Aminoglykoside Bindung von Streptomycin zur S12 Untereinheit von 30S

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1 Aminoglykoside Bindung ng von Streptomycin zur S12 Untereinheit von 30S

2 Einleitung Begriff Aminozuckerderivate, in denen ein Zucker oder ein Aminozucker mit einem Aglykon durch meistens α- glykosidische Bindung verknüpft ist. Basische Verbindungen.) Aglykone: ein substituierter 1,3-Diaminocyclohexan- oft 1,3-Diamino-2,4,5,6-tetrahydroxycyclohexan Ring (Streptamin), sie sind die sog. Cyclitole, praktisch Inositol Cyclitol- Derivate. Zuckereinheiten: einige Aminoglykoside enthalten Aminohexose, andere Pentose (ohne Aminogruppen).

3 Einteilung I Sie werden nach der Struktur des Aglycons und der Zuckereinheiten eingeteilt. (Streptomycine, Neomycine und Paromomycine, Kanamycine, Gentamycine und Tobramycine, Spectinomycin).

4 Einteilung II NH 2 NH 2 H H H NH2 = H Streptamin NH2 M=Monosaccharid D=Disaccharid NH 2 HN C NH 2 HN HC NH H H NH H D Streptomycine D NH 2 NH M Neomycine Paromomycine M H NH 2 NH M Kanamycine Gentamicine Tobramycine H 3 CH N H M NHCH 3 Spectinomycin

5 Bedeutung und Nomenklatur Bedeutung Sie spielen eine wichtige Rolle in der Therapie der gramnegativen Infektionen, obwohl sie besitzen eine mässige Toxizität. Noch dazu verbraucht die Agrikultur eine riesige Menge aus dieser Klasse von Antibiotika. Nomenklatur (Schreibweise): Aus Streptomyces spp mycin Aus Micromonospora spp micin.

6 Geschichte Streptomycin (Selman Waksman, 1944). Es war das erste effiziente Mittel im Kampf gegen Tuberkulose. Der Arbeitskreis von Waksman beschäftigte sich mit Pilzen, die im Boden leben. Der Student Albert Schatz fand mit Streptomycin eine Alternative zum Penicillin. (1952: Selman Waksman Nobelpreis für Medizin). Neomycin (Waksman, 1949), Kanamycin (Umezawa, 1957). Heute gibt es einige tausende von natürlichen und mehrere tausende von halbsynthetischen Aminoglykosiden.

7 Physikalische und chemische Eigenschaften Sie sind polare und basische Verbindungen, sie existieren als Polycatione bei physiologischem ph-wert. Ihre anorganische Salze haben bessere Löslichkeit in Wasser, darum sind sie als Sulfate erhältlich.

8 Kinetik I Bei oraler Abgabe sind sie wegen der fehlender Resorption nur lokal wirksam. (Wegen der fehlender Lipofilizität können sie nicht durch die die Blut-Gehirn-Barriere passieren.) Sie können für die Therapie der gastrointestinalen Infektionen verwendet werden. Für systemische Infektionen werden sie als intramuskuläre Injektionen verwendet (rasche Resorption).

9 Kinetik II Sie verteilen sich gut in den Körperflüssigkeiten, mit der Ausnahme des Zentralnervensystems, der Knochen und der Bindegewebe. Die Ausscheidung: renal, sie werden selektiv im Innenohr und in Nierenrinde angereichert (totoxizität und Nephrotoxizität). Kein Metabolismus.

10 Wirkungsmechanismus, Wirkungstyp Diese Gruppe gehört zu den Antibiotika, die die ribosomale Proteinsynthese stören. Sie binden irreversibel an die 30S-Untereinheit. Wirkungstyp ist bakterizid.

11 Interaktionen und Nebenwirkungen Interaktionen: Die β-lactam Antibiotika bewirken synergetisch durch verbesserte Aufnahme von Aminoglykosiden in die Bakterienzelle. Nebenwirkungen: Wegen der totoxicität und Nephrotoxicität werden sie nur eingeschränkt appliziert.

12 Wirkungsspektrum I Sie haben ein breites Spektrum. Sie können für die schwere grampositive und gramnegative Infektionen verwendet werden. Diese hydrophilen Substanzen verteilen sich nur im Extrazellularraum, darum sind sie nur gegen die extrazelluläre Keime wirksam. Ihre klinische Anwendung ist besonders wichtig bei den Enterobacteriacen, Staphylokokken. Die neuere Vertreter sind wirksam gegen die Pseudomonaden, Streptokokken.

13 Wirkungsspektrum II Sie sind aktiv gegen die Mycobycterien (Therapie der Tuberculose). Noch dazu in der Therapie von Tularemie, Bruzellosis. Paromomycin ist wirksam gegen Protozoa. Wegen ihrer Toxizität muss man Spiegelbestimmung zur Vermeidung von toxischen Nebenwirkungen durchführen (Patienten über 50 und Neugeborene).

14 Streptomycin I HN NH 2 C NH HN H H NH 2 C NH STREPTIDIN H H 3 H C CH H CH 2 H H 3 CHN L-STREPTSE N-METIL-L- -GLUCSAMIN STREPTBISAMIN H Streptomycin A (Streptomycin Grünenthal nenthal, Streptofatol)

15 Streptomycin II

16 Streptomycin III Isolierung: aus Streptomyces griseus (Waksman 1944) Struktur, chemische Eigenschaften: Als Aglykon enthält es Streptidin (basische Guannidin-Reste), und Streptidin ist mit einer Disaccharid-Einheit α- glykosidische Bindung verbunden. L-Streptose enthält eine Aldehyd-Gruppe, Redox Reaktionen. (Dyhidrostreptomycin: stabiler als Streptomycin und hat eine niedrigere Toxizität)

17 Streptomycin IV Streptomycin ist als (Streptomycin) 2 x 3H 2 S 4 erhalten. Es ist ein farblose oder gelbe Pulver, das wasserlöslich ist. Das Streptomycin Lösung ist stabil bei ph = 3-6, bei Erwärmung findet eine Zersetzung statt. Das Streptomycinsulphat als Pulver ist stabil.

18 Streptomycin V Wirkungsspektrum: es hat ein breites Spektrum, aber es wird heute nur gegen Mycobacterien in der Therapie der Tuberkulose benutzt. Durch Kombination mit anderen Antituberkulotica (Isoniazid) kann die Resistenzentwicklung verzögert werden. Nebenwirkungen: totoxicität und Nephrotoxicität. Es verursacht Gleichgewicht und Hörstörungen bei längerer Anwendung.

19 Streptomycin VI Benutzung in der Agrikultur: Für die Therapie und Prophylaxe der Haus- und Nutztiere zur Behandlung von Infektionskrankheiten werden dieselben Antibiotika gebraucht. Sie werden als antimikrobielle Leistungsförderer (AMLF) benannt. In der EU sind keine Antibiotika zugelassen, die in der Humanmedizin verwendet werden. Ab 1999 als AMLF wurden nur Spiramycin, Tylosin, Virginiamycin sowie das Bacitracin zugelassen.

20 Streptomycin VII Von 2006 hat die europäische Union die Benutzung von Antibiotika als Wachstumsförderer verboten. Man kann sie nur für therapeutische Zwecke anwenden.

21 Neomycine I CH 2 NH 2 H H H 2 H 2 H N N H 2 N HH 2 C I. II. III. 2,6-Diamino Diamino-D-Glucose 2-Desoxy-streptaminstreptamin D-Ribose H H 2 N H H IV. 2,6-Diamino Diamino-D-Glucose CH 2 NH 2 Neomycin C (Bykomycin, Uro-Nebacetin N)

22 Neomycine II Isolierung: aus Streptomyces griseus (Waksman 1944) Struktur, chemische Eigenschaften: 4,5--bis- Glykoside, es gibt drei Vertreter, Neomycin A, -B und C. (Neomycin B und -C sind Isomere.) Das Neomycin A ist ein Zersetzungsprodukt. In der klinischen Praxis wird das Gemisch benutzt als Sulfat. Stabilität: es zeigt Stabilität bei der Behandlung mit Basen, aber es ist nicht stabil gegen Säuren.

23 Neomycine III Wirkungsspektrum: breit Klinische Anwendung: wegen der Toxizität nur zur lokalen Anwendung bei Haut-, Schleimhaut-, Augeninfektionen (Nasentropfen und Augentropfen) Nebenwirkungen: hat höhere Toxizität als Streptomycin.

24 4" CH 2 H 3" 2" Kanamycine I 2 HNH H III. 6 H 1 Kanamycin A ( (Kanamytrex) Isolierung: aus Streptomyces kanamyceticus (Umezawa, 1957). 4 NH 2 II. 3 1' NH 2 H H 2 NH 2 C I. H 2' 3' 4' H

25 Kanamycine II Struktur, chemische Eigenschaften: das Aglykon ist 2- Deoxystreptamin. Es ist durch zwei α-glykosidischen Bindungen mit D-3-Glucosamin und mit D-6-Glucosamin verknüpft. Kanamycin B = 2'-NH 2 -Derivat Dibekacin= 3',4'-Didesoxykanamycin B In der klinischen Praxis wird Kanamycin als Sulfat benutzt. Stabilität: sie sind stabil zwischen ph = 2-11.

26 Kanamycine III Wirkungsspektrum und klinische Anwendung: wie bei Neomycin, aber es besitzt niedrigere Toxizität. Es wurde gegen die Tuberkulose verwendet, aber es ist heute altmodisch. Es wird nur in Augentropfen benutzt. Sein halbsynthetisches Derivat ist Amikacin.

27 H 4' 6' Tobramycin I CH 2 NH 2 3' 5' 2' 1' NH 2 H NH DEXYSTREPTAMIN NH2 6" HCH 2 5" H 4" NH 2 3" 2" 1" H Tobramycin (Gernebcin) Isolierung: aus Streptomyces tenebrarius (1967)

28 Tobramycin II Struktur, chemische Eigenschaften: Es ist ein Abkömmling von Kanamycin (Statt einer D-6- Glucosamin Einheit ist ein 3-Amino-3-dezoxyderivat.) Dieselbe H Gruppe fehlt ähnlicherweise in Gentamicin. Wirkungsspektrum: Es ist wirksam gegen die Pseudomonas aeruginosa, Proteus Keime. Sein Spektrum ist noch breiter als das Spektrum von Gentamicin. Es wird in Kombinationen mit Penicillinen verwendet (Synergismus). Seine Toxizität ist niedriger als die von Gentamicin.

29 H 3 C H 3 C 6' Gentamicin C 1 NH CH 5' 4' 3' 1' 2' NH 2 Purpurosamin Gentamicine I H H 3 C NHCH 3 4 H 5 6 H 3 2 NH 2 1 Garosamin NH 2 2-Desoxystreptamin Gentamicin C 1a 6' NH 2 CH 2 5' Gentamicin C 2 H 3 C NH 2 CH 6' 5'

30 Gentamicine II Struktur, physikalische uns chemische Eigenschaften I Das Aglykon ist 2-Desoxy-streptamin. Es ist durch α- glykosidischen Bindungen - in Stellung 4- mit Pupurosamin, ein 2,6-Diamino-tetradesoxyhexose und in Stellung 6- mit Garosamin, ein verzweigtes Pentose verknüpft. Der Unterschied zwischen den Gentamicinen liegt in der Pupurosamineinheit.

31 Gentamicine III Struktur, physikalische uns chemische Eigenschaften I Das Gentamicin löst sich schlecht in Wasser. In der klinischen Praxis ist es als Gentamicin Sulfat (das Gemisch von Gentamicin1, Gentamicin2, Gentamicin1a).

32 Gentamicine IV Wirkungsspektrum: es ist ein Breitspektrum- Antibiotikum, es hat vor allem eine grosse Bedeutung gegen gramnegative Keime Pseudomonas aeruginosa, Klebsiella spp., E. coli erlangt.

33 Gentamicine V Klinische Anwendung: Kombination mit synergistisch wirkenden β-lactamen (Piperacillin und mit einem Breitspektrumcephalosporin) Es wird bei schwereren Infektionen benutzt (Endocarditis, Sepsis, steomyelitis). Lokaltherapie von Augen- und Hautinfektion. Es gibt einige spezielle Zubereitungsformen für die Knochen- und Weichteilinfektionen (in Knochenzement als Refobacin-Palacos) in Polymethylacrylat (Septopal Kette oder -Kugeln).

34 Gentamicine VI Nebenwirkungen: bei Schwangerschaft ist es kontraindiziert. Es ist das billigste Aminoglykosid.

35 Spectinomycin (Stanilo) I CH 3 NH H 3 NHCH H H H 3 C Isolierung: aus Streptomyces spectabilis.

36 Spectinomycin II Struktur: spezielles Gerüst, ein kondensiertes System, als Aglycon: 3-di-N-Methyl-2-epistreptamin. Wirkungsmechanismus Es bindet irreversibel an die 30S-Untereinheit und die stört die Proteinsynthese. Es hemmt die Translokation.

37 Spectinomycin III Wirkungsspektrum: es hat Wirkung gegen gramnegative Erreger. Wirkungstyp: bakteriostatisch Klinische Anwendung: bei Patienten mit Penicillin Allergie, bei Penicillin resistenten Gonokokken, wird in der Therapie von Gonorrhö verwendet.

38 Amikacin I NH 2 H H H N H 2 NH C CH CH 2 CH 2 H H 2 N H H H NH 2 Amikacin (ein halbsynthetisches Abwandlungsprodukt von Kanamycin)

39 Amikacin II Geschichte: Das Antibiotikum Butirosin und Ribostamycin sind ähnlich. Der Unterschied liegt in der Acyl- Seitenkette, die am C-1 die Aminogruppe acyliert (L-(-)- 4-Amino-2-hydroxi-buttersäure). Synthese: Kanamycin A wurde acyliert, es gibt vier mögliche Acylderivate (4 Aminogruppen). Man bekam 4 Regioisomere.

40 Amikacin III Wirkungsspektrum: Amikacin hat breiteres Spektrum als Kanamycin, (wirkt noch gegen die Keime, die gegen andere Aminoglykoside resistent sind.) Es kann von Aminoglykosid inaktivierenden Enzymen weniger angegriffen werden, als die anderen Vertreter dieser Substanzklasse, wirksam bei Pseudomonas Infektionen. Die Aktivität gegen die resistente Keime kann durch die spezielle Konformation des Moleküls erläutert werden.

41 Amikacin IV Struktur-Aktivität: Es gibt vier Regioisomere (ihre Aktivität: nur 2% des Amikacins). Statt L-Buttersäurederivat wurde die Acylierung mit D- Buttersäurederivat und DL-Buttersäurederivat durchgeführt (Aktivität bei D-Isomer: 25%, bei Racemderivat 50%). Position der H-Gruppe: bei β-hydroxiderivat 5%. Die γ-aminogruppe: ohne diese Gruppe keine Aktivität. Die Länge der Carbonsäure: mit Propionsäure wird die Aktivität halbiert.

42 Amikacin V Klinische Anwendung : Es ist ein sehr wertes Antibiotikum gegen die resistenten Bakterien, es hat noch höhere Aktivität in Kombination mit β-lactamen. Nebenwirkungen: Zur Vermeidung der nephro- und ototoxisher Wirkung wird in Problemfällen (bei Neugeborenen, hochdosierter Therapie bei lebensbedrohlichen Infektionen) eine Überwachung der Serumspiegel empfohlen.

43 Netilmicin (Certomycin, Netromycin) I H Me MeHN 4" 3" 5" 2" H H 2 N 1" 1' H EtHN 1 3 NH 2 2' 3' 4' 5' CH 2 NH 2 Struktur: es ist ein halbsynthetisches Antibiotikum. Synthese: Das Sysomicin wurde in einer reduktiven Kondensation mit Acetaldehyd behandelt.

44 Netilmicin II Wirkungsspektrum: Es hat breiteres Spektrum als Gentamicin, es bewirkt gegen die Gentamicin resistente Bakterien (E. coli, Proteus mirabilis, Klebsiella pneumonaiae usw.) Nebenwirkungen: es besitzt die niedrigste Toxizität von Aminoglykosiden.

45 Resistenzentwicklung I Viele klinische Keime produzieren Enzyme, die die Aminoglykoside inaktivieren. Durch chemischen Reaktionen können nicht die modifizierten Aminoglykoside an ihr RNS-Target binden. a.)ant= Adenyltransferasen katalysieren die Adenylierung von Hydroxylgruppen (z.b: Streptomycin), (4) b.)aph= Phosphotransferase katalysieren die Phosphorylierung von Hydroxylgruppen (z.b: Neomycine), (7) c.) AAC= Aminoglykosid N-Acetyltransferase, Acetylase katalysieren die Acetylierung von Aminogruppen (z.b: Kanamycin B, Gentamicin) (4).

46 Resistenzentwicklung II R-Faktor-vermittelte Enzyme sorgen für diese weitere, eher häufigere Resistenzart gegen Streptomycin. Die Benennung der Enzyme nach der funktionellen Gruppe des Aminoglykosidmoleküls, die modifiziert wird: z.b: AAC(6 ). Wenn mehrere Isoenzyme vorhanden sind, die an dieser Stelle angreifen, dann werden sie mit römischen Zahlen gekennzeichnet.z.b. AFT-(3 )-I

47 Resistenzentwicklung III Zum Beispiel unter E. coli Stämmen wurde eine Adenyltransferase (SAdT) gefunden, welche die C-3'- Hydroxylgruppe inaktiviert (befindet sich in der N- Methylglucosaminohälfte des Antibiotikums). Dieselbe H-Gruppe kann phosphoryliert werden. Das inaktivierte Produkt, Streptomycinadenylat ist nicht fähig an die streptomycinempfänglichen Ribosomen zu binden.

48 Resistenzentwicklung IV H H 2 C H H Q NHCH 3 SAdT SPT Angriffpunkt für SAdT und SPT Enzyme (Umezawa hat über die Bildung von Streptomycin- Adenylat in einem Versuch geschrieben. Regenerierung von Streptomycin mit alkalischer Phosphoesterase.)

49 Resistenzentwicklung V Bisher sind 16 solche Enzyme bekannt, die die Aminoglykoside inaktivieren können. Die folgende Abbildung zeigt die Bindungsstellen (4,6-bis-Glykoside) für die Aminoglykosid-modifizierende Enzyme. Diese Enzyme können z.b. Kanamycin A, Tobramycin, und die Gentamicine inaktivieren.

50 Resistenzentwicklung VI AFT-(3')-I AFT-(3')-II h a c g b a a b 4' 3' f e d 5' AAT-(2') a b h H 2 C a 4" 3" 5" 2" H 2' 1" c AAT-(6') H 1' ANT-(2") AAT-(6 ) Enzym acetyliert die C-6 Aminogruppe. (Die folgende Aminoglykoside sind sensibel: Kanamycin A, Gentamycin C1a, -C2, usw.) a b c 3 d e f g h H H NH 2 NH AAT-(3)-I NH 2 CH 2 NH 2 AAT-(3)-II AAT-(3)-III CHCH 3 NHCH 3 CHCH 3 NH 2 NHCH 3 CH 3

51 Resistenzentwicklung VII Das Enzym AAT-(2 ) kann die folgende Antibiotika inaktivieren: Neomycin B, Kanamycin A, Tobramycin und die Gentamicine. Aus den Enzymen, die an der 3-Aminogruppe des Aglycons angreifen, hat AAT-(3)-III die höchste Aktivität. (die Gentamicine, Kanamycin A, Tobramycin.) In der klinischen Praxis vorkommenden Mikroben besitzen einige phosphorylierende Enzyme, (z.b. die AFT-(3 )-I, AFT-(3 )-II, die Kanamycin A und Neomycin B inaktivieren.)

52 Resistenzentwicklung VIII Halbsynthetischen Aminoglykoside - niedrigere Resistenz. Nach einer Untersuchung (1976): aus 139 aminoglykosidresistenten Stämmen war 83.7% empfindlich gegen Amikacin, während nur 27.3 % empfindlich gegen Gentamicin C, nur 10.7% empfindlich gegen Neomycin B, 10% empfindlich gegen Kanamycin A. Erklärung: die unterschiedliche Konformation von halbsynthetischen Aminoglykosiden und überdies fehlen diese Gruppen bei den halbsynthetischen Aminoglykosiden, wo die inaktivierenden Enzyme angreifen.

53 Resistenzentwicklung IX H H x AFT-(3')-I 4' x 3' 5' AFT-(3')-II NH 2 AAT-(6') AAT-(3)-II 2' 1' x AAT-(3)-III H x H 2 N H ANT-(2") x H 1" 2" NH C 4" 3" CH H 5" H H NH 2 CH 2 CH 2 NH 2 Das Amikacin kann nur durch das Enzym AAT-(6 ) an der Aminogruppe des 6-Amino-6-dezoxy-D-glucosamin acetyliert werden.