8 Polimixinas

Las polimixinas son una clase de decapéptidos cíclicos catiónicos caracterizados por la presencia de cinco residuos de amina con carga positiva, procedentes del ácido di-aminobutírico (Dab), y una cola lipofílica, como se muestra en la estructura de la polimixina B1 (50). Demuestran una potente actividad contra las bacterias Gram negativas y se utilizaron por primera vez en el ámbito clínico en la década de 1950, pero su uso se vio limitado por los informes de toxicidad, en particular la nefrotoxicidad. Sin embargo, en la última década, con el aumento de la prevalencia de las bacterias Gram negativas multirresistentes, se ha producido un resurgimiento del uso de las polimixinas como fármacos de último recurso.

El tratamiento actual con polimixinas presenta muchos inconvenientes. El preparado más común en uso clínico es el profármaco de polimixina E (colistina) (51) conocido como CMS (metilsulfonato de colistina), que se desarrolló en la década de 1960 como una forma de dosificación menos tóxica. Sin embargo, al ser un profármaco con cinco grupos amino sulfonilados, su farmacocinética es complicada y no se conoce bien. La polimixina B se dosifica como sal de sulfato mediante infusión lenta para superar los efectos toxicológicos agudos, pero la preocupación por la nefrotoxicidad hace que la dosificación no sea óptima. Una polimixina de «segunda generación» con un índice terapéutico mejorado y un régimen de dosificación desarrollado con la metodología moderna de PK-PD sería una adición ventajosa al arsenal contra las infecciones Gram negativas multirresistentes.

El modo de acción de las polimixinas no se conoce del todo. Las polimixinas se unen al lipopolisacárido (LPS) cargado negativamente de la membrana externa de las bacterias Gram negativas y lo interrumpen, permitiendo el paso de la polimixina (y de otros fármacos) al espacio periplásmico. Aunque las polimixinas son moléculas anfifílicas catiónicas, la unión y el reconocimiento a la membrana externa son específicos. La supresión de la cadena de acilo graso y del aminoácido 1 da lugar al nonapéptido de polimixina B (PMBN, (52)), que aunque es significativamente menos activo que la polimixina B, conserva la capacidad de permeabilizar la membrana externa de las bacterias Gram negativas. Sin embargo, el enantiómero de la PMBN no es permeabilizante. Se ha ideado un modelo de unión de la polimixina al lípido hidrofóbico A del LPS, altamente conservado, basado en estudios de RMN de la polimixina en complejo con el LPS. En este modelo, las aminas cargadas positivamente interactúan con los fosfatos del LPS, mientras que la cola lipofílica y la región lipofílica de aminoácidos 6-7 del núcleo interactúan con la cola lipídica del LPS. Se ha demostrado que algunos derivados de la polimixina sin actividad antibacteriana significativa se unen al LPS y permeabilizan las bacterias a la acción de otros antibióticos.

Las relaciones estructura-actividad de las polimixinas se revisaron exhaustivamente en 2010 y desde esa fecha se han producido nuevos avances en química medicinal e investigaciones preclínicas dirigidas tanto a reducir la toxicidad como a aumentar el nivel de actividad, en particular contra las cepas emergentes multirresistentes.

Las polimixinas presentan nefrotoxicidad a niveles cercanos a la dosis terapéutica, así como una serie de efectos toxicológicos agudos mal caracterizados. El mecanismo de la nefrotoxicidad se está investigando actualmente, pero se cree que está relacionado con la naturaleza catiónica de la molécula y la acumulación dentro de las células epiteliales del túbulo proximal renal, con una captación mediada por el receptor multiligando, la megalina. La citotoxicidad se ha determinado en los tipos de células en los que se acumula el fármaco, por ejemplo, las células tubulares proximales renales humanas (HK-2) o las células epiteliales del túbulo proximal (PTEC), y puede implicar un daño mitocondrial, o la participación de especies reactivas de oxígeno.

En los últimos años, se han emprendido varios enfoques para reducir la toxicidad y mejorar el índice terapéutico de las polimixinas. La síntesis total de nuevos derivados de la polimixina, a través de la síntesis de péptidos en fase sólida, ha sido la ruta principal, permitiendo la manipulación en cualquier punto de la estructura de la polimixina. También se ha utilizado ampliamente la semisíntesis a partir de la propia polimixina, aprovechando la capacidad de varias enzimas para escindir selectivamente la cola lipofílica y la cadena tripéptida en posiciones específicas. También se ha conseguido una protección selectiva de los grupos amino terminales de los residuos Dab, lo que ha permitido la semisíntesis de una variedad de derivados del nonapéptido.

Se ha informado de que la eliminación de la cola lipofílica y del aminoácido 1 para dejar el nonapéptido de polimixina B (PMBN) (52) conduce a una reducción significativa de la nefrotoxicidad y de la actividad antibacteriana, al tiempo que conserva la capacidad de la molécula de permeabilizar las bacterias a la acción de otros antibióticos. Esta reducción de la toxicidad ha sido confirmada recientemente por estudios in vivo de AstraZeneca , en los que la histopatología reveló cambios notables en los riñones de ratas tratadas con colistina en comparación con las tratadas con PMBN o con el control del vehículo.

En una serie de derivados que carecen de la cadena de acilo graso, Katsuma y colaboradores han investigado análogos de la polimixina específicos para Pseudomonas . La sustitución de la cadena acilo-grasa y del aminoácido 1 de la polimixina por todos los residuos básicos, como la cadena Dab-Dab-Dab (53a), dio lugar a una actividad potente y selectiva contra Pseudomonas in vitro, pero con una mayor toxicidad aguda en el ratón. Un pequeño aminoácido hidrofílico en el N-terminal (ácido di-amino propiónico (Dap), o serina) (53b,c) dio lugar a una actividad contra Pseudomonas in vitro comparable a la de la propia polimixina B. El análogo del Dap (53b) mostró una toxicidad aguda 4,9 veces menor que la polimixina B en el ratón. El efecto sobre la toxicidad renal no se ha comunicado en esta serie.

Un enfoque adoptado por Northern Antibiotics para reducir la toxicidad de los derivados de la polimixina ha sido reducir el número de cargas positivas en la molécula. Aunque se ha demostrado que los residuos Dab en la porción cíclica de la polimixina son cruciales tanto para la unión al LPS como para la posterior actividad antibacteriana, la unión al LPS puede seguir teniendo lugar en los análogos que carecen de residuos de amina en la porción lineal del péptido. Estos derivados pueden actuar como permeabilizadores de otros antibióticos y algunos tienen actividad por derecho propio contra un espectro más estrecho de organismos. Algunos ejemplos son los noapéptidos NAB-7061 (54a) con aminobutirato en la posición 3, y NAB-739 (54b) con d-serina en la posición 3. Ambos conservan la capacidad de la polimixina de permeabilizar la membrana externa y actúan de forma sinérgica con otros antibióticos. Tanto el NAB-7061 como el NAB-739 demostraron menor afinidad (aproximadamente una quinta parte menos) por la membrana del borde en cepillo de la corteza renal que la polimixina, como se demostró en un ensayo de desplazamiento de gentamicina radiomarcada. El NAB-739 demostró una menor citotoxicidad en una línea celular HK-2, con valores de IC50 aproximadamente 26 veces inferiores a los de la polimixina B. El NAB-739 también demostró una actividad antibacteriana tanto in vitro como in vivo. Mientras que el perfil in vitro mostró una buena actividad contra E. coli y Klebsiella, la actividad se redujo en comparación con la polimixina contra las especies de Pseudomonas. El NAB-739 ha demostrado su eficacia en un modelo de infección por E. coli , sin embargo, hasta la fecha no se ha informado de estudios de toxicidad in vivo.

Cubist Pharmaceuticals ha informado de la reducción de la toxicidad mediante la sustitución de la cola lipofílica de la polimixina por una aril urea en el compuesto CB-182,804 (55). Hasta ahora, ésta es la única de la nueva generación de polimixinas que ha pasado a la fase I de los ensayos, tras demostrar una reducción de la nefrotoxicidad en monos cinomolgos.

Pfizer informó recientemente de la síntesis de una variedad de derivados de la polimixina en los que el Dab-3 de la porción lineal de la cadena de aminoácidos se sustituyó por el ácido di-amino propiónico Dap , lo que, según se informó, mejora la actividad antibacteriana. Se investigó una variedad de grupos terminales biarílicos con la conclusión de que los compuestos con cadenas laterales más polares, medidos por ClogD eran menos citotóxicos contra la línea celular renal hRPTEC, pero tenían una tendencia general a la reducción de la potencia antibacteriana. Sin embargo, un compuesto concreto de Pfizer, el 5x (56), en el que la cola lipofílica de la polimixina se sustituyó por una fracción polar de N-fenilpiridona, mostró una toxicidad in vitro considerablemente reducida en comparación con la polimixina, al tiempo que conservaba su actividad. Se examinó el potencial nefrotóxico del compuesto 5x in vivo en comparación con la polimixina B en la rata en un estudio de 7 días. A un nivel de exposición en el que la polimixina B produjo lesiones renales necróticas en todos los animales (aunque mínimas) (56) no mostró incidencia de lesiones renales necróticas. Sin embargo, en el perro, se informó de que no había un margen de seguridad significativo de (56) sobre la polimixina B. La comprensión de la relación de la toxicidad in vitro con la situación in vivo en las polimixinas sigue siendo un obstáculo que hay que superar.

Cantab antiinfecciosos ha informado de que los derivados de la polimixina nonapeptídica en los que la cadena de acilo contiene una funcionalidad polar demuestran una toxicidad reducida in vitro e in vivo, al tiempo que conservan la eficacia in vivo . Por ejemplo, el compuesto (57) se comparó con la polimixina B en un modelo de infección de muslo de ratón por E. coli. Una dosis total de 10 mg/kg (i.v., b.i.d.) de (57) dio una reducción de 4 log10 en la carga bacteriana en comparación con el control no tratado, mientras que la misma dosis de polimixina redujo la carga bacteriana en 4,8 log10. Se obtuvieron resultados similares en un modelo de infección por Klebsiella pneumoniae, en el que (57) dio una reducción de la carga bacteriana similar (2,3 log10 de reducción) a la colistina a 10 mg/kg. In vitro, (57) fue seis veces menos citotóxico que la polimixina, medido por el IC50 contra la línea celular HK-2. In vivo, en un modelo de nefrotoxicidad en ratas, (57) dio unos niveles significativamente más bajos de biomarcadores urinarios de lesión renal (N-acetil-beta-d-glucosaminidasa, albúmina y cistatina C) en comparación con la colistina al mismo nivel de dosis.

Otro enfoque ha sido adoptado por el grupo de la Universidad de Monash, que ha estado investigando modificaciones que muestran actividad contra las cepas resistentes . Las polimixinas con una mayor lipofilia en los aminoácidos 6 y 7 del núcleo, y una cadena lipofílica, por ejemplo FADDI-02 (58a) y FADD1-03 (58b) muestran una mayor actividad contra cepas resistentes de Pseudomonas aeruginosa y Acinetobacter baumanii en comparación con la polimixina B. No se ha informado de la toxicidad in vitro; sin embargo, los compuestos se han evaluado en un modelo in vivo de nefrotoxicidad. El examen histológico no mostró lesiones en estas ratas tratadas con FADDI-03 en comparación con los signos positivos de daño renal en los animales tratados con polimixina B. Esta menor toxicidad se ha atribuido a la elevada unión sérica de la molécula, que impide su acumulación en los riñones.