In-vitro-Aktivität von Nitroxolin gegen Escherichia coli und andere uropathogene Erreger klinischer Stellenwert
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- Hajo Baumann
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1 Originalarbeit Original paper Nieren- und Hochdruckkrankheiten, Jahrgang 44, Nr. /2015, S. 1 6 In-vitro-Aktivität von Nitroxolin gegen Escherichia coli und andere uropathogene Erreger klinischer Stellenwert M. Kresken 1,2, B. Körber-Irrgang 1 und K.G. Naber 3 1 Antiinfectives Intelligence GmbH, Campus Hochschule Bonn-Rhein-Sieg, Rheinbach, 2 Rheinische Fachhochschule Köln ggmbh, Köln, 3 Technische Universität München Schlüsselwörter Harnwegsinfektion E. coli K. pneumoniae P. mirabilis S. saprophyticus Nitroxolin Nitrofurantoin Key words urinary tract infection E. coli K. pneumoniae P. mirabilis S. saprophyticus nitroxoline nitrofurantoin 2015 Dustri-Verlag Dr. Karl Feistle ISSN DOI /NHX01722 In-vitro-Aktivität von Nitroxolin gegen Escherichia coli und andere uropathogene Erreger klinischer Stellenwert In den letzten Jahren ist die Behandlung von akuten unkomplizierten, meist ambulant erworbenen Harnwegsinfektionen (HWI) aufgrund steigender Resistenzraten bei Escherichia coli und anderen bakteriellen Erregern gegen Standardantibiotika zunehmend schwieriger geworden. Vor diesem Hintergrund ist der Einsatz von Nitroxolin, einem in den 1960er Jahren eingeführten oral applizierbaren Harnwegstherapeutikum zur Behandlung von akuten und rezidivierenden HWI, von Interesse. In mehreren Versuchsreihen wurden die minimalen Hemmkonzentrationen (MHK) von Nitroxolin für 499 E.-coli-Urinisolate (einschließlich multiresistenter Stämme) sowie 161 Isolate anderer Bakterienspezies bestimmt. Sämtliche E.-coli-Isolate erwiesen sich als nitroxolinsensibel (MHK 16 mg/l). Die minimalen Konzentrationen von Nitroxolin, die zur Hemmung von 50% und 90% der getesteten Isolate von E. coli, P. mirabilis, K. pneumoniae und S. saprophyticus benötigt wurden (MHK 50/90 -Werte), betrugen 2/4 mg/l, 8/8 mg/l, 4/8 mg/l bzw. 8/8 mg/l. Nitroxolin stellt aufgrund der günstigen Resistenzsituation und vorliegender klinischen Studien eine vielversprechende Option zur Therapie von akuten unkomplizierten Harnwegsinfektionen dar. In vitro activity of nitroxoline against Escherichia coli and other uropathogens clinical significance Increasing rates of resistance to standard antibiotics in Escherichia coli and other bacterial uropathogens over the last years have complicated effective treatment of acute uncomplicated, mainly community-acquired urinary tract infections (UTI). Against this background, nitroxoline (5-nitro-8-hydoxyquinoline), an orally applicable antimicrobial agent being available on the market since the 1960s, has become an attractive drug for the treatment of acute and recurrent UTI. In several series of experiments, minimum inhibitory concentrations (MIC) of nitroxoline were determined for 499 E. coli urine isolates (including multidrug resistant strains) and 161 isolates of other bacterial species. All E. coli isolates proved to be nitroxoline-susceptible (MIC 16 mg/l). Minimum concentrations required to inhibit 50% and 90% of the strains examined (MIC 50/90 values) were 2/4 mg/l, 8/8 mg/l, 4/8 mg/l and 8/8 mg/l for E. coli, P. mirabilis, K. pneumoniae and S. saprophyticus, respectively. Based on the low prevalence of resistance and available clinical studies, nitroxoline represents a promising option for the treatment of acute uncomplicated UTI. Einleitung Akute Harnwegsinfektionen (HWI) gehören zu den häufigsten Infektionskrankheiten. Die Inzidenz wird mit 0,5 0,7 pro Patient und Jahr angegeben. In 25 30% der Fälle liegt eine rezidivierende HWI vor [1]. Häufigster Erreger unkomplizierter, in der Regel ambulant erworbener HWI ist Escherichia coli (75 90%). Es folgen Klebsiella spp. (meist Klebsiella pneumoniae), Proteus mirabilis, Staphylococcus saprophyticus und Enterokokken, jeweils mit einem Anteil von 2 6% [2, 3, 4]. Die Pathogenität von Enterokokken gilt jedoch bei unkomplizierten HWI als unsicher [5]. 1722Kresken
2 Kresken, Körber-Irrgang und Naber 2 Abb. 1. a: Strukturformel von Nitroxolin. Abb. 1. b: Chelatbildung mit Magnesium an der reaktiven Nitro-Gruppe. In den letzten Jahren ist die Behandlung ambulant erworbener HWI aufgrund steigender Resistenzraten bei E. coli und anderen uropathogenen Erregern gegen Standardantibiotika zunehmend schwieriger geworden [6, 7, 8]. Vor diesem Hintergrund ist der Einsatz von Nitroxolin (8-Hydroxy- 5-nitrochinolin), einem in den 1960er Jahren eingeführten oral applizierbaren Harnwegstherapeutikum, von Interesse (Abb. 1a). Zugelassene Indikationsgebiete von Nitroxolin in Deutschland sind akute und chronische Infektionen der ableitenden Harnwege sowie die Rezidivprophylaxe [9]. Die Standarddosierung zur Behandlung akuter unkomplizierter HWI beträgt 250 mg alle 8 h. Nitroxolin besitzt ein breites Wirkspektrum, das zahlreiche gramnegative und grampositive Bakterienspezies (einschließlich E. coli) sowie Mycoplasma hominis, Ureaplasma urealyticum und Candida spp. erfasst [9]. Als möglicher Wirkmechanismus, der vornehmlich in einer urinbakteriostatischen Aktivität resultiert [10], wird die Hemmung der RNA-Polymerase mittels Chelatierung zweiwertiger Kationen diskutiert (Abb. 1b) [11]. In Gegenwart subinhibitorischer Konzentrationen hemmt Nitroxolin die bakterielle Adhäsion an Epithelzellen des Harntrakts sowie an die Oberfläche von Blasenkathetern [12, 13]. Nitroxolin wird nach oraler Applikation rasch und nahezu vollständig resorbiert. Nach 1 1,5 h werden maximale Plasmaspiegel von 6 8 mg/l erreicht [9, 14]. Die Plasmaeiweißbindung beträgt ca. 10% [9]. Nitroxolin wird in erheblichem Umfang (> 95%) zu konjugierten und nichtkonjugierten Derivaten metabolisiert. Die Wiederfindungsrate im Urin beträgt > 50% (davon 30% in der Form mikrobiologisch wirksamer Derivate) [10, 14]. In der vorliegenden Arbeit werden die Ergebnisse eigener Untersuchungen zur Invitro-Aktivität von Nitroxolin im Vergleich zu Nitrofurantoin gegen ein Kollektiv von E.-coli-Isolaten sowie Isolaten von drei anderen als Verursacher akuter unkomplizierter Harnweginfektionen bekannten Bakterienspezies (K. pneumoniae, P. mirabilis, S. saprophyticus) präsentiert. Material und Methoden Bakterienstämme In mehreren Versuchsreihen wurde die Empfindlichkeit von 660 klinischen Isolaten, die unserem Labor in den letzten Jahren aus verschiedenen in Deutschland durchgeführten multizentrischen Surveillance-Studien zugesendet worden waren, gegenüber Nitroxolin untersucht. Dies waren 499 Escherichia coli sowie 101 Proteus mirabilis, 30 Klebsiella pneumoniae und 30 Staphylococcus saprophyticus. Bei den E.-coli-Stämmen handelt es sich um Urinisolate von Patienten aus dem ambulanten Versorgungsbereich, die im Jahr 2010 im Rahmen der Resistenzstudie der Paul-Ehrlich-Gesellschaft für Chemotherapie in 25 über Deutschland verteilten Laboren gesammelt wurden [15]. Jedes Labor war gebeten worden, 20 Non-copy -Isolate in die Studie einzuschließen. Die Mehrzahl der Isolate stammte von Frauen (85,9%), einschließlich ca. 35% der Isolate von über 65-Jährigen. Die Isolate der drei übrigen untersuchten Bakterienspezies stammten überwiegend von Urinisolaten hospitalisierter Patienten. Identifizierung der Isolate und Empfindlichkeitsprüfungen Die Überprüfung der Spezieszugehörigkeit der Isolate erfolgte mit der MALDI- TOF-Massenspektrometrie (Matrix Assisted Laser Desorption Ionization Time of Flight Mass Spectrometry, Bruker Daltonik GmbH, Bremen). Die minimalen Hemmkonzentrationen (MHK) von Nitroxolin und anderen Antibiotika wurden mittels der Mikrodilution gemäß der Norm ISO :2006 bestimmt [16]. Die für die Testung von Nitroxolin (alle Isolate) und Nitrofurantoin (NON-E.-coli- Isolate) benutzten Mikrotitrationsplatten wurden selbst mit den beiden Testsubstanzen beschickt. Die übrigen Empfindlichkeitstestungen wurden unter Verwendung industriell gefertigter Mikrotitrationsplatten mit den Antibiotika in vakuumgetrockneter Form (Mikronaut, Merlin Diagnostika GmbH, Bornheim) durchgeführt.
3 Kurztitel: 3 Abb. 2. Verteilung der MHK-Werte von Nitroxolin für 499 E- coli-isolate. Grenzwerte Zur Bewertung der ermittelten MHK- Werte wurden (wo möglich) die vom European Committee on Antimicrobial Susceptibility Testing (EUCAST) veröffentlichten speziesspezifischen klinischen Grenzwerte (Version 5.0 vom 1. Januar 2015) [17] und zur Interpretation der MHK-Werte von Nitroxolin für E. coli der Grenzwert des Nationalen Antibiotika-Sensitivitätskomitees (NAK; sensibel 16 mg/l) herangezogen [18]. Ergebnisse In-vitro-Aktivität von Nitroxolin im Vergleich zu Nitrofurantoin gegen E. coli Von den 499 Urinisolaten aus dem ambulanten Versorgungsbereich zeigten 42,9% eine Resistenz gegen Amoxicillin, 30,9% gegen Cotrimoxazol und 19,8% gegen Ciprofloxacin. 252 (50,5%) Isolate erwiesen sich als sensibel gegen Amoxicillin, Amoxicillin/ Clavulansäure, Cefuroxim, Cephalosporine der Gruppe 3 (Cefixim und Cefpodoxim), Ciprofloxacin, Cotrimoxazol und Fosfomycin (nachfolgend als vollständig sensible Isolate bezeichnet), während 143 Isolate (28,7%) das Kriterium für Multiresistenz (Resistenz gegen mindestens 3 der 7 Antibiotika/Antibiotikaklassen) erfüllten. 19 (3,8%) Isolate waren gegen alle Antibiotika/Antibiotikaklassen mit Ausnahme von Fosfomycin resistent und ein Isolat (0,2%) war auch gegen Fosfomycin resistent. 40 Isolate (8%) zeigten den Extended-Spectrum-β-Lactamase (ESBL)-Phänotyp. Die Verteilung der MHK-Werte von Nitroxolin für die 499 Isolate lässt eine Gaußkurve mit Hemmkonzentrationen von 1 8 mg/l und einem Modalwert von 2 mg/l erkennen (Abb. 2). Die Interpretation der Messwerte ergab, dass alle Isolate nitroxolinsensibel waren. Die minimalen Konzentrationen, die zur Hemmung von 50% bzw. 90% der getesteten Isolate benötigt wurden (MHK 50/90 -Werte), betrugen 2 mg/l bzw. 4 mg/l. Dabei zeigte Nitroxolin eine vergleichbare Aktivität gegen vollständig sensible und multiresistente Isolate. Die MHK 50/90 -Werte von Nitrofurantoin betrugen 16/32 mg/l (Tab. 1). 4 Isolate (0,8%) wurden als nitrofurantoinresistent bewertet (MHK mg/l). Ein Stamm gehörte zur Gruppe der vollständig sensiblen Isolate, während es sich bei den übrigen 3 Stämmen um multiresistente Isolate handelte. Die MHK-Werte von Nitroxolin für die 4 nitrofurantoinresistenten Stämme lagen im Bereich 2 4 mg/l. In-vitro-Aktivität von Nitroxolin im Vergleich zu Nitrofurantoin gegen K. pneumoniae, P. mirabilis und S. saprophyticus Die MHK 50/90 -Werte von Nitroxolin und Nitrofurantoin für P. mirabilis lagen bei 8/8 mg/l bzw. 128/128 mg/l, für K. pneumoniae bei 4/8 mg/l bzw. 64/128 mg/l und für S. saprophyticus bei 8/8 mg/l bzw. 16/ 16 mg/l. Die höchste MHK von Nitroxolin betrug 8 mg/l und die höchste MHK von Nitrofurantoin > 256 mg/l (Tab. 1). Die Streuung der MHK-Werte von Nitroxolin ließ auch hier jeweils eine unimodale Verteilung erkennen, das heißt Stämme mit verminderter Empfindlichkeit wurden nicht gefunden. Eine klinische Bewertung der Ergebnisse ist wegen fehlender Grenzwerte jedoch nicht möglich. Die Wirksamkeit von Nitrofurantoin gegen P. mirabilis und K. pneumoniae wird vom EUCAST als unzureichend erachtet. Demgegenüber erwiesen sich alle untersuchten Isolate von S. saprophyticus als nitrofurantoinsensibel.
4 Kresken, Körber-Irrgang und Naber 4 Tab. 1. In-vitro-Aktivität von Nitroxolin und Nitrofurantoin gegen 660 Bakterienisolate. Spezies/Phänotyp (n) Wirkstoff MHK Modalwert MHK 50 MHK 90 MHK Streubreite Grenzwert a (Quelle) Anteil sensibler (S) und resistenter (R) Stämme (%) S R Escherichia coli (499) Nitroxolin NAK Nitrofurantoin EUCAST 99,2 0,8 Nitroxolin NAK Vollständig sensible Isolate (252) b Nitrofurantoin EUCAST Nitroxolin NAK Multiresistente Isolate (141) c Nitrofurantoin EUCAST 97,9 2,1 Nitroxolin Proteus mirabilis (101) Nitrofurantoin Nitroxolin Klebsiella pneumoniae (30) Nitrofurantoin Nitroxolin Staphylococcus saprophyticus (30) Nitrofurantoin EUCAST a Gültigkeit nur für Erreger von unkomplizierten HWI. b Isolate mit Empfindlichkeit gegen Amoxicillin, Amoxicillin/Clavulansäure, Cefuroxim, Cephalosporinen der Gruppe 3 (Cefixim, Cefpodoxim), Ciprofloxacin, Cotrimoxazole und Fosfomycin. c Isolate mit Resistenz gegen mindestens 3 der 7 Antibiotika/Antibiotikaklassen. Diskussion Obwohl nitroxolinhaltige Arzneimittel bereits seit mehreren Jahren auf dem deutschen Markt erhältlich sind, scheint die Prävalenz nitroxolinresistenter Stämme bisher sehr gering zu sein. Die geringe Prävalenz nitroxolinresistenter Stämme ist möglicherweise auf den vergleichsweise geringen Verbrauch von Nitroxolin in Deutschland zurückzuführen. Im Jahr 2011 betrug das Verordnungsvolumen von Nitroxolin zulasten der gesetzlichen Krankenversicherung ca. 1 Mio. definierte Tagesdosen (defined daily doses, DDD) [19]. In der vorliegenden Studie wurden sämtliche 499 E.-coli-Urinisolate als nitroxolinsensibel bewertet. Die maximale, das Wachstum aller 660 getesteten Enterobacteriaceae und Staphylokokken hemmende Konzentration betrug 8 mg/l. Der Modalwert der MHK-Verteilung betrug bei E. coli 2 mg/l, bei K. pneumoniae 4 mg/l und bei P. mirabilis sowie S. saprophyticus je 8 mg/l. Übereinstimmende Angaben für E. coli und K. pneumoniae wurden kürzlich von Sobke und Mitarbeitern [20] veröffentlicht. Demgegenüber fand sich in einer älteren Studie von Jacobs und Mitarbeitern [21] ein MHK- Modalwert von 8 mg/l für E. coli. Die beobachtete Differenz in der Aktivität lässt sich vermutlich auf Unterschiede in den Testbedingungen zurückführen. Jacobs und Mitarbeiter [21] verwendeten einen Dilutionstest mit Agarplatten und Casein-Soja-Pepton- Agar als Nährmedium, während in der vorliegenden Studie eine Dilutionsmethode (Mikrodilution) mit kationenadjustierter Mueller-Hinton-Bouillon zur Anwendung kam. Die Mikrodilution ist gemäß der Norm ISO eine Referenzmethode zur Bestimmung der MHK von Antiinfektiva, wobei als Medium zur Testung nicht anspruchsvoller Erreger (z.b. E. coli) mit bivalenten Kationen (Ca 2+, Mg 2+ ) supplementierte Mueller-Hinton-Bouillon dient [16]. Für die meisten Antibiotika/Erreger-Kombinationen ergeben sich Endkonzentrationen im Bereich von mg/l Ca 2+ und 10 12,5 mg/l Mg 2+ im Testmedium. Der Sollbereich des ph der fertigen Nährstofflösung liegt bei 7,3 ± 0,1. Im Fall von Nitroxolin haben die Testbedingungen einen wesentlichen Einfluss auf die Höhe der MHK, da die antimikrobielle Aktivität von Nitroxolin mit zunehmender Konzentration bivalenter Kationen und steigendem ph abnimmt [22]. Ursache hierfür ist, dass Nitroxolin mit zweiwertigen Kationen Chelatkomplexe bildet (Reihenfolge der Stabilität Mn 2+ > Mg 2+ > Ca 2+ ) (Abb. 1b). Dabei korreliert das Ausmaß der Chelatbildung mit der antimikrobiellen Aktivität, und beide Vorgänge sind ph-abhängig. Nitroxolin besitzt folglich die höchste antimikrobielle Aktivität im sauren Bereich bzw.
5 Kurztitel: 5 Tab. 2. Mikrobiologischer Erfolg (Keimzahlreduktion < 10 4 /ml) in der Nitroxolin-Gruppe und der Vergleichsgruppe [24]. Parameter Nitroxolin Kontrollgruppe Monoinfektion E. coli 129/138 (93,5%) 141/145 (97,2%) Mischinfektion E. coli 20/20 (100%) 17/19 (89,5%) Monoinfektion mit Non-E. coli 28/34 (82,4%) 37/40 (92,5%) Mischinfektion mit Non-E. coli 7/8 (87,5%) 2/2 (100%) Gesamt 184/200 (92,0%) 197/206 (95,6%) bei niedriger Konzentration zweiwertiger Kationen [22, 23]. In den Untersuchungen von Sobke und Mitarbeitern [20] sowie Jacobs und Mitarbeitern [21] fand sich jeweils auch ein nitroxolinresistentes Isolat von E. coli (MHK 32 mg/l bzw. 64 mg/l). Die Mechanismen der Resistenz gegen Nitroxolin sind noch unbekannt. Jedoch ist eine Kreuzresistenz zwischen Nitroxolin und anderen Antibiotika (bisher) nicht erkennbar. Die veröffentlichten Ergebnisse zur klinischen Wirksamkeit und Verträglichkeit von Nitroxolin zur Behandlung von akuten unkomplizierten HWI stammen überwiegend aus unkontrollierten Studien mit insgesamt mehr als Patienten sowie einer individuellen Patientendaten-Metaanalyse mit 466 weiblichen Pateinten mit unkomplizierter Zystitis aus vier zuvor nicht veröffentlichten randomisierten Vergleichsstudien. Insgesamt ergab die Metaanalyse Erfolgsraten von > 90% für Nitroxolin und zeigte überdies, dass Nitroxolin in der Dosierung von mg/tag über 5 (sporadische HWI) oder 10 Tage (rezidivierende HWI) der Kontrollmedikation (Cotrimoxazol mg/ Tag in 3 Studien; Norfloxacin mg/ Tag in 1 Studie) nicht signifikant unterlegen war (10% Nicht-Unterlegenheitsspanne; 95% Konfidenzintervall) (Tab. 2) [24]. Hinsichtlich der Verträglichkeit war Nitroxolin ebenfalls mit der Kontrollmedikation vergleichbar. Bei den Nebenwirkungen handelte es sich im Wesentlichen um gastrointestinale Störungen (Nitroxolin-Gruppe 19; Kontrollgruppe 9) und allergische Reaktionen (3 Patienten in jeder Gruppe). Lediglich 5 Patienten (Nitroxolin-Gruppe 3; Kontrollgruppe 2) mussten die Therapie wegen Nebenwirkungen vorzeitig beenden. Schlussfolgerung Nitroxolin stellt aufgrund der günstigen Resistenzsituation, der guten Verträglichkeit und Wirksamkeit eine vielversprechende Option zur Therapie von akuten unkomplizierten Harnwegsinfektionen dar. Bei zunehmender Anwendung ist möglicherweise mit dem Auftreten resistenter Stämme zu rechnen. Daher sollte die Resistenzsituation sorgfältig beobachtet werden. Literatur [1] Hooton TM, Scholes D, Hughes JP, Winter C, Roberts PL, Stapleton AE, Stergachis A, Stamm WE. A prospective study of risk factors for symptomatic urinary tract infection in young women. N Engl J Med. 1996; 335: [2] Kahlmeter G; ECO.SENS. An international survey of the antimicrobial susceptibility of pathogens from uncomplicated urinary tract infections: the ECO.SENS Project. J Antimicrob Chemother. 2003; 51: [3] Nicolle LE. Empirical treatment of acute cystitis in women. Int J Antimicrob Agents. 2003; 22: 1-6. [4] Naber KG, Schito G, Botto H, Palou J, Mazzei T. Surveillance study in Europe and Brazil on clinical aspects and Antimicrobial Resistance Epidemiology in Females with Cystitis (ARESC): implications for empiric therapy. Eur Urol. 2008; 54: [5] AWMF. S3-Leitlinie AWMF-Register-Nr. 043/044. Harnwegsinfektionen. Epidemiologie, Diagnostik, Therapie und Management unkomplizierter bakterieller ambulant erworbener Harnwegsinfektionen bei erwachsenen Patienten. Erstellungsdatum: 17. Juni org/uploads/tx_szleitlinien/ l_s3_harnwegsinfektionen.pdf. Letzter Besuch: 13. April [6] Kahlmeter G, Poulsen HO. Antimicrobial susceptibility of Escherichia coli from communityacquired urinary tract infections in Europe: the ECO SENS study revisited. Int J Antimicrob Agents. 2012; 39: [7] Lee SJ, Lee DS, Choe HS, Shim BS, Kim CS, Kim ME, Cho YH. Antimicrobial resistance in community-acquired urinary tract infections: results from the Korean Antimicrobial Resistance Monitoring System. J Infect Chemother. 2011; 17: [8] Maraki S, Mantadakis E, Michailidis L, Samonis G. Changing antibiotic susceptibilities of community-acquired uropathogens in Greece, J Microbiol Immunol Infect. 2013; 46: [9] Fachinformation Nitroxolin forte, Stand März Rosen Pharma GmbH, Blieskastel, Deutschland, [10] Wagenlehner FM, Münch F, Pilatz A, Bärmann B, Weidner W, Wagenlehner CM, Straubinger M, Blenk H, Pfister W, Kresken M, Naber KG. Urinary concentrations and antibacterial activities of
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