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AGENTI ANTIMICROBICI
Lo sviluppo della chemioterapia
• 1904-1910 Paul Ehrilich usa sostanze coloranti che uccidono gli ipanosomi con
tossicità selettiva per curare la tripanosmiasi (malattia del sonno).
• 1910 Sahachiro Hato, lavorando con Ehrlich, identifica composti arsenicali
(arsfenamina) efficaci nel trattamento della sifilide.
• 1927 Gerhard Domagk screening di coloranti- Prontosil rosso per la colorazione della
pelle proteggeva i topi da streptococchi e stafilococchi patogeni - 1935 Jacques e Therese Trefouel scoprono che il colorante nell’organismo è convertito in sulfanammide.
• 1928 Alexander Fleming notò che una muffa blu aveva invaso un disco di Petri e
causato intorno a sé una lisi delle colonie preesistenti di stafilococchi. Penicillum notatum produceva una sostanza con proprietà antibatteriche e non tossica per gli animali.
• 1939 Howard Florey e Ernst Chain (Nobel 1945) purificarono la penicillina scoperta da
Fleming
• 1944 Selman Waskman (Nobel 1952) identificò la Streptomicina dopo un’analisi di
circa 10.000 microrganismi del suolo.
• da allora circa 5.000 nuovi antibiotici sono stati identificati da organismi del suolo. Di
questi circa 300 sono diventati farmaci e sono stati commercializzati. Oltre agli antisettici e ai disinfettanti, un’importante classe di agenti antimicrobici è costituita da antibiotici e chemioterapici , un grande gruppo di molecole organiche che, a bassa concentrazione, esplicano attività antibatterica selettiva , ossia causano la morte o inibiscono la crescita dei batteri che ne vengono a contatto, senza danneggiare altri organismi non batterici. Gli antibiotici comprendono prodotti naturali provenienti dal metabolismo secondario di batteri e miceti (Eucarioti – Muffe e Funghi: Penicillium, Cephalosporium Procarioti – Batteri: Attinomiceti: Streptomyces Bacillus). Gli antibiotici sono prodotti dai microrganismi in fase stazionaria quando le risorse nutritive cominciano a scarseggiare e bisogna competere tra microrganismi. Si parla di cannibalismo. Sono sostanze organiche a basso peso molecolare (150-5000 Da). I chemioterapici sono farmaci antibatteri ottenuti per sintesi chimica. Sono analoghi dei fattori di crescita, specifiche sostanze chimiche necessarie per la crescita batterica (vitamine, aminoacidi, purine, pirimidine), che i batteri non sono in grado di sintetizzare e che devono acquisire dall’ambiente esterno. Ottenuti per aggiunta di atomi F e Br, che non alterano la struttura. Tra i chemioterapici sono rilevanti i sulfamidici e gli analoghi dell’acido folico: il sulfanilamide è l’analogo dell’acido PABA (acido p-amminobenzoico), un precursore dell’acido folico nei batteri, coenzima essenziale per la biosintesi di purine, timina e alcuni amminoacidi). Tossicità selettiva, perché i mammiferi non sintetizzano acido folico, lo assumono dalla dieta. La resistenza è data dalla capacità di usare acido folico esogeno, evolvendo meccanismi di trasporto che consentano di acquisire l’acido folico dall’esterno. L’utilizzo di analoghi di molecole necessarie per la sintesi di componenti cellulari: un Fluoro-Uracile viene inserito durante la trascrizione dalla RNA polimerasi, che non riesce a discriminarlo, ma blocca completamente la traduzione. Per antibiotici semisintetici si intendono molecole di origine naturale modificate in laboratorio e in parte sintetizzate chimicamente, al fine di ottenere farmaci ad attività antibatterica con caratteristiche più avanzate in termini di spettro d’azione o selettività.
Gli antibiotici sintetici o chemioantibiotici sono invece prodotti interamente per sintesi chimica, perché più conveniente rispetto alla produzione per via microbica. Tra questi c’è l’ampicillina (ampio spettro), ricavata per ottimizzazione in laboratorio della penicillina (spettro ristretto).
L’efficacia di un farmaco antimicrobico si basa sulla tossicità selettiva , che prevede che si interferisca con il metabolismo del microrganismo, ma non con quello dell’ospite.
La selettività d’azione è dovuta al fatto che interferiscono con processi essenziali per la cellula che o sono esclusivi della cellula batterica e sono assenti in quella eucariote (come la sintesi del peptidoglicano), oppure sono comuni a batteri ed eucarioti (replicazione, trascrizione e traduzione) ma presentano alcuni passaggi sufficientemente diversi da costituire un bersaglio selettivo per qualche inibitore.
La dose terapeutica è la quantità di farmaco richiesta per il trattamento clinico di una particolare infezione.
La dose tossica è la quantità di farmaco che risulta troppo tossica per il paziente (produce effetti collaterali).
L’ indice terapeutico è il rapporto tra dose tossica e dose terapeutica (quanto più è alto tanto migliore è l’agente terapeutico).
In base alla modalità di azione gli antibiotici possono essere distinti in:
- Agenti batteriostatici: fermano la crescita batterica (bloccano soprattutto la sintesi proteica) e permettono al sistema immunitario dell'ospite di risolvere l'infezione - Azione reversibile.
- Agenti battericidi: causano morte (bloccano la sintesi della parete cellulare) - Azione irreversibile - Di solito svolgono la loro azione su batteri in attiva moltiplicazione.
- Agenti batteriolitici: causano lisi cellulare (bloccano la sintesi della parete cellulare) con diminuzione del numero di cellule e della torbidità - Azione irreversibile.
L’azione irreversibile è dovuta al fatto che il farmaco si lega covalentemente al suo bersaglio.
Perché a volte è importante prendere l’antibiotico per 5 gg? Perché assumendo agenti batteriostatici bisogna dare il tempo al proprio organismo di organizzare un efficace risposta immunitaria per uccidere i batteri.
In base allo spettro d’azione gli antibiotici si distinguono in:
- Ampio spettro (agiscono su batteri sia Gram+ che Gram-)
- Spettro ristretto (agiscono su un singolo gruppo di batteri)
L’ampiezza dello spettro dipende dall’azione che il farmaco ha sulla parete cellulare.
Misura dell’attività antimicrobica:
Il saggio per la determinazione della sensibilità agli antibiotici o antibiogramma ha come principale obiettivo quello di stimare l’attività di un antibiotico verso una
Nei cocchi l’inserzione di nuove molecole avviene lungo il piano equatoriale, nei bacilli prevalentemente ai poli. L’inserzione di nuovi monomeri della parete richiede rottura controllata da autolisine. Le AUTOLISINE sono dei piccoli enzimi presenti nel divisoma che provocano delle piccole rotture fisica della parete. Al momento dell’inserzione di un monomero NAM- NAG-pentapeptide è richiesta energia. E’ il pentapeptide a costituire una scorta energetica e in particolare il legame Ala4 -Ala5. L’enzima D-ALANINA-D-ALANINA- CARBOSSIPEPTIDASI rompe questo legame peptidico e fornisce l’energia necessaria. Perché funzionano gli antibiotici come la penicillina? La penicillina è un antibiotico che interagisce con FtsI. L’antibiotico non agisce provocando la lisi della parete batterica, ma impedisce la sintesi dei monomeri della parete mentre le autolisine sono in funzione. Gli antibiotici interferiscono con la sintesi del peptidoglicano a livello di:
• citoplasma
Cicloserina: antibiotico naturale ad ampio spettro prodotto da Streptomyces , è un analogo strutturale della D-Ala e viene riconosciuta dagli enzimi D-Ala-D-Ala racemasi e D-Ala-D-Ala ligasi con maggiore efficienza rispetto al substrato dei due enzimi. Il legame è irreversibile per cui non si ha più la formazione del nucleotide di Park. Le autolisine continuano a bucare la parete e non avendo più precursori per formare la parete, la cellula se ne troverà sprovvista e quindi liserà. Si usa principalmente per curare la tuberculosi ed alcune infezioni urinarie. Fosfomicina
• Membrana
Bacitricina: prodotto da ceppi di Bacillus licheniformis ; attivo contro batteri Gram + e alcuni Gram-. Si lega al bactoprenolo-pp impedendo la rigenerazione del bactoprenolo monofosfato. Interferisce con la fase di trasporto, bloccando il bactoprenolo. Una volta rilasciato il precursore NAG-NAM-pentapetide, il bactoprenolo deve ritornare dentro e facendolo perde un fosfato, in quanto solo il bactoprenolo monofosfato può legare il nucleotide di Park. Vancomicina: antibiotico glicopeptidico prodotto da Streptomyces orientalis ; attivo contro molti batteri Gram+. Blocca le reazioni di transpeptidizzazione Si lega al disaccaride penta peptide legato al bactoprenolo interferendo stericamente con la formazione di ponti tra le catene peptidoglicaniche.
• Esterno della cellula
β -lattamici: comprendono Penicilline e Cefalosporine , molecole dotate di un anello β-lattamico. Nelle penicilline troviamo un anello tiazolico. I gruppi R delle penicilline sono stati modificati dalle case farmaceutiche in modo da conferire ampio spettro e resistenza a pH acido come quello dello stomaco. L’ampicillina è resistente alla β-lattamasi, un enzima prodotto dai batteri per proteggersi dagli antibiotici. Le cefalosporine si differenziano dalle penicilline per la presenza di un anello a sei termini diidrotiazolico. Le cefalosporine e le penicilline si legano irreversibilmente a delle strutture chiamate PBP ( Penicillin Binding Proteins ), che comprendono gran parte degli enzimi coinvolti nella transpeptidazione - peptidoglicano-endopeptidasi, D-alanina- carbossipeptidasi, peptidoglicano-transpeptidasi – il legame PBP-antibiotico impedisce la formazione dei legami crociati.
Non è direttamente l’antibiotico a provocare la lisi, ma è l’intervento delle autolisine che continuano a corrompere la parete, senza che si verifichi la biosintesi.
Inibitori della sintesi degli acidi nucleici
Mitomicina C : Prodotto dagli Streptomiceti , altamente tossico sia per i microrganismi sia per le cellule animali. Forma cross-links tra le due eliche del DNA inibendone la sintesi.
Acido nalidixico: prodotto di sintesi che interferisce con la subunità A della DNA girasi che perde la sua funzione responsabile del superavvolgimento e del rilassamento del DNA.
Novobiocina: Inibisce l’attacco dell’ATP alla subunità B della DNA girasi impedendo il superavvolgimento del DNA.
SINERGISMO - L’inattivazione della girasi è potenziata se sono contemporaneamente colpite le due subunità costitutive.
Inibitori della trascrizione
Streptovaricina e Rifampina : si legano alla subunità β della RNA polimerasi inibendo Batteri cloroplasti e mitocondri.
Actinomicina: Prodotta da S. antibioticus. E’ attiva contro batteri Gram+ e agisce legandosi al DNA e impedendo l’allungamento della catena nascente di RNA.
Inibitori della sintesi proteica
La sintesi proteica è inibita a vari livelli:
- associazione del ribosoma all’mRNA
- incorporazione di nuovi aminoacidi nella catena proteica nascente
- traslocazione del ribosoma ecc
Inibizione specifica dell’attività dei ribosomi batterici, MA quindi anche dei mitocondri e dei cloroplasti (molto simili a quelli procariotici) >> dose necessaria per inibizione diversa.
Appartengono a questa classe antibiotici molto comuni streptomicina, kanamicina, gentamicina, neomicina ; ad ampio spettro d’azione, effetto battericida. In grado di raggiungere il citoplasma batterico e legarsi irreversibilmente alle proteine dei ribosomi 30S. Interruzione della sintesi proteica per rilascio prematuro dei ribosomi dall’mRNA o causano errori di lettura dell’mRNA > Produzione di proteine aberranti.
La tetracicline sono prodotte da ceppi di Streptomyces ; ad ampio spettro d’azione ed effetto batteriostatico; bloccano il legame dell’aminoacil-tRNA al sito A del ribosoma30S.
Tra i macrolidici, composti caratterizzati da un anello lattonico macrociclico legato ad uno o più zuccheri, c’è l’ eritromicina , prodotta da Streptomyces erythraeus. Inibisce lo stadio di traslocazione, il movimento della molecola neointetizzata dal sito accettore al sito peptidilico, interagendo con la subunità 50S, in particolare con la molecole di rRNA 23S.
Cloramfenicolo: è prodotto da Streptomyces venezuelane , ma può essere ottenuto per via sintetica. Ha effetto batteriostatico e si lega alla porzione peptidiltransferasica della subunità ribosomale 50S impedendo l’allungamento del peptide. E’ un farmaco
• acidi precursori della catena laterale: acido fenilacetico per penicillina G, acido
fenossiacetico per penicillina V. La fermentazione si completa in 1-2 settimane. L’antibiotico si estrae dalla coltura con solventi come l’acetato di amile o di butile a pH acido e si riporta in soluzione acquosa tamponata; poi di nuovo come acido libero nel solvente organico. Il prodotto ottenuto in forma di sali di sodio, di potassio, etc., prima di essere utilizzato a scopo farmaceutico, è sterilizzato e liofilizzato direttamente nei flaconcini di confezione. Il glucosio è dunque utilizzato nella fase di crescita, mentre il lattosio è idrolizzato lentamente a glucosio e galattosio. È proprio la lenta disponibilità di glucosio che determina le condizioni adatte per la produzione della penicillina.
