Farmaci antibatterici

Antibiotici β-lattamici

Struttura chimica

Rappresentano il gruppo di antibiotici più numeroso, noto e maggiormente usato e comprende:

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

La loro struttura è caratterizzata dalla presenza dell’anello β-lattamico legato a:

• Un anello tiazolidinico (penicilline)
• Un anello diidrotiazinico (cefalosporine)

Tutte le β-lattamine presentano alcune caratteristiche:

• Meccanismo d’azione altamente selettivo
• Azione battericida tempo dipendente (detti lenti battericidi)
• Carattere acido
• Bassa tossicità diretta, proprietà allergeniche
• Capacità di indurre la formazione di enzimi inattivanti

Nomenclatura di strutture contenenti un anello β-lattamico

Penicilline

Cenni storici

Nel 1928, Alexander Fleming (1881-1955), medico e microbiologo scozzese, osservò, mentre era intento a studiare dei ceppi di stafilococco nei laboratori del Saint Mary’s Hospital di Londra, che una muffa, il Penicillium notatum, la quale aveva contaminato accidentalmente una delle sue piastre di coltura, provocava un alone di inibizione dei batteri situati nelle vicinanze di essa. L’appartenenza della muffa al genere Penicillium suggerì a Fleming di chiamare questo composto antibatterico “penicillina”. Per tale scoperta, fu insignito del premio Nobel per la medicina nel 1945 (con H. W. Florey ed E. B. Chain).

Struttura chimica

Tutte le penicilline presentano la stessa struttura costituita da:

• Un anello tiazolidinico che lega
• Un anello β-lattamico centrale a 4 atomi di C, il quale lega un gruppo amminico secondario (RNH-).

La struttura di base è l’acido 6-amminopenicillanico e la sua integrità strutturale è essenziale ai fini dell’attività biologica di tali farmaci. Tale acido ha attività antibatterica molto scarsa ed è costituito da 2 AA (cisteina e valida) fusi in un anello β-lattamico tiazolidinico.

Meccanismo d’azione

Le penicilline hanno azione battericida tempo-dipendente per inibizione della sintesi della parete batterica, costituita da peptidoglicano (mureina o mucopeptide). Essa circonda completamente la membrana citoplasmatica, mantiene la forma della cellula e previene la lisi che si verificherebbe come risultato dell’alta pressione osmotica (16-18 atm) e dell’iperosmolarità all’interno della cellula batterica rispetto all’ iso/iposmolarità dell’ambiente esterno.

Il peptidoglicano è un polimero costituito da polisaccaridi e polipeptidi:

• Il polisaccaride contiene gli amminozuccheri N-acetilglucosamina (NAG) e acido N-acetilmuramico (NAM) che si alternano nella struttura
• Un pentapeptide che termina con il dimero D-Alanina-D-Alanina è legato alla molecola di NAM

Le proteine leganti la penicillina (PBP), appartenenti alla classe di transpeptidasi e carbossipeptidasi, rimuovono l’alanina terminale nel processo di transpeptidazione che porta alla formazione di un legame crociato con un peptide vicino. L’integrità del peptidoglicano dipende dai legami crociati dello scheletro glicolipidico.

I β-lattamici, in qualità di analoghi strutturali del substrato naturale D-Ala-D-Ala, formano un legame covalente con il sito attivo delle PBP, portando all’inibizione del processo di transpeptidazione e di sintesi di peptidoglicano.

Penicillin binding protein

Esistono sei differenti tipi di PBP che fissano le beta lattamine in modo irreversibile con legame covalente e con affinità che varia in base alla struttura molecolare della penicillina in questione:

• Le PBP 1a, 1b, 2, 3 sono le isoforme attive
• Le PBP 4, 5, 6 non hanno effetto sul microrganismo

Il legame dell’antibiotico con una di queste proteine porta all’arresto della sintesi di peptidoglicano e alla liberazione delle autolisine che permettono alla mureina idrolasi di idrolizzare la mureina batterica e di provocare la rottura della cellula intera; consegue la comparsa di forme batteriche filamentose e lisi cellulare.

Le β-lattamine acilano irreversibilmente gli enzimi bersaglio all’altezza dei siti di legame, rendendoli inattivi e, contemporaneamente, perdono l’integrità della propria struttura beta lattamica. La transpeptidasi viene ossidrile del residuo di serina acilata dalla penicillina sull’ con conseguente formazione di penicilloil-enzima inattivo e relativa scissione del legame amidico CO-NH dell’anello β-lattamico.

Meccanismi di resistenza agli antibiotici β-lattamici

La resistenza alle penicilline e ai β-lattamici in generale è dovuta ad uno dei seguenti quattro meccanismi generali:

1. Inattivazione ad opera delle β-lattamasi che idrolizzano il legame amidico dell’anello β-lattamico con formazione di metaboliti inattivi: tali enzimi possono essere a codifica cromosomica o plasmidica, inducibili o costitutivi, prodotti da Gram+ (esobetalattamasi) o Gram- (endobetalattamasi).
2. Alterazione delle PBP bersaglio, in grado di impedire il legame dell’antibiotico al sito bersaglio.
3. Riduzione della permeabilità degli strati esterni della parete cellulare (Gram-) tale da impedire che il farmaco raggiunga le PBP bersaglio; essendo idrofili ciò è consentito dalle porine secondo gradiente. Però se le porine sono poco rappresentate si può considerare meccanismo di resistenza. Tale meccanismo causa bassi livelli di resistenza.
4. Presenza di una pompa di efflusso che trasporta il farmaco all’esterno della cellula.

La produzione di β-lattamasi è il meccanismo più comune. Sono state identificate diverse centinaia di β-lattamasi. Le β-lattamasi sono suddivise secondo la classificazione di Ambler in 4 classi, dalla A alla D:

• Classi A, C e D: β-lattamasi a serina. Sono sensibili a vari inibitori tra cui l’acido clavulanico che è usato in associazione alle penicilline (es. Clavulin: amoxicillina + a.clavulanico).
• Classe B: metallo β-lattamasi, sono più rare con spettro d’azione più ampio.

Gli enzimi carbapenemasi appartengono alle classi A, B e D che sono le più importanti classi enzimatiche riscontrate nei patogeni responsabili di infezioni nosocomiali.

• Classe A: β-lattamasi a serina β-lattamasi ad ampio spettro (ESBL) prodotta da Enterobacteriacee; carbapenemasi Klebsiella pneumoniae o KPC (enzimi clinicamente più importanti), che sono capaci di idrolizzare tutti i beta-lattamici e hanno un’attività inibita solo in parte dall’acido clavulanico e da tazobactam; degradano le penicilline, alcune cefalosporine e in alcuni casi i carbapenemi.
• Classe B: metallo-β-lattamasi (MBLs). Sono la classe di enzimi a maggior attività carbapenemasica e hanno capacità di idrolizzare tutte le penicilline, le cefalosporine e i carbapenemi.

NDM-1 (New Delhi metallo-β-lattamasi): rende i batteri resistenti anche a carbapenemi. I batteri che trasportano tali geni sono spesso denominati dai media "superbatteri", dal momento che le infezioni provocate da questi batteri sono molto difficili da trattare con successo.

• VIM (Verona integron-encoded metallo beta-lattamasi)
• IMP (Imipenemasi).

Classe C: β-lattamasi attive sulle cefalosporine, come AmpC presente in Acinetobacter ed Enterobacteriacae

Classe D: dette OXA perché capaci di idrolizzare l’oxacillina più che le penicilline.

La presenza di PBP modificate (es. PBP 2a) è responsabile della resistenza alla meticillina negli stafilococchi e alla penicillina negli pneumococchi ed enterococchi. Tali PBP modificate hanno bassa affinità di legame per gli antibiotici β-lattamici e di conseguenza i microrganismi che le producono non sono inibiti eccetto che a concentrazioni di farmaco relativamente elevate, non raggiungibili nell’uso clinico.

La resistenza dovuta a ridotta penetrazione del farmaco si verifica solo nei batteri Gram- a causa della presenza della membrana esterna impermeabile. Gli antibiotici B-lattamici attraversano la membrana esterna e penetrano all’interno tramite alcuni canali formati da porine. L’assenza di porine appropriate o una loro diminuita produzione possono ridurre notevolmente l’ingresso del farmaco nella cellula.

I microrganismi Gram- possono infine sintetizzare una pompa di efflusso costituita da componenti proteici citoplasmatici e periplasmatici che trasporta gli antibiotici β-lattamici nell’ambiente extracellulare.

Farmacocinetica e caratteristiche generali

Classe disomogenea di farmaci accomunati da caratteristiche generali:

• Somministrazione e assorbimento: hanno variabile biodisponibilità (alcune saranno quindi somministrabili per os altre invece non sono assorbite sufficientemente come ad esempio la penicillina G; la somministrabilità per os migliora molto la compliance del paziente). Ad eccezione dell’amoxicillina orale dovrebbero essere somministrate 1-2h prima o dopo i pasti, per ridurre il legame con le proteine alimentari ed in attivazione dal succo gastrico. I livelli plasmatici di tutte le penicilline possono essere aumentati se si somministra probenecid per os, il quale inibisce la secrezione tubulare degli acidi deboli come i composti B-lattamici.
• Distribuzione: si distribuiscono bene in molti tessuti e liquidi biologici (pleurico, articolare, pericardico, biliare) con rapido raggiungimento di concentrazioni terapeutiche; basse concentrazioni intracellulari perché idrofile. Essendo idrofile hanno bassa penetrazione in distretti come SNC, occhio e prostata. (NOTA: penetrano nel liquor solo a meningi infiammate; ad esempio in caso di ascesso cerebrale senza interessamento meningeo non vi sarà distribuzione)
• Legame farmaco-proteico 20-95%. Alcune penicilline saranno quindi molto influenzate dalle concentrazioni delle proteine plasmatiche: rilevante se la frazione di farmaco legata e del 95% o più.
• Emivita terminale di 30-90 minuti per questo necessitano di somministrazioni ripetute.
• Metabolismo: le penicilline subiscono uno scarso metabolismo epatico
• Eliminazione: avviene per via renale tramite filtrazione e/o per secrezione (in quanto idrofile)

Classificazione generale

NATURALI:

• 6-APA, penicillina G e V (per os vanno incontro a degradazione enzimatica)

AD USO PARENTERALE RESISTENTI A B-LATTAMASI:

• Meticillina (1° Ab resistente a B-latt.)

AD USO ORALE RESISTENTI A B-LATTAMASI:

• Oxacillina, cloxacillina, dicloxacillina (resistenza di grad inferiore rispetto a meticillina)

AD USO PARENTERALE, AMPIO SPETTRO RESISTENTI A B-LATTAMASI:

• Carbenicillina, ticarcillina, azlocillina, piperacillina, mezlocillina

AD USO ORALE, AMPIO SPETTRO SENSIBILI A B-LATTAMASI:

• Ampicillina, amoxicillina, mecillinam, becampicillina (assorbimento variabile tra 30-60% nei pz)

INIBITORI B-LATTAMASI:

• Acido clavulanico, sulbactam, tazobactam

Classificazione

1. Penicilline naturali: cioè “estrattive, derivanti dal Penicillum Crysogenum
2. Penicilline semisintetiche: derivanti dall’acido 6-aminopenicillanico con l’aggiunta di catene laterali. Le sostituzioni in C6 nella catena laterale: influenzano lo spettro (resistenza all’idrolisi), l’intensità dell’attività antibatterica e la farmacocinetica. L’esterificazione in posizione C3 delle amidinopenicilline dà origina a profarmaci con migliore assorbimento per via GI

Penicilline naturali

Penicillina G o benzil-penicillina

Penicillina G o benzil-penicillina: scoperta casualmente da Fleming nel 1928, utilizzata poi nell’uomo, dopo il completamento delle sperimentazioni effettuate da Florey e Chain negli anni '40 e finanziate dagli U.S.A. (fondazione Rockefeller). Attualmente è prodotta per via fermentativa dal Penicillium crysogenum che assicura, rispetto al “notatum” di Fleming, maggiori rese.

Spettro di azione

Essendo la prima penicillina individuata il suo spettro di attività è molto ristretto. Utilizzata prevalentemente contro batteri Gram+.

• Cocchi Gram+: Steptococchi e Stafilococchi
• Bacilli Gram+
• Aerobi: B.anthracis, C.diphteriae, Listeria
• Anaerobi: varie specie di Clostridium
• Gram-: N.meningitidis, T. pallidum

È sensibile alle β-lattamasi

Farmacocinetica

• Bassa biodisponibilità orale. Impiego solo per via parenterale iniettiva a cui spesso si associa anestetico locale in quanto dolorosa.
• Acido-sensibile
• Legame farmaco-proteico buono 65%
• Eliminazione renale rapida per via tubulare (carattere acido)

Usi clinici

• Sifilide: trattamento di prima linea
• Meningite da L.monocytogenes
• Infezioni pneumococchiche: polmonite
• Infezioni streptococciche
• Carbonchio
• Chemioprofilassi malattia reumatica (febbre reumatica o patologie cardiache di tipo reumatico)
• Intossicazione da Amanita phalloides: dosi di 50 milioni UI

Formulazioni ritardo

Considerata la veloce eliminazione della penicillina G, sono state proposte “formulazioni ritardo”. Si tratta di esteri o sali della penicillina che determinano un effetto deposito nel punto di iniezione (somministrazione parenterale) con rilascio lento del farmaco e realizzazione di livelli ematici persistenti.

• Penicillina procaina (penicillina G + procaina, livelli ematici costanti per 24h)
• Penicillina benzatina (penicillina G + benzatina, livelli ematici elevati per circa 28 giorni) [consigliate nell’infezione streptococcica in età pediatrica per evitare le sequele post-streptococciche, sono da evitare nei soggetti allergici, il rilascio lento determina sensibilizzazione]
• Penicillina V o fenossimetil penicillina: somministrabile per via orale essendo gastro-resistente, medesime indicazioni della penicillina G indicata solo per infezioni meno gravi per spettro d’azione limitato, necessità di 4 dosi/die
• Penicillina F (fentenil penicillina): caratteristiche simili alle precedenti penicilline

Penicilline semisintetiche

Migliori caratteristiche della penicillina G. Le sostituzioni interessano solo il gruppo NH₂ in posizione 6 (ampliamento dello spettro e intensità dell’azione). Tali molecole sono somministrate per via orale, hanno un buon legame farmaco-proteico, sono soggette a rapida eliminazione ed hanno breve emivita. Presentano alcune caratteristiche:

• Resistenti alle penicillinasi
• Ad ampio spettro: in particolare agiscono anche su Pseudomonas aeruginosa

1. Fenossi-alchil-penicilline: feneticillina, propicillina
2. Analoghi della penicillina G: azidocillina
3. Penicilline beta-lattamasi resistenti: meticillina
4. Isoxazolil penicilline

Meticillina

Penicillina beta-lattamasi resistente: farmaco di scelta per il trattamento di MSSA.

• Somministrazione parenterale, assai dolorosa
• Spettro ristretto: stafilococchi non MR, streptococchi, neisserie, clostridi con attività inferiore alla penicillina G
• Eliminazione renale rapida
• Emivita breve

Sintetizzata per fronteggiare la prima ondata di resistenza da parte degli stafilococchi nei confronti della penicillina. Successivamente il numero di stafilococchi resistenti alla meticillina (MRSA) e alle isoxazolil penicilline si è incrementato soprattutto a livello ospedaliero. La resistenza è legata alla sintesi di una nuova PBP, denominata PBP2A dotata di scarsa affinità per la meticillina.

Isoxazolil penicilline

• Oxacillina
• Dicloxacillina
• Cloxacillina
• Flucloxacillina

Spettro d’azione: inizialmente sintetizzate come penicilline anti-stafilococciche: il loro impiego è limitato dalla bassa attività e dall’incremento della meticillina-resistenza MR. Sono indicate solo per i ceppi di S.aureus e S.epidermidis non meticillino-resistenti. Tali penicilline β-lattamasi resistenti non sono attive contro L. monocytogenes, Enterococcus e specie di.

Farmacocinetica

• Somministrazione orale
• Alto legame farmacoproteico (93-97%)
• Emivita breve

Penicilline ad ampio spettro

Questi antibiotici hanno maggiore attività della penicillina G contro batteri Gram-, a causa dell’aumentata capacità di penetrare la membrana esterna dei Gram-.

Aminopenicilline

Il gruppo aminico in più permette di attraversare la membrana esterna dei Gram- ampliando molto lo spettro di azione.

Possiamo definirle quindi ad ampio spettro:

• Gram+: Stafiilococchi, Streptococchi, bacilli e clostridi
• Gram-: Salmonelle, E.coli, N.meningitidis, L.monicytogenes, H.influenzae, P.mirabilis, Shigelle, Acinetobacter spp.

Ampicillina

Spettro d’azione ampio (Gram+ e Gram-); sono resistenti Pseudomonas, alcuni Proteus e Klebsielle, Serratia.

Farmacocinetica

• Somministrazione orale (farmaco gastro-resistente): buono assorbimento
• Legame farmaco proteico basso (10%)
• Sensibilità alle β-lattamasi
• Buona diffusione nel liquor e nei tessuti
• Eliminazione renale
• Emivita breve (1-2h)

Amoxicillina (Zimox ®)

Idrossi derivato dell’ampicillina. Caratteristiche molto simili all’ampicillina (stesso spettro e attività; minore efficace verso Shigella). Assorbita per os più rapidamente e completamente rispetto ad ampicillina.

È la più attiva tra tutti gli antibiotici β-lattamici contro i ceppi si S. pneumoniae penicillino-resistenti.

Profarmaci dell’ampicillina

• Pivampicillina
• Bacampicillina
• Talampicillina

Sono esteri: l’esterificazione incrementa la lipofilia, migliorando l’assorbimento a livello intestinale, un’esterasi stacca il gruppo laterale liberando l’ampicillina. Queste molecole hanno una migliore biodisponibilità.