Polymyxin

8 Polymyxine

Polymyxine sind eine Klasse von kationischen cyclischen Decapeptiden, die durch das Vorhandensein von fünf positiv geladenen Aminresten aus Di-Aminobuttersäure (Dab) und einem lipophilen Schwanz gekennzeichnet sind, wie in der Struktur von Polymyxin B1 (50) gezeigt. Sie zeigen eine starke Aktivität gegen gramnegative Bakterien und wurden erstmals in den 1950er Jahren klinisch eingesetzt, aber die Verwendung war durch Berichte über Toxizität, insbesondere Nephrotoxizität, begrenzt. In den letzten zehn Jahren hat jedoch mit der zunehmenden Prävalenz von multiresistenten gramnegativen Bakterien die Verwendung von Polymyxinen als Arzneimittel der letzten Instanz wieder zugenommen .

Die derzeitige Polymyxin-Therapie hat viele Nachteile. Das häufigste Präparat im klinischen Einsatz ist das Prodrug von Polymyxin E (Colistin) (51), bekannt als CMS (Colistin Methansulfonat), das in den 1960er Jahren als weniger toxische Dosierungsform entwickelt wurde. Als Prodrug mit fünf sulfonylierten Aminogruppen ist die Pharmakokinetik jedoch kompliziert und nicht gut verstanden. Polymyxin B wird als Sulfatsalz durch langsame Infusion dosiert, um akute toxikologische Wirkungen zu überwinden, aber Bedenken hinsichtlich der Nephrotoxizität führen zu einer suboptimalen Dosierung. Ein Polymyxin der „zweiten Generation“ mit einem verbesserten therapeutischen Index und einem Dosierungsschema, das mit der modernen PK–PD-Methodik entwickelt wurde, wäre eine vorteilhafte Ergänzung des Rüstkastens gegen multiresistente gramnegative Infektionen.

Die Wirkungsweise von Polymyxinen ist nicht vollständig verstanden. Polymyxine binden an das negativ geladene Lipopolysaccharid (LPS) der äußeren Membran gramnegativer Bakterien und stören es, wodurch das Polymyxin (und andere Arzneimittel) in den periplasmatischen Raum gelangen können. Obwohl die Polymyxine kationische amphiphile Moleküle sind, ist die Bindung und Erkennung an die äußere Membran spezifisch. Die Deletion der Fett-Acyl-Kette und der Aminosäure 1 führt zu Polymyxin-B-Nonapeptid (PMBN, (52)), das zwar signifikant weniger aktiv als Polymyxin B ist, aber die Fähigkeit behält, die äußere Membran gramnegativer Bakterien zu permeabilisieren. Das Enantiomer von PMBN ist jedoch kein Permeabilisator . Ein Modell der Polymyxin-Bindung an das hochkonservierte hydrophobe Lipid A von LPS wurde entwickelt , basierend auf NMR-Studien von Polymyxin im Komplex mit LPS. In diesem Modell interagieren die positiv geladenen Amine mit den Phosphaten von LPS, während der lipophile Schwanz und die lipophile Aminosäure 6-7-Region des Kerns mit dem Lipidschwanz des LPS interagieren. Es wurde gezeigt, dass bestimmte Polymyxinderivate ohne signifikante antibakterielle Aktivität an LPS binden und die Bakterien für die Wirkung anderer Antibiotika permeabilisieren .

Die Struktur–Wirkungs-Beziehungen der Polymyxine wurden 2010 umfassend überprüft und seitdem gab es weitere Entwicklungen in der medizinischen Chemie und präklinische Untersuchungen, die sowohl auf die Verringerung der Toxizität als auch auf die Erhöhung des Aktivitätsniveaus abzielten, insbesondere gegen aufkommende multiresistente Stämme.

Polymyxins exhibit nephrotoxicity at levels close to the therapeutic dose, as well as a number of poorly characterised acute toxicological effects. Der Mechanismus der Nephrotoxizität wird derzeit untersucht , Es wird jedoch angenommen, dass er mit der kationischen Natur des Moleküls und der Akkumulation in den renalen proximalen tubulären Epithelzellen zusammenhängt, mit Aufnahme vermittelt durch den Multiligandenrezeptor, Megalin . Die Zytotoxizität wurde in den Zelltypen bestimmt, in denen sich das Arzneimittel ansammelt, beispielsweise in menschlichen proximalen tubulären (HK-2) Nierenzellen oder proximalen Tubulusepithelzellen (PTEC), und kann mitochondriale Schäden oder die Beteiligung reaktiver Sauerstoffspezies beinhalten.

In den letzten Jahren wurden eine Reihe von Ansätzen unternommen, um die Toxizität zu reduzieren und den therapeutischen Index von Polymyxinen zu verbessern. Die Totalsynthese neuer Polymyxinderivate über die Festphasenpeptidsynthese war der Hauptweg, der eine Manipulation an jedem Punkt der Polymyxinstruktur ermöglichte. Die Halbsynthese, die von Polymyxin selbst ausgeht, wurde ebenfalls ausgiebig genutzt, wobei auf die Fähigkeit verschiedener Enzyme zurückgegriffen wurde, den lipophilen Schwanz und die Tripeptidkette an bestimmten Positionen selektiv zu spalten. Es wurde auch ein selektiver Schutz der terminalen Aminogruppen der Dab-Reste erreicht, der die Halbsynthese einer Vielzahl von Derivaten des Nonapeptids ermöglicht.

Es wurde berichtet, dass die Entfernung des lipophilen Schwanzes und der Aminosäure 1 zum Verlassen des Polymyxin B-Nonapeptids (PMBN) (52) zu einer signifikanten Verringerung der Nephrotoxizität und der antibakteriellen Aktivität führt, während die Fähigkeit des Moleküls, Bakterien für die Wirkung anderer Antibiotika zu permeabilisieren, erhalten bleibt. Diese Verringerung der Toxizität wurde kürzlich durch In-vivo-Studien bei AstraZeneca bestätigt , in denen die Histopathologie bemerkenswerte Veränderungen in den Nieren von Ratten ergab, die mit Colistin behandelt wurden, verglichen mit denen, die mit PMBN oder Vehikelkontrolle behandelt wurden.

In einer Reihe von Derivaten, denen die Fett-Acyl-Kette fehlt, haben Katsuma und Mitarbeiter Pseudomonas-spezifische Polymyxin-Analoga untersucht . Der Ersatz der Fett-Acyl-Kette und Aminosäure 1 des Polymyxins mit allen basischen Resten, wie Dab-Dab-Dab-Kette (53a), führte in vitro zu einer potenten und selektiven Pseudomonas-Aktivität, jedoch mit erhöhter akuter Toxizität in der Maus. Eine kleine hydrophile Aminosäure am N-Terminal (Di-Aminopropionsäure (Dap) oder Serin) (53b, c) führte in vitro zu einer Pseudomonas-Aktivität, die mit Polymyxin B selbst vergleichbar ist. Das Dap-Analogon (53b) zeigte in der Maus eine 4,9-fach geringere akute Toxizität als Polymyxin B. Die Wirkung auf die Nierentoxizität wurde in dieser Serie nicht berichtet.Ein Ansatz von Northern Antibiotika zur Verringerung der Toxizität von Polymyxin-Derivaten bestand darin, die Anzahl der positiven Ladungen im Molekül zu reduzieren. Obwohl sich gezeigt hat, dass die Aminreste im cyclischen Teil des Polymyxins sowohl für die LPS-Bindung als auch für die nachfolgende antibakterielle Aktivität entscheidend sind, kann die Bindung an das LPS immer noch in Analoga ohne Aminreste im linearen Teil des Peptids erfolgen . Solche Derivate können als Permeabilisatoren für andere Antibiotika wirken, und einige haben eine eigene Aktivität gegen ein engeres Spektrum von Organismen. Beispiele umfassen die Nonapeptide NAB-7061 (54a) mit Aminobutyrat an Position 3 und NAB-739 (54b) mit d-Serin an Position 3. Beide behalten die Fähigkeit von Polymyxin, die äußere Membran zu permeabilisieren und synergistisch mit anderen Antibiotika zu wirken. Sowohl NAB-7061 als auch NAB-739 zeigten geringere Affinitäten (ca. ein Fünftel niedriger) für die Bürstenrandmembran der Nierenrinde als Polymyxin, wie in einem radioaktiv markierten Gentamicin-Verdrängungstest gezeigt. NAB-739 zeigte eine geringere Zytotoxizität in einer HK-2-Zelllinie mit IC50-Werten, die ungefähr 26-fach niedriger waren als Polymyxin B. NAB-739 zeigte auch antibakterielle Aktivität sowohl in vitro als auch in vivo. Während das In-vitro-Profiling eine gute Aktivität gegen E. coli und Klebsiella zeigte, war die Aktivität im Vergleich zu Polymyxin gegen Pseudomonas-Spezies reduziert. NAB-739 hat die Wirksamkeit in einem E. coli-Infektionsmodell nachgewiesen , bisher liegen jedoch keine Berichte über In-vivo-Toxizitätsstudien vor.

Cubist Pharmaceuticals haben über die Verringerung der Toxizität durch den Ersatz des lipophilen Schwanzes von Polymyxin durch einen Arylharnstoff in Verbindung CB-182,804 berichtet (55). Bisher ist dies der einzige der neuen Generation von Polymyxinen, der in Phase-I-Studien übergeht, nachdem er eine reduzierte Nephrotoxizität bei cynomolgösen Affen nachgewiesen hat .Pfizer berichtete kürzlich über die Synthese einer Vielzahl von Polymyxin-Derivaten, bei denen das Dab-3 des linearen Teils der Aminosäurekette durch Di-Aminopropionsäure Dap ersetzt wurde, von der berichtet wurde, dass sie die antibakterielle Aktivität verstärkt. Eine Vielzahl von biarylterminalen Gruppen wurde mit dem Schluss untersucht, dass Verbindungen mit mehr polaren Seitenketten, wie durch ClogD gemessen, weniger zytotoxisch gegen die hRPTEC-Nierenzelllinie waren, aber eine allgemeine Tendenz zu reduzierter antibakterieller Wirksamkeit aufwiesen. Eine bestimmte Pfizer-Verbindung, 5x (56), bei der der lipophile Schwanz von Polymyxin durch eine polare N-Phenylpyridon-Einheit ersetzt wurde, zeigte jedoch eine erheblich verringerte In-vitro-Toxizität im Vergleich zu Polymyxin unter Beibehaltung der Aktivität. Verbindung 5x wurde in vivo in einer 7-tägigen Studie im Vergleich zu Polymyxin B an der Ratte auf nephrotoxisches Potenzial untersucht. Bei einer Exposition, bei der Polymyxin B bei jedem Tier nekrotische Nierenläsionen verursachte (wenn auch nur minimal) (56), traten keine nekrotischen Nierenläsionen auf. Es wurde jedoch berichtet, dass es beim Hund keine signifikante Sicherheitsmarge von (56) gegenüber Polymyxin B gab.

Cantab anti-infectives hat berichtet, dass Polymyxin-Nonapeptid-Derivate, in denen die Acylkette eine polare Funktionalität enthält, in vitro und in vivo eine verringerte Toxizität aufweisen, während die In-vivo-Wirksamkeit erhalten bleibt . Zum Beispiel wurde Verbindung (57) mit Polymyxin B in einem E. coli-Maus-Oberschenkel-Infektionsmodell verglichen. Eine Gesamtdosis von 10 mg / kg (i.v., b.i.d.) von (57) ergab eine Verringerung der Bakterienlast um 4 log10 im Vergleich zur unbehandelten Kontrolle, während die gleiche Dosis Polymyxin die Bakterienlast um 4,8 log10 reduzierte. Ähnliche Ergebnisse wurden in einem Klebsiella pneumoniae-Infektionsmodell erhalten, wo (57) eine ähnliche Verringerung der Bakterienlast (2,3 log10 Reduktion) zu Colistin bei 10 mg / kg ergab. In vitro war (57) sechsfach weniger zytotoxisch als Polymyxin, gemessen mit IC50 gegen die HK-2-Zelllinie. In vivo, in einem Rattenmodell der Nephrotoxizität, (57) ergab einen signifikant niedrigeren Gehalt an Biomarkern für Nierenschäden im Urin (N-Acetyl-beta-d-Glucosaminidase, Albumin und Cystatin C) im Vergleich zu Colistin bei gleicher Dosis.

Ein weiterer Ansatz wurde von der Gruppe an der Monash University verfolgt, die Modifikationen untersucht hat, die Aktivität gegen resistente Stämme zeigen . Polymyxine mit erhöhter Lipophilie an den Aminosäuren 6 und 7 des Kerns und einer lipophilen Kette, z. B. FADDI-02 (58a) und FADD1-03 (58b), zeigen im Vergleich zu Polymyxin B eine verbesserte Aktivität gegen resistente Stämme von Pseudomonas aeruginosa und Acinetobacter baumanii. Die histologische Untersuchung zeigte bei diesen mit FADDI-03 behandelten Ratten keine Läsionen im Vergleich zu positiven Anzeichen einer Nierenschädigung bei den mit Polymyxin B behandelten Tieren. Diese geringere Toxizität wurde auf die hohe Serumbindung des Moleküls zurückgeführt, wodurch eine Akkumulation in den Nieren verhindert wird.

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