8 Polymyxiny

Polymyxiny jsou třída kationických cyklických dekapeptidů charakterizovaných přítomností pěti kladně nabitých aminových zbytků z kyseliny di-amino máselné (Dab) a lipofilního ocasu, jak ukazuje struktura polymyxinu B1 (50). Vykazují silnou aktivitu proti gramnegativním bakteriím a poprvé byly klinicky použity v 50. letech 20. století, ale jejich použití bylo omezeno zprávami o toxicitě, zejména nefrotoxicitě. V posledním desetiletí však s rostoucí prevalencí multirezistentních gramnegativních bakterií došlo k obnovení používání polymyxinů jako léků poslední instance .

Současná léčba polymyxiny má mnoho nevýhod. Nejčastěji používaným přípravkem v klinické praxi je proléčivo polymyxinu E (kolistinu) (51) známé jako CMS (kolistin metan sulfonát), které bylo vyvinuto v 60. letech 20. století jako méně toxická dávkovací forma. Jelikož se však jedná o proléčivo s pěti sulfonylovanými aminoskupinami, je jeho farmakokinetika komplikovaná a není dobře známa. Polymyxin B se dávkuje jako sulfátová sůl pomalou infuzí, aby se překonaly akutní toxikologické účinky, ale obavy z nefrotoxicity vedou k suboptimálnímu dávkování. Polymyxin „druhé generace“ s lepším terapeutickým indexem a dávkovacím režimem vyvinutým podle moderní metodiky PK-PD by byl výhodným doplňkem výzbroje proti multirezistentním gramnegativním infekcím.

Způsob účinku polymyxinů není zcela objasněn. Polymyxiny se vážou na negativně nabitý lipopolysacharid (LPS) vnější membrány gramnegativních bakterií a narušují jej, což umožňuje průnik polymyxinu (a dalších léčiv) do periplazmatického prostoru. Ačkoli jsou polymyxiny kationické amfifilní molekuly, jejich vazba a rozpoznání na vnější membránu je specifické. Delecí mastného acylřetězce a aminokyseliny 1 vzniká polymyxin B nonapeptid (PMBN, (52)), který je sice podstatně méně aktivní než polymyxin B, ale zachovává si schopnost permeabilizovat vnější membránu gramnegativních bakterií. Enantiomer PMBN však není permeabilizátorem . Na základě NMR studií polymyxinu v komplexu s LPS byl navržen model vazby polymyxinu na vysoce konzervovaný hydrofobní lipid A LPS . V tomto modelu kladně nabité aminy interagují s fosfáty LPS, zatímco lipofilní ocas a lipofilní oblast aminokyselin 6-7 jádra interagují s lipidovým ocasem LPS. Bylo prokázáno, že některé deriváty polymyxinu bez významné antibakteriální aktivity se vážou na LPS a propouštějí bakterie pro působení jiných antibiotik .

Vztahy mezi strukturou a aktivitou polymyxinů byly komplexně přezkoumány v roce 2010 a od té doby došlo k dalšímu vývoji v oblasti medicinální chemie a preklinických studií zaměřených jak na snížení toxicity, tak na zvýšení úrovně aktivity, zejména proti nově se objevujícím multirezistentním kmenům.

Polymyxiny vykazují nefrotoxicitu při hladinách blízkých terapeutické dávce, stejně jako řadu nedostatečně charakterizovaných akutních toxikologických účinků. Mechanismus nefrotoxicity je v současné době zkoumán , nicméně se předpokládá, že souvisí s kationtovou povahou molekuly a akumulací v buňkách renálního proximálního tubulárního epitelu, přičemž vychytávání je zprostředkováno multiligandovým receptorem, megalinem . Cytotoxicita byla stanovena v typech buněk, v nichž se léčivo hromadí, například v buňkách proximálního tubulu ledvin u člověka (HK-2) nebo v buňkách epitelu proximálního tubulu (PTEC), a může zahrnovat poškození mitochondrií nebo zapojení reaktivních forem kyslíku.

V posledních letech byla podniknuta řada kroků ke snížení toxicity a zlepšení terapeutického indexu polymyxinů. Hlavní cestou byla totální syntéza nových derivátů polymyxinu prostřednictvím syntézy peptidů na pevné fázi, která umožňuje manipulaci v jakémkoli bodě struktury polymyxinu. Polosyntéza vycházející ze samotného polymyxinu byla rovněž hojně využívána, přičemž se využívala schopnost různých enzymů selektivně štěpit lipofilní ocas a tripeptidový řetězec ve specifických polohách. Bylo také dosaženo selektivní ochrany koncových aminoskupin zbytků Dab , což umožňuje polosyntézu různých derivátů nonapeptidu.

Bylo zjištěno, že odstranění lipofilního ocasu a aminokyseliny 1 za vzniku nonapeptidu polymyxinu B (PMBN) (52) vede k významnému snížení nefrotoxicity a antibakteriální aktivity při zachování schopnosti molekuly prostupovat bakterie působením jiných antibiotik. Toto snížení toxicity bylo nedávno potvrzeno studiemi in vivo ve společnosti AstraZeneca , v nichž histopatologie odhalila pozoruhodné změny v ledvinách potkanů léčených kolistinem ve srovnání s potkany léčenými PMBN nebo kontrolním vehikulem.

V sérii derivátů postrádajících mastný acyl řetězec zkoumali Katsuma a spol. polymyxinové analogy specifické pro Pseudomonas . Nahrazení mastno-acylového řetězce a aminokyseliny 1 polymyxinu všemi základními zbytky, jako je řetězec Dab-Dab-Dab (53a), vedlo k silné a selektivní aktivitě vůči Pseudomonas in vitro, ale se zvýšenou akutní toxicitou u myší. Malá hydrofilní aminokyselina na N-konci (di-amino-propionová kyselina (Dap) nebo serin) (53b,c) vedla k aktivitě vůči Pseudomonas in vitro srovnatelné se samotným polymyxinem B. Analog Dap (53b) vykazoval 4,9krát nižší akutní toxicitu než polymyxin B u myší. Vliv na toxicitu pro ledviny nebyl v této sérii zaznamenán.

Přístupem společnosti Northern Antibiotics ke snížení toxicity derivátů polymyxinu bylo snížení počtu kladných nábojů v molekule. Ačkoli se ukázalo, že Dab zbytky v cyklické části polymyxinu jsou rozhodující jak pro vazbu na LPS, tak pro následnou antibakteriální aktivitu , vazba na LPS může stále probíhat u analogů, u nichž chybí aminové zbytky v lineární části peptidu. Takové deriváty mohou působit jako permeabilizátory jiných antibiotik a některé mají samy o sobě aktivitu proti užšímu spektru organismů. Příkladem mohou být nonapeptidy NAB-7061 (54a) s aminobutyrátem v poloze 3 a NAB-739 (54b) s d-serinem v poloze 3. Oba si zachovávají schopnost polymyxinu permeabilizovat vnější membránu a působí synergicky s jinými antibiotiky. Jak NAB-7061, tak NAB-739 vykazovaly nižší afinitu (přibližně o pětinu nižší) ke kartáčové membráně kůry ledvin než polymyxin, jak bylo prokázáno v testu vytěsnění gentamicinu značeného radioaktivním zářením. NAB-739 prokázal nižší cytotoxicitu u buněčné linie HK-2 s hodnotami IC50 přibližně 26krát nižšími než polymyxin B. NAB-739 rovněž prokázal antibakteriální aktivitu in vitro i in vivo. Zatímco in vitro profilování ukázalo dobrou aktivitu proti E. coli a Klebsiella, proti druhům Pseudomonas byla aktivita ve srovnání s polymyxinem snížená. NAB-739 prokázal účinnost na modelu infekce E. coli , avšak doposud neexistují žádné zprávy o studiích toxicity in vivo.

Cubist Pharmaceuticals informovala o snížení toxicity nahrazením lipofilního ocasu polymyxinu arylmočovinou ve sloučenině CB-182,804 (55). Zatím je to jediný z nové generace polymyxinů, který postoupil do fáze I zkoušek poté, co prokázal sníženou nefrotoxicitu u opic rodu cynomolgous .

Pfizer nedávno oznámil syntézu různých derivátů polymyxinu, u nichž byl Dab-3 lineární části řetězce aminokyselin nahrazen di-amino-propionovou kyselinou Dap , což údajně zvyšuje antibakteriální aktivitu. Byla zkoumána řada biarylových koncových skupin se závěrem, že sloučeniny s polárnějšími postranními řetězci, měřeno pomocí ClogD, byly méně cytotoxické vůči buněčné linii ledvin hRPTEC, ale měly obecnou tendenci ke snížené antibakteriální účinnosti. Jedna konkrétní sloučenina společnosti Pfizer, 5x (56), kde byl lipofilní ocas polymyxinu nahrazen polární N-fenylpyridonovou částí, však vykazovala výrazně sníženou in vitro toxicitu ve srovnání s polymyxinem při zachování aktivity. Sloučenina 5x byla zkoumána in vivo na nefrotoxický potenciál ve srovnání s polymyxinem B u potkanů v sedmidenní studii. Při úrovni expozice, kdy polymyxin B vyvolal nekrotické léze ledvin u každého zvířete (i když minimální) (56), nevykazovala žádný výskyt nekrotických lézí ledvin. U psa však nebylo hlášeno žádné významné bezpečnostní rozpětí (56) oproti polymyxinu B. Pochopení vztahu toxicity in vitro a situace in vivo u polymyxinů je stále překážkou, kterou je třeba překonat.

Cantab anti-infectives oznámil, že polymyxinové nonapeptidové deriváty, u nichž acylový řetězec obsahuje polární funkci, vykazují sníženou toxicitu in vitro a in vivo při zachování účinnosti in vivo . Například sloučenina (57) byla porovnávána s polymyxinem B na modelu infekce myšího stehna E. coli. Celková dávka 10 mg/kg (i.v., b.i.d.) (57) vedla ke snížení bakteriální zátěže o 4 log10 ve srovnání s neošetřenou kontrolou, zatímco stejná dávka polymyxinu snížila bakteriální zátěž o 4,8 log10. Podobné výsledky byly získány v modelu infekce Klebsiella pneumoniae, kde (57) poskytl podobné snížení bakteriální zátěže (snížení o 2,3 log10) jako kolistin v dávce 10 mg/kg. In vitro byl (57) šestkrát méně cytotoxický než polymyxin, měřeno podle IC50 proti buněčné linii HK-2. In vivo, v modelu nefrotoxicity na potkanech, poskytoval (57) významně nižší hladiny močových biomarkerů poškození ledvin (N-acetyl-beta-d-glukosaminidasa, albumin a cystatin C) ve srovnání s kolistinem při stejné úrovni dávky.

Jiný přístup zvolila skupina na Monash University, která zkoumala modifikace, které vykazují aktivitu proti rezistentním kmenům . Polymyxiny se zvýšenou lipofilitou na aminokyselinách 6 a 7 jádra a lipofilním řetězcem, např. sloučeniny FADDI-02 (58a) a FADD1-03 (58b), vykazují lepší aktivitu proti rezistentním kmenům Pseudomonas aeruginosa a Acinetobacter baumanii ve srovnání s polymyxinem B. Toxicita in vitro není uváděna; sloučeniny však byly hodnoceny v modelu nefrotoxicity in vivo. Histologické vyšetření neprokázalo žádné léze u těchto potkanů léčených přípravkem FADDI-03 ve srovnání s pozitivními známkami poškození ledvin u zvířat léčených polymyxinem B. Tato nižší toxicita byla přisuzována vysoké sérové vazbě molekuly, která zabraňuje její akumulaci v ledvinách.

.