Modifiche strutturali delle penicilline, carbapenemi e cefalosporine

Modifiche strutturali alle Penicilline

• Gruppo carbossilico
• Oxapenam (meno attivi ecc. ac.

Clavulanico)

• Azapenam privi di attività
• Carbapenam non sono interessanti
• CarbaPenem Attivi

H H N S Me 6 O - N- Me O Penicillina G CO2H O N-N 11 11 OH N-N 1 H H R H H N O O N O COOH H R H H N O O N N O COOH H R H H N O N O COOH H R H H N O R N O COOH HCarbapenem

• L'atomo di S delle penicilline è sostituito da un C (isostero).
• Posseggono un ampio spettro di attività sia Gram+ che Gram -.
• Tienamicina isolata da Streptomyces Cattleya.
• Possiede in 6a una catena idrossietilica (non acilaminica) ed è molto stabile alle ß-lattamasi. Stereochimica opposta alle penicilline ... spiegherebbe resistenza a BL
• Contemporaneamente ricercatori della Beecham isolarono, da colture di Streptomyces Olivaceus, l'acido Olivanico (catena in 6B) in grado di inibire anche le ß-lattamasi.

OH NH2 H3C S N O OH Tienamicina O R O O HN H3C S N O OH R = H R = SO3H Acido Olivanico OH3C HOmyn H H H - . S NH2 N O COOH Tienamicina H3C H H HOW H S HN N NH O COOH Imipenem La Tienamicina inoltre risulta essere molto instabile a causa:

• dello zolfo esociclico coniugato con il doppio legame endociclico;
• del gruppo amminico primario presente sulla catena in 3 che agisce da nucleofilo sul B-lattame. Emivita 10' a causa di: 1) rapida escrezione carrier anioni, 2) Ox della catena amminica, 3) idrolisi ß-lattamico da DHP-1 Per tale motivo è stato preparato il derivato semisintetico formimidoil Tienamicina o Imipenem. Entrambe le molecole penetrano facilmente nelle cellule attraverso le porine e sono in grado di inattivare molte ß- lattamasi.
• Imipenem - non è attivo per via orale e non può essere utilizzato nelle infezioni del tratto urinario a causa dell'enzima deidropeptidasi-I (peptidasi specifica per deidropeptidi) che lo metabolizza a derivato nefrotossico.
• Per ovviare a ciò si utilizza la Cilastatina, che è un inibitore di questo enzima e che protegge l'imipenem dall'idrolisi senza danneggiare l'uomo (70 % escreto inalterato nelle urine). Inibisce anche carrier anioni dei tubuli renali.

• E' stata sviluppata così l'associazione Imipenem- Cilastatina (1-1) che ha uno spettro d'azione più ampio ed emivita 1h.

• Viene usata negli adulti nei casi di gravi infezioni del tratto gastrointestinale, delle ossa, della pelle e dell'endocardio. Cilastatina NH2 HNO S HOOC COONa
• La loro azione a livello delle ß-lattamasi è dovuta alla catena idrossietilica che viene coinvolta nell'interazione con l'enzima.

R O Glu-166 O H HN S O CH3 H H O O HN CH3 O Ala-237 H- O 1 N H 1 N Ser-70 Glu-166 O H3C H H (R ) - O- - H (S) (R) O SR HN (E ) O Ala-237 H O COOH N H 1 N Ser-70

• La mancanza della molecola d'acqua fa sì che la velocità di idrolisi dell'acilenzima formatosi con il carbapenem sia circa 50.000 volte inferiore.

COOH

• I tentativi di migliorare l'attività dei ß-lattami verso i ceppi meticillino resistenti (MRSA) hanno portato a nuovi analoghi dell'Imipenem.
• Meropenem - Merrem® 2-4 volte più attivo dell'Imipenem: il metile in 18 e il sostituente in 2 conferiscono stabilità alle DHP-I. NON è necessaria l'associazione con Cilastatina.
• Ertapenem, emivita 4h, inattiva su P. aeruginosa e Acinetobacter. Unica somministrazione giornaliera.
• Questi derivati attualmente risultano poco attivi contro MRSA. Resistenza a ox e metabolismo - emivita 1h

H CO2 N CH3 N IZ OH H Me H Me 1 6 5 2 S N O 3 0 CO2 Conferisce legame ad albumina a causa della carica negativa Ertapenem OH CH3 1 H3C CH3 S N Z-I OH O meropenem

Cefalosporine

Derivano dalla scoperta da parte di Giuseppe Brotzu del Chephalosporium acremonium, i cui brodi di fermentazione avevano azione anti stafilococchi (1945-47: "micetina Brotzu").

• Molecola simile alla penicillina N, salvo il nucleo diidrotiazinico in luogo di quello tiazolidinico. 0 H -S HO H CH NH, 0 N- CH 0 7- OH 0 Penicillin N H2N H HOOC N S O N O O COOH O Cefalosporina CBrotzu, scoperta delle cefalosporine: Note storiche ...

• porto di Cagliari, acque allora fortemente inquinate, nelle quali tuttavia non si notava (periodicamente) alcuna proliferazione di microrganismi o batteri che certamente vi erano pur presenti. Si chiese perciò cosa ci fosse, in quelle acque, che potesse impedirne la crescita.
• nonostante le pessime condizioni sanitarie, si registravano pochissimi casi di infezioni. I sardi, e in particolare i Cagliaritani, godevano forse di una stranezza immunologica?
• prova evidente della presenza, in quelle acque, di un agente immunizzante; > prelevati i campioni dalle rive inquinate, raccolti accuratamente in bottigliette i miceti in essi contenuti vennero "seminati" su agar comune e fatti sviluppare a temperatura ambiente.

. 20 luglio 1945 la conferma di un micete appartenente agli sporofori e tra questi al genere cephalosporium.

• Nel 1945 venne isolata la "micetina Brotzu".
• Brotsu e il suo collaboratore sperimentarono personalmente, in maniera prima intracutanea e poi sottocutanea, per testarne l'efficacia, o la tossicità. Non si verificarono né reazioni locali, ne disturbi generalizzati: l'antibiotico non era dannoso/tossico.
• All'inizio del 1947 Brotzu passò alla prima sperimentazione ad uso generale:
• Brotzu inoltrò istanze di finanziamento per fondi e attrezzature al Ministero della Pubblica Istruzione, a quello della Sanità, al CNR, ma fu completamente ignorato.
• Inviò a Sir Howard Florey dell'Università di Oxford (il ricercatore che con Ernst Boris Chain aveva prodotto la penicillina, scoperta da Alexander Fleming), una coltura del micete. Questi inviò i campioni al noto biologo Edward Abraham, il quale estrasse, purificò e studio, tra il 1951 ed il 1961, differenti sostanze ad attività antibiotica; tra queste la cefalosporina C, che divenne il capostipite di una nuova generazione di antibiotici, isolata da Norman Heatley.
• Abraham purificò il principio attivo e brevettò la scoperta come sua, truffando Brotzu a cui disse di averla fatta a nome di entrambi, vendendo poi il brevetto alle case farmaceutiche Glaxo ed Eli Lilly, che ottennero con essa enormi profitti

Cefalosporine

• Iniziò così la ricerca di nuovi derivati semisintetici sull'esempio delle penicilline al fine di identificare il farmacoforo e di allargare lo spettro d'azione.
• Venne così introdotta in terapia la Cefalotina.

H OCH3 HHH H2N. N. S H N N 1 2 7 -S COOH N OCONH2 COOH Ö -N5 OCOCH3 N O O O O COOH COOH O O OH Cefamicina C Cefalosporina C

• Contemporaneamente ricercatori della Lilly isolarono le Cefamicine.
• Le diverse modifiche introdotte permisero di: Allargare lo spettro d'azione; > Aumentare la resistenza alle beta-lattamasi; Migliorare moltissimo le proprietà farmacocinetiche.

H H2N N. 'S S 71 6 O 8 4

Struttura delle Cefalosporine

• Struttura biciclica simile a quella delle penicilline, a libro aperto, con angolo diedro pari a 135 .
• Derivano dagli stessi amminoacidi.
• Elemento comune fondamentale è l'anello betalattamico (azetidin- 2-one).
• Il secondo anello è una diidrotiazina.
• Vi sono solo due centri chirali (in 6 e 7) entrambi: aventi configurazione R; Indispensabili all'attività biologica. Acido 7-amminocefalosporanico (7-ACA)

H2N CH2CH2CH `CH 1 HHH 1 = S CO2H O N OAc Catena laterale 7-amminoadipica O B-lattame CO2H 1 Cefalosporina C L Anello diidrotiazinico CYS R 1 1 i H Ha H 1 C-1-N S 1 7 6 - 1 - 2 O 7 5 3 N 4 OAc O CO21 VAL

Struttura delle Cefalosporine

1 R IZ JH H .S O N 3 6 5 4 Cefame HO o Cefalosporine 2 C* 3 C* IZ H H S O N R1 N R1 O O HO O HO O HO O cefalosporine oxacefalosporine carbocefalosporine H H O R NHN S R1 HN O O R2 O 0 OH HO O HO O diidrotiazina IZ H H : .5 ICH3 O N CH3 O O HO H R R H IZ H III. O O N R1 O O N R1 cefamicine (7-metossi) O cefabacine (7-formamido) O -N X O 8 S 2 7 tiazolidina R R HO R NO H S N Miglioramenti cercati ( anche rispetto alle Pen): stabilità agli acidi (intrinsecamente maggiore), largo spettro di attività, resistenza alle ß-lattamasi, diminuzione della allergenicità

Meccanismo d'azione delle cefalosporine

HH H HH H R 2 R N S 7 7 N O. Me N :0: CO2H Ser : OH I Ser- Enzima Deve essere un buon gruppo uscente I Enzima S -CH3CO2 O CO2H

Prodotti naturali

H2N H N S HOOC O N O R Cefamicine COOH

• La sola molecola naturale delle cefalosporine propriamente dette è la Cefalosporina C (prodotta da un fungo).
• Per contro le cefamicine sono prodotte da Actinomiceti (Streptomyces) e tra esse ricordiamo:
• Cefamicina A isolata da S. griseus e S. viridochromagenes
• Cefamicina B isolata dalle stesse colture.
• Cefamicina C isolata da colture di S. lactamdurans.

R = OCH3 1 O O A OH OCH3 1 1 1 1 O 1 O 1 1 O B C H2N H OCH3 S N HOOC O N O O COOH O O SO3H NH2 O

Cefamicine (7-a-metossicefalosporine)

• Sono caratterizzate da un gruppo metossilico in posizione 7a e da una catena laterale in 3 con gruppi acilanti diversi.
• Sono più resistenti all'idrolisi da parte delle B-Lattamasi di batteri Gram-neg che inattivano le cefalosporine di prima generazione.
• Numerosi derivati delle Cefamicine sono stati ottenuti modificando sia la catena in 73 acilamidica che quella acilossimetilica in 3.

NH2 HOOC H OMe N S O N X O COOH X = O Cefamicina A O OMe -SO3H O Cefamicina B O OMe OH O OH Takeda C-2801-X O OMe OH O Cefamicina C O NH2 7a-Metossice falosporina C O CH3 O 7a-Metossidesacetos sicefalosporina C H

• Le principali Cefamicine entrate in terapia come sali sodici sono la Cefoxitina (Mefoxin® - Cefociclin®), il Cefotetan, il Cefmetazolo (Metax® - Metafar®) ed il Cefbuperazone.

H H N O H S S O N O S 0 N NH2 O O Cefalotina O OH Cefoxitina 0 OH

• La maggior attività delle cefamicine, rispetto alle corrispondenti 6-a-metossi penicilline (temocillina), è da attribuirsi alla diversa reattività dell'anello azetidinonico.
• Le cefabacine (7a-formammido cefalosporine) hanno attività antibatterica modesta associata ad una buona resistenza alle ß-lattamasi.
• Sono stati sintetizzati numerosi analoghi delle cefabacine ma poco attivi ... abbandonate! Stabilità ad esterasi S

Biosintesi della Cefalosporina C

• Deriva dalla penicillina N ad opera di una ossigenasi, enzima inibito dagli ioni CN -.

H2N H2N H H H H N HOOC S HOOC S CH3 O O -N CH3 N OAc O O OH COOH O DAOCS N H H DAOCS= DeAcetOxyCephalosporin C Synthase

• La via di biosintesi è condivisa con la produzione di Cefamicina C