Antibiotikumok

Régóta tudjuk, hogy az emberiség a mikroorganizmusokkal bonyolult kölcsönhatásban él. Ezaz interakció megnyilvánulhat fertőző betegségekben, de lehet egyszerű, következményeknélküli szimbiózis is. Negyven évvel ezelőtt mindenki azt gondolta, hogy a fertőzőbetegségek nagy része felszámolható. Sir McFarland Burnet 1962-ben a következőket írta:“One can think of the middle of the 20th century as the end of one the most importantsocial revolutions in history – the virtual elimination of the infectious disease as asignificant factor in social life”. Harminchat évvel később Hughes, a Centers for DiseaseControl and Prevention (CDC) munkatársa megjegyezte, hogy ez az állítás és önelégültségképezte a magját annak, hogy a fertőző betegségek jelentőségét a következő évtizedekbennagymértékben alábecsülték és a velük való foglalkozást elhanyagolták.Világszerte az ötvenes-hatvanas éveket tehát a ,,bizakodás” és a „nyugalom” uralta ésnagyon sokan úgy gondolták, hogy az életszínvonal javulásával, az antibiotikumoksegítségével, a következő évek vakcináival (morbilli, parotitis, rubeola, hepatitis stb.) aküzdelem a mikrobák és az emberek között végleg eldől az emberiség javára.Az elmúlt évtizedekben világosan kiderült, hogy a nosocomialis fertőzések, valamint számosújólag felfedezett és régóta ismert fertőző betegség tömeges előfordulása szertefoszlatja azemlített hiú ábrándot Egyre több új fertőző betegséget ismertünk meg és az egykorlegyőzöttnek hittek is támadnak. A fertőző betegségek egyre bonyolultabb formában mamár minden orvosi szakágban előfordulhatnak és ez óriási kihívást jelent a gyakorlóorvosoknak. A statisztikai adatok azt mutatják, hogy a világon az új évezred hajnalán istömegesen halnak meg fertőző betegségben elsősorban a fejlődő országokban, de a letalitásnem Iebecsülendő az iparilag fejlettekben sem.

Antibiotikumok

AntibiotikumokAz antibiotikumok az élő szervezetek – elsősorban mikroorganizmusok – által termeltúgynevezett másodlagos anyagcseretermékek (szekunder metabolitok) legfontosabbcsoportja. Ökológiai szerepük, képződésük oka, célja nem teljesen tisztázott. Egyes nézetekszerint a termelő szervezetek biológiai védekezésének részét képezik, mások szerint azantibakteriális hatás és antibiotikum termelés csak véletlenszerűen kapcsolódik egyesmikroorganizmusokhoz.

Selman Abraham Waksman1888 - 1973

Waksman (1945) a streptomycin (a tuberkolózis ellenhatásos első antibiotikum, aminek felfedezéséért Nobel-díjat kapott 1952-ben) és számos egyéb antibiotikumfelfedezője (aktiomycin, neomycin).A streptomycinre vonatkozó szabadalma egyike annak atíz szabadalomnak, amelyről úgy tartják, hogy"megváltoztatta a világot". Az antibiotikum szó isWaksmantől származik.Definíciója: antibiotikum, vagy antibiotikus hatású anyagaz, amelyet valamilyen mikroorganizmus termel és azzal aképességgel rendelkezik, hogy mikroorganizmusokszaporodását képes gátolni illetve el is pusztítja azokat.

E. J. Baron szerint: antibiotikumnak tekinthető egyolyan anyag, amely:• valamilyen élőlény (alacsonyabb és magasabb rendű)anyagcsereterméke• biokémiai mechanizmuson keresztül gátolja egy vagytöbb mikroorganizmus szaporodását• alacsony koncentrációban is hatásos• magasabb rendű növényekre vagy állatokra terápiásszinten nem vagy alig hat

Antibiotikumok

Az antibiotikum nem azonos a kemoterápiás szerekkel. Ez utóbbiak a teljesenmesterségesen előállított hatóanyagok, míg az antibiotikum elnevezést célszerű atermészetes eredetű vegyületekre fenntartani, jóllehet a félszintetikus és a teljesenszintetikus antibiotikumok megjelenésével egyre nagyobb az összemosódás.

Ellen Jo Baron

Az antibiotikumok csoportosítása I.

1. Előállítási módjuk alapján: • Bioszintetikus úton nyert antibiotikumok (fermentációval)• Félszintetikus antibiotikumok• Szintetikus antibiotikumok

2. Hatásuk alapján: • Major (nagy) antibiotikumok: ezeket szokás széles spektrumú antibiotikumoknak is nevezni, mert sokféle mikroorganizmusra hatnak. Pl: penicillinek; streptomycin; chloramphenicol; tetraciklinek

• Minor (kicsi) antibiotikumok: szűk spektrumú antibiotikumok, kis számú mikroorganizmusra hatnak. Pl: erythromycin; novobiocin; vancomycin

• Baktérium-, gomba-, rák- vírusellenes szerek• Gyógyászati, mezőgazdasági vagy egyéb céllal előállított vegyületek

3. Hatásmechanizmusuk alapján: Nukleinsavszintézis-gátlók: szulfonamidok; trimethoprim, kinolinokSejtfalszintézis-gátlók: penicillinek, cefalosporinok, vancomycinFehérjeszintézis-gátlók: aminoglikozidok, tetraciklinek

5

4. Kémiai szerkezetük alapján:• Aminosav származékok, oligo- és polipeptid típusú antibiotikumok: cycloserin;

penicillinek, cefalosporinok• Glikozid típusú antibiotikumok: streptomycinek, neomicin, stb.• Naftacén és fenantrén vázas antibiotikumok • Polién antibiotikumok• Makrolid antibiotikumok

Az antibiotikumok csoportosítása II.

A penicillinek felfedezése

Alexander Fleming1881 - 1955

Penicillium notatum

Fleming 1928-ban a londoni St. Mary kórházban vetteészre, hogy a Staphylococcus tenyészetébe kerültkékes-zöldes penész szennyeződés körül a baktériumoknem növekednek. Fleming arra a következtetésrejutott, hogy a penész olyan anyagot bocsát ki, melygátolja a baktériumok növekedését, és elpusztítja abaktériumokat. A penészt tiszta kultúrában iskitenyésztette, és felfedezte, hogy a Penicilliumcsaládba tartozó fajról van szó, melyet ma Penicilliumnotatum fajként ismerünk.

N

SCH3

CH3O

N

H

R

O

OHO

Penicillin alapváz

A baktériumokat különböző festési eljárásokkal szembeniviselkedés alapján is szokták csoportosítani. Az egyik ilyen eljárása Gram-festés (gyakorlati módszer baktériumok csoportosítására),melyet 1884-ben Hans Christian Gram (1853-1938, dán kutató)fejlesztett ki. Ez a módszer a baktériumokat a sejtfal strukturálissajátosságai alapján különíti el. A festés során kristályibolya (vagygenciánaibolya)-festékkel festik meg a baktériumkészítményt,majd etanollal mosási próbát végeznek. Gram-pozitívbaktériumok esetén a festék a sejtfalból nem mosható ki, míg aGram-negatív baktériumoknál igen. A Gram-negatív baktériumokláthatóvá tétele érdekében további fukszinos festést alkalmaznak.A Gram-pozitív baktériumok vastag peptidoglikán sejtfala lilánaklátszik, míg a Gram-negatív fajok sejtfala rózsaszínű lesz a fuxinosfestés után.

AntibiotikumokA baktériumok azonosítása különösen az orvostudományban jut nagy szerephez, ahol amegfelelő kezelés a fertőzést okozó baktériumfaj ismeretétől függ. Emiatt a baktériumokazonosítására szolgáló technikák fejlődését döntően befolyásolta az emberi kórokozókazonosításának sürgető igénye.

Hans Christian Joachim(1853 – 1938)

A Gram-festés eredményeképpen a baktériumokat két nagy csoportra oszthatjuk:Gram-pozitív baktériumok azok, amelyek kékre/lilára színeződnek ésGram-negatív baktériumok azok, amelyek rózsaszín/piros színt kapnak

Gram-pozitív lépfenebacilusok(A nagyobb, magvas sejtekfehérvérsejtek.)

Gram-negatív Eschericia coli baktériumok

Antibiotikumok

A -laktám antibiotikumok csoportosítása, hatásmechanizmusa

Hatásmechanizmusuk: A β-laktám antibiotikumok a baktériumok sejtfalában apeptidoglikánok közötti keresztkötések kialakulását gátolják. A penicillin β-laktám részeahhoz a transzpeptidáz enzimhez kötődik, mely a baktérium peptidoglikán molekuláitkötné össze. Az enzim így nem tud megfelelően működni és a baktérium sejtfalaosztódás során meggyengül (másképp fogalmazva az antibiotikum citolízist,sejtpusztulást eredményez, mikor a baktérium megpróbál osztódni). Ezen felül afelhalmozódott peptidoglikán prekurzorok a baktériumban aktiválják a sejtfalhidrolázok működését, amelyek tovább rombolják a baktérium meglevőpeptidoglikánját.

10

N

S

OCOOH

HN

O

R

H H

penicillinek

NO

HN

O

R

H HS

COOH

R'

kefalosporinok

NO

S

COOH

HO

H3C

H H

NHR

tienamicinek

NO R'

HN

R2R3

monobaktámok

A -laktám antibiotikumok bioszintézise

HO

O

NH2

OH

O

SH

H2N

OHO

L--aminoadipinsav

L-cisztein

H2NOH

O

D-valin

HO

O

NH2 O

SHN

O

N

OH

O

HO

O

NH2 OSH

HN

O

NH

OH

O

Természetes penicillinek

A kutatások során felfedezték, hogy a fermentációhoz használt Penicillium chrysogenumtáptalajához adagolt karbonsavakkal befolyásolni lehet a bioszintézis irányát és hozamát.Ezeket az anyagokat prekurzoroknak nevezzük, és a gombák nem bontják le őket, hanemváltoztatás nélkül beépítik. A tapasztalat szerint azonban csak apoláros oldalláncottartalmazó karbonsavakat alkalmazhatunk prekurzorként.

F G X K O V

N

S

OCOOH

HN

O

R

H H

penicillin származék

O

OHR

Fermentáció

R:

HO

S O

2-pentenil- benzil- p-hidroxibenzil- heptil- allilmerkaptometil- fenoximetil-

• Igen nagy gond, hogy a baktériumok rezisztenciájának kifejlődése következtében atermészetes penicillinek alkalmazhatósága erőteljesen korlátozódott. Amíg 1941-ben aStaphylococcus törzseknek csak 1%, 1946-ban 14%-a, addig napjainkban már több mint80%-a penicillinrerzisztens.•További probléma volt, hogy ezek a származékok meglehetősen szűk hatásspektrumúakvoltak, túlnyomóan csak a Gram-pozitív baktériumokkal szemben voltak hatásosak .• Problémát jelentett az allergizáló hatás, amit antihisztaminokkal sem sikerültkiküszöbölni.• Megoldás új, félszintetikus penicillinekre van szükség!

Problémák

Antibiotikumok

Félszintetikus penicillinek

A variálható oldallánc módosításai a természetes penicillinekhez képest növelik az orálisbiohasznosultságot, ellenállóbbá teszik a molekulát a β-laktamáz enzim ellen, és növelik azantimikróbás hatásspektrumot. A félszintetikus penicillinszármazékokat úgy hozzák létre,hogy fermentációval az oldalláncmentes 6-aminopenicillánsavat termelik, és ehhez csatoljáka variábilis oldalláncokat.

N

S

OCOOH

HN

OH H

G-penicillin

N

S

OCOOH

H2N

H H

6-aminopenicillánsav

penicillin-amidáz R

O

Cl

N

S

OCOOH

HN

OH HR

félszintetikus penicillinek

Rezisztens staphylococcus törzsekellen használják. A gyógyszernekkisebb az antibakteriális hatása,mint a G-penicillinnek, de amellékhatása is.

Direkt Gram-negatív korokozók ellen fejlesztettékki, de Gram-pozitívak ellen, Acinetobacter fajok,és Pseudomonas aeruginosa ellen nem hatásos.Multirezisztens Gram-negatív korokozók ellenhasznos gyógyszer a klinikumban.

Félszintetikus penicillinek

N

S

OCOOH

HN

OH H

N

O

Cl

cloxacillin

NS

O

HOOC

HN

O

OH

temocillin

S

OHO

Penicillin rezisztencia

Az elmúlt évtizedekben egyre több, korábban ampicillin, amoxacillin-érzékeny Gram-negatívbaktériumról (H. influenzae, E. coli, Shigella, Salmonella törzsek) mutatták ki, hogy -laktamáz enzimet termelnek, melyek inaktiválják az antibiotikumokat.

-laktamáz gátlók

A penicillinek kombinálhatók β-laktamáz inhibitorokkal, amelyek megvédik a hatásosgyógyszermolekulákat a bontó enzimtől, és így a szer β-laktamáz termelő organizmusokellen is hatásos lesz. Tág hatásspektrummal rendelkeznek, az elsődlegesen választandószerek közé tartoznak.

amoxacillin + klavulánsav

16

N

S

O

COOHNH

O HHHO

NH2

amoxacillin

-laktamáz

NH

S

O

COOHNH

O HHHO

NH2 OH

penicillosav

N

O

OCOOH

H

OH

klavulánsav

N

S

OCOOH

OOH

sulbactam

N

S

OCOOH

OOH

NN N

tazobactam

Tetraciklin antibiotikumok

A penicillin után a legismertebb antibiotikumok. A tetraciklint a Streptomyces aurofciens,majd a klórtetraciklint Str. viridifaciens kultúrájából izolálták. Három különböző tetraciklintismerünk: tetraciklin (TC), oxitetraciklin (OTC), 7-klór-tetraciklin (CTC). Félszintetikusszármazékai közül igen népszerű a doxyciklin. Széles spektrumú fehérjeszintézis inhibitor (ariboszóma 70S alegységéhez kötődve) antibiotikumok, jól hatnak a Gram–pozitív és Gram–negatív baktériumok, rickettsiák, mikoplazmák, leptospirák és spirochéták ellen.

17

OOH OH O

OH

O

NH2

NCH3H3C

H

OH

HO CH3

tetraciklin

OHOH O O

OH

O

NH2

NCH3

H3C

OH

HO CH3 OH

oxitetraciklin

OOH OH O

OH

O

NH2

NCH3H3C

H

OH

HO CH3Cl

7-klórtetraciklin

OOH OH O

OH

O

NH2

NH

OH

CH3

doxyciklin

A tetraciklinek a legrégebbi, kifejezetten széles spektrumú antibiotikumok közétartoznak, amelyek közül csak néhány származék maradt meg a klinikai gyakorlatban.A korai, gyorsan eliminálódó, csak vesén keresztül ürülő és vesekárosodás eseténkumulálódó származékok, mint a tetraciklin vagy oxitetraciklin itthon már nincsenekforgalomban. A későbbi származékok, köztük a doxyciklin ma is kiterjedten használtantibiotikum, de indikációs területe az eredeteihez képest jelentősen megváltozott.A tetraciklinek korábban igen hatékonyak voltak a Gram-pozitívok közül astaphylococcusok, streptococcusok ellen, ma ezen törzsek 30-40%-a rezisztens. AGram-negatívok közül az E.coli, Klebsiella spp, Enterobacter spp-k 30%-a, a Proteusmirabilis több mint 90%-a rezisztens. A H.influenzae viszonylag érzékeny maradt (6%rezisztens).

Tetraciklin antibiotikumok

Aminoglikozid antibiotikumok

Az aminoglikozidok az egyik legrégibb antibiotikum családot alkotják. Az elsőképviselőjüket a sztreptomicint Waksman izolálta 1944-ban. A legjelentősebbek és alegismertebbek a sztreptomicin, gentamicin, tobramicin. Hatásspektrumuk széles,elsősorban Gram-negatív baktériumok ellen használatosak, Gram-pozitívok ellen ishatnak. Gram-negatív erős fertőzés esetén a cefalosporinok mellett ezek azantibiotikumok jelentik a megfelelő hatásos anyagokat. Elsősorban tuberkulumok,mellékhatásaik miatt (vese és fülkárosító toxinok), valamint plazmidon hordottrezisztencia átadó képességük miatt használatuk korlátozott. Baktérium ellenes hatásukkülönleges: az arra érzékeny baktériumok fehérjeszintézisét gátolja, ahol a riboszómákon afehérje molekula szekvencia leolvasásában hibákat okoz, ezért leállítja a fehérjemolekulákszintézisét.

O

O O

O

OH

HO

OH

N

N

H2N

NH2

H2N

NH2

OHC OH

NH

OHOH

OH

szterptomicin

O

O

O O

NH2

NH2OH

N

H2N

HO HO

N

gentamicin

O

O

NH2

OHNH2

HO

H2NH2N

O

O

OH

OH

OH

NH2

tobramicin

Az aminoglükozid antibiotikumok túlnyomó részét a Streptomyces kisebb mértékbenMicromonospora fajok termelik közvetlen vagy irányított fermentációval. Általábanizomerek és/vagy közeli homológok alkotta komplex keveréket termelnek, nem ritka 10-15sőt 30-40 különböző minorkomponens izolálása sem a fermentléből.

Aminoglikozid antibiotikumok előállítása

Makrolid-antibiotikumok

A makrolidek közül az erythromycin jelent meg elsőnek 1952-ben, de két évtizeden keresztül csaka penicillin alternatívája volt penicillin allergiás betegek kezelésében. A makrolidek kiterjedtalkalmazása és igazi fejlődése a 70-es évek második felére tehető, mikor kiderült, hogy aleghatékonyabb antibiotikum az akkor felismert legionellosis kezelésében és realizálták az ún.atípusos kórokozók (mycoplasmák, chlamydiák) klinikai jelentőségét.A makrolideket a laktongyűrűben levő szénatomok száma szerint 14, 15, 16 szénatom számúszármazékokra osztjuk. Az azithromycinben nitrogén helyettesít egy szénatomot, ezzelalcsoportot, az azalideket képezve. A makrolidek a baktérium fehérjeszintézisét gátolják. Amakrolidekkel szemben számos rezisztencia mechanizmus alakult ki, melyek többségekeresztrezisztenciát okoz - a baktérium klinikailag az összes makrolid származékkal szembenrezisztenssé válik.

O

O

O

O

O

OH

OHOH

O

O

O

N

HO

OH

erythromycin

ON

HOHO

HO

O

O

O

O

O

N

OH

O

OH

azithromycin