FARMACI ANTIBATTERICI ASPETTI STORICI 1877 Pasteur Osservazione dell’inibizione di crescita fra diversi microrganismi nella stessa coltura 1904 Ehlrich Nascita della chemioterapia 1928 Fleming Inibizione di crescita di una colonia batterica contaminata da Penicillium notatum 1877 Concetto di inibizione batterica (Pasteur) 1900~ Chemioterapia (Ehrlich) 1928 Scoperta penicillina (Fleming) 1935 Prontosil -> sulfamidici (DomagK) 1940 Antimetaboliti (Woods-Fildes) 1942 Concetto di antibiotico (Wak-Sman) 1943 Isolamento penicillina (Chain e Florey)

Definizione e caratteristiche Chemioterapici: farmaci antibatterici prodotti per sintesi chimica Antibiotici: sostanze antibatteriche naturali prodotte da varie specie di microrganismi (batteri o funghi). Azione batteriostatica: inibisce la moltiplicazione batterica. Reversibile dopo l’allontanamento del farmaco. L’eradicazione del microrganismo dipende dal sistema immunitario e dai meccanismi di fagocitosi dell’ospite Azione battericida: uccide i batteri ed è irreversibile ufc/ml I diversi effetti dipendono da: Il tipo di farmaco La concentrazione del farmaco Il bersaglio del farmaco

Antimetaboliti Antimicrobici

Sulfamidici e trimetoprim I sulfamidici sono stati i primi chemioterapici usati per inibire la crescita dei batteri. Il sulfamidico più semplice è la sulfanilamide, che agisce come analogo dell’acido p-aminobenzoico, che, a sua volta, è parte dell’acido folico. La sulfanilamide compete con l’acido p-aminobenzoico (PABA) legandosi al sito attivo dell’enzima diidropteroatosintetasi (DHPS) bloccando la sintesi dell’acido folico (o vitamina B9), precursore degli acidi nucleici. E’ attiva contro i batteri che sono in grado di sintetizzare acido folico, ma non contro gli organismi superiori, che devono procurarselo con la dieta. Il trimetoprim è analogo dell’acido diidrofolico. Esso esercita la sua azione inibente legandosi all’enzima diidrofolato riduttasi (DHFR), catalizzante la reazione che trasforma il diidrofolato in tetraidrofolato, cofattore richiesto per la sintesi delle purine, della timina, e di alcuni aminoacidi. L’enzima batterico è 50.000 volte più sensibile all’inibitore rispetto a quello cellulare. Il trimetoprim sinergizza con gli altri sulfamidici.

SULFAMIDICI Agiscono come antimetaboliti competendo con il substrato per l’enzima che catalizza la reazione La solfonillamide si sostituisce al (para-aminobenzoico ) PABA, precursore degli acidi folici, acidi indispensabili per la biosintesi di nucleotidi ed aminoacidi. Hanno azione batteriostatica con tossicità selettiva. L’organismo utilizza gli acidi folici presenti nella dieta, mentre i batteri li devono sintetizzare (ad eccezione degli enterococchi che sono insensibili ai sulfamidici). I sulfamidici sono scarsamente efficaci in infezioni con necrosi tissutale (ustioni, pus, etc) perché vengono liberate notevoli quantità di aminoacidi e basi azotate efficacia limitata per l’insorgenza di ceppi batterici resistenti 5% dei pazienti ha effetti collaterali (risposte allergiche)

Fluorochinoloni I chinoloni sono composti di sintesi derivati dalla 7-clorochinolina (acido nalidixico). La maggior parte dei chinoloni utilizzati correntemente in medicina appartengono ad un sottogruppo i fluorochinoloni, che si distinguono per la presenza di una sostituzione sull'anello chinolinico al carbonio in posizione 6 con un atomo di fluoro Meccanismo d’ azione – Si legano alla subunità A della DNA girasi (topoisomerasi) e impediscono il superavvolgimento del DNA. Spettro di attività – Cocchi Gram negative e diversi gram positivi e patogeni del tratto urinario Resistenza - comune all’acido nalidixico; in aumento per la ciprofloxacina

Chinoloni I chinoloni derivano dall’acido nalidixico. Inattivano la girasi (topoisomerasi II) batterica (enzima che catalizza lo srotolamento e l’avvolgimento del DNA, necessario per la replicazione) interferendo con la subunità A. La girasi è formata da due copie di peptidi (subunità A e B). La subunità A taglia in siti specifici, mentre la subunità B è responsabile della spiralizzazione negativa. Questi due meccanismi favoriscono la formazione della forcina replicativa. L’antibiotico novobiocina ottiene lo stesso risultato interferendo con la subunità B. L’azione antibatterica dei chinoloni è sinergica con quella della novobiocina I chinoloni sono indicati nelle infezioni delle vie urinarie. Chinolone Novobiocina

E’ il principale chemioterapico antitubercolare. Isoniazide Analogo della nicotinamide e della piridossiamina (vitaminaB6). Inibisce diversi enzimi che richiedono questi cofattori. E’ il principale chemioterapico antitubercolare. Funziona da profarmaco. Viene attivato da un enzima del Micobacterium tuberculosis (catalasi perossidasi o Kat G) bloccando l’azione dell’acido grasso sintetasi, inibendo la sintesi degli acidi micolici, componente essenziale della parete dei Micobatteri, e aumentando la fragilità della parete.

Antibiotici Sono agenti chimici di origine naturale che uccidono i microrganismi o ne inibiscono la crescita Caratteristiche biochimiche: Metaboliti secondari sono prodotti dal metabolismo secondario (non essenziale per la vita della cellula), sono prodotti nella fase stazionaria di crescita, principalmente da microrganismi del suolo come miceti (funghi), Streptomiceti e Bacilli. Natura chimica: Molecole insolite Come mai vengono prodotti: Hanno un’azione antagonista nei confronti da altri batteri Hanno un ruolo nel processo di sporulazione Hanno una funzione regolativa Sono dei prodotti di scarto

ANTIBIOTICI ALTA TOSSICITA’ SELETTIVA tossicità selettiva per i batteri, una sostanza ad azione antimicrobica dovrebbe avere effetto massimo sulla cellula batterica e scarso o nessun effetto sulle cellule umane. battericidi (uccidono i batteri) batteriostatici (inibizione della crescita) BASSA TOSSICITA’ RESIDUA tossicità nulla o scarsa per il paziente Alcune attività metaboliche della cellula batterica differiscono significativamente da quelle delle cellule umane. Molecole ad attività antibiotica o chemioterapica sfruttano queste differenze. deve avere un alto indice terapeutico, che è il rapporto tra dose tossica (concentrazione tossica per l’ospite) e dose terapeutica (concentrazione necessaria per eliminare il patogeno)

Classificazione Inibiscono la sintesi della parete cellulare (le cellule animali NON hanno parete) Inibiscono la sintesi di acidi nucleici (bersaglio: enzimi batterici) Inibiscono la sintesi proteica (i ribosomi batterici sono diversi da quelli della cellula eucariotica) Disgregano la struttura lipidica della membrana esterna dei Gram-

Antibiotici che inibiscono la sintesi della parete cellulare Sintesi dei precursori nel citoplasma Trasporto dei precursori attraverso la membrana citoplasmatica ad opera di un lipide: bactoprenolo o undecaprenil-P 3. Inserimento dei precursori in punti di crescita della parete cellulare. In questa fase sono importanti le reazioni di transpeptidazione (formazione di legami peptidici crociati fra catene parallele di peptidoglicano). Gli enzimi coinvolti in queste reazioni (transpeptidasi, transglicosidasi, endopeptidasi e carbossipeptidasi) sono definiti proteine leganti la penicillina (PBP, penicillin-binding proteins) e sono presenti sulla membrana cellulare. Antibiotici che inibiscono la sintesi della parete cellulare La sintesi del peptidoglicano può essere suddivisa in 3 tappe

Schema della neosintesi della parete cellulare e antibiotici che interferiscono con la sintesi del peptidoglicano GRAM - GRAM +

Antibiotici attivi sulla prima tappa del metabolismo del peptidoglicano: Fosfomicina e Cicloserina La prima tappa avviene nel citoplasma, dove vengono sintetizzate le unità fondamentali della struttura portante del peptidoglicano NAG e NAM La D-cicloserina è un analogo strutturale della D-alanina. Essa inibisce in maniera competitiva due enzimi coinvolti nella formazione del dipeptide D-alanil-D-alanina: la racemasi che converte la L-alanina nel suo stereoisomero D, e la sintetasi che catalizza la formazione del legame peptidico tra le due molecole D-alanina. La cicloserina è relativamente tossica ed è usata nel trattamento delle infezioni da micobatteri ed infezioni urinarie. La fosfomicina è un analogo strutturale del fosfo-enolpiruvato e impedisce la sintesi dell’acido N-acetil-muramico, legandosi covalentemente al sito attivo dell’enzima piruviltransferasi e inattivandolo. La rapida insorgenza di resistenza la rendono praticamente poco utilizzabile in clinica.

Antibiotici attivi sulla seconda tappa del metabolismo del peptidoglicano La seconda tappa della sintesi del peptidoglicano avviene sulla superficie interna della membrana citoplasmatica dove l’ N-acetilmuramilpeptide (NAG-NAM-pentapeptide) viene legato da un trasportatore lipidico che trasloca la subunità completa all’esterno della membrana citoplasmatica La bacitracina è un polipeptide ciclico prodotto da ceppi di Bacillus licheniformis e inibisce la defosforilazione del trasportatore lipidico legandosi al bactoprenolo-difosfato e bloccando la rigenerazione del bactoprenolo-monofosfato. E’ un antibiotico tossico per l’uso clinico umano. Viene usato per trattamenti topici (creme, unguenti, spray) e come additivo alimentare per ruminanti al fine di ridurre la produzione di metanolo nel rumine.

Antibiotici attivi sulla terza tappa del metabolismo del peptidoglicano La terza tappa avviene nella fase finale della formazione della parete cellulare dove l’unità basale (NAG-NAM-pentapeptide), liberata dal legame del trasportatore lipidico, si unisce all’ estremità in accrescimento di una catena di peptidoglicano (transpeptidazione). Molti antibiotici agiscono su questa tappa. La vancomicina è un glicopeptide, prodotto da actinomiceti (Streptomices orientalis), che interagisce con l’estremità D-alanina-D-alanina del NAG-NAM-pentapeptide legata al bactoprenolo ed impedisce le operazioni terminali di formazione dei ponti (transglicosilazione e transpeptidazione) che portano all’inserimento dell’unità basale nella zona di accrescimento del peptidoglicano.

Antibiotici -lattamici: le Penicilline Le penicilline sono prodotte da ceppi di Penicillium notatum e chrisogenum, un caratteristico ascomicete (muffa) il cui micelio è suddiviso in cellule che formano una struttura ramificata.

Antibiotici -lattamici Gli antibiotici -lattamici prendono questo nome poiché ciascuno di essi possiede un anello tetratomico -lattamico che è il sito attivo dell’antibiotico. Il primo gruppo di antibiotici -lattamici è costituito dalle penicilline, prodotte dal micete Penicillum chrysogenum, il cui nucleo fondamentale è costituito dall’acido 6-aminopenicillanico in una struttura biciclica -lattamico-tiazolidinica. Il secondo gruppo è rapresentato dalle cefalosporine, prodotte dal micete Cephalosporium achremonium, il cui nucleo fondamentale è rappresentato dall’acido 7-amino-cefalosporanico, che ha una struttura biciclica -lattamico-diidrotiazinica. Diversi radicali (R) possono essere condensati al gruppo aminico dell’anello beta lattamico

Proteine che legano le penicilline (PBP) La sintesi della parete batterica è catalizzata da enzimi specifici (transpeptidasi, carbossipeptidasi, etc) che vengono chiamati Penicillin Binding proteins (PBP), perché possono legarsi agli antibiotici  -lattamici con legame covalente. Ciascuno antibiotico  -lattamico si lega di preferenza a determinate PBP. Ciascun batterio possiede un proprio patrimonio di PBP. Il tipo e la quantità di PBP presenti sono in grado di determinare la sensibilità o la resistenza di un dato batterio ad un particolare antibiotico beta-lattamico.

Meccanismo d’azione degli antibiotici -lattamici Gli antibiotici -lattamici sono in grado di bloccare il legame di transpeptidazione tra le catene peptidiche laterali di molecole adiacenti e parallele di peptidoglicano. La transpeptidazione è importante perché formando legami crociati completa la parete e gli fornisce la forza necessaria per resistere alla lisi osmotica. In presenza di antibiotici beta-lattamici (principalmente penicilline e cefalosporine) la transpeptidasi lega invece l'anello beta-lattamico, analogo strutturale del dimero D-alanina-D-alanina. Viene così bloccata la reazione di transpeptidazione ed impedita la formazione del ponte trasverso L’evento finale dell’azione della penicillina è rappresentato dalla lisi batterica. La lisi cellulare non è solo la conseguenza del blocco della transpeptidazione, ma anche il risultato dell’attivazione di enzimi (autolisine) in grado di depolimerizzare il peptidoglicano. Due classi di autolisine sembrano essere responsabili dell’azione litica degli antibiotici beta-lattamici. Le amidasi scindono i legami tra tetrapeptidi ed il glicano (NAG-NAM), mentre le glicosidasi scindono i legami 1, 4-glicosidici tra le unità disaccaridiche.

Radicale condensato al gruppo aminico Esempi di penicilline prodotte per fermentazione (penicillina G e V) e per via semisintetica Radicale condensato al gruppo aminico Le diverse catene laterali possono essere introdotte nella molecola base della penicillina (acido 6-aminopenicillanico) in due modi: Per via biologica (penicilline naturali) – in questo casi si aggiunge al terreno di coltura un precursore corrispondente al radicale (gruppo prostetico) da condensare al gruppo aminico. Per via chimica (penicilline semisintetiche)

Penicilline naturali: penicillina G e V La benzil-penicillina (penicillina G), che è la penicillina naturale più usata in terapia, si ottiene coltivando il micete in presenza di un eccesso di acido fenilacetico, dove l’acido fenilacetico si lega all’anello -lattamico. La penicillina G è attiva contro la maggior parte dei batteri Gram-positivi e contro i cocchi Gram-negativi (Neisseriae). La maggior parte dei batteri Gram negativi è insensibile (1) per la difficoltà di attraversare la membrana esterna e (2) per la presenza nello spazio periplasmico di -lattamasi endogene. Inoltre, negli anni, molti batteri hanno acquisito resistenza all’azione della penicillina G. Durante gli anni’50 i ricercatori scoprirono che il tipo di penicillina escreta da Penicillium variava in base ai costituenti del terreno di crescita. Infatti aggiungendo al terreno di coltura alcuni tipi di acidi organici essi ottennero tipi di penicilline differenti. Mentre la penicillina G era prodotta su un terreno contenente acido fenossiacetico, la penicillina V (fenossimetilpenicillina) era prodotta su un terreno contenente sostanze donatrici di fenossimetili. La penicillina V rappresentò un grosso passo in avanti perché poteva essere somministrata anche per via orale, data la sua maggiore stabilità rispetto alla penicillina G nell’ambiente acido dello stomaco. Ancora oggi la penicillina V viene ampiamente usata in campo pediatrico.

Penicilline semisintetiche La dimostrazione che l’acido 6-aminopenicillanico può essere condensato chimicamente con un notevole varietà di radicali, che non sono in grado di intervenire nel processo biosintetico naturale, ha aperto la strada alla produzione di penicilline semisintetiche con specifici caratteri, come : (1) resistenza alle -lattamasi e (2) ampliamento dello spettro d’azione. Ci sono 4 tipi principali di penicilline semisintetiche: Penicilline resistenti alla penicillinasi (-lattamasi). La meticillina, e le isossazolil-penicilline (oxacillina, cloxacillina, dicloxacillina e flucloxacillina). La presenza di un voluminoso radicale vicino all’anello β-lattamico rende questi antibiotici resistente alle -lattamasi. Penicilline ad ampio spettro. Le aminopenicilline (ampicillina, amoxicillina), le carbossipenicilline (carbenicillina, carindacillina, carfecillina, ticarcillina), le ureidopenicilline (azlocillina, mezlocillina, piperacillina), le sulfossipenicilline (sulbenicilina, suncillina). L’ aminogruppo di questi antibiotici permette facilmente l’attraversamento della membrana esterna dei batteri gram-negativi. Pertanto, esse sono eccellenti penicilline ad ampio spettro. Penicilline ad ampio spettro e resistenti alla penicillinasi. Le amido-penicilline (Mecillinam) Penicilline anti-pseudomonas. Tre tipi di penicilline sono state prodotte per agire contro Pseudomonas aeruginosa: carbossipenicilline (ticarcillina), le piperazin–penicilline e le ureidopenicilline.

Cefalosporine e cefamicine   Cefalosporine (a) e cefamicine (b). Le cefalosporine e gli antibiotici ad esse correlate, le cefamicine, costituiscono il più grande gruppo di antibiotici beta-lattamici. Il nucleo delle cefalosporine, acido 7-aminocefalo-sporanico, è escreto dalla muffa Cephalosporium acremonium. Le cefamicine sono prodotte da streptomiceti e si differenziano dalle cefalosporine per la presenza naturale di un radicale metossilico (CH3O) in C7. Cefalosporine di prima generazione. Costituiscono le prime cefalosporine prodotte ed hanno uno spettro d’azione ristretto ai Gram-positivi e sono sensibili alle -lattamasi.. Cefalosporine di seconda generazione. Esse sono più efficaci contro i batteri gram-negativi e la loro efficacia contro i batteri gram-positivi è comparabile pressappoco a quella delle cefalosporine di prima generazione. Cefalosporine di terza generazione. Le cefalosporine di terza generazione hanno uno spettro d’azione esteso ai Gram-negativi e sono notevolmente resistenti all’azione delle beta-lattamasi a causa dei loro gruppi R ampi e del tutto particolari. Cefalosporine di quarta generazione sono molto simili ai farmaci di terza generazione, dai quali però differiscono per la maggiore resistenza all'idrolisi provocata dalle beta-lattamasi batteriche di origine plasmidica Cefalosporine di "quinta generazione" efficaci anche nei confronti di ceppi MRSA (Staphylococcus aureus resistente alla meticillina)

Reazioni anafilattiche agli antibiotici -lattamici Le reazioni anafilattiche possono essere di varia entità e sono per lo più accompagnate da segni di tipo specificamente "allergico" che sono: prurito (con inizio alle mani ed ai piedi e poi generalizzato); eritema: che può ricoprire l'intero corpo; orticaria: placche giganti su tutto il corpo; edemi al volto, congestione congiuntivale e nasale, respirazione difficile broncospasmo con manifestazioni asmatiformi SHOCK ANAFILATTICO Reazione allergica drammatica di origine immunologica che segue alla somministrazione per via parenterale, più frequentemente endovenosa, di un farmaco. Questo tipo di shock può fare seguito anche a punture di insetti, morsi di serpenti, ingestione di cibi particolari. Cause più frequenti. La penicillina e gli altri antibiotici beta-lattamici rappresentano più del 75% dei casi di anafilassi da farmaci (le statistiche riferiscono episodi fatali nello 0,001-0,002% dei casi. Poiché si ritiene che l’1-5% degli adulti sia allergico alle penicilline, è utile chiedere ad ogni paziente notizie circa possibili allergie alle penicilline. Le cefalosporine danno in modo meno frequente reazioni di ipersensibilità e allergiche rispetto alle penicilline. la componente allergenica non è rappresentata dalla penicillina G di per sé, ma dalle molte molecole, incomplete presenti nelle miscele. Alcune molecole provengono dalla degradazione spontanea della penicillina G durante l’immagazzinamento, mentre altre sono molecole incomplete secrete dal fungo.

“Inibitori suicidi” Alcune molecole sono in grado di legarsi alle β-lattamasi inattivandole e prevenendo, così la distruzione degli antibiotici β-lattamici. L’acido clavulanico ed il sulbactam hanno una debole attività antimicrobica intrinseca, ma sono inibitori suicidi (formano un legame irreversibile) delle β-lattamasi. Ne consegue che un antibiotico somministrato insieme ad acido clavulanico è protetto dall’idrolisi dell’enzima

Altri antibiotici β e -lattamici Carbapenemici (modificati nell’anello tiazolidinico): ampio spettro di attività e resistenti alle β-lattamasi Monobattamici (possiedono solo l’anello β-lattamico): ampio spettro di attività e resistenti alle β-lattamasi  lattamici (anello a 5 atomi di carbonio): ampio spettro di attività e resistenti alle β-lattamasi