8 Polimixine

Polimixinele sunt o clasă de decapeptide ciclice cationice caracterizate prin prezența a cinci resturi de amină încărcate pozitiv, din acidul di-aminobutiric (Dab), și a unei cozi lipofile, așa cum se arată în structura polimixinei B1 (50). Aceștia demonstrează o activitate puternică împotriva bacteriilor Gram-negative și au fost utilizați pentru prima dată în clinică în anii 1950, dar utilizarea lor a fost limitată de rapoartele de toxicitate, în special nefrotoxicitate. Cu toate acestea, în ultimul deceniu, odată cu prevalența tot mai mare a bacteriilor Gram-negative multirezistente la medicamente, s-a înregistrat o reapariție a utilizării polimixinelor ca medicamente de ultimă instanță.

Există multe dezavantaje ale terapiei actuale cu polimixine. Cel mai frecvent preparat utilizat în clinică este promedicamentul de polimixină E (Colistin) (51) cunoscut sub numele de CMS (Colistin methane sulfonat), care a fost dezvoltat în anii 1960 ca o formă de dozare mai puțin toxică. Cu toate acestea, fiind un promedicament cu cinci grupe amino sulfonilate, farmacocinetica este complicată și nu este bine înțeleasă. Polimixina B este dozată sub formă de sare de sulfat prin perfuzie lentă pentru a depăși efectele toxicologice acute, dar preocupările legate de nefrotoxicitate conduc la o dozare suboptimală. O polimixină de „a doua generație” cu un indice terapeutic îmbunătățit și un regim de dozare dezvoltat cu ajutorul metodologiei moderne PK-PD ar fi o completare avantajoasă a arsenalului împotriva infecțiilor Gram-negative multirezistente la medicamente.

Modul de acțiune al polimixinelor nu este pe deplin înțeles. Polimixinele se leagă de lipopolizaharida (LPS) încărcată negativ a membranei externe a bacteriilor Gram-negative și o perturbă, permițând trecerea polimixinei (și a altor medicamente) în spațiul periplasmatic. Deși polimixinele sunt molecule amfifile cationice, legarea și recunoașterea la membrana externă este specifică. Ștergerea lanțului de acizi grași și a aminoacidului 1 conduce la polimixina B nonapeptidă (PMBN, (52)), care, deși este semnificativ mai puțin activă decât polimixina B, păstrează capacitatea de a permeabiliza membrana externă a bacteriilor Gram-negative. Enantiomerul PMBN, cu toate acestea, nu este un permeabilizator. Pe baza studiilor RMN ale polimixinei în complex cu LPS, a fost elaborat un model de legare a polimixinei la lipidul hidrofob foarte conservat A al LPS. În acest model, aminele încărcate pozitiv interacționează cu fosfații din LPS, în timp ce coada lipofilă și regiunea lipofilă a aminoacizilor 6-7 din nucleu interacționează cu coada lipidică a LPS. S-a demonstrat că anumiți derivați de polimixină fără o activitate antibacteriană semnificativă se leagă de LPS și permeabilizează bacteriile la acțiunea altor antibiotice.

Relațiile structură-activitate ale polimixinelor au fost revizuite în detaliu în 2010 și, de la acea dată, au avut loc noi evoluții în chimia medicamentoasă și în investigațiile preclinice orientate atât spre reducerea toxicității, cât și spre creșterea nivelului de activitate, în special împotriva tulpinilor multirezistente emergente.

Polimixinele prezintă nefrotoxicitate la niveluri apropiate de doza terapeutică, precum și o serie de efecte toxicologice acute slab caracterizate. Mecanismul nefrotoxicității este în prezent în curs de investigare , cu toate acestea, se crede că este legat de natura cationică a moleculei și de acumularea în celulele epiteliale tubulare proximale renale, cu absorbție mediată de receptorul multi-ligand, megalina . Citotoxicitatea a fost determinată în tipurile de celule în care se acumulează medicamentul, de exemplu celulele tubulare proximale renale umane (HK-2) sau celulele epiteliale tubulare proximale (PTEC), și poate implica leziuni mitocondriale sau implicarea speciilor reactive de oxigen.

În ultimii ani, au fost întreprinse o serie de abordări pentru a reduce toxicitatea și a îmbunătăți indicele terapeutic al polimixinelor. Sinteza totală a unor noi derivați de polimixină, prin sinteza peptidică în fază solidă, a fost calea principală, permițând manipularea în orice punct al structurii polimixinei. Semisinteza pornind de la polimixina însăși a fost, de asemenea, utilizată pe scară largă, bazându-se pe capacitatea diferitelor enzime de a scinda selectiv coada lipofilă și lanțul tripeptidic în poziții specifice. S-a realizat, de asemenea, o protecție selectivă a grupărilor amino terminale ale reziduurilor Dab, permițând semisinteza unei varietăți de derivați ai nonapeptidei.

S-a raportat că îndepărtarea cozii lipofile și a aminoacidului 1 pentru a obține polimixina B nonapeptidă (PMBN) (52) duce la o reducere semnificativă a nefrotoxicității și a activității antibacteriene, păstrând în același timp capacitatea moleculei de a permeabiliza bacteriile la acțiunea altor antibiotice. Această reducere a toxicității a fost confirmată recent prin studii in vivo la AstraZeneca , în care histopatologia a evidențiat modificări notabile în rinichii șobolanilor tratați cu colistină în comparație cu cei tratați cu PMBN sau cu vehiculul de control.

Într-o serie de derivați lipsiți de lanțul gras-acetil, Katsuma și colaboratorii au investigat analogii de polimixină specifici pentru Pseudomonas . Înlocuirea lanțului gras-acetil și a aminoacidului 1 al polimixinei cu toate reziduurile bazice, cum ar fi lanțul Dab-Dab-Dab (53a), a dus la o activitate puternică și selectivă pentru Pseudomonas in vitro, dar cu o toxicitate acută crescută la șoarece. Un mic aminoacid hidrofil la extremitatea N-terminală [acid di-aminopropionic (Dap) sau serină] (53b,c) a determinat o activitate Pseudomonas in vitro comparabilă cu polimixina B însăși. Analogul Dap (53b) a prezentat o toxicitate acută de 4,9 ori mai mică decât polimixina B la șoarece. Efectul asupra toxicității renale nu a fost raportat în această serie.

O abordare adoptată de Northern Antibiotics pentru reducerea toxicității derivaților polimixinei a fost reducerea numărului de sarcini pozitive din moleculă. Deși s-a demonstrat că reziduurile Dab din porțiunea ciclică a polimixinei sunt cruciale atât pentru legarea LPS, cât și pentru activitatea antibacteriană ulterioară , legarea la LPS poate avea loc în continuare în analogii lipsiți de reziduuri de amină în porțiunea liniară a peptidei . Astfel de derivați pot acționa ca permeabilizatori pentru alte antibiotice, iar unii dintre ei au o activitate de sine stătătoare împotriva unui spectru mai restrâns de organisme. Exemplele includ nonapeptidele NAB-7061 (54a) cu aminobutirat în poziția 3 și NAB-739 (54b) cu d-serină în poziția 3. Ambele păstrează capacitatea polimixinei de a permeabiliza membrana externă și acționează sinergic cu alte antibiotice. Atât NAB-7061, cât și NAB-739 au demonstrat afinități mai mici (cu aproximativ o cincime mai mici) pentru membrana de la marginea perilor din cortexul renal decât polimixina, așa cum s-a demonstrat într-un test de dislocare a gentamicinei radiomarcate. NAB-739 a demonstrat o citotoxicitate mai mică pe o linie celulară HK-2, cu valori IC50 de aproximativ 26 de ori mai mici decât polimixina B. NAB-739 a demonstrat, de asemenea, o activitate antibacteriană atât in vitro, cât și in vivo. În timp ce profilarea in vitro a arătat o activitate bună împotriva E. coli și Klebsiella, activitatea a fost redusă în comparație cu polimixina împotriva speciilor de Pseudomonas. NAB-739 a demonstrat eficacitate într-un model de infecție cu E. coli , cu toate acestea, până în prezent nu au fost raportate studii de toxicitate in vivo.

Cubist Pharmaceuticals a raportat reducerea toxicității prin înlocuirea cozii lipofile a polimixinei cu o ariluree în compusul CB-182,804 (55). Până în prezent, aceasta este singura din noua generație de polimixine care a trecut la studii de fază I, după ce a demonstrat o nefrotoxicitate redusă la maimuțele cynomolgous .

Pfizer a raportat recent sinteza unei varietăți de derivați de polimixină în care Dab-3 din porțiunea liniară a lanțului de aminoacizi a fost înlocuit cu acidul di-amino-propionic Dap , ceea ce a fost raportat ca sporind activitatea antibacteriană. S-a investigat o varietate de grupări terminale biarilice și s-a ajuns la concluzia că compușii cu lanțuri laterale mai polare, măsurate prin ClogD, au fost mai puțin citotoxice împotriva liniei de celule renale hRPTEC, dar au avut o tendință generală de reducere a potenței antibacteriene. Cu toate acestea, un anumit compus Pfizer, 5x (56), în care coada lipofilă a polimixinei a fost înlocuită cu o fracțiune polară de N-fenil piridonă, a prezentat o toxicitate in vitro considerabil redusă în comparație cu polimixina, păstrându-și în același timp activitatea. Compusul 5x a fost examinat in vivo în ceea ce privește potențialul nefrotoxic în comparație cu polimixina B la șobolan într-un studiu de 7 zile. La un nivel de expunere la care polimixina B a produs leziuni renale necrotice la fiecare animal (deși minime), (56) nu a prezentat nicio incidență a leziunilor renale necrotice. Cu toate acestea, la câine, s-a raportat că nu a existat o marjă de siguranță semnificativă a (56) față de polimixina B. Înțelegerea relației dintre toxicitatea in vitro și situația in vivo în cazul polimixinelor este încă un obstacol care trebuie depășit.

Cantab anti-infecțioase a raportat că derivații nonapeptidici ai polimixinei în care lanțul acil conține o funcționalitate polară demonstrează o toxicitate redusă in vitro și in vivo, păstrând în același timp eficacitatea in vivo . De exemplu, compusul (57) a fost comparat cu polimixina B într-un model de infecție a coapsei de șoarece cu E. coli. O doză totală de 10 mg/kg (i.v., b.i.d.) de (57) a determinat o reducere cu 4 log10 a încărcăturii bacteriene în comparație cu martorul netratat, în timp ce aceeași doză de polimixină a redus încărcătura bacteriană cu 4,8 log10. Rezultate similare au fost obținute într-un model de infecție cu Klebsiella pneumoniae, unde (57) a determinat o reducere similară a încărcăturii bacteriene (reducere de 2,3 log10) față de colistină la 10 mg/kg. In vitro, (57) a fost de șase ori mai puțin citotoxic decât polimixina, măsurat prin IC50 față de linia celulară HK-2. In vivo, într-un model de nefrotoxicitate la șobolani, (57) a determinat niveluri semnificativ mai scăzute ale biomarkerilor urinari ai leziunilor renale (N-acetil-beta-d-glucozaminidază, albumină și cistatină C) în comparație cu colistina la același nivel de doză.

O altă abordare a fost adoptată de grupul de la Universitatea Monash, care a investigat modificările care prezintă activitate împotriva tulpinilor rezistente . Polimixinele cu lipofilicitate crescută la nivelul aminoacizilor 6 și 7 din nucleu și cu un lanț lipofilic, de exemplu FADDI-02 (58a) și FADD1-03 (58b), prezintă o activitate îmbunătățită împotriva tulpinilor rezistente de Pseudomonas aeruginosa și Acinetobacter baumanii în comparație cu polimixina B. Toxicitatea in vitro nu este raportată; cu toate acestea, compușii au fost evaluați într-un model in vivo de nefrotoxicitate. Examinarea histologică nu a arătat leziuni la acești șobolani tratați cu FADDI-03, în comparație cu semnele pozitive de afectare a rinichilor la animalele tratate cu polimixină B. Această toxicitate mai scăzută a fost atribuită legăturii serice ridicate a moleculei, împiedicând acumularea în rinichi.

.