8 Polymyxinek

A polymyxinek a kationos ciklikus dekapeptidek egy osztálya, melyeket a di-amino-vajsavból (Dab) származó öt pozitív töltésű aminmaradék és egy lipofil farok jellemez, amint azt a polymyxin B1 (50) szerkezete mutatja. Erős aktivitást mutatnak Gram-negatív baktériumokkal szemben, és először az 1950-es években alkalmazták őket klinikailag, de használatukat a toxicitásról, különösen a nefrotoxicitásról szóló jelentések korlátozták. Az elmúlt évtizedben azonban a multirezisztens Gram-negatív baktériumok egyre gyakoribbá válásával a polymyxinek, mint végső menedékként használt gyógyszerek alkalmazása újra előtérbe került.

A jelenlegi polymyxinterápiának számos hátránya van. A klinikai alkalmazásban leggyakrabban használt készítmény a polymyxin E (kolisztin) (51) CMS (kolisztin-metán-szulfonát) néven ismert prodrugja, amelyet az 1960-as években fejlesztettek ki kevésbé toxikus adagolási formaként. Mivel azonban öt szulfonilált aminocsoportot tartalmazó prodrugról van szó, farmakokinetikája bonyolult és nem jól ismert. A polymyxin B-t szulfát sóként lassú infúzióval adagolják az akut toxikológiai hatások leküzdése érdekében, de a nefrotoxicitással kapcsolatos aggályok a szuboptimális adagoláshoz vezetnek. Egy jobb terápiás indexű, “második generációs” polymyxin és egy modern PK-PD módszertannal kidolgozott adagolási séma előnyös kiegészítője lenne a multirezisztens Gram-negatív fertőzések elleni fegyverzetnek.

A polymyxinek hatásmechanizmusa nem teljesen ismert. A polymyxinek a Gram-negatív baktériumok külső membránjának negatív töltésű lipopoliszacharidjához (LPS) kötődnek és azt megbontják, lehetővé téve a polymyxin (és más gyógyszerek) bejutását a periplazmatikus térbe. Bár a polymyxinek kationos amfifil molekulák, a külső membránhoz való kötődés és felismerés specifikus. A zsír-acillánc és az 1. aminosav törlése a polymyxin B nonapeptidhez (PMBN, (52)) vezet, amely bár lényegesen kevésbé aktív, mint a polymyxin B, megőrzi a Gram-negatív baktériumok külső membránjának permeabilizálására való képességét. A PMBN enantiomerje azonban nem permeabilizáló . A polymyxin és az LPS magasan konzervált hidrofób A lipidjéhez való kötődésének modelljét a polymyxin és az LPS komplexében végzett NMR-vizsgálatok alapján dolgozták ki. Ebben a modellben a pozitív töltésű aminok kölcsönhatásba lépnek az LPS foszfátjaival, míg a lipofil farok és a mag lipofil aminosav 6-7 régiója kölcsönhatásba lép az LPS lipidfarkával. Bizonyos, jelentős antibakteriális aktivitással nem rendelkező polymyxin-származékokról kimutatták, hogy kötődnek az LPS-hez és áteresztik a baktériumokat más antibiotikumok hatására.

A polymyxinek szerkezet-hatás összefüggéseit 2010-ben átfogóan áttekintették, és azóta további fejlesztések történtek a gyógyszerkémia és a preklinikai vizsgálatok terén, amelyek mind a toxicitás csökkentésére, mind a hatásfok növelésére irányultak, különösen az újonnan megjelenő multirezisztens törzsek ellen.

A polimyxinek a terápiás dózishoz közeli szinteken nefrotoxicitást mutatnak, valamint számos, kevéssé jellemzett akut toxikológiai hatást mutatnak. A nefrotoxicitás mechanizmusát jelenleg vizsgálják, azonban feltételezhetően a molekula kationos jellegével és a vese proximális tubuláris epitélsejtjeiben való felhalmozódásával függ össze, a felvételt pedig a megalin nevű multiligand receptor közvetíti. A citotoxicitást azokban a sejttípusokban határozták meg, amelyekben a hatóanyag felhalmozódik, például emberi vese proximalis tubuláris (HK-2) sejtekben vagy proximalis tubuláris epitélsejtekben (PTEC), és ez mitokondriális károsodással vagy a reaktív oxigénfajok bevonásával járhat.

Az utóbbi években számos megközelítés született a polymyxinek toxicitásának csökkentésére és terápiás indexének javítására. Az új polymyxin-származékok szilárd fázisú peptidszintézis útján történő teljes szintézise volt a fő útvonal, amely lehetővé teszi a polymyxin szerkezetének bármely pontján történő manipulációt. Magából a polymyxinből kiinduló félszintézist is széles körben alkalmazták, kihasználva a különböző enzimek azon képességét, hogy szelektíven hasítsák a lipofil farkat és a tripeptidláncot meghatározott pozíciókban. A Dab-maradékok terminális aminocsoportjainak szelektív védelmét is sikerült elérni, ami lehetővé teszi a nonapeptid különböző származékainak félszintézisét.

Beszámoltak arról, hogy a lipofil farok és az 1. aminosav eltávolítása a polymyxin B nonapeptid (PMBN) (52) meghagyásával a nefrotoxicitás és az antibakteriális aktivitás jelentős csökkenéséhez vezet, miközben a molekula képes a baktériumokat más antibiotikumok hatására permeabilizálni. Ezt a toxicitáscsökkenést nemrégiben az AstraZenecánál végzett in vivo vizsgálatok is megerősítették, amelyekben a szövettani vizsgálatok jelentős változásokat mutattak ki a kolisztinnel kezelt patkányok veséiben a PMBN-nel vagy hordozóval kezeltekhez képest.

A zsír-acilláncot nélkülöző származékok sorozatában Katsuma és munkatársai Pseudomonas-specifikus polymyxin-analógokat vizsgáltak. A polymyxin zsír-acilláncának és 1-es aminosavának helyettesítése minden bázikus maradékkal, mint például a Dab-Dab-Dab lánc (53a), erős és szelektív Pseudomonas aktivitást eredményezett in vitro, de fokozott akut toxicitással egérben. Egy kis hidrofil aminosav az N-terminálison (di-amino propionsav (Dap) vagy szerin) (53b,c) in vitro a polymyxin B-hez hasonló Pseudomonas-aktivitást eredményezett. A Dap-analóg (53b) egérben 4,9-szer kisebb akut toxicitást mutatott, mint a polymyxin B. A vesetoxicitásra gyakorolt hatásról ebben a sorozatban nem számoltak be.

A Northern Antibiotics egyik megközelítése a polymyxin-származékok toxicitásának csökkentésére a pozitív töltések számának csökkentése volt a molekulában. Bár a polymyxin ciklikus részében lévő Dab-maradékok bizonyítottan döntő szerepet játszanak mind az LPS-hez való kötődésben, mind a későbbi antibakteriális aktivitásban , az LPS-hez való kötődés a peptid lineáris részében lévő amin-maradékokat nélkülöző analógokban is megtörténhet. Az ilyen származékok más antibiotikumok permeabilizálójaként működhetnek, és egyesek önmagukban is rendelkeznek aktivitással a szervezetek szűkebb spektrumával szemben. Ilyen például a NAB-7061 (54a) nem-apeptid, amelynek 3. pozíciójában aminobutirát van, és a NAB-739 (54b), amelynek 3. pozíciójában d-szerin van. Mindkettő megtartja a polymyxin külső membránt permeabilizáló képességét, és szinergikusan hat más antibiotikumokkal. Mind a NAB-7061, mind a NAB-739 kisebb affinitást mutatott (kb. egyötöddel kisebbet) a vesekéreg ecsethatároló membránjához, mint a polymyxin, amint azt a radiolabilizált gentamicin kiszorítási vizsgálat kimutatta. A NAB-739 alacsonyabb citotoxicitást mutatott egy HK-2 sejtvonalon, az IC50-értékek körülbelül 26-szor kisebbek voltak, mint a polimixin B. A NAB-739 antibakteriális aktivitást is mutatott mind in vitro, mind in vivo. Míg az in vitro profilalkotás jó aktivitást mutatott E. coli és Klebsiella ellen, addig a Pseudomonas fajokkal szemben a polymyxinhez képest csökkent az aktivitás. A NAB-739 hatékonyságot mutatott egy E. coli fertőzési modellben, azonban a mai napig nem számoltak be in vivo toxicitási vizsgálatokról.

A Kubist Pharmaceuticals a CB-182,804 vegyületben a polymyxin lipofil farkának egy aril-karbamiddal való helyettesítésével a toxicitás csökkentéséről számolt be (55). Eddig ez az egyetlen az új generációs polymyxinek közül, amelyik eljutott az I. fázisú vizsgálatokig, miután cinomolgus majmokon kimutatták a csökkent nefrotoxicitást .

A Pfizer nemrégiben számolt be különböző polymyxin-származékok szintéziséről, amelyekben az aminosavlánc lineáris részének Dab-3-ját di-amino-propionsav Dap-ra cserélték, ami a jelentések szerint fokozza az antibakteriális aktivitást. Különböző biaril terminális csoportokat vizsgáltak, és arra a következtetésre jutottak, hogy a ClogD-vel mért polárisabb oldalláncú vegyületek kevésbé voltak citotoxikusak a hRPTEC vesesejtvonallal szemben, de általában véve csökkent az antibakteriális hatásuk. Azonban egy bizonyos Pfizer vegyület, az 5x (56), ahol a polymyxin lipofil farkát egy poláros N-fenil-piridon részre cserélték, a polymyxinhez képest jelentősen csökkent in vitro toxicitást mutatott, miközben megtartotta aktivitását. Az 5x vegyületet in vivo vizsgálták a nefrotoxikus potenciált a polymyxin B-vel összehasonlítva patkányban egy 7 napos vizsgálatban. Olyan expozíciós szinten, ahol a polymyxin B minden állatban nekrotikus veseelváltozásokat okozott (bár minimális mértékben) (56), nem mutatta ki a nekrotikus veseelváltozások előfordulását. Kutyában azonban a jelentések szerint a (56) nem rendelkezett jelentős biztonsági tartalékkal a polymyxin B-vel szemben. Az in vitro toxicitás és az in vivo helyzet közötti kapcsolat megértése a polymyxinek esetében még mindig egy leküzdendő akadály.

A Cantab anti-infectives arról számolt be, hogy a polymyxin nem-apeptid származékok, amelyekben az acillánc tartalmaz egy poláris funkcionalitást, csökkent toxicitást mutatnak in vitro és in vivo, miközben megőrzik az in vivo hatékonyságot . Például a vegyületet (57) összehasonlították a polymyxin B-vel egy E. coli egér combfertőzés modelljében. Az (57) 10 mg/kg teljes dózisa (i.v., b.i.d.) a baktériumterhelés 4 log10-es csökkenését eredményezte a kezeletlen kontrollhoz képest, míg ugyanez a polymyxin dózis 4,8 log10-zel csökkentette a baktériumterhelést. Hasonló eredményeket kaptunk egy Klebsiella pneumoniae fertőzési modellben, ahol az (57) a baktériumterhelés hasonló mértékű csökkenését (2,3 log10 csökkenés) eredményezte, mint a 10 mg/kg adagú kolisztin. In vitro az (57) hatszor kevésbé volt citotoxikus, mint a polymyxin, a HK-2 sejtvonallal szemben mért IC50 érték alapján. In vivo, a nefrotoxicitás patkánymodelljében az (57) a vesekárosodás vizeletbeli biomarkereinek (N-acetil-béta-d-glükozaminidáz, albumin és cisztatin C) szignifikánsan alacsonyabb szintjét adta, mint a kolistin ugyanolyan dózisban.

Egy másik megközelítést a Monash Egyetem csoportja alkalmazta, akik olyan módosításokat vizsgáltak, amelyek rezisztens törzsekkel szemben mutatnak aktivitást. A mag 6. és 7. aminosavánál fokozott lipofilitással és lipofil lánccal rendelkező polymyxinek, pl. FADDI-02 (58a) és FADD1-03 (58b) a polymyxin B-vel összehasonlítva jobb aktivitást mutatnak a Pseudomonas aeruginosa és Acinetobacter baumanii rezisztens törzseivel szemben. In vitro toxicitásról nem számoltak be, azonban a vegyületeket a nefrotoxicitás in vivo modelljében értékelték. A szövettani vizsgálat nem mutatott elváltozásokat ezeknél a FADDI-03-mal kezelt patkányoknál, szemben a polymyxin B-vel kezelt állatok vesekárosodásának pozitív jeleivel. Ezt az alacsonyabb toxicitást a molekula magas szérumkötő képességének tulajdonították, ami megakadályozza a felhalmozódást a vesében.