Chimica biofarmaceutica - Appunti

Antibiotici macrolidi

Introduzione ai macrolidi

I macrolidi sono una classe di antibatterici composta da strutture lattoniche di tipo macrociclico. Essi mostrano in prevalenza attività batteriostatica sebbene possiedano uno spettro d'azione tipico delle penicilline. Il meccanismo d'azione tipico prevede la formazione di un legame reversibile con la subunità 50S del ribosoma batterico, sopprimendo così l'attività traslocatoria operata dal ribosoma stesso.

Eritromicina

L' Eritromicina è il capostipite della famiglia di farmaci nota come macrolidi. L'anello lattonico macrociclico è caratterizzato dalla presenza di una funzione chetonica e da vari ossidrili mentre, gli zuccheri presenti sono il cladinosio in posizione 3 e la desossamina in posizione 5. È entrata in uso nel 1953 e da allora svolge una funzione di batteriostatico contro un ampio spettro di patogeni quali i cocchi Gram positivi (quali Staphylococcus aureus, pneumococchi, streptococchi) e cocchi Gram negativi; è inoltre attiva contro Bordetella pertussis, Brucella e Mycoplasma pneumoniae.

Grazie alla sua struttura chetonica riesce ad inibire la sintesi proteica nei batteri agendo sul meccanismo di traslocazione del t-RNA, impedendo così che gli amminoacidi penetrino all'interno dell'unità ribosomica. L'assunzione del farmaco può avvenire per via orale in quanto diffonde facilmente nei tessuti, tanto da poter superare persino la BEE, sebbene in alternativa si possa somministrare per via parentale. Quando somministrata per via orale è reperibile sotto forma di sali che ne garantiscano la stabilità nell'ambiente acido dello stomaco (etilsuccinato di e.), in quanto potrebbe trasformarsi in un chetale in grado di stimolare la peristalsi intestinale.

L'assorbimento avviene a livello del tratto iniziale dell'intestino tenue, mentre l'espulsione avviene tramite escrezione biliare a seguito del metabolismo epatico e solo in minima parte con le urine (nella forma attivata).

Claritromicina

La Claritromicina è un derivato dell’Eritromicina ed ha un’attività di poco superiore a quella del composto di origine. La sua farmacocinetica è caratterizzata da una buona stabilità in ambiente gastrico acido (contrariamente all'eritromicina) con un assorbimento gastro-enterico pressoché completo, un debole legame con le proteine plasmatiche ed un'eliminazione renale nettamente superiore agli altri macrolidi. Viene impiegata nel trattamento delle infezioni delle vie respiratorie, della cute e dei tessuti molli, dell’otite media e nell’eradicazione dell’Helicobacter pylori (il che la rende impiegabile anche nel trattamento di gastriti ed ulcere).

Azitromicina

L' Azitromicina, primo macrolide a 15 atomi e capostipite dei macrolidi di seconda generazione, si distingue fortemente dagli altri macrolidi per tutta una serie di caratteristiche e per la farmacocinetica peculiare. Lo spettro d'azione, rispetto alla Claritromicina ed all'Eritromicina, ora interessa anche i bacilli Gram-negativi con una migliorata attività anche nei confronti di Haemophilus, Moraxella e microrganismi intracellulari.

L'assunzione del farmaco per via orale risulta essere preferibile in quanto la sua resistenza al pH gastrico è nettamente aumentata rispetto all'Eritromicina; tuttavia viene fortemente inibita (la biodisponibilità cala fino al 50%) dalla presenza di cibo o di antiacidi. Tale molecola, inoltre, ha mostrato un'elevata concentrazione tissutale ed intracellulare (mentre assai minore è risultata essere quella plasmatica) il che ha permesso lo studio di una posologia che prevedesse l'assunzione di una sola dose per 3 giorni consecutivi, avendo un'emivita di ben 20h (per quella plasmatica il valore è compreso tra le 40 e le 50 ore).

L'elevata diffusibilità del farmaco all'interno dei tessuti è permessa sia dalla forte lipofilicità della molecola, sia mediante la liberazione di fagociti (stimolati dalla presenza batterica) che consente il raggiungimento del sito d'infezione in tempi assai minori rispetto ad altre molecole. È dimostrato infatti che le concentrazioni del farmaco sono maggiori nei macrofagi, nei fibroblasti e nei polimorfonucleati. L'Azitromicina viene espulsa prevalentemente per via biliare nella forma attivata mentre solo una piccola parte è espulsa con l'urina.

Meccanismi di resistenza agli antibiotici

• Immunità prodotta (o naturale) ed immunità acquisita.
• Distruzione o modifica della molecola d'antibiotico ad opera di enzimi batterici (ad esempio beta-lattonici che possono essere distrutti dalla beta-lattonasi per apertura della struttura proteica).
• Alterazione delle pompe di efflusso da parte del patogeno.
• Alterazione del sito di legame dell'antibiotico.

Gli antibiotici solitamente si legano a specifici siti che permettono l'adesione della molecola alla superficie della membrana cellulare. Quando questi siti di legame vengono alterati ad opera di modificazioni da parte del patogeno una quantità sempre minore di farmaco riuscirà ad aderire e, quindi, a dar vita alla risposta antibatterica. Inoltre, per poter penetrare all'interno della cellula batterica il farmaco abbisogna di specifici canali delle porine che, se alterati, produrranno una progressiva diminuzione della permeabilità di membrana all'antibiotico.

Tutti questi abbassamenti di concentrazione delle quantità attive del farmaco comportano un progressivo adattamento alla molecola da parte del patogeno, al punto da indurre modificazioni permanenti che rendono il microbo immune ai farmaci quando si raggiunge il livello di soglia del MIC (minima concentrazione inibente).

Vari gradi di resistenza

Affrontando il discorso in modo più specifico si può affermare che esistono vari gradi di resistenza da parte dei patogeni. Il più frequente si esplica con una modificazione enzimatica del bersaglio (RNA ribosoma-metilasi) dei macrolidi per induzione di una adenina metilasi batterica che provoca la N-demetilazione dell'adenina nell'RNA ribosomiale 23S che perde affinità per il macrolide (resistenza costitutiva alle MLS B (resistenza ai macrolidi, lincosamidi e streptogramine B), mediata da un gene ERM (eritromicina resistenza metilasi)). Questo punto è comune a tutti i macrolidi.

Una seconda alternativa è quella che prevede il verificarsi di una riduzione della permeabilità della parete batterica (per i bacilli Gram negativi) o un efflusso attivo da parte del batterio (nuova resistenza ai macrolidi a 14 atomi). Molto più raramente, invece, si evidenzia un'inattivazione enzimatica del macrolide. Questa forma di resistenza, invece, è tipica dei macrolidi a 14 e 15 termini, mentre, per quelli a 16, non è mai stata riscontrata.

Ketolidi

I ketolidi sono una nuova classe di antibiotici derivanti dai macrolidi (inibitori della subunità 50S del ribosoma batterico). Hanno una struttura identica ai macrolidi (cioè lattone a 14-15 atomi di C legati a 2 zuccheri di cui un gruppo basico si protona a pH fisiologico) ma a differenza di quest'ultimi hanno un chetone in posizione 3 che aumenta lo spettro d'azione e la resistenza, in posizione 6 un gruppo metossilico e, sulla catena laterale, tra C11 e C12, un ponte carbaminico a cui è legata un’estensione alchil-arilica che aumenta affinità, attività e tollerabilità del farmaco.

Queste particolari modificazioni chimiche consentono ai ketolidi di possedere le seguenti caratteristiche:

• Ottima stabilità in ambiente acido-gastrico;
• Buona attività sui cocchi gram-positivi resistenti agli attuali macrolidi e su anaerobi gram-positivi e gram-negativi;
• Minore incidenza di effetti indesiderati.

Il meccanismo d'azione li vede implicati in due legami alla subunità 50S del ribosoma batterico (come i macrolidi) inibendo così la sintesi proteica. Hanno maggior affinità di legame rispetto a macrolidi e maggior resistenza poiché legano le pompe di efflusso riducendo la loro attività. Gli esponenti sono telitromicina e claritromicina (simili tra loro) usate per la cura di infezioni del tratto respiratorio.

Telitromicina

Questo antibiotico, primo della nuova famiglia dei ketolidi, superando le resistenze batteriche, unisce ad una maggiore attività contro le infezioni delle vie respiratorie, anche tutti i vantaggi dei macrolidi, come l'estrema tollerabilità e la monosomministrazione giornaliera. La Telitromicina possiede una spiccata attività nei confronti dei patogeni respiratori, in particolare, lo streptococco pneumoniae e lo streptococco pyogenes, perciò è indicata per le infezioni dell’apparato respiratorio quali polmoniti di comunità, esacerbazione delle bronchiti croniche, sinusiti acute, tonsilliti e faringiti (nel caso in cui gli antibiotici beta-lattamici fossero inappropriati).

È buona norma prestare attenzione nell’utilizzare la Telitromicina in caso di insufficienza epatica, insufficienza renale, in gravidanza, nel caso in cui il soggetto da trattare presenti disturbi di tipo coronarico, aritmie ventricolari, bradicardia, ipopotassemia, ipomagnesiemia, rischio di allungamento dell’intervallo QT e nel caso il paziente sia già in trattamento con farmaci che possono causare l’allungamento dell’intervallo QT.

Infatti il farmaco può causare diarrea, nausea, vomito, flatulenza, dolore addominale, alterazioni del gusto, vertigini e cefalea. Con minore frequenza, sono stati segnalati casi di stitichezza, anoressia, stomatite, vampate, palpitazioni, sonnolenza, insonnia, nervosismo, rash, orticaria, prurito, offuscamento della vista ed eosinofilia. Raramente sono stati osservati ittero colestatico, parestesie, aritmie, ipotensione, colite da antibiotico, edema del volto, alterazioni dell’olfatto, crampi muscolari ed eritema multiforme.

Cetromicina (ABT-773)

La Cetromicina è un nuovo chetolide, in fase di sperimentazione con un alto rapporto di legame proteico, studiato per il trattamento della Polmonite Acquisita in Comunità (CAP) e per la prevenzione post-inalatoria dell’antrace. Esso ha un elevato spettro d’azione antibatterico, specifico contro batteri Gram-positivi resistenti alle penicilline e macrolidi in genere. La molecola presenta una maggiore affinità ai pH fortemente acidi rispetto a quelli basici e quindi mostra un’elevata stabilità in ambienti con un basso pH come quello gastrico.

β - lattamici

Introduzione

I β-lattamici sono una classe di antibiotici che impediscono la sintesi della parete cellulare dei batteri, inibendo la transpeptidasi, un enzima responsabile della formazione di un componente essenziale di tali pareti: il peptidoglicano. I β-lattamici impediscono, inserendosi nel sito attivo, l'azione della transpeptidasi, enzima che catalizza la formazione dei legami peptidici che rafforzano, come legami crociati, la struttura del peptidoglicano (detto anche mureina), molecola presente nella parete cellulare dei batteri (in particolare di quelle dei batteri Gram-positivi, mentre lo è in minima parte in quelle dei batteri Gram-negativi).

Il nucleo funzionale principale di questa classe di antibiotici è il beta-lattame, ovvero un anello a 4 atomi che forma un'ammide ciclica (lattame). Questo anello può trovarsi come unico costituente della molecola nei monolattamici, oppure associato ad un anello a 5 atomi (gruppo penam) o a 6 atomi monoinsaturo (cefem) in presenza o meno di un eteroatomo (carbapenemici, oxapenem etc). Le due strutture principali usate nei farmaci sono l'acido 6-amminopenicillanico e 7-amminocefalosporanico a cui poi si aggiungono gruppi funzionali caratteristici.

Problemi e contromisure

Si sono riscontrate diverse tipologie di problemi nella funzionalità di questa categoria di farmaci:

• In ambiente acido l'ossigeno della catena reagisce con il carbonio carbonilico del lattame, provocando l'apertura dell'anello e quindi la perdita di funzione.
• I batteri si difendono da questi antibiotici producendo le β-lattamasi, cioè enzimi che catalizzano l'idrolisi dell'anello lattamico.
• Oltre alle lattamasi, i batteri possiedono altri meccanismi di difesa: sovrapproduzione delle transpeptidasi, mutazioni delle transpeptidasi che le rendono resistenti agli antibiotici, trasferimento del gene per la β-lattamasi da un batterio all'altro (mediante plasmide), rendendo così anche il secondo batterio resistente all'antibiotico.

Tuttavia sono già state prese in considerazione diverse contromisure che rendano questa classe di farmaci ancora indispensabile:

• Utilizzo di gruppi elettron-attrattori che riducono la reattività dell'ossigeno del gruppo ammidico.
• Per quanto riguarda le β-lattamasi, ci sono due possibili soluzioni: la prima è inserire un gruppo ingombrante che impedisca l'azione delle β-lattamasi: questo però riduce l'azione dell'antibiotico in quanto l'ingombro ostacola l'inserimento nel sito attivo della transpeptidasi, che è il bersaglio principale dell'antibiotico. La seconda possibilità, che ha dato origine ad associazioni farmaceutiche di grande successo terapeutico e commerciale, è associare all'antibiotico l'acido clavulanico (o altri composti equivalenti, ma meno utilizzati). Tale composto ha una struttura chimica simile all'antibiotico, essendo dotato di un anello β-lattamico, ma è privo o quasi di attività terapeutica; in compenso, è più reattivo dell'antibiotico e più affine alle β-lattamasi, in virtù di alcuni accorgimenti chimici che aumentano la tensione d'anello. Il meccanismo d'azione è quindi suicida: l'acido clavulanico si lega alle β-lattamasi al posto dell'antibiotico. A differenza di quest'ultimo, però, il legame tra l'acido clavulanico (il cui anello è stato ormai degradato) e l'enzima è molto stabile, quasi irreversibile; l'enzima non è più in grado, quindi, di degradare altre molecole.
• L'insorgenza di resistenze genetiche non può essere realmente risolta; quando una popolazione batterica diventa resistente ad un determinato antibiotico, l'unica soluzione è cambiare farmaco. Non è detto che sia necessario usare farmaci con diversi meccanismi d'azione: a volte, farmaci molto simili per struttura generale e meccanismo d'azione, ma con piccole differenze chimiche, possono avere risposte diverse da parte della stessa popolazione batterica. Quando invece la popolazione diventata resistente ad un certo antibiotico e a tutti quelli correlati (chimicamente e/o per meccanismo d'azione) si parla di resistenza crociata (tipica, ad esempio, dei sulfamidici).

Classificazione degli β-lattamici

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

• Penicilline (es. penicillina, amoxicillina, ampicillina, oxacillina)
• Cefalosporine (es. cefepime, ceftriaxone, cefixima)
• Monobattami (es. aztreonam)
• Carbapenemi (es. meropenem)

Carbapenemi

I Carbapenemi sono una sottoclasse di antibiotici appartenenti ai β-lattamici con un ampio spettro di attività antibatterica. Possiedono una struttura che li rende altamente resistenti alle più comuni β-lattamasi, infatti sono considerati (nonché utilizzati come) ultima risorsa contro tutte le infezioni batteriche risultate resistenti alle precedenti forme di terapia (quali, ad esempio, E. Coli e Klebsiella Pneumoniae).

I Carbapenemi possiedono il seguente meccanismo d'azione: inibiscono la crescita batterica interferendo con la sintesi della parete batterica. Essi si legano alle PBP (Proteine leganti le Penicilline, o Transpeptidasi) in quanto analoghi strutturali del substrato di tali proteine, che serve per creare i legami crociati fra le catene di peptidoglicano costituenti della parete batterica. L'inibizione delle transpeptidasi blocca la costruzione della suddetta parete, uccidendo le cellule batteriche in crescita.

I Carbapenemi, in origine, vennero sintetizzati a partire dalla tienamicina, un prodotto di derivazione naturale dello Streptomyces Cattleya. Questa classe di farmaci è molto attiva sia contro le specie Gram-positive che contro quelle Gram-negative oltre che contro i batteri anaerobi, con l'unica eccezione dei batteri intracellulari (atipici), come ad esempio le Chlamydiae. Inoltre, questo genere di farmaci è l'unico capace di inibire le L,D-transpeptidasi.

Per ciò che concerne la struttura dei Carbapenemi, è subito possibile notare come siano simili alle penicilline sebbene lo Zolfo in posizione 1 sia stato sostituito da un atomo di Carbonio e, contestualmente, sia stato aggiunto un gruppo insaturo che figura anche nel nome del gruppo: Carbapenemi.

Questa categoria di farmaci son stati pensati per condividere rapidamente i loro processi biosintetici grazie all'anello centrale di cui sono formati. La loro realizzazione avviene a partire dal Malonyl-CoA, che è condensato con un aglutammato-5-semialdeide con conseguente formazione di un anello a cinque termini. Successivamente la beta-lattame sintetasi utilizza ATP per formare il beta-lattame ed il suo nucleo saturo. Successive ossidazioni ed inversioni d'anello producono il carbapeneme definitivo.

Imipenem, capostipite della famiglia dei Carbapenemi, ha largo spettro d'azione, per il quale può essere utilizzato in terapie empiriche iniziali, ed ha inoltre buona resistenza alle ß-lattamasi che idrolizzano invece penicilline e cefalosporine. Possiede un ampio spettro d’azione ed, in particolare, è largamente utilizzato per infezioni indotte dai batteri...