Chimica farmaceutica - fluorochinoloni
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I FLUOROCHINOLONI
La prima molecola fluorochinolonica, la NORFLOXACINA, fu ottenuta da modificazioni strutturali
dell’acido nalidissico. Conservando gran parte della struttura di base è stato aggiunto un atomo di
fluoro in posizione R ed un gruppo piperazinico in posizione R presente anche nell’acido pipemidico
6 7,
(Fig. 2). O O O O
_ F
O O-
N
H C N N N
3 N
C H H N
2 5 C H
2 5
PIPERAZINA PIPERAZINA
NORFLOXACINA
ACIDO NALIDISSICO
Fig. 2. Dall’acido nalidissico alla norfloxacina.
Queste modificazioni strutturali, comuni a tutti i fluorochinoloni, hanno comportato un aumento
dell’attività antibatterica (fino a cento volte superiore rispetto ai chinoloni classici), un notevolissimo
ampliamento dello spettro antibatterico e caratteristiche farmacocinetiche peculiari. Lo spettro d’azione
è tra i più ampi disponibili nell’ambito dei farmaci antibatterici, la cinetica è ottima con una efficace
penetrazione endocellulare (nei macrofagi e nei neutrofili) ed una buona distribuzione tissutale, non
solo renale ma sistemica, con speciale riguardo alla prostata, al tessuto osseo, alle secrezioni bronchiali
ed in alcuni casi a livello liquorale. L’interesse nei confronti dei fluorochinoloni deriva anche dal fatto
che sono in grado di curare per via orale pazienti con infezioni gravi da Pseudomonas e da Gram-
negativi difficili, tutti possiedono infatti, per questa via, una ottima biodisponibilità.
Alcuni fluorochinoloni di terza generazione sono disponibili in diverse formulazioni per uso orale e
parenterale, il che consente in ambito ospedaliero di utilizzare l’antibatterico secondo schemi
posologici sequenziali con l’iniziale somministrazione parenterale del fluorochinolone, per passare,
nelle fasi successive del trattamento, alla somministrazione orale della stessa molecola. Ciò consente di
ridurre i costi terapeutici ed il periodo di ospedalizzazione, migliorando la compliance del paziente. 2
I chinoloni di terza generazione sono stati usati con successo nel trattamento delle infezioni delle alte e
basse vie urinarie, delle alte e basse vie respiratorie, della cute e dei tessuti molli, di infezioni
chirurgiche, di infezioni gastrointestinali, ossee, setticemie, infezioni sessualmente trasmesse perché
sono attivi anche su Chlamydia, Mycoplasma ed Ureaplasma oltre che su Gonococco.
® ® ®
La NORFLOXACINA (NOROXIN , SEBERCIM , UTINOR ) è utilizzata nelle infezioni delle vie
urinarie.
Dalla norfloxacina vennero sviluppati tutti i chinoloni di terza generazione che comprendono
l’ENOXACINA, l’OFLOXACINA, la CIPROFLOXACINA (Fig. 3), la LEVOFLOXACINA (Fig. 4).
Grazie all’anello tra le posizioni R ed R la OFLOXACINA estende il suo spettro d’azione anche agli
1 8 ®
organismi Gram-positivi riscontrabili in infezioni oculari. E’ contenuta nel collirio EXOCIN , ma
® ®
e OFLOCIN ), e contro
usata anche nelle infezioni urinarie e delle basse vie respiratorie (FLOBACIN
2
anaerobi come il Propionibacterium acnes. O O
O O F
F O-
O- N N N
N N
N H N
O
H C CH
3 3
OFLOXACINA CIPROFLOXACINA
Fig. 3. Chinoloni di terza generazione (short-acting).
®
La CIPROFLOXACINA (CIPROXIN ) il composto con maggiore attività tra quelli del suo gruppo.
Non si concentra nell’encefalo ed ha una breve emivita (3-4 h). Lo spettro d’azione è tra i più vasti tra i
fluorochinoloni. Viene scarsamente metabolizzata.
La LEVOFLOXACINA (Fig. 4) è stata creata isolando l’enantiomero attivo S dell’ofloxacina. Questo
isolamento ha aumentato notevolmente la sua attività. Essa ha una migliorata suscettibilità contro
batteri Gram-positivi come Streptococcus pneumoniae e viridans.
® ® ®
E’ alla base di specialità come LEVOXACIN , TAVANIC e PRIXAR in uso contro polmoniti,
bronchiti, infezioni dei tessuti molli. 3
O O
F O-
N N
N O
H C CH
3 3
Fig. 4. Struttura della Levofloxacina.
Da alcuni anni sono entrati nella pratica clinica alcuni fluorochinoloni long-acting, i quali senza
perdere nulla della attività antibatterica di questa famiglia di farmaci, presentano una emivita
notevolmente prolungata (oltre 8 h) che ne permette, in alcuni casi, un’unica somministrazione
giornaliera. Tra questi, sempre facenti parte della terza generazione, ricordiamo la PEFLOXACINA, la
LOMEFLOXACINA, la RUFLOXACINA, la SPARFLOXACINA e la FLEROXACINA, ormai non
più utilizzata (Fig. 5). OFLOXACINA O O
O O F
F O-
O- H C
3 N N
N N N H N C H
F
N C H 2 5
2 5
H C
3 PEFLOXACINA LOMEFLOXACINA
NH O O
2
F O-
O- H C
3 N N
F
H N CH 3
SPARFLOXACINA
Fig. 5. Chinoloni di terza generazione (long-acting). 4
® ®
La PEFLOXACINA (PEFLOX , PEFLACIN ) fra tutti i chinoloni di terza generazione è quello con
attività antibatterica più bassa. Viene eliminato per via biliare e renale sotto forma di metaboliti tra i
quali ritroviamo la norfloxacina. L’emivita è molto prolungata (8-11 h). ® ®
, UNIQUIN e
La molecola LOMEFLOXACINA è contenuta in specialità come CHIMONO
®
MAXAQUIN , usate per curare infezioni respiratorie ed urinarie.
A partire dall’inizio degli anni novanta la ricerca è andata avanti per cercare di migliorare lo spettro
d’azione allargandolo verso un maggior numero di Gram-positivi aerobi. Sono state sintetizzate una
serie di molecole mostrate in Fig. 6 e chiamate chinoloni di quarta generazione, caratterizzati da una
migliore attività nei confronti di batteri Gram-positivi, come pneumococchi betalattamino-resistenti
finora poco sensibili a questa famiglia di farmaci, e nei confronti di batteri che sfuggono all’attività dei
betalattamici perché a localizzazione endocellulare e perché privi di parete cellulare.
La storia di alcuni chinoloni di quarta generazione è stata piuttosto travagliata e molti di essi, come la
TEMAFLOXACINA, la TROVAFLOXACINA, la TOSUFLOXACINA e la GREPAFLOXACINA, si
sono mostrati non ben tollerati. CH O O
CH O O 3
3 F
F O-
O- H C
H C 3 N N
3 N N F
H N
H N GREPAFLOXACINA F
TEMAFLOXACINA
Fig. 6. Chinoloni di quarta generazione.
Nessuna di queste molecole è in commercio. In particolare la TEMAFLOXACINA è stata ritirata nel
1992 dopo sei mesi dall’inizio della commercializzazione perché provocò la cosiddetta “sindrome da
temafloxacina”, una anemia emolitica conseguente all’assunzione del farmaco che si manifestava con
5
la presenza urine scure, vomito, febbre. Spesso si accompagnava ad insufficienza renale acuta,
coagulopatia, epatopatia.
Fanno parte dei chinoloni di quarta generazione anche altre molecole come la MOXIFLOXACINA
(Fig. 7), la GATIFLOXACINA e molecole in fase avanzata di sperimentazione clinica come la
1,3
GEMIFLOXACINA. Queste molecole sono spesso dette fluorochinoloni respiratori per la loro
potenziata attività nei confronti di Steptococcus pneumoniae, compresi ceppi penicillino- e macrolido-
resistenti.
Tutti i nuovi derivati sono dotati di eccellente biodisponibilità e raggiungono elevate concentrazioni nei
tessuti e nei fluidi del tratto respiratorio. Hanno una più lunga emivita rispetto ai derivati precedenti che
ne permette la monosomministrazione giornaliera con un miglioramento della compliance.
Tutte queste caratteristiche rendono questi farmaci molecole ottimali per il trattamento delle infezioni
del tratto respiratorio anche ad insorgenza comunitaria.
Sono anche attivi sugli anaerobi (in particolare la GATIFLOXACINA e la MOXIFLOXACINA grazie
al gruppo metossilico in posizione R ).
8 O O
F O-
N N
N OCH
3
MOXIFLOXACINA
Fig. 7. Struttura della moxifloxacina.
Esistono anche molecole in fase di studio come la SITAFLOXACINA e la GARENOXACINA.
La TROVAFLOXACINA è stata ritirata dal commercio nel giugno 1999 a causa dei suoi gravi effetti
epatici. ® ®
La MOXIFLOXACINA (AVALOX e OCTEGRA ) e la GATIFLOXACINA sono utilizzate con
successo nelle polmoniti, nelle esacerbazioni delle bronchiti croniche, nelle sinusiti acute. 6
4
RELAZIONI STRUTTURA- ATTIVITA’
Sono state apportate numerose modifiche al farmacoforo dei chinoloni per cercare di migliorare
l’atttività antimicrobica e diminuire la resistenza e la tossicità.
Le tre posizioni 2, 3 e 4 sono essenziali e non possono essere cambiati senza una significativa perdita di
attività.
Di seguito prenderemo in considerazione diverse modifiche al gruppo farmacoforo dei chinoloni con
riferimento alla Fig. 8 e alla Fig. 9. FARMACOFORO
SITO DI LEGAME
AL DNA 5 4
SITO DI 6 SITO DI
LEGAME 3 LEGAME
ALL’ENZIMA ALL’ENZIMA
7 2
1
8 DOMINIO DI
AUTOASSEMBLAGGIO
23
Fig. 8 . Gruppo farmacoforo e siti di interazione dei chinoloni.
Posizione 1: questa posizione è coinvolta nell’assemblaggio di due o più molecole di farmaco. Un
sostituente ciclopropilico è considerato in questa posizione la modificazione che esalta di più la
potenza, seguita dal sostituente 2,4-difluorofenile. Altri sostituenti possono abbassare la capacità della
molecola di legarsi alla tasca dell’enzima e quindi la potenza.
L’isomero S della ofloxacina (levofloxacina), anche se presenta una potenza minore della molecola col
gruppo ciclopropilico, grazie all’anello che connette le posizioni 1 e 8 e crea una struttura triciclica, è
un’utile alternativa. 7
Posizione 2: questa posizione è molto vicino al sito di legame per la DNA girasi o la topoisomerasi IV,
così si pensa che ogni gruppo voluminoso inibisce l’accesso al sito di legame e diminuisce l’attività.
Solo uno zolfo incorporato in un piccolo anello può rimpiazzare l’idrogeno nella posizione R .
2
Posizioni 3 e 4: queste due posizioni sul nucleo chinolonico sono considerate critiche per il legame al
DNA e ancora non ci sono sostituzioni utili per questa posizione. Essenziali per l’attività antimicrobica
sono i gruppi 3-carbossilico e 4-carbonilico.
Posizione 5: i sostituenti in questa posizione sembrano avere la capacità di alterare la configurazione
sterica planare della molecola. Aggiunta di gruppi di piccola grandezza come gruppi metilici,
idrossilici, o amminici possono aumentare in modo marcato l’attività in vitro. Alogenuri e gruppi
metossilici tendono a diminuire l’attività.
Posizione 6: l’addizione di un atomo di fluoro ha molto migliorato l’attività antimicrobica dei primi
agenti antibatterici chinolonici. Nuovi chinoloni idrogenati in posizione 6 stanno dando promettenti
sviluppi. Mettendo in posizione 6 un gruppo amminico, la potenza delle molecole ottenute dipende dai
sostituenti nelle posizioni 7 e 8.
Posizione 7: questa posizione è considerata quella che direttamente agisce con la DNA girasi o con la
topoisomerasi IV. I sostituenti ottimali in questa posizione sono gruppi che contengono, come minimo,
eterocicli di 5 o 6 membri contenenti azoto, come gruppi ammonopirrolidinici (che aumentano l’attività
verso batteri gram-positivi) e piperazinici (che aumentano l’attività verso batteri gram-negativi).
Si è osservato recentemente che un volume maggiore nella posizione R (Moxifloxacina) aumenta
7
l’attività nei confronti degli anaerobi e conferisce protezione dalle proteine del batterio che mandano
fuori il farmaco, diminuendo la resistenza batterica.
Posizione 8: questa posizione influenza, come la posizione 5, la configurazione sterica della molecola
chinolonica e i cambi apportati alterano l’accesso del chinolone alla tasca dell’enzima o ai siti di
legame sul DNA.
E’ stato osservato che specifici cambi in questa posizione alterano il bersaglio dei fluorochinoloni.
Infatti un idrogeno, come nella ciprofloxacina, o anche un anello fuso, come nell’ofloxacina e nella
levofloxacina, porta ad una elevata attività nei confronti dell’enzima topoisomerasi IV, e ad un’attività
clinicamente poco utile nei confronti della DNA girasi.
Un alogeno non sostituito come F o Cl, migliora l’attività nei confronti degli organismi anaerobi e
sposta l’attività nei confronti della DNA girasi, riducendo l’azione anti-topoisomerasica.
L’aggiunta di gruppi metossilici e la sostituzione del C con un N migliora l’attività ed esalta la potenza
sia contro la girasi che contro la topoisomerasi. 8
Fig. 9. I sostituenti ottimali alle varie posizioni. R1 NH CH
2
R5 3
N
N
R7 H C N N
3
H C
R8 3 O 9
BERSAGLI DEI FLUOROCHINOLONI
I bersagli molecolari dell’azione dei fluorochinoloni sono gli enzimi DNA girasi e DNA topoisomerasi.
IV. Sono entrambi topoisomerasi di tipo II e catalizzano la rottura di tutti e due i filamenti di DNA,
fanno passare attraverso la rottura un segmento di DNA intatto e riattaccano le estremità tagliate,
usando come fonte di energia l’ATP. Entrambi gli enzimi sono coinvolti nel processo di replicazione
della catena di DNA. In particolare la DNA girasi facilita i cambiamenti conformazionali del DNA
durante la replicazione, mentre la topoisomerasi IV interviene nella decatenazione delle molecole figlie
dopo la replicazione del DNA.
Si pensa che i fluorochinoloni interagiscano con il complesso formato da enzima e DNA per indurre
cambi conformazionali che inibiscono l’attività di questi enzimi e di conseguenza bloccano la forcella
di replicazione e quindi la normale sintesi del DNA batterico, portando alla rapida morte delle cellule
batteriche.
La girasi e la topoisomerasi IV sono enzimi che mancano nelle cellule umane, mentre sono essenziali
nelle cellule batteriche. Tutto ciò rende i fluorochinoloni agenti chemioterapici selettivi.
I più vecchi fluorochinoloni mostrano una specificità di inibizione enzimatica nei diversi tipi di batteri.
Infatti, sebbene la suddivisione non sia ben netta, la DNA girasi è il prima enzima bersaglio dei
2
fluorochinoloni nei gram-negativi, mentre la topoisomenrasi IV lo è nei batteri gram-positivi.
Sebbene il dibattito sia ancora acceso, si pensa che i più nuovi fluorochinoloni, come la moxifloxacina
e la gatifloxacina, abbiano un doppio meccanismo di azione che comporta sia l’inibizione della girasi
5
che della topoisomerasi. L’ENZIMA DNA GIRASI
L’enzima DNA girasi è un tipo di topoisomerasi II. E’ costituita da un tetrametro composto da due
subunità GyrA e due GyrB (A B ) (Fig. 10).
2 2
DNA girasi B
Gli studi cristallografici hanno messo in evidenza che la porzione N-terminale di 43 kDa della subunità
GyrB è responsabile del legame e dell’idrolisi dell’ATP. La GyrB contiene una zona detta piega di
Rossman, che, oltre a residui essenziali nell’interazione con i chinoloni, contiene residui coinvolti nel
6
taglio del DNA come il 424, il 498, il 500 ed il 502. Inoltre esperimenti di mutazioni degli
10
I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher flaviael di informazioni apprese con la frequenza delle lezioni di Chimica farmaceutica e studio autonomo di eventuali libri di riferimento in preparazione dell'esame finale o della tesi. Non devono intendersi come materiale ufficiale dell'università Messina - Unime o del prof Grasso Silvana.
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