Antibiotici sulfamidici, chinoloni e beta-lattami

Farmaci antimicrobici

I farmaci antimicrobici comprendono tutte quelle sostanze in grado di inibire un processo metabolico o una via di sintesi sfruttata da un patogeno durante l’infezione. Sulla base della tipologia del patogeno infettante, abbiamo antibiotico (contrasta infezioni causate da batteri), antivirali (infezioni da virus), antimicotici (funghi).

Antibiotico

Gli antibiotici sono un gruppo di farmaci di origine naturale, prodotti da microorganismi (batteri, funghi, Actinomyceti) che sono in grado di intervenire nella crescita di altri microorganismi inibendola. Questo intervento può essere:

• Farmaci batteriostatici: temporaneo, in grado di arrestare momentaneamente la crescita del microorganismo.
• Farmaci battericidi: in grado di uccidere microorganismi perché toccano un meccanismo intracellulare talmente importante da causarne la morte.

Chemioterapici

I chemioterapici sono antibiotici ottenuti per via sintetica. Il principio su cui si basano gli antibiotici è un meccanismo di tossicità selettiva. Basandosi sull’evidenza che le cellule eucariotiche sono significativamente differenti rispetto alle cellule procariotiche, si parte dal fatto che anche i meccanismi molecolari intracellulari siano differenti. Poiché un farmaco non fa altro che modulare un meccanismo intracellulare, ciò che si auspica è che tale modulazione avvenga in maniera selettiva sulle cellule dei microorganismi, sfruttando proprio la differenza che c’è tra le cellule dei microorganismi e quelle degli organismi superiori. Perciò, idealmente, una sostanza antimicrobica dovrebbe avere effetto tossico sul microorganismo e nessun effetto sulla cellula umana. Tutti i farmaci antibatterici agiscono andando ad inibire una particolare via metabolica del microrganismo; per questo sono attivi su ceppi di microorganismi in rapida proliferazione. La classificazione dei nostri farmaci antibatterici è basata sulla struttura chimica e sul meccanismo d’azione:

• Inibizione della sintesi della parete batterica: Una caratteristica della parete batterica dei Gram +, un po' meno per la parete dei Gram -, è l’esistenza di una parete spessa composta da Peptidoglicano fondamentale per mantenere in vita il batterio. Impedisce alla parete di essere ingerita dagli enzimi dell'ospite e assicura un corretto scambio di metaboliti tra l’interno e l’esterno della cellula, conferendole resistenza alle varie azioni di pressione. Fanno parte di questo meccanismo farmaci come Penicillina, Cefalosporine, Antifungini Azolici e Cicloserina.
• Agiscono direttamente sulla membrana cellulare del microorganismo: Alterano la permeabilità, causando la fuoriuscita di metaboliti e nutrienti e quindi la morte della cellula. A questa classe appartengono farmaci utilizzati come antimicotici, quali Amfotericina B, Nistatina.
• Alterano le funzioni delle subunità ribosomiali 30S e 50S: Il ribosoma procariotico è differente dal ribosoma eucariotico. Perciò sono costituiti da subunità di RNA ribosomiali differenti e questo è un vantaggio nella progettazione di farmaci che agiscono solamente selettivamente su isoforme batteriche del ribosoma. Appartengono a questa classe di farmaci, Cloranfenicolo, Tetracicline.
• Legano alla subunità ribosomiale 30S: Alterano la sintesi proteica e provocano la morte cellulare. Fanno parte gli Aminoglicosidi.
• Alterano il metabolismo degli acidi nucleici: Le cellule del batterio, per potersi duplicare, hanno necessità di duplicare il materiale genetico e sintesi proteica. Fanno parte di questa classe di farmaci le Rifamicine.
• Antimetaboliti: Sono molecole che ingannano le vie metaboliche del microorganismo, poiché hanno una similitudine strutturale con il metabolita dei microorganismi e quindi sfruttano questa similitudine per andare a colpire un enzima che normalmente è deputato al metabolismo del metabolita al quale assomiglia. Esempi di classi di farmaci sono Trimetroprim, Sulfamidici.

Antivirali e sulfamidici

I sulfamidici sono i primi antibiotici ad essere stati introdotti in terapia. Nel 1936 fu scoperto il primo sulfamidico per puro caso, in quanto si stava studiando la colorazione di batteri e di fatti ad oggi la classificazione dei batteri è legata proprio al diverso comportamento del colorante Gram, per questo si suddividono in Gram + e Gram - a seconda della permanenza del colorante all’interno della parete batterica. All’epoca si stavano studiando altre tipologie di colorante, uno tra questi era il Prontosil Rosso e si vide per puro caso avere un’azione batteriostatica nei confronti dei ceppi di microrganismi sui quali veniva messo a contatto. Il Prontosil Rosso è un profarmaco perché viene attivato da alcuni enzimi detti reduttasi espressi a livello del fegato mediante una riduzione catalitica del doppio legame N=N. Questa riduzione catalitica origina un farmaco che è la Sulfanilamide che è il principio attivo del Prontosil Rosso mentre il 1,2,4-Triaminobenzene non è altro che un veicolante. La Sulfanilamide era responsabile dell’attività batteriostatica sui ceppi di microorganismi sui quali veniva messa a contatto.

Meccanismo d’azione dei sulfamidici

Il meccanismo d'azione dei sulfamidici si basa sull'inibizione di un enzima importante per la sopravvivenza del batterio che è la diidropteroato sintetasi, un enzima chiave per la biosintesi dei derivati dell’acido folico, quale il tetraidrofolato (THF).

Come avviene la biosintesi del THF?

Il THF è un coenzima (acido folico = vitamina) contenuto nelle verdure verdi, in alcuni agrumi e nel latte. È fondamentale perché coopera con l’enzima nella donazione di unità carboniose che avviene durante la biosintesi di basi puriniche e di amminoacidi quali la Serina e Metionina.

Step 1: Conversione del THF

Il THF viene convertito nella sua forma attiva N5,N10-Meteniltetraidrofolato per poter assolvere la sua funzione. Per convertire il THF che è inattiva nella sua forma attiva, si fa una reazione enzimatica catalizzata dalla Formimmino Transferasi, enzima in grado di trasferire all’azoto (N) in posizione 5 del THF un’unità imminica HN=CH. In presenza di H₂O si ha idrolisi, ovvero l’azoto N viene sostituito dall’O e l’N in posizione 10 del THF effettua un attacco nucleofilo su quello che ormai è diventato una funzione aldeidica. Si forma così un ulteriore ciclo intramolecolare che poi evolve attraverso un’ idrolisi formando nuovamente un’immina, esce una molecola di H₂O e il doppietto di non legame dell’N ripiega sul legame con il C e abbiamo nuovamente la formazione di un’immina. Otteniamo la forma attiva del THF.

Step 2: Reazione della forma attiva del THF

La forma attiva del THF ha una caratteristica importante, ovvero il C legato all’N è polarizzato in senso positivo. L’N che può provenire da un amminoacido o da una base purinica può effettuare un attacco nucleofilo sul C, il doppietto di elettroni ripiega sull’N e si forma un intermedio con C tetraedrico che successivamente evolve rompendo il ciclo, si ripassa nuovamente per l’intermedio tetraedrico. L’OH esce dalla molecola e si forma nuovamente l’immina, il doppio legame tra C=N. È tutto in equilibrio e alla fine da tutto questo meccanismo otteniamo il nostro amminoacido o base purinica che presenta legata una funzione aldeidica. Quindi l’amminoacido o base purinica che reagisce con N5,N10-Meteniltetraidrofolato ha guadagnato un’unità carboniosa sotto forma di gruppo aldeidico che non è molto stabile e può facilmente ridursi a formare un alcool oppure l’OH esce e si forma il CH₃. Questo è il meccanismo con cui avviene la biosintesi di basi puriniche e di alcuni amminoacidi quali Serina o Metionina. Questi amminoacidi o le basi puriniche sono essenziali per la duplicazione del DNA e per la trascrizione in proteine, di conseguenza andando a bloccare la sintesi del THF automaticamente blocchiamo tutto questo meccanismo che porta alla formazione di metaboliti intracellulari essenziali per la sopravvivenza.

Tossicità selettiva

L’uomo è incapace di sintetizzare i folati a partire dai loro componenti perché è sprovvisto degli enzimi necessari e quindi per noi l’acido folico deve essere assunto attraverso la dieta. Nei microorganismi invece, la sintesi del THF avviene da se e avviene a partire dalla 6-Idrossimetil-diidiropterina. Da questo metabolita una chinasi addiziona due molecole di fosfato sulla funzione alcolica, molto importante perché quando vogliamo eliminare la funzione alcolica l’OH, non essendo esso un buon gruppo uscente, deve essere convertito in un miglior gruppo uscente come può esserlo il difosfato. Infatti, una volta formato il 6-Idrossimetil-diidiropterina pirofosfato, abbiamo la coniugazione con il PABA p-Aminobenzoico questa fase è catalizzata dalla DHPS Diidropteroato sintetasi che accoglie il PABA e lo presenta alla 6-diidirossimetil-diidiropterina pirofosfato catalizzando la formazione del legame tra il CH₂ della pteridina e l’NH₂ del PABA, formando così il diidropteroato, mentre il Pirofosfato esce come gruppo uscente. A questo punto il diidropteroato subisce un’altra reazione di coniugazione con il Glutammato (aminoacido naturale presente anche nel corredo metabolico dei microorganismi) questa fase è catalizzata da un altro enzima la DHFS Diidrofodolato sintetasi e si forma il Diidrofolato che è quello che assumiamo con la dieta. L’ultimo passaggio metabolico che vedremo è comune sia all’uomo (organismi superiori) che ai microorganismi. L’enzima utilizzato è il DHFR Diidrofodolato reduttasi che riduce il doppio legame N=C portando alla formazione del tetraidrofolato THF. Questo passaggio è fondamentale perché quello che fa il tetraidrofolato è accettare un’unità imminica della Formimmino Transferasi e non la potrà mai accettare se questo azoto è impegnato in tre legami ed è quindi fondamentale che si abbia la riduzione del doppio legame.

Via dell'inibizione del THF

Questa è la via che utilizzano i sulfamidici, agiscono inibendo la Diidropteroato Sintetasi in quanto sono estremamente simili al PABA che è il componente strutturale fisiologico dei derivati dell’acido folico e che sono fondamentali nella biosintesi della Timidina senza la quale i Batteri non potrebbero moltiplicarsi. I sulfamidici utilizzano questa via dell’inibizione del THF proprio perché è selettiva per il batterio e non si verifica nell'uomo.

Come agiscono i sulfamidici?

Il PABA farmacoforicamente non è altro che un NH₂ legato ad un anello arilico e in posizione para costituito da una funzione carbossilica. Esso interagisce con la diidropteroato sintetasi lega il substrato del PABA e lo porta al substrato del sito attivo facendo aumentare la cinetica della reazione tra il PABA e diidropteroato. Quindi l’enzima interagisce con il PABA attraverso un legame H stabilito dalla NH₂ del ππ substrato con un aminoacido presente nel sito attivo. L’anello arilico invece forma interazioni o di Van Der Waals, mentre il Carbossilato che a pH fisiologico è sempre deprotonato forma un legame ionico con un aminoacido tipo Lisina, Arginina che presentano una carica positiva sulla catena laterale. La Sulfanilamide, il primo antibatterico dei sulfamidici ad essere stato scoperto, confrontandolo con il PABA, si può vedere come stabilisce le stesse interazioni, questo significa che la Sulfanilamide si comporta da ingannatore dell’enzima, fa credere all’enzima di essere il PABA dal momento che è simile sia a livello strutturale che delle interazione che stabilisce. Però non è il PABA e nel momento in cui la Sulfanilamide si lega alla diidropterina non presenta la funzione carbossilica COO-, ma bensì la funzione solfonammidica SO₂NH₂ che non consente lo step di reazione successivo ossia l’accoppiamento con l’acido glutammico e quindi la sintesi del diidrofolato si stoppa. Infatti sono i legami ionici a maggior contenuto energetico che permettono il corretto riconoscimento del substrato e target, cosa che avviene nel PABA ma non nella Sulanilamide.

• Il PABA a pH fisiologico si trova sempre nella sua forma dissociata (pH=7.4) mentre il suo pH in generale è di 4.9. si dissocia in carbossile COO-.
• La Sulanilamide ha pH=10.5 quindi la sua dissociazione a pH fisiologico non può avvenire. Nella Sulanilamide si dissocia la parte acida che è l’NH₂ (perde l’H per formare la carica negativa NH-) però l’acidità del NH₂ è molto bassa, perciò la Sulfanilamide è poco potente, diversamente dai suoi successori come la Sulfametossazolo, dove la sostituzione sull’N di un eterociclo chiamato Isossazolo, aumenta l’acidità, questo perché se l’H viene perso si forma la carica negativa che si delocalizza su tutto l’eterociclo coniugato, infatti ha un pH=6 più vicino al PABA.
• Un altro aspetto importante per la sostituzione sull’N è rappresentato da un aumento di affinità con l’enzima costituito da aminoacidi idrofobici, le cui catene laterali possono formare delle interazioni idrofobiche rafforzando il legame tra farmaco e enzima.

Effetti collaterali

Uno dei principali problemi dei sulfamidici, anche se hanno tossicità selettiva, è quella legata alla cristalluria. Si formano dei calcoli renali perché l’eliminazione di questi farmaci avviene per via renale e poiché i primi sulfamidici prodotti non erano molto solubili nelle urine, precipitavano formando dei cristalli provocando la colica renale. Aggiungendo un eterociclo, come nel Sulfametossazolo, non solo aumentiamo l’attività perché riduciamo il pH e lo rendiamo più simile a quello del substrato naturale, ma soprattutto aumentiamo la solubilità nelle urine (le urine sono acide) riducendo l’effetto collaterale del cristallo precipitato. Reazioni di ipersensibilità si manifestano con una sindrome molto caratteristica che è quella di Steven Johnson, una reazione cutanea. Oppure effetti a carico del midollo osseo, pelle, reni, e diversi organi.

Relazione struttura-attività SAR

La SAR ci permette di capire perché nelle modifiche strutturali chimiche del farmaco vanno a modificare l’attività biologica.

• L’anello aromatico non può essere toccato.
• La funzione amminica è impegnata in un legame H, quindi è sicuramente farmacoforica (parte della molecola responsabile della sua attività farmacologica) e può essere sostituita su uno solo dei due N con gruppi che vengono facilmente rimossi in vivo, ovvero gruppi di enzimi del sistema dell’ospite possono poi idrolizzare.
• La funzione solfonammidica è quella in cui avvengono più sostituzioni, fondamentale è la presenza di un H acido che si deve allontanare per generare la carica negativa responsabile dell’interazione ionica con l’enzima. R può essere qualsiasi cosa, un eterociclo, una funzione acetica, gruppo guanidinico, è l’unica parte della molecola che può essere soggetta a diverse sostituzioni. Se invece sostituiamo la funzione solfonammidica con ad esempio O=C-NH₂ l’attività diminuisce, stessa cosa se la sostituiamo con una carbossi anilina. Se invece la sostituiamo con la Solfoanilina l’attività si conserva e in realtà il farmaco che presenta questa funzione solfoanilinica è il Dapsone, farmaco usato per la Lebbra.

Queste sostituzioni che possono avvenire in una Sulanilamide ci influenzano le caratteristiche farmacodinamiche, possibilità di interagire con l’enzima qualora sia presente un eterociclo ottimale per interfacciarsi con la porzione idrofobica presente sull'enzima, oppure si possono modificare le proprietà farmacocinetiche come la solubilità ionizzazione in particolare questo avviene per la funzione R1.

Quindi sui sulfamidici si è generata una regola generale relativa alla loro distribuzione all’interno del nostro organismo. Infatti i sulfamidici possono essere utilizzati come antibiotici ad uso sistemico qualora i loro parametri farmacocinetici lo consentono, ma possono essere utilizzati allo stesso modo come antisettici urinari, quindi contro infezioni urinarie o anche come antisettici intestinali laddove sono presenti patologie come infezioni intestinali o colite membranose. Si è visto che se la funzione solfonammidica è:

• Sostituita con gruppi donatori di legame H tipo la guanidina allora avremo un assorbimento sistemico molto scarso e significa che il farmaco assunto per via orale non essendo assorbito andrà direttamente nell'intestino, se nell'intestino dovesse esserci un'infezione allora il farmaco sarà in grado di funzionare sui batteri che lo colonizzano e che causano disordini intestinali esempio la Sulfaguanidina. Un altro farmaco utilizzato a livello intestinale è la Sulfasalazina. Quest’ultimo è utilizzato nelle malattie autoimmuni come la colite ulcerosa, è un profarmaco idrolizzato da una particolare reduttasi liberando l’acido 5-Amminosalicilico (Mesalammamina) che è un antinfiammatorio + Sulfapiridina che è un sulfamidico che agisce sui batteri presenti a livello dell’intestino che causano l’infezione. La Sulapiridina anche se non rientra nella categoria dei legami H in quanto non dona però si trova in questa categoria perché ha la funzione di antibiotico intestinale.
• Se invece contiene gruppi indifferenti nei confronti di legami a H allora viene facilmente assorbito ed eliminato rapidamente attraverso le urine, uno scopo può essere quello di utilizzare tali sulfamidici come antisettici urinari, reagiscono sulla popolazione batterica che sta creando l'infezione a livello delle basse vie urinarie e sono il Sulfatiazolo e Sulfafurazolo.
• Se contiene gruppi accettatori di legame H (metossilico CH₃O) sono sulfamidici sistemici.