8 Polymyxine

Polymyxine sind eine Klasse kationischer zyklischer Dekapeptide, die durch das Vorhandensein von fünf positiv geladenen Aminresten aus Di-Aminobuttersäure (Dab) und einem lipophilen Schwanz gekennzeichnet sind, wie in der Struktur von Polymyxin B1 (50) dargestellt. Sie weisen eine starke Wirkung gegen gramnegative Bakterien auf und wurden erstmals in den 1950er Jahren klinisch eingesetzt, aber ihre Verwendung wurde durch Berichte über Toxizität, insbesondere Nephrotoxizität, eingeschränkt. In den letzten zehn Jahren jedoch, mit der zunehmenden Prävalenz multiresistenter gramnegativer Bakterien, ist die Verwendung von Polymyxinen als Mittel der letzten Wahl wieder gestiegen.

Die derzeitige Polymyxintherapie hat viele Nachteile. Das gebräuchlichste Präparat im klinischen Einsatz ist das Prodrug von Polymyxin E (Colistin) (51), bekannt als CMS (Colistin-Methansulfonat), das in den 1960er Jahren als weniger toxische Darreichungsform entwickelt wurde. Da es sich jedoch um ein Prodrug mit fünf sulfonylierten Aminogruppen handelt, ist die Pharmakokinetik kompliziert und nicht gut verstanden. Polymyxin B wird in Form des Sulfatsalzes durch langsame Infusion verabreicht, um akute toxikologische Wirkungen zu überwinden, aber Bedenken hinsichtlich der Nephrotoxizität führen zu einer suboptimalen Dosierung. Ein Polymyxin der „zweiten Generation“ mit einem verbesserten therapeutischen Index und einem Dosierungsschema, das mit moderner PK-PD-Methodik entwickelt wurde, wäre eine vorteilhafte Ergänzung des Waffenarsenals gegen multiresistente gramnegative Infektionen.

Die Wirkungsweise von Polymyxinen ist nicht vollständig geklärt. Polymyxine binden an das negativ geladene Lipopolysaccharid (LPS) der äußeren Membran gramnegativer Bakterien und zerstören es, so dass das Polymyxin (und andere Medikamente) in den periplasmatischen Raum gelangen können. Obwohl die Polymyxine kationische amphiphile Moleküle sind, ist die Bindung und Erkennung an die äußere Membran spezifisch. Die Deletion der Fett-Acyl-Kette und der Aminosäure 1 führt zum Polymyxin-B-Nonapeptid (PMBN, (52)), das zwar deutlich weniger aktiv ist als Polymyxin B, aber weiterhin die Fähigkeit besitzt, die äußere Membran gramnegativer Bakterien zu permeabilisieren. Das Enantiomer von PMBN ist jedoch kein Permeabilisator. Auf der Grundlage von NMR-Studien von Polymyxin im Komplex mit LPS wurde ein Modell für die Bindung von Polymyxin an das hochkonservierte hydrophobe Lipid A von LPS entwickelt. In diesem Modell interagieren die positiv geladenen Amine mit den Phosphaten von LPS, während der lipophile Schwanz und die lipophile Aminosäure 6-7-Region des Kerns mit dem Lipidschwanz des LPS interagieren. Bestimmte Polymyxin-Derivate ohne signifikante antibakterielle Aktivität binden nachweislich an LPS und machen die Bakterien für die Wirkung anderer Antibiotika durchlässig.

Die Struktur-Wirkungs-Beziehungen der Polymyxine wurden 2010 umfassend überprüft, und seitdem gab es weitere Entwicklungen in der medizinischen Chemie und präklinische Untersuchungen, die sowohl auf eine Verringerung der Toxizität als auch auf eine Erhöhung des Aktivitätsniveaus abzielen, insbesondere gegen neue multiresistente Stämme.

Polymyxine zeigen Nephrotoxizität in Mengen nahe der therapeutischen Dosis, sowie eine Reihe von schlecht charakterisierten akuten toxikologischen Wirkungen. Der Mechanismus der Nephrotoxizität wird derzeit noch untersucht, es wird jedoch angenommen, dass er mit der kationischen Natur des Moleküls und der Akkumulation in den proximalen Tubulusepithelzellen der Niere zusammenhängt, wobei die Aufnahme durch den Multiligandenrezeptor Megalin vermittelt wird. Die Zytotoxizität wurde in den Zelltypen festgestellt, in denen sich das Medikament anreichert, z. B. in menschlichen proximalen Nierentubuluszellen (HK-2) oder proximalen Tubulusepithelzellen (PTEC), und kann mitochondriale Schäden oder die Beteiligung reaktiver Sauerstoffspezies beinhalten.

In den letzten Jahren wurde eine Reihe von Ansätzen unternommen, um die Toxizität zu verringern und den therapeutischen Index von Polymyxinen zu verbessern. Die Totalsynthese neuartiger Polymyxin-Derivate mittels Festphasen-Peptidsynthese war der wichtigste Weg, der eine Manipulation an jeder Stelle der Polymyxinstruktur ermöglicht. Auch die Semisynthese, ausgehend vom Polymyxin selbst, wurde ausgiebig genutzt, wobei man sich die Fähigkeit verschiedener Enzyme zunutze machte, den lipophilen Schwanz und die Tripeptidkette an bestimmten Stellen selektiv zu spalten. Es wurde auch ein selektiver Schutz der terminalen Aminogruppen der Dab-Reste erreicht, der die Semisynthese einer Vielzahl von Derivaten des Nonapeptids ermöglicht.

Es wurde berichtet, dass die Entfernung des lipophilen Schwanzes und der Aminosäure 1 zu Polymyxin B Nonapeptid (PMBN) (52) zu einer erheblichen Verringerung der Nephrotoxizität und der antibakteriellen Aktivität führt, während die Fähigkeit des Moleküls, Bakterien für die Wirkung anderer Antibiotika durchlässig zu machen, erhalten bleibt. Diese Verringerung der Toxizität wurde kürzlich durch In-vivo-Studien von AstraZeneca bestätigt, in denen die Histopathologie bemerkenswerte Veränderungen in den Nieren von Ratten zeigte, die mit Colistin behandelt wurden, im Vergleich zu denen, die mit PMBN oder einer Vehikelkontrolle behandelt wurden.

In einer Reihe von Derivaten, denen die Fett-Acylkette fehlt, haben Katsuma und Mitarbeiter Pseudomonas-spezifische Polymyxin-Analoga untersucht. Der Ersatz der Fettacylkette und der Aminosäure 1 des Polymyxins durch alle basischen Reste, wie z. B. die Dab-Dab-Dab-Kette (53a), führte zu einer starken und selektiven Pseudomonas-Aktivität in vitro, jedoch mit erhöhter akuter Toxizität bei der Maus. Eine kleine hydrophile Aminosäure am N-Terminus (Di-Amino-Propionsäure (Dap) oder Serin) (53b,c) führte in vitro zu einer mit Polymyxin B vergleichbaren Pseudomonas-Aktivität. Das Dap-Analogon (53b) zeigte in der Maus eine 4,9-fach geringere akute Toxizität als Polymyxin B. Über die Auswirkungen auf die Nierentoxizität wurde in dieser Reihe nicht berichtet.

Ein von Northern Antibiotics verfolgter Ansatz zur Verringerung der Toxizität von Polymyxin-Derivaten bestand darin, die Anzahl der positiven Ladungen im Molekül zu reduzieren. Obwohl sich die Dab-Reste im zyklischen Teil des Polymyxins als entscheidend sowohl für die LPS-Bindung als auch für die anschließende antibakterielle Aktivität erwiesen haben, kann die Bindung an das LPS auch in Analoga stattfinden, denen Aminreste im linearen Teil des Peptids fehlen. Solche Derivate können als Permeabilisatoren für andere Antibiotika wirken, und einige haben eine eigenständige Aktivität gegen ein engeres Spektrum von Organismen. Beispiele sind die Nonapeptide NAB-7061 (54a) mit Aminobutyrat an Position 3 und NAB-739 (54b) mit d-Serin an Position 3. Beide behalten die Fähigkeit von Polymyxin, die äußere Membran zu permeabilisieren, und wirken synergistisch mit anderen Antibiotika. Sowohl NAB-7061 als auch NAB-739 wiesen eine geringere Affinität (etwa ein Fünftel geringer) für die Bürstensaummembran der Nierenrinde auf als Polymyxin, wie in einem radiomarkierten Gentamicin-Verdrängungsassay nachgewiesen wurde. NAB-739 zeigte eine geringere Zytotoxizität in einer HK-2-Zelllinie mit IC50-Werten, die etwa 26-mal niedriger waren als die von Polymyxin B. NAB-739 zeigte auch antibakterielle Aktivität sowohl in vitro als auch in vivo. Während die In-vitro-Profilierung eine gute Aktivität gegen E. coli und Klebsiella zeigte, war die Aktivität gegen Pseudomonas-Arten im Vergleich zu Polymyxin reduziert. NAB-739 hat sich in einem E. coli-Infektionsmodell als wirksam erwiesen, doch liegen bisher keine Berichte über In-vivo-Toxizitätsstudien vor.

Cubist Pharmaceuticals hat über die Verringerung der Toxizität durch den Ersatz des lipophilen Schwanzes von Polymyxin durch einen Arylharnstoff in der Verbindung CB-182,804 berichtet (55). Bislang ist dies das einzige Polymyxin der neuen Generation, das in Phase I-Studien getestet wurde, nachdem eine verringerte Nephrotoxizität bei Menschenaffen nachgewiesen wurde.

Pfizer berichtete kürzlich über die Synthese einer Reihe von Polymyxin-Derivaten, bei denen das Dab-3 des linearen Teils der Aminosäurekette durch die Di-Aminopropionsäure Dap ersetzt wurde, was die antibakterielle Aktivität erhöht. Es wurde eine Vielzahl von Biarylendgruppen untersucht, mit dem Ergebnis, dass Verbindungen mit polareren Seitenketten, gemessen an ClogD, weniger zytotoxisch gegen die hRPTEC-Nierenzelllinie waren, aber eine allgemeine Tendenz zu geringerer antibakterieller Wirksamkeit aufwiesen. Eine bestimmte Pfizer-Verbindung, 5x (56), bei der das lipophile Ende von Polymyxin durch eine polare N-Phenylpyridon-Einheit ersetzt wurde, zeigte jedoch im Vergleich zu Polymyxin eine erheblich geringere In-vitro-Toxizität bei gleichbleibender Aktivität. Die Verbindung 5x wurde in vivo in einer 7-Tage-Studie an der Ratte auf ihr nephrotoxisches Potenzial im Vergleich zu Polymyxin B untersucht. Bei einem Expositionsniveau, bei dem Polymyxin B bei jedem Tier (wenn auch nur minimal) nekrotische Nierenläsionen verursachte (56), wurde kein Auftreten nekrotischer Nierenläsionen festgestellt. Beim Hund wurde jedoch kein signifikanter Sicherheitsvorsprung von (56) gegenüber Polymyxin B festgestellt. Die Beziehung zwischen der In-vitro-Toxizität und der In-vivo-Situation bei Polymyxinen zu verstehen, ist immer noch eine Hürde, die es zu überwinden gilt.

Cantab Antiinfectives hat berichtet, dass Polymyxin-Nonapeptid-Derivate, bei denen die Acylkette eine polare Funktionalität enthält, eine geringere Toxizität in vitro und in vivo aufweisen, während die In-vivo-Wirksamkeit erhalten bleibt. So wurde beispielsweise die Verbindung (57) mit Polymyxin B in einem E. coli-Infektionsmodell am Mausschenkel verglichen. Eine Gesamtdosis von 10 mg/kg (i.v., b.i.d.) von (57) führte zu einer Verringerung der bakteriellen Belastung um 4 log10 im Vergleich zur unbehandelten Kontrolle, während die gleiche Dosis Polymyxin die bakterielle Belastung um 4,8 log10 reduzierte. Ähnliche Ergebnisse wurden in einem Klebsiella-pneumoniae-Infektionsmodell erzielt, wo (57) eine ähnliche Verringerung der bakteriellen Belastung (2,3 log10) wie Colistin bei 10 mg/kg bewirkte. In vitro war (57) sechsmal weniger zytotoxisch als Polymyxin, gemessen an der IC50 gegen die HK-2-Zelllinie. In vivo, in einem Rattenmodell der Nephrotoxizität, führte (57) zu einer signifikant niedrigeren Konzentration von Biomarkern der Nierenschädigung im Urin (N-Acetyl-beta-d-glucosaminidase, Albumin und Cystatin C) im Vergleich zu Colistin in der gleichen Dosierung.

Ein anderer Ansatz wurde von der Gruppe an der Monash University verfolgt, die Modifikationen untersucht hat, die Aktivität gegen resistente Stämme zeigen. Polymyxine mit erhöhter Lipophilie an den Aminosäuren 6 und 7 des Kerns und einer lipophilen Kette, z.B. FADDI-02 (58a) und FADD1-03 (58b), zeigen im Vergleich zu Polymyxin B eine verbesserte Aktivität gegen resistente Stämme von Pseudomonas aeruginosa und Acinetobacter baumanii. Über die In-vitro-Toxizität wird nicht berichtet; die Verbindungen wurden jedoch in einem In-vivo-Modell für Nephrotoxizität untersucht. Bei der histologischen Untersuchung wurden bei den mit FADDI-03 behandelten Ratten keine Läsionen festgestellt, während bei den mit Polymyxin B behandelten Tieren positive Anzeichen einer Nierenschädigung vorlagen. Diese geringere Toxizität wurde auf die hohe Serumbindung des Moleküls zurückgeführt, die eine Akkumulation in den Nieren verhindert.