Chimica farmaceutica - fluorochinoloni

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