8 Polymyxines

Les polymyxines sont une classe de décapeptides cycliques cationiques caractérisés par la présence de cinq résidus aminés chargés positivement, issus de l’acide di-amino butyrique (Dab), et d’une queue lipophile, comme le montre la structure de la polymyxine B1 (50). Ils présentent une activité puissante contre les bactéries Gram-négatives et ont été utilisés pour la première fois en clinique dans les années 1950, mais leur utilisation était limitée par des rapports de toxicité, en particulier de néphrotoxicité. Cependant, au cours de la dernière décennie, avec la prévalence croissante des bactéries Gram-négatives multirésistantes, on a assisté à une résurgence de l’utilisation des polymyxines en tant que médicaments de dernier recours.

La polymyxinothérapie actuelle présente de nombreux inconvénients. La préparation la plus courante en usage clinique est la prodrogue de la Polymyxine E (Colistine) (51) connue sous le nom de CMS (Colistine méthane sulfonate), qui a été développée dans les années 1960 comme une forme de dosage moins toxique. Cependant, en tant que promédicament comportant cinq groupes amino sulfonylés, sa pharmacocinétique est compliquée et mal comprise. La polymyxine B est administrée sous forme de sel de sulfate par perfusion lente pour surmonter les effets toxicologiques aigus, mais les préoccupations concernant la néphrotoxicité conduisent à un dosage sous-optimal. Une polymyxine de « deuxième génération » avec un index thérapeutique amélioré, et un schéma posologique développé avec une méthodologie moderne de PK-PD serait un ajout avantageux à l’arsenal contre les infections à Gram négatif multirésistantes.

Le mode d’action des polymyxines n’est pas entièrement compris. Les polymyxines se lient et perturbent le lipopolysaccharide (LPS) chargé négativement de la membrane externe des bactéries Gram-négatives, permettant le passage de la polymyxine (et d’autres médicaments) dans l’espace périplasmique. Bien que les polymyxines soient des molécules amphiphiles cationiques, la liaison et la reconnaissance à la membrane externe sont spécifiques. La suppression de la chaîne acide gras et de l’acide aminé 1 conduit à la polymyxine B nonapeptide (PMBN, (52)), qui, bien que nettement moins active que la polymyxine B, conserve la capacité de perméabiliser la membrane externe des bactéries Gram-négatives. L’énantiomère du PMBN, cependant, n’est pas un perméabilisateur. Un modèle de liaison de la polymyxine au lipide hydrophobe A hautement conservé du LPS a été conçu, sur la base d’études par RMN de la polymyxine en complexe avec le LPS. Dans ce modèle, les amines chargées positivement interagissent avec les phosphates du LPS, tandis que la queue lipophile et la région lipophile des acides aminés 6-7 du noyau interagissent avec la queue lipidique du LPS. Il a été démontré que certains dérivés de la polymyxine sans activité antibactérienne significative se lient au LPS et perméabilisent les bactéries à l’action d’autres antibiotiques .

Les relations structure-activité des polymyxines ont fait l’objet d’une révision complète en 2010 et depuis cette date, il y a eu de nouveaux développements en chimie médicinale et des investigations précliniques visant à la fois à réduire la toxicité et à augmenter le niveau d’activité, en particulier contre les souches émergentes multirésistantes.

Les polymyxines présentent une néphrotoxicité à des niveaux proches de la dose thérapeutique, ainsi qu’un certain nombre d’effets toxicologiques aigus mal caractérisés. Le mécanisme de la néphrotoxicité est actuellement à l’étude, mais on pense qu’il est lié à la nature cationique de la molécule et à son accumulation dans les cellules épithéliales du tube proximal rénal, l’absorption étant médiée par le récepteur multiligand, la mégaline. La cytotoxicité a été déterminée dans les types de cellules dans lesquelles le médicament s’accumule, par exemple les cellules tubulaires proximales rénales humaines (HK-2) ou les cellules épithéliales des tubules proximaux (PTEC), et peut impliquer des dommages mitochondriaux, ou l’implication d’espèces réactives de l’oxygène.

Ces dernières années, un certain nombre d’approches ont été entreprises pour réduire la toxicité et améliorer l’index thérapeutique des polymyxines. La synthèse totale de nouveaux dérivés de polymyxine, via la synthèse peptidique en phase solide, a été la voie principale, permettant une manipulation en tout point de la structure de la polymyxine. La semi-synthèse à partir de la polymyxine elle-même a également été largement utilisée, en s’appuyant sur la capacité de diverses enzymes à couper sélectivement la queue lipophile et la chaîne tripeptidique à des positions spécifiques. Une protection sélective des groupes amino terminaux des résidus Dab a également été réalisée, permettant la semi-synthèse d’une variété de dérivés du nonapeptide.

Il a été signalé que l’élimination de la queue lipophile et de l’acide aminé 1 pour laisser le nonapeptide de la polymyxine B (PMBN) (52) conduit à une réduction significative de la néphrotoxicité et de l’activité antibactérienne tout en conservant la capacité de la molécule à perméabiliser les bactéries à l’action d’autres antibiotiques. Cette réduction de la toxicité a récemment été confirmée par des études in vivo chez AstraZeneca , dans lesquelles l’histopathologie a révélé des changements notables dans les reins des rats traités avec de la colistine par rapport à ceux traités avec le PMBN ou le véhicule témoin.

Dans une série de dérivés dépourvus de la chaîne acide grasse, Katsuma et ses collaborateurs ont étudié des analogues de la polymyxine spécifiques de Pseudomonas . Le remplacement de la chaîne acyle grasse et de l’acide aminé 1 de la polymyxine par tous les résidus basiques, comme la chaîne Dab-Dab-Dab (53a), a entraîné une activité puissante et sélective pour Pseudomonas in vitro, mais avec une toxicité aiguë accrue chez la souris. Un petit acide aminé hydrophile à l’extrémité N-terminale (acide di-amino propionique (Dap), ou sérine) (53b,c) a entraîné une activité Pseudomonas in vitro comparable à la polymyxine B elle-même. L’analogue du Dap (53b) a montré une toxicité aiguë 4,9 fois moindre que la polymyxine B chez la souris. L’effet sur la toxicité rénale n’a pas été rapporté dans cette série.

Une approche adoptée par Northern Antibiotics pour réduire la toxicité des dérivés de la polymyxine a été de réduire le nombre de charges positives dans la molécule. Bien qu’il ait été démontré que les résidus Dab dans la partie cyclique de la polymyxine sont cruciaux à la fois pour la liaison au LPS et pour l’activité antibactérienne ultérieure, la liaison au LPS peut encore avoir lieu dans les analogues dépourvus de résidus amine dans la partie linéaire du peptide. Ces dérivés peuvent agir comme des perméabilisateurs pour d’autres antibiotiques et certains ont une activité propre contre un spectre plus étroit d’organismes. Les exemples incluent les nonapeptides NAB-7061 (54a) avec l’aminobutyrate en position 3, et NAB-739 (54b) avec la d-sérine en position 3. Tous deux conservent la capacité de la polymyxine à perméabiliser la membrane externe et agissent en synergie avec d’autres antibiotiques. Le NAB-7061 et le NAB-739 ont tous deux montré des affinités plus faibles (environ un cinquième de moins) pour la membrane en brosse du cortex rénal que la polymyxine, comme l’a montré un test de déplacement de la gentamicine radiomarquée. Le NAB-739 a démontré une cytotoxicité plus faible dans une lignée cellulaire HK-2 avec des valeurs de CI50 environ 26 fois inférieures à celles de la polymyxine B. Le NAB-739 a également démontré une activité antibactérienne à la fois in vitro et in vivo. Alors que le profilage in vitro a montré une bonne activité contre E. coli et Klebsiella, l’activité était réduite par rapport à la polymyxine contre les espèces Pseudomonas. Le NAB-739 a démontré son efficacité dans un modèle d’infection par E. coli, cependant, à ce jour, il n’y a pas eu de rapports d’études de toxicité in vivo.

Cubist Pharmaceuticals a fait état de la réduction de la toxicité par le remplacement de la queue lipophile de la polymyxine par une urée arylique dans le composé CB-182,804 (55). Jusqu’à présent, c’est la seule polymyxine de la nouvelle génération qui a progressé jusqu’aux essais de phase I, après avoir démontré une réduction de la néphrotoxicité chez les singes cynomolgiques.

Pfizer a récemment rapporté la synthèse d’une variété de dérivés de la polymyxine dans lesquels le Dab-3 de la partie linéaire de la chaîne d’acides aminés a été remplacé par l’acide di-amino propionique Dap, ce qui a été rapporté pour améliorer l’activité antibactérienne. Une variété de groupes terminaux biaryles a été étudiée, avec la conclusion que les composés avec des chaînes latérales plus polaires, mesurées par ClogD, étaient moins cytotoxiques contre la lignée de cellules rénales hRPTEC, mais avaient une tendance générale à réduire la puissance antibactérienne. Cependant, un composé particulier de Pfizer, 5x (56), dans lequel la queue lipophile de la polymyxine a été remplacée par une fraction polaire de N-phénylpyridone, a montré une toxicité in vitro considérablement réduite par rapport à la polymyxine tout en conservant son activité. Le composé 5x a été examiné in vivo pour son potentiel néphrotoxique par rapport à la polymyxine B chez le rat dans une étude de 7 jours. A un niveau d’exposition où la polymyxine B a produit des lésions rénales nécrotiques chez tous les animaux (bien que minimes) (56) n’a montré aucune incidence de lésions rénales nécrotiques. Cependant, chez le chien, il a été signalé qu’il n’y avait pas de marge de sécurité significative de (56) par rapport à la polymyxine B. Comprendre la relation entre la toxicité in vitro et la situation in vivo dans les polymyxines est encore un obstacle à surmonter.

Cantab anti-infectifs a signalé que les dérivés nonapeptidiques de la polymyxine dans lesquels la chaîne acyle contient une fonctionnalité polaire démontrent une toxicité réduite in vitro et in vivo tout en conservant l’efficacité in vivo . Par exemple, le composé (57) a été comparé à la polymyxine B dans un modèle d’infection de la cuisse de souris par E. coli. Une dose totale de 10 mg/kg (i.v., b.i.d.) de (57) a donné une réduction de 4 log10 de la charge bactérienne par rapport au contrôle non traité, alors que la même dose de polymyxine a réduit la charge bactérienne de 4,8 log10. Des résultats similaires ont été obtenus dans un modèle d’infection à Klebsiella pneumoniae, où (57) a donné une réduction similaire de la charge bactérienne (réduction de 2,3 log10) par rapport à la colistine à 10 mg/kg. In vitro, (57) était six fois moins cytotoxique que la polymyxine, comme le montre la CI50 contre la lignée cellulaire HK-2. In vivo, dans un modèle de néphrotoxicité chez le rat, (57) a donné des niveaux significativement plus faibles de biomarqueurs urinaires de lésions rénales (N-acétyl-bêta-d-glucosaminidase, albumine et cystatine C) par rapport à la colistine au même niveau de dose.

Une autre approche a été adoptée par le groupe de l’Université Monash, qui a étudié les modifications qui montrent une activité contre les souches résistantes . Les polymyxines avec une lipophilie accrue au niveau des acides aminés 6 et 7 du noyau, et une chaîne lipophile, par exemple FADDI-02 (58a) et FADD1-03 (58b) montrent une meilleure activité contre les souches résistantes de Pseudomonas aeruginosa et Acinetobacter baumanii par rapport à la polymyxine B. La toxicité in vitro n’est pas rapportée ; cependant, les composés ont été évalués dans un modèle in vivo de néphrotoxicité. L’examen histologique n’a révélé aucune lésion chez les rats traités par le FADDI-03, alors que les animaux traités par la polymyxine B présentaient des signes positifs de lésions rénales. Cette moindre toxicité a été attribuée à la forte liaison sérique de la molécule, empêchant son accumulation dans les reins.