Antibiotici

Introduzione: farmaci antibiotici e chemioterapici

Chemioterapico: Sostanza chimica sintetica in grado di distruggere agenti infettivi. La caratteristica principale del farmaco chemioterapico deve essere quella di colpire il patogeno con estrema selettività, e questo avviene specialmente quando la differenza tra l’agente patogeno e l’organismo ospite è molta, differenza particolarmente evidente a livello del metabolismo.

Antibiotico: molecola naturale che gli stessi batteri sintetizzano per distruggere altri microrganismi competitivi.

Fattori batterici importanti per la terapia antibiotica

Identità del batterio

• Sensibilità farmacologica: importante l’Antibiogramma.
• Terapia empirica ad ampio spettro, che però comporta rischio di sviluppo di resistenza e di conseguenza questa strategia viene presa in considerazione di solito unicamente nelle situazioni più gravi.

Cosa ricavare dall’antibiogramma?

• CMI/MIC: ovvero la concentrazione minima inibente. Questo dato indica la concentrazione di farmaco necessaria affinché la crescita del batterio si arresti.
• CMB/MCB: ovvero la concentrazione minima battericida. Questo dato indica la concentrazione di farmaco necessaria per provocare la morte di un determinato batterio.

Azione degli antibiotici

Un antibiotico può agire in due modi nei confronti di un microrganismo, ovvero può essere:

• Battericida: Esistono due sottocategorie di farmaci battericidi:
  • Time-Dependent Killing: Antibiotici tempo-dipendenti. L’effetto di alcuni antibiotici può manifestarsi grazie alla grande quantità di tempo durante la quale la loro concentrazione eccede la MIC per un determinato microrganismo. Le risposte ottimali agli antibiotici con killing tempo-dipendente si ottengono quando il tempo durante il quale la concentrazione di farmaco rimane al di sopra della MIC è maggiore o uguale al 50% dell’intervallo tra le dosi.
  • Concentration-Dependent Killing: Antibiotici concentrazione-dipendenti. Altre classi di antibiotici, come gli aminoglicosidi ed i chinoloni, hanno alte concentrazioni al sito di legame e ciò porta ad un’eliminazione rapida del microrganismo. Le risposte ottimali agli antibiotici con killing concentrazione-dipendente si ottengono quando le concentrazioni raggiungono livelli di circa dieci volte maggiori della MIC per l’organismo target.
• Batteriostatico: inibisce la replicazione del microrganismo senza determinarne la completa eliminazione, che viene portata a termine dal sistema immunitario dell’ospite immunocompetente.

Antibiotico-resistenza

La resistenza agli antibiotici è un fenomeno di grande importanza nella pratica clinica, in quanto può influenzare la riuscita o meno di una terapia antimicrobica. I batteri possono:

• Essere intrinsecamente resistenti ad un determinato farmaco ed allora si parlerà di resistenza naturale (insensibilità).
• Acquisire la resistenza tramite diversi meccanismi ed allora si parlerà di resistenza indotta.

Terapie combinate

Un meccanismo generalmente usato in clinica per inibire l’insorgenza della resistenza indotta è l’uso di terapie combinate: fruttando la sinergia tra diversi farmaci è infatti possibile diminuire di molto la probabilità che insorgano microrganismi resistenti ed inoltre si ottiene un outcome migliore nel trattamento di infezioni miste o gravi o di un agente patogeno sconosciuto (per copertura). Ovviamente esistono anche dei lati negativi delle terapie combinate, come:

• La maggiore tossicità
• Il maggior costo
• La possibile interazione negativa tra molecole diverse.

Acquisizione della resistenza

I differenti modi in cui un ceppo batterico può acquisire resistenza sono:

• Mutazione-selezione: ovvero selezione di ceppi resistenti proliferanti in un ambiente nel quale vengono favoriti rispetto ai ceppi “normali” (come ad es. pz sotto terapia antibiotica).
• Trasferimento di materiale genetico: meccanismo della coniugazione, ovvero lo scambio di informazione genetica attraverso il passaggio di elementi genetici extracromosomici chiamati Plasmidi (trasduzione, trasformazione, coniugazione) [trasmissione orizzontale].
• Trasmissione verticale alle cellule figlie.

La resistenza, invece, si esplica tramite l’acquisizione di un fattore capace di impedire che la molecola antibiotica agisca sul batterio, mediante:

• Produzione di β-lattamasi: ad esempio le β-lattamasi, capaci di scindere l’anello lattamico degli omonimi antibiotici rendendoli inattivi.
• Inibizione della penetrazione dell’antibiotico nella cellula: spesso conseguenza di una mutazione cromosomica.
• Modificazione delle strutture bersaglio (attraverso mutazione delle stesse).
• Iperproduzione degli enzimi inibiti dall’antibiotico.
• Superamento del blocco metabolico attraverso vie secondarie.
• Effetto trapping: iperproduzione di proteine inattivanti l’antibiotico che formano una barriera non idrolitica all'interno della quale l'antibiotico viene intrappolato non raggiungendo così il bersaglio.
• Rapida estrusione dell’antibiotico dalla cellula.

Effetto post-antibiotico (PAE)

L'Effetto post-antibiotico (EPA o in inglese PAE, cioè post antibiotic effect) rappresenta, in farmacologia, il tempo in cui nonostante sia finita la cura antibiotica (e l'antibiotico ha quindi raggiunto una dose inferiore alla MIC) viene ancora esercitato un effetto inibitorio sulla crescita dei batteri. Questo effetto è dovuto, in vitro, a:

• Recupero delle strutture cellulari danneggiate dall'antibiotico
• Sintesi di nuovi enzimi
• Presenza residua di un po' di antibiotico nell'ambiente attorno al batterio

In vivo, a questi tre fattori se ne aggiunge un quarto, che consiste nella crescita del numero di leucociti durante il periodo di azione dell'antibiotico (PALE o: Post-antibiotic leukocyte enhancement). Per questo, in vitro il PAE è minore che in vivo. Il PAE è considerato efficace se in vitro è maggiore a un'ora e mezza, come quello dei Fluorochinoloni o degli Aminoglicosidi, mentre la penicillina ha un PAE praticamente inesistente.

Alcuni rilevanti problemi clinici: i ceppi MRSA e VRE

MRSA

L'acronimo "MRSA" significa "Methicillin-Resistant Staphylococcus aureus" (Stafilococco aureo meticillino-resistente). Si tratta di ceppi di S. aureus che hanno acquisito del materiale genetico modificandosi e diventando così più resistenti ai farmaci, soprattutto alla categoria delle beta-lattamine, cui appartiene la penicillina. L'isolamento di MRSA è in aumento a livello mondiale e tale tendenza si riflette in particolar modo nei pazienti debilitati o immunocompromessi, come ad es. quelli con fibrosi cistica. Dati recenti del registro nord-americano evidenziano un incremento drammatico della prevalenza di MRSA negli ultimi anni e attualmente il 21% dei pazienti affetti da fibrosi cistica è colonizzato da MRSA. Ciò desta apprensione per la problematica della resistenza ai farmaci.

Alcuni sottotipi di MRSA, detti di origine comunitaria (CA-MRSA) ma isolati anche nei pazienti ospedalieri, hanno inoltre la capacità di produrre fattori di virulenza e tossine con effetto citotossico che, risultando lesivi per le cellule dell'ospite, possono direttamente contribuire al danno polmonare.

Per quanto riguarda la terapia, il trattamento di prima scelta è rappresentato dagli antibiotici glicopeptidici come Vancomicina (nome commerciale: Vanco, Vancocin) e Teicoplanina (nome commerciale: Targosid). Il crescente isolamento a livello mondiale e, sporadicamente anche in Italia, di MRSA con una sensibilità intermedia oppure completamente resistenti ai glicopeptidici indica che tali farmaci non potranno essere a lungo usati in prima linea per la lotta alle infezioni da batteri Gram-positivi resistenti. Tra le nuove possibilità terapeutiche, Linezolid (nome commerciale: Zyvox, Zyvoxid) appartiene alla famiglia degli oxazolidinoni, una nuova classe di farmaci batteriostatici con uno specifico meccanismo d'azione, di dimostrata attività contro i MRSA resistenti ai glicopetidi. Questo farmaco possiede in generale un buon profilo farmacocinetico con alta penetrazione a livello polmonare e una buona tollerabilità per il paziente, tuttavia sono necessari ulteriori studi specifici sui pazienti affetti da fibrosi cistica in modo da ottimizzare il trattamento.

Per quanto riguarda il profilo di resistenza degli MRSA isolati da pazienti FC in Italia, studi nazionali microbiologici su larga scala non hanno mostrato resistenza a Vancomicina, Teicoplanina e Linezolid.

VRE

Gli enterobatteri sono in generale altamente resistenti, a tal punto da parlare di resistenza endemica agli antibiotici. Alcuni enterococchi sono intrinsecamente resistenti agli antibiotici basati sulla β-lattamina (alcune penicilline e praticamente tutte le cefalosporine) così come a molti aminoglicosidi. Negli ultimi vent'anni, sono comparsi ceppi di Enterococcus particolarmente virulenti che sono resistenti alla vancomicina (Vancomicina-resistente o VRE) in infezioni nosocomiali di pazienti ospedalizzati, special modo negli USA. VRE può essere trattato con Quinupristin/dalfopristin (Synercid) con tassi di risposta di circa il 70%.

Antibiotici attivi sulla parete cellulare

• β lattamici
• Glicopeptidi
• Lipopeptidi e altri

β lattamici

Gli antibiotici β-lattamici (famiglia delle beta lattamine) sono caratterizzati da un anello centrale β lattamico a quattro atomi che forma un'ammide ciclica. Le ammidi sono composti organici con gruppo funzionale RCONH2: sono derivati funzionali degli acidi carbossilici in cui l'idrossile (-OH) è sostituito con un gruppo amminico (-NR'R"). Le due strutture principali usate nei farmaci sono:

• L'acido 6-amminopenicillanico: tale acido è costituito da due aminoacidi (cisteina e valina) fusi in un anello beta lattamico-tiazolidinico.
• Il 7-amminocefalosporanico a cui poi si aggiungono gruppi funzionali caratteristici.

I β-lattamici possono essere raggruppati in quattro categorie, a seconda di come l'anello lattamico si lega al resto della molecola:

• Penicilline: anello tiazolidinico [anello a 5 termini contenente S e N]
• Inibitori delle β-lattamasi
• Cefalosporine e Cefamicine: anello diidrotiazinico
• Monobattami
• Carbapenemi

Tutti i β-lattamici hanno in comune:

• Aspetti chimici
• Meccanismo d'azione
• Proprietà farmacologiche
• Caratteristiche immunologiche

Rappresentano gli antibiotici più impiegati, più diversificati e meno tossici (nell’ambito degli effetti collaterali gravi sono più frequenti solamente i fenomeni di ipersensibilità).

Meccanismo d’azione dei β-lattamici

I β-lattamici inibiscono la sintesi della parete batterica, interferendo con il processo di transpeptidazione. La parete protegge i batteri dalla rottura cellulare legata alla differenza di osmolarità tra l’interno della cellula, fortemente iperosmolare, e i tessuti dell’ospite, generalmente iposmolari. La struttura che conferisce alla parete rigidità e resistenza è il Peptidoglicano, un complesso polimero costituito da polisaccaridi e polipeptidi. La sua formazione e integrità dipende dai legami crociati tra un peptide che finisce con il dimero D-Ala-D-Al e la molecola di zucchero dell'Acido acetilmuramico che si formano tramite Transpeptidazione a opera di transpeptidasi e carbossipeptidasi, enzimi posizionati dalla parte interna della parete (citoplasmatica), che rimuovono l'Ala terminale del pentapeptide. Questi enzimi sono chiamati anche proteine leganti la penicillina (PBP) poiché contengono siti attivi a cui si legano gli antibiotici beta lattamici.

Gli antibiotici beta lattamici si comportano pertanto da analoghi strutturali del substrato naturale D-Ala-D-Ala formando un legame covalente e acilando il sito attivo delle PBP rendendole inattive. Questo porta all’arresto della sintesi di Peptidoglicano e alla liberazione delle autolisine che provocano la lisi cellulare. La transpeptidasi viene acilata dalla penicillina sull’ossidrile del residuo di Serina con conseguente formazione di penicilloil-enzima inattivo e relativa scissione del legame -CO-NH- dell’anello β-lattamico. Le Penicillin-Binding-Proteins sono enzimi con ruoli diversi ed essenziali all’interno della cellula batterica e la cui mancanza o inibizione ha effetto battericida.

• PBP1 sono transpeptidasi necessarie all’integrità strutturale e la cui inibizione porta all’estensione della parete e alla lisi cellulare;
• PBP2 sono endopeptidasi preposte al mantenimento della forma bacillare di alcuni batteri e la loro inibizione genera forme ovali;
• PBP3 sono transpeptidasi la cui inibizione produce batteri filamentosi.

Resistenza alle penicilline

4 Meccanismi

• Inattivazione enzimatica da β-lattamasi, che idrolizzano il legame amidico dell’anello beta-lattamico con formazione di derivati inattivi. Tali enzimi possono essere:
  • A codificazione cromosomica o plasmidica
  • Inducibili o costitutivi
  • Prodotti da batteri Gram positivi o negativi

Esempi: Penicillinasi (S. aureus, Haemophilus, E. coli), Carbapenemasi, Cefalosporinasi (P. aeruginosa, Enterobacter), ESBL: β-lattamasi a spettro esteso.

• Modificazione del sito bersaglio PBP: alterazione delle PBP impedendo il legame dell’antibiotico
  • Stafilococchi meticillino-resistenti
  • Pneumococchi ed Enterococchi penicillino-resistenti
• Riduzione della permeabilità della parete cellulare (Gram -)
• Pompe di estrusione (Gram -): il farmaco viene espulso dalla cellula.

Penicilline

Struttura

Acido 6-amminopenicillanico: sono derivati dell'acido β-lattamico costituito da un anello tiazolidinico legato ad un anello β-lattamico. La maggior parte delle penicilline si trova in commercio sotto forma di sali sodici o potassici dell'acido libero.

Classificazione

Si possono distinguere tre categorie di penicilline:

• Penicilline (naturali): massima attività contro:
  • Batteri gram+
  • Cocchi gram-
  • Anaerobi non produttori di beta-lattamasi (Penicillina G)
• Penicilline ad alta attività antistafilococcica (semisintetiche): (Nafcillina) sono resistenti alle beta-lattamasi stafilococciche. Sono attive contro Stafilococchi e Streptococchi.
• Penicilline ad ampio spettro: Hanno maggiore attività contro microrganismi gram- ma sono anch’esse sensibili all’azione delle beta-lattamasi (Ampicillina e “Penicilline antipseudomonas” Aminopeniciline).

Farmacocinetica

Stabilità al pH: Ampicillina e Amoxicillina sono stabili a pH acido e ben assorbite

Somministrazione per via orale: l'assorbimento della maggior parte delle penicilline (tranne Amoxicillina) è diminuito dal cibo a causa di:

• Ridotto legame con le proteine alimentari
• Inattivazione da parte del succo gastrico

Assunzione 1-2 ore prima/dopo i pasti.

Somministrazione parenterale: la frazione di farmaco presente nel plasma dipende dal legame con le proteine:

• Legame forte con le proteine: Nefcillina
• Legame debole con le proteine: Penicillina G e Ampicillina

Emivita:

• Penicillina G: 30 min
• Ampicillina: 1 ora

Escrezione:

• Renale: soprattutto per secrezione tubulare. Con l'insufficienza renale l'emivita aumenta anche fino a molte ore e pertanto la dose deve essere aggiustata a seconda della funzionalità renale.
• Biliare: Nafcillina (solo), Oxacillina (anche: in caso di IR la dose non va aggiustata)

Caratteristiche delle diverse penicilline

Penicillina G (Naturale)

Prodotta per via fermentativa dal Penicillium crysogenum che assicura, rispetto al “notatum” di Fleming, maggiori rese. Attiva principalmente verso:

• Cocchi Gram+: Streptococchi, Pneumococchi penicillino-sensibili, Stafilococchi non producenti β-lattamasi
• Bacilli Gram+ (Corynebacterium e Listeria)
• Anaerobi
• Spirochete
• Treponema pallidum

Acido-sensibile: somministrazione per via parenterale e legame farmaco-proteico 65%

Eliminazione rapida per via tubulare (carattere acido) Sensibile alle beta-lattamasi Emivita breve: 30 min

Nota: considerata la veloce eliminazione della Penicillina G, sono state proposte “Formulazioni ritardo”. Si tratta di esteri o sali della penicillina che determinano un effetto deposito nel punto di iniezione (somministrazione parenterale) con rilascio lento del farmaco e realizzazione di livelli ematici persistenti.

• Penicillina procaina: Penicillina G + Procaina, livelli ematici costanti per 24h
• Penicillina benzatina: Penicillina G + Benzatina, livelli ematici elevati per circa un mese.

Importante per il trattamento di faringiti da Streptococco emolitico.

Penicilline semisintetiche

Hanno migliori caratteristiche della penicillina G, in quanto le sostituzioni interessano il gruppo NH2 in posizione 6 che permettono un ampliamento dello spettro e intensità dell’azione Fenossi-alchil-penicilline.