Chimica farmaceutica - sintesi antibiotici

Chemioterapia antimicrobica: antibiotici

Definizione

Con il termine antibiotico si definiscono sostanze prodotte da batteri o funghi in grado di inibire la crescita di altri microrganismi. Dal momento che attualmente molte molecole vengono prodotte per via sintetica o semisintetica, è preferibile utilizzare il termine chemiantibiotico.

Tossicità selettiva

È la capacità degli antibiotici di risultare tossici esclusivamente nei confronti dei microrganismi e non nei confronti delle cellule eucariotiche. I disinfettanti non presentano tossicità selettiva, non possono pertanto essere impiegati nel trattamento sistemico delle malattie infettive.

Gli antibiotici debbono la loro tossicità selettiva a:

• Assenza nelle cellule eucariotiche di particolari siti che rappresentano il bersaglio dell'azione degli antibiotici (es. parete cellulare).
• Diversa capacità di penetrazione del farmaco nelle cellule eucariotiche e procariotiche (es. tetracicline).
• Diversa affinità del farmaco per strutture simili funzionalmente, ma non strutturalmente (es. antibiotici che bloccano la sintesi proteica, per la diversa struttura del ribosoma procariotico).

Nota bene: Gli antibiotici antibatterici non possiedono attività nei confronti dei virus per l'assenza in questi ultimi di bersagli specifici che possono indirizzare un'azione specificatamente tossica.

Classificazione

Esistono diversi sistemi di classificazione in considerazione del notevole numero di molecole utilizzate nella pratica clinica.

1. Classificazione in famiglie

Vengono classificati in "famiglie" molecole che presentano caratteristiche simili (es. penicilline, cefalosporine).

2. Classificazione secondo lo spettro d'azione

Si intende per spettro d'azione il ventaglio delle specie batteriche nei riguardi delle quali l'antibiotico mostra attività. Lo spettro d'azione sarà:

• Ampio: la molecola è attiva verso batteri Gram positivi e negativi.
• Medio: la molecola è attiva ad es. verso batteri Gram positivi e verso taluni Gram negativi.
• Ristretto: la molecola è attiva ad es. solamente verso batteri Gram positivi o solo verso Gram negativi.

3. Classificazione secondo il tipo d'azione

L'azione dell'antibiotico può essere:

• Batteriostatica: l'antibiotico blocca la riproduzione dei batteri.
• Battericida: l'antibiotico determina la morte dei batteri. Si definisce battericida l'antibiotico che dopo 24 ore di contatto "in vitro" determina una sopravvivenza uguale o inferiore allo 0,01%.

L'azione batteriostatica o battericida di un antibiotico dipende dal meccanismo d'azione. Saranno battericidi gli antibiotici che agiscono su strutture fondamentali per la cellula batterica quali la parete o gli acidi nucleici.

Per valutare se un antibiotico è batteriostatico o battericida si determinano le M.I.C. e le M.B.C.:

• M.I.C. (Minima concentrazione inibente): la minima concentrazione di antibiotico in grado di impedire lo sviluppo dei microrganismi (μg/ml).
• M.B.C. (Minima concentrazione battericida): la minima concentrazione di antibiotico in grado di portare a morte le cellule batteriche (μg/ml).

Se l'antibiotico è battericida, i valori di M.I.C. e M.B.C. coincidono. Se è batteriostatico, i valori di M.B.C. sono superiori a quelli di M.I.C.

4. Classificazione secondo l'origine

• Estrattiva: da batteri e funghi (Penicillium, Cephalosporium, Streptomyces).
• Semisintetica: partendo da una struttura base, ottenuta per estrazione (fermentazione) e aggiungendo catene di sintesi.
• Sintesi chimica: molti composti si ottengono per sintesi chimica (chinoloni, monobattami, cloramfenicolo).

5. Classificazione secondo la carica elettrica

• Antibiotici a carattere acido si comportano come anioni (penicilline, cefalosporine, chinoloni).
• Antibiotici a carattere basico si comportano come cationi (aminoglicosidi, macrolidi).
• Antibiotici a carattere neutro si comportano come molecole non ionizzate (cloramfenicolo).

Nota bene: Il grado di ionizzazione degli antibiotici a carattere acido o basico è influenzato dal pH. La ionizzazione di un farmaco influenza caratteristiche farmacocinetiche importanti quali l'assorbimento e l'eliminazione.

6. Classificazione in base al meccanismo d'azione

1. Antibiotici che inibiscono la sintesi della parete cellulare, tale inibizione si può verificare:

• A livello terminale (fase di transpeptidizzazione): Penicilline, Cefalosporine.
• Nella seconda fase (trasferimento e polimerizzazione del mucopeptide parietale): Vancomicina.
• Nella prima fase di sintesi (inibizione della fosfoenolpiruvatotransferasi): Fosfomicina oppure (mancata utilizzazione della alanina): Cicloserina.

Gli antibiotici che agiscono sulla parete sono battericidi, agiscono esclusivamente su germi in attiva fase di moltiplicazione.

2. Antibiotici che inibiscono la sintesi proteica, tale inibizione può avvenire:

• A livello della subunità 30S dei ribosomi (aminoglicosidi, tetracicline).
• A livello della subunità 50S dei ribosomi (cloramfenicolo, macrolidi).

3. Antibiotici che inibiscono il meccanismo di replicazione e di trascrizione degli acidi nucleici:

• Inibizione della RNA-polimerasi (rifamicine).
• Inibizione della DNA-girasi (chinoloni).

4. Antibiotici che alterano la membrana citoplasmatica batterica o micotica (polimixine, polieni).

5. Antibiotici che agiscono come antimetaboliti (sulfamidici, trimethoprim).

Antibiotico resistenza

È la capacità dei batteri di essere o di diventare resistenti nei confronti degli antibiotici. È un problema di grande attualità e di profondo impatto pratico, poiché condiziona la scelta, l'impiego e il futuro della chemioterapia. Inizia con la nascita della chemioterapia e ne segue costantemente il decorso.

Resistenza naturale (origine naturale)

Insensibilità costituzionale di un microrganismo verso un determinato antibiotico. È immutabile nel tempo, geneticamente determinata. Si manifesta in tutti i ceppi di una stessa specie e dipende da:

• Caratteristiche dell'antibiotico.
• Strutture del microrganismo.
• Mancata penetrazione del farmaco attraverso le strutture esterne del microrganismo.

Es. insensibilità degli enterobatteri per la penicillina o dei batteri Gram negativi per i glicopeptidi.

Resistenza acquisita (variazione informazionale)

Comparsa di ceppi che, nell'ambito di una specie microbica originariamente sensibile ad un chemioterapico, hanno perduto la sensibilità verso concentrazioni del farmaco terapeuticamente raggiungibili in vivo. È favorita dall'elevata velocità con cui i batteri si riproducono e si divide in:

• Cromosomica o endogena
• Extracromosomica o esogena

Resistenza cromosomica

Costituisce solo il 10-15% di tutte le resistenze acquisite, con bassa frequenza di insorgenza. Si realizza tramite un’alterazione mutazionale spontanea dell’informazione genetica cromosomica. L’antibiotico esercita un’azione selettiva, selezionando i mutanti resistenti e inibendo le cellule sensibili. Tale resistenza interessa solo l’antibiotico verso il quale sono stati isolati i mutanti resistenti, ma gli stessi mutanti possono essere resistenti anche ad altri antibiotici con caratteristiche simili (resistenza crociata o cross-resistenza). Si trasmette verticalmente tramite la discendenza (da cellula madre a cellula figlia) e può essere:

• Multi-step: sono necessarie più mutazioni perché possa instaurarsi (es. beta-lattamine, macrolidi, cloramfenicolo).
• One-step: è sufficiente una sola mutazione per determinare la comparsa di ceppi totalmente resistenti (es. rifamicine, chinoloni).

Resistenza extracromosomica

Costituisce il 90% di tutte le resistenze, con alta frequenza di insorgenza. Si origina per acquisizione di nuova informazione genetica che deriva da altri microrganismi e che penetra nella cellula mediante i meccanismi di coniugazione, trasformazione e trasduzione. Riguarda più antibiotici contemporaneamente (resistenza multipla) ed è a trasmissione orizzontale (tramite lo scambio genetico). Può essere trasferita anche a microrganismi appartenenti a specie differenti (resistenza contagiosa), ed è dovuta a geni presenti su plasmidi o trasposoni (elementi genici mobili).

Meccanismi dell’antibiotico resistenza

I meccanismi attraverso i quali può instaurarsi una resistenza antibiotica sono:

• Ridotta permeabilità cellulare: la penetrazione di un antibiotico può essere ridotta da cambiamenti strutturali negli involucri superficiali della cellula. Nei Gram negativi, la resistenza può essere dovuta ad alterazione nel numero e nel lume delle porine (proteine di membrana attraverso le quali penetrano molti antibiotici).
• Aumentato efflusso: l’antibiotico penetrato nella cellula batterica è allontanato da sistemi di efflusso. Nei Gram negativi, le pompe di efflusso operano accoppiate a proteine canale che provocano l’espulsione diretta del farmaco.
• Alterazione del bersaglio: il bersaglio dell’antibiotico è alterato e non è più riconosciuto dall’antibiotico. Tale strategia si realizza tramite:
  • Ridotta affinità per il bersaglio (si produce un cambiamento che, pur non variando l’attività biologica del bersaglio, ne riduce la capacità di legame con l’antibiotico).
  • Iperproduzione del bersaglio (si realizza un’aumentata sintesi del bersaglio che elude l’azione dell’antibiotico).
  • Sostituzione del bersaglio (la resistenza è dovuta ad acquisizione di un gene che codifica per un bersaglio per il quale l’antibiotico non ha affinità).
  • Modifica enzimatica del bersaglio (il bersaglio è modificato enzimaticamente e non è più riconosciuto dall’antibiotico).
• Produzione di enzimi inattivanti: l’antibiotico perde la sua attività biologica poiché viene inattivato da enzimi specifici (beta-lattamasi, acetiltransferasi, fosfotransferasi, adeniltransferasi). Le Beta-lattamasi sono enzimi che possono essere prodotti da batteri Gram positivi e negativi, possono essere costitutivi o inducibili, e sono diretti verso penicilline o cefalosporine o ad ampio spettro. In seguito alla loro azione, l’anello beta-lattamico presente nel nucleo base degli antibiotici è scisso e la loro molecola trasformata in un derivato inattivo. Le transferasi trasferiscono un raggruppamento chimico nella molecola di base degli aminoglicosidi o del cloramfenicolo (solo acetiltransferasi in quest’ultimo caso).

Farmacocinetica degli antibiotici

La farmacocinetica studia il percorso di un farmaco dal momento della sua introduzione nell’organismo fino alla sua eliminazione. Si compone di diverse tappe: assorbimento, trasporto, distribuzione, metabolizzazione ed eliminazione.

Assorbimento

È la tappa attraverso la quale il farmaco passa dalla via di somministrazione al sangue (manca nella somministrazione endovenosa). Consiste nel passaggio attraverso più membrane ed è favorita dalla liposolubilità del farmaco. Importante è anche il grado di ionizzazione e il pH ambientale, poiché la quota non ionizzata è quella liposolubile e quindi assorbibile.

Nota bene: Sono somministrati per via orale i farmaci acido-resistenti, i farmaci liposolubili e non complessati. Gli antibiotici a carattere acido saranno assorbiti nello stomaco (l’ambiente acido sposta l’equilibrio della reazione verso la forma non dissociata e quindi assorbibile), mentre gli antibiotici a carattere basico saranno assorbiti a livello intestinale (ambiente basico). Sono somministrati per via intramuscolare farmaci che presentano elevata solubilità nei liquidi interstiziali, rapida penetrazione nella parete capillare e in condizioni di efficienza del circolo periferico.

Trasporto

Gli antibiotici sono trasportati dal sangue come soluti (quota libera) o legati alle sieroproteine, quasi sempre alle albumine (quota legata). La frazione libera è quella che diffonde nei tessuti ed è attiva dal punto di vista terapeutico. Il legame farmaco-proteico è tuttavia un legame dinamico: diffondendo la quota libera nei tessuti, si solubilizza una parte equivalente della frazione legata.

Si definisce emivita il tempo richiesto dal farmaco perché la sua concentrazione nel sangue si riduca della metà. Il valore dell'emivita è fondamentale per stabilire un giusto regime posologico (si moltiplica il valore dell'emivita per 3 e si assicurano tassi ematici costanti nel tempo).

Diffusione

La capacità del farmaco di diffondere in sede extravascolare determina il Volume Apparente di Distribuzione (V.A.D.) e dipende da:

• Irrorazione tissutale (maggiore distribuzione nei distretti viscerali).
• Coefficiente di ripartizione lipidi/acqua (in alcune sedi come la prostata e il SNC penetrano meglio i farmaci liposolubili).
• Peso molecolare (diffondono meglio i farmaci a basso peso molecolare).
• Legame con le sieroproteine (solo la frazione libera diffonde in sede extravascolare).

Nota bene: Un tipico esempio di barriera è rappresentato dalla barriera emato-liquorale, importante nel condizionare il passaggio del farmaco dal sangue al liquor e indirizzare la scelta terapeutica in corso di meningite. Diffondono meglio i farmaci non ionizzati, a basso peso molecolare ed a elevata solubilità.

Metabolizzazione

Processo di trasformazione subito dai farmaci nel fegato che li trasforma in metaboliti spesso inattivi.

Eliminazione

Ultima tappa del processo farmacocinetico che determina la scomparsa del farmaco dall’organismo. Può avvenire per via renale o biliare. La eliminazione renale avviene per filtrazione glomerulare, secrezione tubulare, riassorbimento tubulare. La eliminazione biliare avviene attraverso il fegato con possibilità di riassorbimento a livello intestinale, instaurazione di un circolo entero-epatico e definitiva eliminazione per via renale.

Antibiotici beta-lattamici

Rappresentano il gruppo più numeroso, più noto e maggiormente utilizzato. Comprendono:

• Penicilline
• Cefalosporine
• Beta-lattamine non penicilline e non cefalosporine

Caratteristiche:

• Presenza dell’anello beta-lattamico, legato ad un anello tiazolidinico (penicilline) o ad un anello diidrotiazinico (cefalosporine).
• Identico meccanismo d’azione.
• Carattere acido.
• Determinazione di reazioni allergiche spesso crociate.
• Possibilità di inattivazione da parte di enzimi (beta-lattamasi).

Penicilline

Gruppo numeroso di antibiotici costituiti da un nucleo (acido 6-amino-penicillanico) con differenti catene laterali in grado di condizionare le peculiarità farmacocinetiche e lo spettro d’azione.

Meccanismo d’azione: le penicilline e le cefalosporine interferiscono col processo di formazione del peptidoglicano. Agiscono al terzo stadio di tale processo, impedendo la formazione dei legami crociati della parete cellulare. La formazione di tali legami è catalizzata da un gruppo di enzimi [PBP: penicillin binding proteins] localizzati sulla faccia esterna della membrana. Tali enzimi rimuovono un residuo di D-alanina terminale dal pentapeptide, rilasciando energia che viene utilizzata per la formazione dei legami crociati nel peptidoglicano. Gli antibiotici beta-lattamici inibiscono le PBP mediante un meccanismo competitivo, poiché somigliano al dimero D-ala D-ala. I beta-lattamici sono erroneamente riconosciuti come veri substrati dagli enzimi, pertanto si scinde il legame beta-lattamico. L’antibiotico beta-lattamico scisso si fissa covalentemente all’enzima formando un complesso acil-enzima assai stabile. Gli enzimi, così bloccati, non sono più in grado di catalizzare le reazioni di sintesi del peptidoglicano.

Nota bene: Le PBP sono classificate in base al peso molecolare e denominate PBP1a, PBP1b, PBP2 etc. Gli enzimi a peso molecolare maggiore sono più importanti, perciò il loro blocco si accompagna a modificazioni evidenti nella forma dei microrganismi che ne determinano rapida lisi. Il blocco delle PBP attiva enzimi autolitici presenti nella cellula in grado di completare la lisi del peptidoglicano.

Classificazione

• Penicilline naturali cioè "estrattive"
• Penicilline semisintetiche