Polymyxin
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Polymyxins são uma classe de decapeptídeos catiónicos cíclicos, caracterizados pela presença de cinco resíduos de aminas carregadas positivamente, de ácido di-amino butírico (Dab), e uma cauda lipofílica, como mostra a estrutura da polimixina B1 (50). Eles demonstram uma potente atividade contra bactérias Gram-negativas, e foram usados pela primeira vez clinicamente na década de 1950, mas o uso foi limitado pelos relatos de toxicidade, particularmente a nefrotoxicidade. No entanto, na última década, com a prevalência crescente de bactérias Gram-negativas multi-resistentes, houve um ressurgimento no uso de polimixinas como drogas de último recurso .
Existem muitos inconvenientes para a atual terapia com polimixinas. A preparação mais comum no uso clínico é a pró-droga da Polimixina E (Colistin) (51) conhecida como CMS (Colistin methane sulfonate), que foi desenvolvida nos anos 60 como uma forma menos tóxica de dosagem. Entretanto, como um pró-fármaco com cinco grupos de amino sulfonados, a farmacocinética é complicada e não é bem compreendida. A polimixina B é dosada como sal sulfato por infusão lenta para superar os efeitos toxicológicos agudos, mas as preocupações com a nefrotoxicidade levam a uma dosagem subótima. Uma polimixina de “segunda geração” com um índice terapêutico melhorado, e um regime de dosagem desenvolvido com a moderna metodologia PK-PD seria uma adição vantajosa ao arsenal contra infecções Gram-negativas multi-resistentes.
O modo de ação das polimixinas não é totalmente compreendido. As polimixinas ligam-se e perturbam o lipopolissacarídeo (LPS) de carga negativa da membrana externa das bactérias Gram-negativas, permitindo a passagem da polimixina (e de outras drogas) para o espaço periplásmico. Embora as polimixinas sejam moléculas catiônicas anfifílicas, a ligação e reconhecimento à membrana externa é específica. A eliminação da cadeia gorda-acil e do aminoácido 1 leva à polimixina B nonapeptídeo (PMBN, (52)), que embora significativamente menos activa que a polimixina B, retém a capacidade de permeabilizar a membrana externa das bactérias Gram-negativas. O enantiômero do PMBN, no entanto, não é um permeabilizante. Um modelo de ligação da polimixina ao lípido hidrofóbico altamente conservado A do LPS foi concebido, baseado em estudos de RMN de polimixina em complexo com LPS. Neste modelo, as aminas positivamente carregadas interagem com os fosfatos do LPS, enquanto a cauda lipofílica e a região 6-7 do aminoácido lipofílico do núcleo interagem com a cauda lipídica do LPS. Alguns derivados da polimixina sem atividade antibacteriana significativa demonstraram ligar-se ao LPS e permeabilizar as bactérias à ação de outros antibióticos .
As relações estrutura-actividade das polimixinas foram exaustivamente revistas em 2010 e desde essa data houve mais desenvolvimentos na química medicinal e investigações pré-clínicas dirigidas tanto para reduzir a toxicidade como para aumentar o nível de atividade, particularmente contra estirpes multirresistentes emergentes.
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Polimixinas exibem nefrotoxicidade em níveis próximos à dose terapêutica, bem como uma série de efeitos toxicológicos agudos mal caracterizados. O mecanismo da nefrotoxicidade está atualmente sob investigação, porém acredita-se que esteja relacionado com a natureza catiônica da molécula e com o acúmulo dentro das células epiteliais proximais do tubo renal, com captação mediada pelo receptor multi-ligante, a megalina. A citotoxicidade tem sido determinada nos tipos celulares em que a droga se acumula, por exemplo, células do tubo renal proximal humano (HK-2) ou células epiteliais do tubo proximal (PTEC), e pode envolver danos mitocondriais, ou o envolvimento de espécies reativas de oxigênio.
Nos últimos anos, uma série de abordagens tem sido realizada para reduzir a toxicidade e melhorar o índice terapêutico de polimixinas. A síntese total de novos derivados de polimixinas, via síntese de peptídeos de fase sólida, tem sido a principal via, permitindo a manipulação em qualquer ponto da estrutura da polimixina. A semi-síntese a partir da própria polimixina também tem sido amplamente utilizada, aproveitando a capacidade de várias enzimas para clivar seletivamente a cauda lipofílica e a cadeia de tripéptidos em posições específicas. A proteção seletiva dos grupos de aminoácidos terminais dos resíduos da Dab também tem sido alcançada, permitindo a semi-síntese de uma variedade de derivados do nonapeptídeo.
Foi relatado que a remoção da cauda lipofílica e do aminoácido 1 para deixar a polimixina B nonapeptídeo (PMBN) (52) leva a uma redução significativa na nefrotoxicidade e atividade antibacteriana, mantendo a capacidade da molécula de permeabilizar as bactérias à ação de outros antibióticos. Esta redução na toxicidade foi recentemente confirmada por estudos in vivo na AstraZeneca , nos quais a histopatologia revelou alterações notáveis nos rins de ratos tratados com colistina em comparação com os tratados com PMBN ou controle de veículos.
Numa série de derivados sem a cadeia gorda-acílica, Katsuma e colegas de trabalho têm investigado análogos de polimixina específicos de Pseudomonas. A substituição da cadeia gordo-acil e aminoácido 1 da polimixina por todos os resíduos básicos, como a cadeia Dab-Dab-Dab (53a), resultou em potente e seletiva atividade de Pseudomonas in vitro, mas com aumento da toxicidade aguda no rato. Um pequeno aminoácido hidrofílico no N-terminal (ácido di-amino propiônico (Dap), ou serina) (53b,c) resultou em atividade de Pseudomonas in vitro comparável à própria polimixina B. O análogo Dap (53b) mostrou 4,9 vezes menos toxicidade aguda do que a polimixina B no rato. O efeito sobre a toxicidade renal não foi relatado nesta série.
Uma abordagem tomada pelos antibióticos do Norte para reduzir a toxicidade dos derivados da polimixina foi reduzir o número de cargas positivas na molécula. Embora os resíduos de Dab na porção cíclica da polimixina tenham se mostrado cruciais tanto para a ligação do LPS quanto para a atividade antibacteriana subseqüente, a ligação ao LPS ainda pode ocorrer em análogos sem resíduos de aminas na porção linear do peptídeo. Tais derivados podem atuar como permeabilizadores de outros antibióticos e alguns têm atividade por si só contra um espectro mais restrito de organismos. Exemplos incluem os nonapeptides NAB-7061 (54a) com aminobutirato na posição 3, e NAB-739 (54b) com d-serina na posição 3. Ambos retêm a capacidade da polimixina de permeabilizar a membrana externa e agir sinergicamente com outros antibióticos. Tanto a NAB-7061 como a NAB-739 demonstraram afinidades menores (aproximadamente um quinto mais baixas) para a membrana da borda da escova do córtex renal do que a polimixina, como demonstrado em um ensaio de deslocamento radiolabelado de gentamicina. A NAB-739 demonstrou menor citotoxicidade em uma linha celular HK-2 com valores de IC50 aproximadamente 26 vezes menores do que a polimixina B. A NAB-739 também demonstrou atividade antibacteriana tanto in vitro quanto in vivo. Enquanto o perfil in vitro mostrou boa atividade contra E. coli e Klebsiella, a atividade foi reduzida em comparação com a polimixina contra as espécies de Pseudomonas. NAB-739 demonstrou eficácia em um modelo de infecção por E. coli, entretanto, até o momento não houve relatos de estudos de toxicidade in vivo.
Farmacêutica Cubista relatou a redução da toxicidade pela substituição da cauda lipofílica da polimixina por uma uréia arilo no composto CB-182.804 (55). Até o momento esta é a única da nova geração de polimixinas a avançar para os ensaios de Fase I, após demonstrar redução da nefrotoxicidade em macacos cinomolgos .
Pfizer recentemente relatou a síntese de uma variedade de derivados de polimixina na qual o Dab-3 da porção linear da cadeia de aminoácidos foi substituído por Dap ácido di-amino propiônico, que foi relatado para aumentar a atividade antibacteriana. Uma variedade de grupos terminais biarílicos foi investigada com a conclusão de que os compostos com cadeias laterais mais polares, como medido pelo ClogD, eram menos citotóxicos contra a linha de células renais hRPTEC, mas tinham uma tendência geral para reduzir a potência antibacteriana. Entretanto, um determinado composto de Pfizer, 5x (56) onde a cauda lipofílica da polimixina foi substituída por uma piridona polar de N-fenil, mostrou uma toxicidade in vitro consideravelmente reduzida em comparação com a polimixina, mantendo a atividade. O composto 5x foi examinado in vivo para potencial nefrotóxico em comparação com a polimixina B no rato em um estudo de 7 dias. Em um nível de exposição onde a polimixina B produziu lesões renais necróticas em todos os animais (embora mínimas) (56) não mostrou nenhuma incidência de lesões renais necróticas. No entanto, no cão, não houve relato de margem de segurança significativa de (56) sobre a polimixina B. Entender a relação da toxicidade in vitro com a situação in vivo em polimixinas ainda é um obstáculo a ser superado.
Os anti-infecciosos cantábicos relataram que os derivados não apeptídicos da polimixina B nos quais a cadeia de acilo contém uma funcionalidade polar demonstram toxicidade reduzida in vitro e in vivo enquanto retêm a eficácia in vivo . Por exemplo, o composto (57) foi comparado à polimixina B em um modelo de infecção de coxa de rato E. coli. Uma dose total de 10 mg/kg (i.v., b.i.d.) de (57) deu uma redução de 4 log10 na carga bacteriana em comparação com o controle não tratado, enquanto a mesma dose de polimixina reduziu a carga bacteriana em 4,8 log10. Resultados semelhantes foram obtidos num modelo de infecção Klebsiella pneumoniae, onde (57) deu uma redução semelhante da carga bacteriana (2,3 log10 de redução) à colistina a 10 mg/kg. In vitro, (57) foi seis vezes menos citotóxica que a polimixina, medida pela IC50 contra a linha de células HK-2. In vivo, em um modelo de nefrotoxicidade em ratos, (57) deu um nível significativamente menor de biomarcadores urinários de lesão renal (N-acetil-beta-d-glucosaminidase, albumina e cistatina C) comparado à colistina na mesma dose.
Outra abordagem foi adotada pelo grupo da Universidade de Monash, que tem investigado modificações que mostram atividade contra cepas resistentes . Polimixinas com aumento de lipofilicidade nos aminoácidos 6 e 7 do núcleo, e uma cadeia lipofílica, por exemplo FADDI-02 (58a) e FADD1-03 (58b) mostram melhor atividade contra cepas resistentes de Pseudomonas aeruginosa e Acinetobacter baumanii quando comparadas à polimixina B. A toxicidade in vitro não é relatada; entretanto, os compostos foram avaliados em um modelo in vivo de nefrotoxicidade. O exame histológico não mostrou lesões nestes ratos tratados com FADDI-03 quando comparados com sinais positivos de lesão renal nos animais tratados com polimixina B. Esta menor toxicidade tem sido atribuída à alta ligação sérica da molécula, impedindo o acúmulo nos rins.