Lezione 11 (16-10-2024) PDF - Antibiotici

Lezione 11, 16-10-24 GLI ANTIBIOTICI Alcune definizioni L’antibiotico è una sostanza prodotta dai microrganismi in grado di bloccare la crescita dei batteri e non dei virus o dei funghi. Il chemioterapico, invece, è una sostanza di sintesi o di semisintesi con...

Lezione 11, 16-10-24 GLI ANTIBIOTICI Alcune definizioni L’antibiotico è una sostanza prodotta dai microrganismi in grado di bloccare la crescita dei batteri e non dei virus o dei funghi. Il chemioterapico, invece, è una sostanza di sintesi o di semisintesi con funzione antibiotica. Quindi agisce sempre sui batteri però non è naturale, ma viene prodotta in laboratorio ex novo o partendo da una sostanza naturale a cui si apportano delle modifiche. Altre due definizioni sono batteriostatico e battericida. Il batteriostatico è una sostanza in grado di inibire o limitare la replicazione batterica non causandone la morte, mentre il battericida provoca la morte dei batteri. Ci sono poi alcune regole di base da rispettare: quando si prescrivono degli antibiotici, questi possono essere prescritti anche in combinazione. I battericidi si combinano con i battericidi e i batteriostatici si combinano con i batteriostatici e questo effetto da’ sinergismo, ovvero si aumenta il livello di azione antibatterica. Se, invece, si combinano un battericida e un batteriostatico si avrà antagonismo e il paziente starà peggio. Un esempio comune di due battericidi in associazione sono: gli aminoglicosidici e i β-lattamici che vengono usati per il trattamento delle sepsi (infezioni sistemiche) e delle endocarditi. Storia degli antibiotici Gli antibiotici sono stati scoperti da Alexander Fleming nel 1928 casualmente. Egli aveva lasciato le sue colture in laboratorio e dopo qualche giorno aveva osservato che erano ricoperte da colonie batteriche. Già nel 1895 c’era stata un’intuizione da parte di un italiano che però non aveva avuto molto credito. Subito dopo la scoperta degli antibiotici non era chiara la loro utilità infatti, fu solo durante la seconda guerra mondiale, con Ernst Chain e Howard W. Florey che si iniziò a usarli per curare le ferite di guerra dei soldati. Questo valse il premio Nobel a Fleming, Chain e Florey nel 1945. Classi di antibiotici I sulfamidici I sulfamidici furono scoperti per la prima volta nel 1935 e sono chemioterapici batteriostatici, ovvero sono sostanze di sintesi. Sono, chimicamente parlando, delle solfonammidi. La loro scoperta è stata quasi empirica perché si è scoperto che dando un colorante naturale rosso, il prontosil rosso, sulle ferite si inibiva lo sviluppo dell’infezione. Quando poi si è cominciato a fare lo stesso tipo di studi in vitro, sulle cellule questo prontosil rosso non funzionava. Funzionava, quindi, solo in vivo. Il prontosil rosso ha due azoti che collegano le due porzioni di molecola. E’ attivo solo in vivo perché, essendo un profarmaco, subiva una bioattivazione che rompeva il legame tra i due azoti e si ottenevano i due pezzi della molecola, una delle quali era la sulfonamide, anche detta prontosil bianco. I sulfamidici sono inibitori competitivi della diidropteroato sintetasi, ovvero un enzima tipico dei batteri. Avendo questa specificità verso i batteri non risultano tossici per l’uomo. La diidropteroato sintetasi è un enzima coinvolto nella sintesi dell’acido folico che a sua volta è un intermedio importante per la sintesi delle purine e delle pirimidine che fanno parte del DNA. 1 Sono spesso usati in un’associazione chiamata BACTRIM composta da sulfametossazolo e trimetoprim che è un farmaco coinvolto nell’inibizione degli enzimi del metabolismo dell’acido folico. La molecola di sulfonamide funziona perché la diidropteroato sintetasi ha un substrato biologico, ovvero, l’acido para aminobenzoico. Essendo la sulfonamide e l’acido para aminobenzoico molto simili, la prima va a mimare il substrato biologico andando a ingannare la diidropteroato sintetasi che non funzionerà più. I chinoloni I chinoloni sono una classe di farmaci molto usati in passato e la loro scoperta risale agli anni ‘50/’60. Essi sono chemioterapici battericidi, quindi anche queste sono sostanze di sintesi, alcuni anche di semisintesi che inibiscono e uccidono i batteri. I chinoloni agiscono sulla replicazione batterica. Inibiscono la topoisomerasi IV e la DNA-girasi, ovvero enzimi coinvolti nello srotolamento del DNA quando inizia il processo di replicazione. La bassa tossicità dei chinoloni è dovuta al fatto che queste molecole hanno un’affinità per la topoisomerasi batterica estremamente più elevata rispetto a quella umana. I chinoloni però sono inibitori del citocromo P450 quindi fanno interferenza con il metabolismo di molti farmaci e cibi. In particolare reagiscono con acidi e basi formando sali insolubili con determinati ioni (magnesio, alluminio, calcio). Questi ioni, nella dieta, si trovano spesso nei lattici nel caso del calcio, o negli integratori e negli antiacidi. Questi sali insolubili precipitano e vengono espulsi senza essere assorbiti. In questo modo è come non prenderli i chinoloni perché non vengono assorbiti dall’organismo. I chinoloni hanno poi un’importante tossicità verso le cartilagini di accrescimento, quindi non devono essere somministrati ai bambini. Ci sono molti tipi di chinoloni, si è partiti dall’acido nalidixico e dall’acido pipemidico che sono due sostanze naturali le quali sono state modificate o risintetizzate in laboratorio con nuove modifiche. Vengono raggruppati in quattro generazioni e man mano aumenta anche lo spettro d’azione. Infatti all’inizio c’era una specificità solo 2 per i gram -, mentre nella quarta generazione possono essere usati sia contro i gram - che gram +. I più utilizzati sono la Norfloxacina, la Ciprofloxacina e la Levofloxacina e soprattutto vengono utilizzati per le infezioni delle vie urinarie come le cistiti. Il nucleo comune a tutti è l’acido nalidixico, mentre l’acido pipemidico è stato sintetizzato perché si è voluto andare a risolvere il problema della insolubilità. Si è infatti provato ad aggiungerci una base per cambiare le proprietà di solubilità in ambiente fisiologico. Spesso viene aggiunto anche il fluoro perché essendo un elemento molto positivo influisce in maniera positiva nel metabolismo dei farmaci. Le tetracicline Le tetracicline sono molecole formate da quattro cicli e sono state studiate negli anni ‘40 del ‘900. Esse sono batteriostatici, quindi inibiscono la proliferazione batterica e agiscono sulla sintesi proteica, in particolare hanno una selettività per la subunità 30S del ribosoma batterico che fa in modo che abbiano una bassa tossicità. Hanno inoltre un ampio spettro perché agiscono sia sui gram+ che sui gram-. Vengono spesso usate per il trattamento dell’ulcera dello stomaco e dell’acne. Il problema delle tetracicline è che sono anfotere, ovvero si possono comportare sia da acidi che da basi quindi reagiscono formando sali insolubili che ne alterano l’assorbimento. Un altro problema, invece, è che le tetracicline sono colorate e si legano al calcio sui denti creando uno strato pigmentato su di essi. Quindi compaiono delle macchie gialle sui denti che non sono dovute ad una scarsa igiene, ma alle tetracicline. Danno anche fotosensibilità, quindi quando si assumono non bisogna esporsi troppo al sole perché compaiono delle macchie permanenti sulla pelle. Infine, danno anche tossicità fetale. Le tetracicline sono formate da quattro cicli legati tra loro e comuni a tutti i tipi di tetracicline. La prima che è stata scoperta si chiama tetraciclina, le altre invece hanno altri nomi: clorotetraciclina, oxytetraciclina. La più famosa tra queste è l’aureomicina che viene usata a livello topico 3 Le penicilline Le penicilline sono battericidi naturali e di semisintesi e ne esistono di molti tipi. Essendo battericidi verranno associati ad altri battericidi ad esempio, nel caso del trattamento per le infezioni batteriche molto importanti. Le penicilline inibiscono in maniera irreversibile l’azione delle transpeptidasi batteriche. Queste ultime, che si chiamano anche penicillin binding protein, sono enzimi che aiutano a formare i ponti disolfuro tra una catena e l’altra nello strato più esterno della parete batterica. Le penicilline, inibendo l’azione di queste transpeptidasi batteriche, vanno a inibire la formazione di una capsula rigida attorno al batterio che di conseguenza muore. Le penicilline sono chiamate anche β-lattamici perché hanno un nucleo comune che contiene il β-lattame e si chiama nucleo 6-amino-penicillanico. Le prime penicilline erano attive esclusivamente sui gram+, ma presentano anche alcune problematiche. Innanzitutto hanno scarsa solubilità essendo molecole grandi, sono anche difficili da sciogliere quindi non si può fare una somministrazione endovenosa. Infatti un tempo si facevano somministrazioni intramuscolo o pastiglie. Le penicilline naturali però avevano anche una scarsa emivita, quindi ai pazienti bisognava somministrare tanti grammi in pochissimo tempo. Inoltre sono acido labili e questo è un problema per la somministrazione orale perché quando vengono in contatto con l’ambiente acido dello stomaco si inattivano. Le prime penicilline, scoperte ai tempi di Fleming, furono la benzilpenicillina (penicillina G) e la fenossimetilpenicillina (penicillina V). L’instabilità in ambiente acido ne impedisce l’assimilazione per via orale perché nello stomaco il β-lattame, ovvero la parte funzionale della molecola, si apre, si rompe e rende la molecola inattiva. Allora sono state create le aminopenicilline, ovvero delle penicilline a cui viene attacco sull’N𝐻2 un acido carbossilico che però lega gruppi funzionali particolari: delle ammine. Quest’ultime sono elettron attrattori che indeboliscono la nucleofilia dell'ossigeno. Questo perché dall’azoto tutti gli elettroni coinvolgono la reattività dell’ossigeno che poi causa l’apertura del β-lattame. Introducendo quindi le ammine si mette un gruppo funzionale che ha una certa densità elettronica che disturba la densità elettronica dell’azoto e dell’ossigeno. Quindi non può più iniziare il processo di apertura del β-lattame. Le aminopenicilline sono attive sia verso i gram+ che gram-. Le più famose sono l’amoxicillina e l’ampicillina. Un altro problema delle penicilline è l’inattivazione di queste ad opera delle β-lattamasi che sono degli enzimi prodotti dai batteri che 4 attaccano il β-lattame aprendolo. Per ovviare a questo problema si sono sviluppate alcune strategie: introduzione di gruppi stericamente ingombrati o la sintesi di inibitori suicidi delle β-lattamasi. L’introduzione di gruppi stericamente ingombrati, ovvero gruppi grandi che occupano un sacco di spazio e in questo modo impediscono all’enzima di entrare nel sito attivo della molecola. L’altra strategia possibile è quella di produrre inibitori suicidi delle β-lattamasi e consiste nel prendere l’acido 6-amino-penicillanico e costruire una molecola che ci assomigli così da ingannare le β-lattamasi. Queste molecole hanno sempre il β-lattame però non hanno il 6-ammino che è la porzione chiave che fa partire l'apertura dell’anello e questo permette a queste nuove molecole di impegnare le β-lattamasi in maniera permanente. Un esempio ne è l’Augmentin che è amoxicillina più acido clavulanico. L’amoxicillina viene usata per poter creare una pastiglia che resista all’acidità dello stomaco, mentre l’acido clavulanico per ingannare le β-lattamasi. Le cefalosporine Le cefalosporine sono un’altra classe di antibiotici molto sviluppata e simile strutturalmente alle penicilline. La prima cefalosporina è stata scoperta nel 1945 da Giuseppe Brotzu, un italiano, mentre analizzava delle acque di scolo. In particolare, le cefalosporine sono dei battericidi e le prime sono state isolate da un fungo, poi ce ne sono state di semisintesi e di sintesi. Come detto, sono molto simili alle penicilline, ma mentre quest’ultime hanno come nucleo comune l’acido 6-amino-penicillanico, le cefalosporine hanno il 7-amino-cefalosporanico. Anch'esse sono dei β-lattamici, mentre le differenze sono che: hanno uno spettro più ampio rispetto alle penicilline, hanno una maggiore stabilità in ambiente acido e una maggiore stabilità alle β-lattamasi. Inoltre ci sono alcune porzioni che sono sostituibili e altre che invece vanno per forza lasciate, come il lattame e bisogna anche mantenere la stereochimica. Per sintetizzare le cefalosporine si è preso la cefalosporina C, ne è stato isolato un certo quantitativo, si è fatta un’idrolisi portando alla rottura del legame ammidico così da isolare il 7-amino-cefalosporanico. Le cefalosporine sono anche più interessanti delle penicilline perché hanno una biodisponibilità più alta. Il problema qui però è a livello intestinale dove vengono poco assorbite. 5 Tra i fattori che migliorano l’assorbimento a livello intestinale c’è la lipofilia, più una sostanza è lipofila e meglio viene assorbita, ma anche se è un zwitterione, oppure se c’è un trasportatore attivo. Le cefalosporine sono raggruppate in generazioni e fino ad ora ce ne sono 5. Si è partiti da molecole che sono principalmente gram+, ma adesso si è ampliata anche ai batteri gram-. All’aumentare della generazione aumenta la resistenza alle β-lattamasi e vengono utilizzati per molti scopi: infezioni dell’apparato uditivi, oro-faringeo, respiratorio, gastrointestinale, genito-urinario, tegumentario. Vengono usati per combattere infezioni molto aggressive, come quelle dello stafilococco aureo resistente alla meticillina. Sembra che la molecola chiamata ceftobiprolo sia l’unica che usata in terapia possa curare questo tipo di infezione. Inoltre è usato per curare le polmoniti acquisite in ospedale. Le rifamicine Le rifamicine sono antibiotici battericidi, quindi di origine naturale. Sono state scoperte in Italia attorno agli anni ‘59/’60 e sono una classe particolare di antibiotici perché sono attivi verso i micobatteri. I mycobacterium tubercolosis e leprae portano allo sviluppo della tubercolosi e della lebbra. La rifampicina è la più utilizzata ed è molto complessa, ha un nucleo biciclico chiamato naftochinonico e attorno si sviluppa una catena. Al suo interno inoltre contiene acidi carbossilici, alcoli, doppi legami, ammini, ammidi. Il fatto che ci siano tutti questi ossidrili e doppi legami fa in modo che la molecola si riesca a legare bene ed abbia una grande affinità con gli amminoacidi dell’RNA polimerasi. Queste molecole di solito non si inseriscono in un sito particolare, ma si avvicinano molto alle catene di amminoacidi proteiche e interferiscono con il loro funzionamento. La rifampicina è un profarmaco perché c’è un estere che viene idrolizzato nel tratto gastrointestinale e libera un ossidrile dando la molecola attiva. Le rifamicine hanno la proprietà della coniugazione perché hanno i doppi legami alternati e questa coniugazione è coinvolta anche nelle proprietà fisiche della molecola conferendo loro colore. Pertanto le rifamicine sono di un colore rosso, arancio intenso e vanno a colorare tutti i fluidi corporei, dando quindi lacrime e urina rossa. Sono poi coinvolte nel metabolismo e nel lavoro dei citocromi, ad esempio il citocromo P450. Esse sono inibitori delle RNA polimerasi DNA dipendente, ovvero le RNA coinvolte nei processi di replicazione batterica. Di conseguenza la cellula batterica non riesce più a replicarsi. Gli aminoglicosidi Gli aminoglicosidi sono antibiotici battericidi e sono principalmente attivi verso i gram-, come le enterobatteriacee, e anche verso i micobatteri. Sono spesso usati in combinazione e una tipica 6 associazione è quella di aminoglicosidi più β-lattamici per le infezioni settiche o un’altra combinazione si può avere tra un antibiotico e un cortisonico. Gli aminoglicosidi sono stati scoperti negli anni ‘50 e la prima è stata la streptomicina. Essi si legano alla subunità 30S ribosomiale, quindi sono coinvolti nel blocco della sintesi proteica, ma pare anche che siano in grado di provocare dei pori a livello della membrana cellulare andando a potenziare l’effetto battericida. La loro somministrazione avviene prevalentemente endovena, intramuscolo o topica (somministrazione a livello locale e in questo caso si usa in caso di ustioni o cute lesionata). Alcuni problemi di questi antibiotici sono la nefrotossicità, spesso reversibile, mentre l’ototossicità (danni alla percezione dell’udito) non è reversibile. Lo streptomyces è il produttore della streptomicina che contiene porzioni zuccherine funzionalizzate con un sacco di ammine. Il Gentalyn Beta è un’associazione di Betametasone che è un cortisonico antinfiammatorio e gentamicina e viene utilizzato per i tagli, per le abrasioni, così anche il cicatrene. Il Gentalyn Beta è attivo, ma il quantitativo usato a livello locale è così basso che non causa fenomeni di antibiotico resistenza. Per questo sono definiti un po’ più sicuri. Un altro antibiotico molto usato è la tobramicina, ad esempio nel tobradex, che è l’associazione di tobramicina e desametasone e viene usato per le congiuntiviti. I macrolidi I macrolidi sono antibiotici batteriostatici che si legano alla subunità ribosomiale 50S. Sono molecole molto grandi di origine naturale che hanno uno spettro d’azione molto simile alle penicilline e vengono usati per le allergie contro le penicilline. I glicopeptidi I glicopeptidi sono molto grandi, antibiotici e battericidi. Sono attivi verso i gram+ vengono usati per le infezioni gravi a livello ospedaliero. L’esempio più comune di questa classe è la vancomicina. Anche questi antibiotici, come le penicilline, bloccano la sintesi del peptidoglicano quindi del dimero alanina/alanina. Antibiotico resistenza 7 L’antibiotico resistenza è una caratteristica del batterio, ovvero è la capacità dei batteri e dei funghi di sviluppare una tendenza a combattere i farmaci che sono stati disegnati per ucciderli. Questo è un problema grave riconosciuto dall’organizzazione mondiale della sanità e 33’000 persone l’anno muoiono come conseguenza diretta di un’infezione batterica. Come si sviluppa l’antibiotico resistenza Un po’ si sviluppa per selezione naturale, un po’ per auto-medicazione, per un abuso a livello clinico e per un inquinamento sia ambientale che del cibo. Strategie più comuni Le strategie più comuni sono: l’inattivazione del farmaco ad opera delle β-lattamasi, l’alterazione del binding site dove una molecola si lega ad una particolare proteina e il batterio va a modificare quella determinata proteina così che la molecola non si leghi. O ancora per alterazione del pathway metabolico. Questo tipo di situazioni possono essere prevenute non abusando degli antibiotici, stando attenti alle norme igieniche e soprattutto facendo gli antibiogrammi che sono delle analisi molto semplici che permettono di capire se una terapia può essere efficace oppure no. 8