande Multi–läkemedelsresistenta stammar.

Polymyxins exhibit nephrotoxicity at levels close to the therapeutic dose, as well as a number of poorly characterised acute toxicological effects. Mekanismen för nefrotoxicitet undersöks för närvarande, men det antas vara relaterat till molekylens katjoniska natur och ackumulering i de proximala tubulära epitelcellerna i njurarna, med upptag medierad av multi-ligandreceptorn, megalin . Cytotoxicitet har bestämts i de celltyper där läkemedlet ackumuleras, till exempel humana njurproximala tubulära (HK-2) celler eller proximala tubuli epitel (PTEC) celler, och kan innebära mitokondriell skada eller involvering av reaktiva syrearter.

under de senaste åren har ett antal tillvägagångssätt vidtagits för att minska toxiciteten och förbättra det terapeutiska indexet för polymyxiner. Total syntes av nya polymyxinderivat, via peptidsyntes i fast fas, har varit huvudvägen, vilket möjliggör manipulation vid vilken punkt som helst i polymyxinstrukturen. Halvsyntes som börjar från polymyxin själv har också använts i stor utsträckning, med hjälp av förmågan hos olika enzymer att selektivt klyva den lipofila svansen och tripeptidkedjan vid specifika positioner. Selektivt skydd av de terminala aminogrupperna i Dab-resterna har också uppnåtts, vilket möjliggör halvsyntes av en mängd olika derivat av nonapeptiden.

det har rapporterats att avlägsnande av lipofil svans och aminosyra 1 för att lämna polymyxin B nonapeptid (PMBN) (52) leder till en signifikant minskning av nefrotoxicitet och antibakteriell aktivitet samtidigt som molekylens förmåga att permeabilisera bakterier bibehålls mot verkan av andra antibiotika. Denna minskning av toxiciteten har nyligen bekräftats av in vivo-studier vid AstraZeneca , där histopatologi avslöjade märkbara förändringar i njurarna hos råttor behandlade med kolistin jämfört med de som behandlades med PMBN eller vehikelkontroll.

i en serie derivat som saknar fettacylkedjan har Katsuma och medarbetare undersökt Pseudomonas-specifika polymyxinanaloger . Ersättning av fettacylkedjan och aminosyran 1 i polymyxin med alla basiska rester, såsom Dab-Dab-Dab-kedjan (53a), resulterade i potent och selektiv Pseudomonas-aktivitet in vitro, men med ökad akut toxicitet hos musen. En liten hydrofil aminosyra vid N-terminalen (di-amino propionsyra (Dap) eller serin) (53b, C) resulterade i Pseudomonas aktivitet in vitro jämförbar med polymyxin B själv. DAP-analogen (53b) visade 4, 9 gånger mindre akut toxicitet än polymyxin B i musen. Effekten på njurtoxicitet har inte rapporterats i denna serie.ett tillvägagångssätt som Norra antibiotika tagit för att minska toxiciteten hos polymyxinderivat har varit att minska antalet positiva laddningar i molekylen. Även om dab-resterna i den cykliska delen av polymyxin har visat sig vara avgörande för både LPS-bindning och för efterföljande antibakteriell aktivitet , kan bindning till LPS fortfarande ske i analoger som saknar aminrester i den linjära delen av peptiden . Sådana derivat kan fungera som permeabilisatorer mot andra antibiotika och vissa har aktivitet i sig mot ett smalare spektrum av organismer. Exempel inkluderar nonapeptiderna NAB-7061 (54a) med aminobutyrat vid position 3 och NAB-739 (54b) med d-serin vid position 3. Båda behåller polymyxins förmåga att permeabilisera det yttre membranet och verkar synergistiskt med andra antibiotika. Både NAB – 7061 och NAB-739 visade lägre affiniteter (ca. en femtedel lägre) för borstkanalmembranet i njurbarken än polymyxin, vilket visas i en radiomärkt gentamicinförskjutningsanalys. NAB-739 visade lägre cytotoxicitet i en HK-2-cellinje med IC50-värden ungefär 26 gånger mindre än polymyxin B. NAB-739 visade också antibakteriell aktivitet både in vitro och in vivo. Medan in vitro-profilering visade god aktivitet mot E. coli och Klebsiella, minskade aktiviteten jämfört med polymyxin mot Pseudomonas-arter. NAB-739 har visat effekt i en E. coli-infektionsmodell, men hittills har det inte rapporterats om toxicitetsstudier in vivo.Cubist Pharmaceuticals har rapporterat om minskningen av toxiciteten genom att ersätta den lipofila svansen av polymyxin med en arylurea i förening CB-182,804 (55). Hittills är detta den enda av den nya generationen polymyxiner som går vidare till fas i-studier, efter att ha visat minskad nefrotoxicitet hos cynomolgösa apor .

Pfizer rapporterade nyligen syntesen av en mängd polymyxinderivat där Dab-3 av den linjära delen av aminosyrakedjan ersattes med di-amino propionsyra Dap , vilket rapporterades förbättra den antibakteriella aktiviteten. En mängd biarylterminalgrupper undersöktes med slutsatsen att föreningar med mer polära sidokedjor, mätt med ClogD, var mindre cytotoxiska mot hrptec-njurcellslinjen, men hade en allmän tendens till minskad antibakteriell potens. En särskild Pfizer-förening, 5x (56) där polymyxins lipofila svans ersattes av en polär n-fenylpyridondel, visade emellertid signifikant minskad toxicitet in vitro jämfört med polymyxin samtidigt som aktiviteten bibehölls. Förening 5x undersöktes in vivo för nefrotoxisk potential jämfört med polymyxin B hos råtta i en 7-dagars studie. Vid en exponeringsnivå där polymyxin B producerade nekrotiska njurskador hos varje djur (om än minimal) (56) visade ingen förekomst av nekrotiska njurskador. Hos hunden rapporterades dock ingen signifikant säkerhetsmarginal på (56) över polymyxin B. Att förstå förhållandet mellan in vitro-toxicitet och in vivo-situationen i polymyxiner är fortfarande ett hinder att övervinna.

Cantab anti-infectives har rapporterat att polymyxin nonapeptidderivat i vilka acylkedjan innehåller en polär funktionalitet visar minskad toxicitet in vitro och in vivo samtidigt som effekten in vivo bibehålls . Till exempel jämfördes förening (57) med polymyxin B i en E. coli-muslårmodell av infektion. En total dos på 10 mg / kg (IV, B.i. d.) av (57) gav en 4 log10 minskning av bakteriebelastningen jämfört med icke-behandlad kontroll, medan samma dos polymyxin minskade bakteriebelastningen med 4,8 log10. Liknande resultat erhölls i en Klebsiella pneumoniae-infektionsmodell, där (57) gav en liknande minskning av bakteriebelastningen (2, 3 log10-reduktion) till kolistin vid 10 mg/kg. In vitro var (57) sexfaldigt mindre cytotoxiskt än polymyxin mätt med IC50 mot HK-2-cellinjen. In vivo, i en råttmodell av nefrotoxicitet, (57) gav signifikant lägre nivåer av urinbiomarkörer av njurskada (N-acetyl-beta-D-glukosaminidas, albumin och cystatin C) jämfört med kolistin vid samma dosnivå.

ett annat tillvägagångssätt har tagits av gruppen vid Monash University, som har undersökt modifieringar som visar aktivitet mot resistenta stammar . Polymyxiner med ökad lipofilicitet vid aminosyrorna 6 och 7 i kärnan och en lipofil kedja, t.ex. FADDI-02 (58A) och FADD1-03 (58b) visar förbättrad aktivitet mot resistenta stammar av Pseudomonas aeruginosa och Acinetobacter baumanii jämfört med polymyxin B. toxicitet in vitro rapporteras inte; Emellertid har föreningarna utvärderats i en in vivo-modell av nefrotoxicitet. Histologisk undersökning visade inga lesioner hos dessa faddi-03-behandlade råttor jämfört med positiva tecken på njurskada hos de polymyxin B-behandlade djuren. Denna lägre toxicitet har tillskrivits molekylens höga serumbindning, vilket förhindrar ackumulering i njurarna.