Antivirale Chemotherapie

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1 Antivirale Chemotherapie Anforderungen an antivirale Substanzen: hohe Spezifität gegen das Virus bzw. infizierte Zellen; geringe Toxizität für uninfizierte Zellen im Wirt;

2 Chemotherapeutischer Index Minimale zytotoxische Konzentration Minimale antivirale Konzentration > 100

3 Die ideale antivirale Substanz : wasserlöslich; gute Bioverfügbarkeit; erreicht eine Konzentration im Blut, die mal über dem IC 50 Wert liegt; wird von infizierten Zellen aufgenommen; hat wenig bis keine Nebenwirkungen; kann über den Magen-Darm-Trakt aufgenommen werden; wirkt bei einer Tablette täglich.

4 Limitierung der antiviralen Chemotherapie Substanzen hemmen die Replikation von Viren (Produktion von infektiösen Viruspartikeln). Sie sind nicht wirksam zur Beseitigung chronischer bzw. latenter Infektionen.

5 Das Spiel mit dem Feuer Die Gefahr der Selektion von resistenten Viren Resistente Viren Principles of Virology, Flint SJ, Enquist LW, Racaniello VR,Skalka AM, 2nd edition. ASM Press. Appendix, Fig

6 Entwicklung eines antiviralen Medikaments Teuer: 100 bis 500 Millionen US$; Langwierig: 5-10 Jahre; Principles of Virology, Flint SJ, Enquist LW, Racaniello VR,Skalka AM, 2nd edition. ASM Press. Appendix, Fig

7 Identifizierung von antiviralen Substanzen Principles of Virology, Flint SJ, Enquist LW, Racaniello VR,Skalka AM, 2nd edition. ASM Press. Appendix, Fig

8 Identifizierung von antiviralen Substanzen: Klinische Studien Phase I: Sicherheit Phase II: Wirksamkeit Probandenzahl al/images/bierer/figure2.gif Phase I II III IV Phase III: Vergleich der Wirksamkeit und Nebenwirkungen mit zugelassenen Medikamenten; Phase IV: Re-Evaluation von Nebenwirkungen.

9 Nutzung spezifischer viraler Enzyme zur Bekämpfung des Virus (I) Virus Enzym Wirkungsweise Substanz- Beispiel HIV Reverse Trankriptase Nukleosid-Analoga: Kettenabbruch bei der DNA Synthese Azidothymidin HIV Reverse Trankriptase Nicht-Nukleosidischer Hemmstoff : Blockierung der katalytischen Aktivität des Enzyms; Nevirapine Herpes simplex Virus DNA Polymerase Benötigt virale Thymidin kinase Nukleosid Analogon Acyclovir Cytomeg alovirus (CMV) DNA Polymerase Benötigt UL98 Kinase Nukleosid Analogon Gancyclovir CMV DNA Polymerase Nicht-Nukleosidischer Hemmstoff; Blockiert Pyrophosphat- Bindungsstelle d. Enzyms Foscarnet

10 Nutzung/Hemmung spezifischer viraler Proteine zur Bekämpfung des Virus (II) Virus Virales Protein Wirkungsweise Substanz- Beispiel HIV Protease Nicht-spaltbares Substrat- Analog; Peptidomimetic; Hemmt Virusreifung Saquinavir Influenza A, B Neuraminidase Hemmt Neuraminidase indem es an das aktive Zentrum bindet; hemmt Virusfreisetzung Oseltamivir (Tamiflu) HCV, HSV, Masern virus, Mumps virus, Lassa Virus RNA-abhängige RNA Polymerase Einbau in RNA führt zur Mutation des Genoms: RNA Mutagen Ribavirin Influenza A Virus M2 Hemmt die Funktion der M2 Protonenpumpe; Verhindert das Uncoating des Virus Amantadin

11 Chemotherapeutika gegen HIV

12 Der Replikationszyklus von HIV

13 25 FDA-approved anti-hiv drugs Fusion inhibitor (1) CCR5 antagonist (1) Inhibitors of reverse transcription (8; 4) HIV expression (0) Integration inhibitor (1) Assembly of virus particles (0) Protease inhibitors (10)

14 De Clercq. E., IJAA 33 (2009)

15 Inhibitoren der reversen Transkriptase

16 Bindung von Inhibitoren durch die Reverse Transkriptase NRTI: Nukleosidische Reverse- Transkriptase Inhibitoren; NtRTI: Nukleotidische RTI NNRTI:Nicht nukleosidische RTIs De Clercq. E., IJAA 33 (2009)

17 Wirkungsmechanismus der NRTIs und NtRTIs Kompetition mit natürlichen dntp Substrate; Abbruch der DNA Synthese.

18 NRTIs und NtRTIs müssen erst in der Zelle phosphoryliert werden (Prodrug) Azidothymidin (NRTI) Tenofovir (NtRTI) Principles of Virology, Flint SJ, Enquist LW, Racaniello VR,Skalka AM, 2nd edition. ASM Press. Appendix, Fig B De Clercq E., IJAA 33 (2009),

19 Wirkungsweise: Kompetition mit natürlichen dntps dntp dttp Nukleosid- Analoga_ AZT, d4t dctp DDC, 3TC datp ddi dgtp ABC

20 Wirkungsweise: Kompetition mit natürlichen dntps

21 Wirkungsweise: Kettenabbruch bei der DNA Synthese Zur Erinnerung: DNA Synthese setzt eine freie OH Gruppe am 3 Ende der DNA Kette voraus DNA Kette Nukleophiler Angriff P P P.. P P P P Nukleotid Neue Phosphodiesterbrücke

22 Einbau von Nukleosid-Analoga blockieren die weitere DNA Synthese (Kettenabbruch): Beispiel AZT Aus, Modrow, Falk, Truyen, 2.Auflage, 2003, Spektrum Akademischer Verlag, Kap. 19l, Fig.9.2.A OH OH OH OH

23 Mutierte AS Positionen in der Reversen Transkriptase, die mit Resistenzen gegen Nukleosid Analoga einher gehen Kreuz-Resistenzen

24 Non-nucleoside reverse transcriptase inhibitors (NNRTI) Pomerantz et al., Nat. Med. 9,

25 Non-Nucleoside Reverse Transcriptase Inhibitor (NNRTI): Nevirapine CH 3 H N O N N N

26 Non-Nucleoside Reverse Transcriptase Inhibitor (NNRTI): Nevirapine Principles of Virology, Flint SJ, Enquist LW, Racaniello VR,Skalka AM, 2nd edition. ASM Press. Appendix, Fig

27 Non-Nucleoside RT inhibit ors (NNRTIs) Action. Not nucleoside analogs; bind directly to RT and inhibit it. Nevirapine. Binds to a pocket near the RT active site, and inactivates the enzyme. Relatively cheap; may be useful for prevention of maternal-to-infant transmission in developing nations. Delavirdine, Efavirenz. Other NNTRIs. Efavirenz was the first anti-hiv drug with once-daily dosing.

28 Mutierte AS Positionen in der Reversen Transkriptase, die mit Resistenzen gegen Nicht-nukleosidischen RT Inhibitoren einher gehen Kreuz-Resistenzen

29 Inhibitoren der HIV Protease

30 Protease wird benötigt zur Reifung der Viruspartikel

31 Protease spaltet Gag-Vorläuferproteine translation HIV protease env gag pol Polyproteins pol pol Autoactivation structural proteins protease integrase Release of active HIV protease gag pol Reverse transcriptase + RNase H

32 HIV Protease Erkennungssequenzen: Natürliche Substrate AUTOCLEAVAGE: Ser-Phe- Asn-Phe-Pro -Gln-Ile Thr-Leu- Asn-Phe-Pro -Ile-Ser CLEAVAGE OF GAG: Ser- Gln-Asn-Tyr-Pro -Ile-Val Ala-Arg-Val-Leu -Ala-Glu-Ala Ala-Thr-Ile-Met -Met-Gln-Arg Pro-Gly- Asn-Phe- Leu-Gln-Ser Arg-Gln-Ala-Asn -Phe-Leu-Gly CLEAVAGE OF POL: Arg-Lys-Ile-Leu -Phe-Leu-Asp Arg-Gln-Ala-Asn -Phe-Leu-Gly s s s s s s s P4 P3 P2 P1 P1' P2' P3'

33 Hemmung der HIV Protease durch ein Nichtspaltbares künstliches Peptid-Substrat (Peptidomimetic) (Gag) 10 zugelassene Inhibitoren der HIV-Protease; Davon sind alle ausser einen (tipranavir) Peptidomimetica. Saquinavir Principles of Virology, Flint SJ, Enquist LW, Racaniello VR,Skalka AM, 2nd edition. ASM Press. Appendix, Fig

34 Struktur von HIV-1 Protease-Dimer mit gebundenem Inhibitor (Saquinavir)

35 Mutierte AS Positionen in resistenten Proteasen Nelfinavir Saquinavir Indinavir Ritonavir Amprenavir Lopinavir Atazanavir

36 Entry Inhibitoren

37 Maraviroc Enfuvirtide Maraviroc: nur gegen CCR5-Co-Rezeptor!

38 Enfuvirtide (T20) 36 AA Polypeptid; muss 2 x täglich parenteral (Spritzen) verabreicht werden. De Clercq E., IJAA 33 (2009),

39 Unexposed fusion peptide Gp120 binding to CD4 causes change in TM conformation, enabling fusion peptide to contact and insert into cell membrane TM resolves into a hairpin structure that pulls the cell into close proximity for fusion and viral entry gp120 gp41 T-20 peptide: HIV entry (fusion) inhibitor Kilby et al., 98. Nat. Med. 4,

40 Integrase Inhibitor: Raltegravir

41 Integrase Aktivitäten Virale DNA Raltegravir Zelluläre DNA

42 Integrase Inhibitor: Raltegravir QuickTime and a decompressor are needed to see this picture.

43 Mono therapie Nur bei schwangeren Frauen. Behandlung mit Zidovudine um das Risiko der Infektion des Kindes zu vermindern. Beginn: Schwangerschaftwoche Behandlung mit mindestens 10 x höhere Dosis (Infusion) während der Geburt. Behandlung des Kindes bis 6 Wochen nach Geburt.

44 Highly active antiretroviral therapy (HAART) Kombination von mehreren (i.d. Regel 3) antiviralen Medikamente; Können aus verschiedenen Inhibitorklassen sein (z.b. 2 NRTI und 1 Protease Inhibitor). Oft besteht die intitiale Therapie aus mehrere Medikamenten der selben Inhibitorgruppe, um sich die weiteren Inhibitorgruppen für spätere Anwendungen aufzusparen. Therapie-Erfolg: Mindestens 1.0 log 10 Abnahme der Viruslast im Plasma 2-8 Wochen nach Therapiebeginn. Virus nicht nachweisbar (<50 Kopien/ml) 4-6 Monate nach Therapiebeginn.

45 Indikation für die Initiation von HAART Klin. Kategorie CD4+ Zellzahl Plasma HIV Empfehlung Zellen / mm3 Kopien/ml Symptomat. Beliebig beliebig behandeln Asymptom. < 200 beliebig behandeln: Asymptomat beliebig abwägen; Asymptomat. > 350 > hängt vom Kliniker ab. Asymptomat. > 350 < später behandeln.

46 Problems with HAART Drug toxicity and inconvenience. Expense. Viral Drug Resistance. Residual Virus Replication. HIV continues to replicate because drugs do not penetrate all tissues/compartments. Long-Lived Reservoirs of Virus Infection. HIV-infected activated T cells live ~1 day and make 99% of the virus in the body. Other virus-infected cells, however, can survive for long periods during HAART: (1) macrophages (half-life = ~14 days); (2) memory T cells (half-life = ~6 months)

47 Die häufigsten Nebenwirkungen von anti-hiv Medikamenten NRTI periphere Neuropathien NNRTI Hautausschlag, Übelkeit, erhöhte Leberwerte Proteaseinhibitoren: Durchfall, Übelkeit, Nierensteine,Fettstoffwechselstörungen

48 Chemotherapeutika gegen Herpesviren

49 Chemotherapeutika gegen Herpesviren: Acyclovir Wirksamkeit: HSV-1, -2 > VZV > CMV Wirkungsmechanismen: - Bevorzugt von viraler Thymidinkinase (TK) zum Monophosphat phosphorlyiert; -als Triphosphat Kompetitor für dgtp: Kettenabbruch bei Synthese der viralen DNA Resistenzgene: TK; virale DNA polymerase (seltener) Anwendung: Genital-Herpes, Herpes labialis, Herpes keratitis, Herpes encepahilits Nebenwirkungen: gering

50 Acyclovir wird zuerst von der viralen Thymidin- Kinase phosphoryliert (Monophosphat) und dann von zellulären Kinasen (Di- bzw. Triphosphat)

51 Chemotherapeutika gegen Herpesviren: Gancyclovir Wirksamkeit: CMV, Herpesviren Wirkungsmechanismen: - Bevorzugt von viraler Thymidinkinase (CMV- UL98; HSV-TK) zum Monophosphat phosphorlyiert; - als Triphosphat Kompetitor für dgtp; kein obligater Kettenabbruch. Resistenzgene: UL98, TK; virale DNA polymerase (seltener) Anwendung: CMV Infektion bei Immungeschwächten Personen; Herpes Zoster Nebenwirkungen: Verminderte Leukozytenzahl; Potentielles Teratogen, Karzinogen, Mutagen

52 Chemotherapeutika gegen Influenzaviren

53 Vermehrungszyklus Influenza Relenza, Oseltamivir (=Tamiflu) Amantadine

54 Chemotherapeutika gegen Influenza: Amantadine Wirksamkeit: Influenza A Virus (nicht Influenza B!) Wirkungsmechanismen: Blockiert den durch M2 gebildeten H + Kanal und verhindert dadurch die Freigabe der viralen RNA aus dem Partikel in Endosomen Resistenzgene: M2 Anwendung: Influenza A Infektion, Parkinson s Krankheit Nebenwirkungen: Zentral-nervöse Storungen: Halluzinationen; Disorientierung; Schlaflosigkeit

55 Chemotherapeutika gegen Influenza:

56 Chemotherapeutika gegen Influenza: Tamiflu Wirksamkeit: gegen Influenza A und Influenza B Virus; Wirkungsmechanismus: Inhibiert die virale Neuraminidase Resistenz: Mutationen im Neuraminidase-Gen; Resistenzen aufgetreten in zwei H5N1 infizierten Personen in Vietnam; Anwendung: Innerhalb von 48 Stunden nach Auftreten der ersten Symptome; orale Einnahme (Relenza muss inhaliert werden). Nebenwirkungen: Übelkeit, Erbrechen

57 Breitspektrum Chemotherapeutikum Ribavirin Wirksam gegen DNA und RNA Viren. Wirkungsmechanismen: nicht geklärt; - Stärkung der Wirtsimmunität; - Virus-Mutagen (Einbau in RNA) Resistenzgene: nicht bekannt; Anwendung: Infektionen mit RSV (Säuglinge)und HCV. Bei HCV nicht wirksam als Monotherapie: Kombination mit Interferon alpha Nebenwirkungen: Reduktion von Blutzellzahlen (Thromobzyten, Leukozyten, Erythrozyten); Hautausschlag, Depressionen, Schlaflosigkeit, Nervosität

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