Cefalosporin Lina Selim Biologiskt aktiva naturprodukter i läkemedelsutveckling, 5p Uppsala Universitet, HT

Transkript

1 Cefalosporin Lina Selim Biologiskt aktiva naturprodukter i läkemedelsutveckling, 5p Uppsala Universitet, HT

2 Innehållsförteckning Innehållsförteckning...2 Historisk bakgrund...3 Biosyntes...3 Biologisk aktivitet...4 Struktur...5 Cellulär verkningsmekanism...5 Farmakodynamik...5 Resistensmekanismer...6 Aktivitetsintervall...7 Farmakokinetik...7 Läkemedelsutveckling...7 Första generationens cefalosporiner...7 Andra generationens cefalosporiner...8 Tredje generationens cefalosporiner...8 Fjärde generationens cefalosporiner...8 Klinisk effekt och användning...9 Biverkningar...10 Interaktioner...10 Referenslista

3 Historisk bakgrund Cefalosporin isloerades för första gången i början av 1940-talet av professor Giuseppe Brotzu. Cefalosporinerna har sedan dess behållt sin roll som en mycket betydande klass av antibiotika, de står för mer än hälften av dagens tillgängliga β-laktamantibiotika. Brotzu var den som först upptäckte att Cephalosporium acremonium, en fungi, producerade cefalosporin. Han isolerade fungin från kloakvatten i Calgiari på Sardinien, efter att han observerat ett naturligt mönster av periodisk rening av mikroorganismer från ett lokalt hamnområde. Efter detta testade Brotzu filtrat från kulturer av C. acremonium och observerade då antimikrobiell aktivitet mot infektioner i djur och människa (del Rosso, 2003 & Samanidou, Hapeshi & Papadoyannis, 2003). Med Brotzus arbete som utgångspunkt fortsatte forskare vid Oxford att utreda C. acremoniums effekter och man upptäckte då cefalosporin C, se figur 1, vilken blev den strukturella kärnan för utvecklingen av cefalosporiner under de kommande fyrtio åren. Genom fortsatt forskning och utveckling sedan 1960-talet har ett flertal cefalosporinantibiotikum framställts. I USA finns i dagsläget 24 strukturellt olika ämnen med liknande effekt tillgängliga för klinisk användning. De tre första generationerna av cefalosporinantibiotika inkluderar både parenteralt och oralt administrerade ämnen. Fjärde generationens cefalosporiner finns endast för parenteral administrering (del Rosso, 2003). Figur 1. Cefalosporin C. Biosyntes Cefalosporin C är en naturprodukt vilken används som utgångsmaterial för produktion av semisyntetiska cefalosporiner. Sidokedjan kan inte varieras genom tillsats av ytterligare karboxylsyror, vilket till exempel sker med penicilliner, utan endast kemiska modifieringar är möjliga. Ett stort antal semisyntetiska cefalosporiner finns idag tillgängliga. Biosyntesen av cefalosporiner startar med bildningen av isopenicillin N, vilken även är en precursor för bildningen av penicilliner och cefamyciner. Det första steget är bildningen av tripeptiden δ-(l-α-aminoadipyl)-l-cysteinyl- D-Valine (ACV) från aminosyran L-α-aminoadipicsyra. Bildningen av ACV involverar inte ribosomer utan är katalyserad av det mulitfunktionella enzymet ACV syntetas. Efter bildningen av ACV sker en oxidation vilken katalyseras av enzymet isopenicillin N syntetas. Detta gör så den linjära tripeptiden bildar den bicykliska isopenicillin N. 3

4 Efter att isopenicillin N syntetiseras delar sig syntesvägen för penicillin och cefalosporin/cefamycin. Biosyntesen av cefalosporin börjar med isomerisering av sidokedjan som innehåller L-α-aminoadipyl så den bildar D- enantiomeren. Detta ger penicillin N vilken är substratet för de efterföljande ringutvidgande enzymerna. Den isolerade isopenicillin N epimeras är ett racemat vilket katalyserar en reversibel isomerisering mellan isopenicillin N och penicillin N. De två efterföljande reaktionerna i biosyntesen av cefalosporin C involverar ringudvidgning för att erhålla deacetoxycefalosporin C vilken hydroxyleras till deacetylcefalosporin C. Denna verkar sedan som en precursor till både cefalosporin C och cefamycin C. Enzymet acetylcoa:deacetylcefalosporin C acetyltransferas katalyserar acetyleringen av deacetylcefalosporin C med acetyl-coa för att bilda cefalosporin C (Samuelsson, 1999). Biologisk aktivitet Gruppen av cefalosporinantibiotikum består av ett flertal potenta läkemedel vilka har en viktig klinisk roll. Även om de är kemiskt lika varierar de från att vara smalspektrum till bredspektrum, billiga till dyra, parenterala till orala. Den vanligaste klassificeringen av cefalosporinerna är enligt generationer (första, andra, tredje och fjärde), men klassificering enligt verkningsspektrum är också vanligt. Exempel på cefalosporiner med smalt spektrum är cefadroxil och cefalexin, se tabell 1. Tabell 1. Cefalosporiner med smalt spektrum använda i Sverige (Norrby & Mölstad, 2005/2006). Generiskt namn Cefadroxil Cefalexin Läkemedelsnamn Cefadroxil Cefamox Cefamox löslig Cefalexin Merck NM Keflex Vanliga cefalosporiner med intermediat spektrum är ceftriaxon och ceftazidim, se tabell 2. Tabell 2. Cefalosporiner med intermediat spektrum använda i Sverige (Norrby & Mölstad, 2005/2006). Generiskt namn Cefuroximproxetil Ceftazidim Ceftriaxon Ceftriaxon + lidokain Cefuroxim Läkemedelsnamn Orelox Ceftazidim Claforan Rocephalin Rocephalin med lidokain Zinacef De flesta nya cefalosporiner har brett spektrum och dessa inkluderar cefpodoximproxetil och cefepim, se tabell 3 (Christian & Christian, 1997). 4

5 Tabell 3. Cefalosporiner med brett spektrum använda i Sverige (Norrby & Mölstad, 2005/2006). Generiskt namn Cefpodoximproxetil Lorakarbef Cefepim Cefotaxim Ceftibuten Läkemedelsnamn Orelox Lorabid Maxipime Cefotaxim Sandoz Claforan Cedax Struktur Cefalosporinantibiotika består av fyrledad β-laktamring bunden till en sexledad dihydrotiazidring. Modifieringar i position 7 på β-laktamringen ger mikrobiell aktivitet. Substitutioner i position 3 på dihydrotiazisringen ändrar farmakokinetiken och toxiciteten hos läkemedlena (Christian & Christian, 1997, Fung-Tomc, 1997, Garau, 1998, García-Rodríguez et. al, 1995, Samanidou, Hapeshi & Papadoyannis, 2003 & Samuelsson, 1999). Cellulär verkningsmekanism Cefalosporiners antimikrobiella effekt involverar hämning av integreringen av bakteriell peptidoglykan. Peptidoglykan syntetiseras i cytoplasman hos bakteriecellen och individuella peptidoglykanenheter transporteras sedan genom det cytoplasmiska membranet. Med hjälp av peptidasenzymer sätts de där in i en tvärbindande gallerstruktur som ger strukturell support till bakteriecellväggen. De peptidasenzymer som finns i det yttre cytoplasmiska membranet kallas penicillinbindande proteiner och det är på dessa som cefalosporiner, och andra β-laktamantibiotika har sin verkan (Fung-Tomc, 1997, Garau, 1998, García-Rodríguez et. al, 1995, Rang, Dale, Ritter & Moore, 2004 del Rosso, 2003 & Samuelsson, 1999). Farmakodynamik Effektiviteten av cefalosporiner, precis som med andra β-laktammedel, är beroende av förmågan att erhålla tillräckliga läkemedelskoncentrationer som är större än den minsta hämmande koncentrationen (MIC) vid infektionsstället, binda till ett tillräckligt stort antal bakteriella site samt vara högre än MIC mellan dosintervallen för att behålla bindning och förebygga bakterietillväxt. Den farmakodynamiska aktiviteten för cefalosporiner beskrivs som tidsberoende bakteriedödande aktivitet. Antibakteriell aktivitet börjar när läkemedelskoncentrationen överstiger MIC och ökar tills en övre tröskelkoncentration nåtts. Denna är cirka 2 till 4 gånger högre än MIC, högre läkemedelskoncentrationer ger ingen extra antibakteriell fördel. För att behålla den antibakteriella effekten är det önskvärt att ha en dos som överskrider MIC under hela dosintervallet. Dessutom, säkerställs effektiviteten genom att behålla läkemedelsnivåerna över MIC under hela doseringsperioden och det minskar risken för uppkomst av resistenta bakteriestammar. Vid tidsberoende antibakteriell aktivitet är det viktigt att vara uppmärksam för farmakokinetiska skillnader mellan olika cefalosporiner, använda korrekta doser och dosintervall samt patientcompliance (del Rosso, 2003). 5

6 Resistensmekanismer Bakterier har minst tre mekanismer för att göra motstånd till den bakteriedödande effekten hos cefalosporiner, se figur 2. Först kan bakterien påverka cellväggspenetrationen. I gram-negativa bakterier beror penetrationen av den yttre cellväggen på poriner, en specialiserad klass av yttermembranproteiner. Vissa gram-negativa bakterier såsom Pseudomonas aeruginosa och vissa enterobakterier kan förändra antalet eller funktionen av porinkanalerna och därigenom minska permeabiliteten genom cellmembranet för vissa cefalosporiner. För det andra kan vissa gram-positiva och gramnegativa bakterier erhålla resistans mot cefalosporiner via mutationer i penicillinbindande proteiner. Denna resistansmekanism finns bland annat hos stammar av Streptococcus pneumoniae, Haemophilus influenzae samt Neisseria gonorrhoeae och Staphylococcus aureus. Den tredje och viktigaste resistansmekanismen mot β-laktamantibiotika är produktion av β-laktamaser, enzymer vilka hydrolyserar laktamringen. Denna mekanism finns både hos gram-positiva och gram-negativa bakterier. Dessa β-laktamaser kan antingen komma från kromosomen eller från plasmiden. Kromosomala β-laktamaser är art- och genusspecifika och kan framkallas av låga doser av β-laktamantibiotika. Plasmiderna som innehåller resistes kan flyttas mellan olika bakterier vilket kan leda till en ökning i antalet bakterier som är resistenta mot antibiotikan. (Christian & Christian, 1997 & Thomson & Bonomo, 2005). Figur 2. De olika resistensmekanismerna mot β-laktamantibiotika i en gram-negativ bakterie. Olika proteiner i yttermembranet kan hindra ett flertal antibiotika från att komma in i cellen. Väl inne i periplasman eller cytoplasman kan många antibiotika föras bort av efflux pumpar. β-laktamaser kan också inaktivera β-laktamantibiotika i periplasman innan de har nått de penicillinbindande proteinerna (Thomson & Bonomo, 2005). 6

7 Aktivitetsintervall Trots att cefalosporiner är väldigt lika penicilliner är cefalosporiner resistenta mot β-laktamaser, vilka kan inaktivera penicilliner. Därför är cefalosporiner ett effektivt alternativ vid behandling av penicillinresistanta bakterier. Cefalosporiner med smalt spektrum är i allmänhet resistenta mot grampositiva β-laktamaser, men är ofta känsliga mot mer potenta gram-negativa β- laktamaser. Således har dessa antibiotika stor täckning vad gäller grampositiva β-laktamaser, inklusive S aureus. De är också aktiva mot ett stort antal vanligt förekommande bakterier såsom Escherichia coli, Klebsiella och Proteus, men de har ingen effekt mot Pseudomonas, Neisseria och Bacteroides. Cefalosporiner med intermediat spektrum varierar i potens mot β-laktamaser. Dessa läkemedel har medelmåttig effekt mot anaeroba bakterier och är signifikant bättre än cefalosporiner med smalt spektrum mot gram-negativa organismer, såsom Neisseria och Haemophilus. De flesta av cefalosporinerna med brett spektrum är resistenta mot hydrolys av de β- laktamaser som produceras av gram-negativa bakterier (Christian & Christian, 1997 & del Rosso, 2003). Farmakokinetik Halveringstiden för de flesta cefalosporiner är 1-2 timmar och eftersom toppkoncentrationerna i serum är höga i förhållande till MIC administreras de flesta cefalosporinerna i intervall som motsvarar ett antal halveringstider, vanligen 6, 8, 12 eller 24 timmar. Antibiotika som hämmar cellväggssyntes verkar endast på aktivt växande bakterier och är därför mer effektiva om de ges i längre dosintervall. Detta ger bakterierna en kort tillväxtperiod mellan doserna. Graden av plasmaproteinbindning varierar mellan olika cefalosporiner. Antibiotika för vilken mer än 85 % är proteinbundet har förlängda halveringstider i serum eftersom läkemedelsupptaget mellan olika vävnader hindras. Vissa cefalosporiner elimineras delvis via gallan och det leder också till längre halveringstider (Christian & Christian, 1997). Läkemedelsutveckling Cefalosporiner delas in i fyra olika generationer, första, andra, tredje och fjärde generationens ämnen. Klassificeringen styrs av deras effekt mot gramnegativa bakterier. Tredje generationens cefalosporiner har ett bredare antibakteriellt spektrum än första och andra generationens ämnen då dessa är resistenta mot β-laktamaser. Fjärde generationen innefattar ämnen med ett spektrum som liknar tredje generationens, men de har mycket högre stabilitet mot hydrolys av β-laktamaser (Samanidou, Hapeshi & Papadoyannis, 2003). Första generationens cefalosporiner Alla cefalosporiner som tillhör första generationen har gemensamt att de har en α-aminogrupp i position 7 och en liten elektriskt oladdad grupp, vanligen metyl, i position 3. Ett exempel på en cefalosporin som tillhör denna grupp är cefalexin, se figur 3. 7

8 Figur 3. Strukturformel för cefalexin. I position 3 finns en metylgrupp och i position 7 en α-aminogrupp. Ett annat exempel på en första generationens cefalosporin är lorakarbef. Lorakarbef är en karbacefem, det vill säga en molekyl som liknar kärnan hos cefalosporiner, men där svavelatomen i dihydrotiazidringen har bytts ut mot en metylengrupp vilket ger en tetrahydropyridinring istället. Denna molekyl är stabilare än de flesta andra cefalosporinerna i plasma (García-Rodríguez et. al, 1995). Andra generationens cefalosporiner Dessa består av estrar av de tillgängliga parenterala cefalosporinerna. Till exempel så är ceforoximaxetil en ester av cefuroxim, den första molekylen med en α-iminometoxygrupp i position 7. Med vissa variationer har de flesta nyare cefalosporiner en sådan grupp eftersom den skyddar mot β-laktamaser (García-Rodríguez et. al, 1995). Tredje generationens cefalosporiner Orala tredjegenerations cefalosporiner är de som på senare år har utvecklats mest. Nästan alla liknar parenterala tredje generationens cefalosporiner, innehållande en aminothiazolgrupp och en metoxyimingrupp, se figur 4. Figur 4. Cefpodoximproxetil, en tredje generationens oral cefalosporin. Den innehåller en aminothiazolgrupp, en metoxyimingrupp och en ester. Majoriteten har estrar i position 4 vilket medger oral administration och absorption, samt hydrolys i magtarmkanalen av icke-specifika esteraser (García-Rodríguez et. al, 1995). Fjärde generationens cefalosporiner De fjärde generationens cefalosporiner som i dagsläget finns tillgängliga eller är under klinisk prövning innefattar cefipirom, cefepim, cefozopram och cefluprenam. Dessa karakteriseras av en metoxyimyl-5-aminothiazolgrupp i position C-7 samt en positivt laddat kvartär ammoniumgrupp i position C-3. Den kvartära ammoniumgruppen ger högre verkning mot β-laktamasstabila mutanter av P. aeruginosa och enteriska bakterier. Molekylens laddning ger 8

9 en snabbare och mer effektiv penetration genom membranet hos gramnegativa bakterier. Resistans mot fjärde generationens cefalosporiner beror oftast på en kombination av överproduktion av β-laktamaser och ofullständiga poriner (Fung-Tomc, 1997, Garau, 1998 & Kaplan, 2001). Klinisk effekt och användning I Sverige finns det en betydande överförbrukning av antibiotika och detta leder till onödiga kostnader för både patienten och samhället samt ökade risker för biverkningar och uppkomst/spridning av resistens. Den svenska traditionen har varit att penicillin G är baspreparat, men det har nu skett en markant förskjutning mot en minskning av penicillin G och en ökning av cefalosporiner. Totalt sett har dock förskrivningen av antibiotika inte ökat under de senaste tio åren. Av all antibiotika som förskrivs i Sverige förbrukas cirka 90 % inom öppenvården, varav 60 % för luft- och 20 % för urinvägsinfektioner. En vanlig effekt av antibiotikabehandling är uppkomst av olika typer av resistensmekanismer hos bakterien och den viktigaste orsaken till att dessa uppkommer är överförskrivning. Även felaktigt preparatval bidrar till en ökad risk för antibiotikaresistens. Detta understryker betydelsen av empirisk behandling, det vill säga en behandling grundad på klinisk diagnos (Norrby & Mölstad, 2005/2006). Cefalosporiner används för ett flertal bakteriella infektioner, inklusive infektioner i hud- och mjukdelar, luftvägar samt urinvägar. Valet av vilken administreringsväg och vilken cefalosporin som ska användas är beroende av den orsakande organismen samt vilken typ och svårighetsgrad sjukdomen har. Eftersom cefalosporiner kan variera stort vad gäller vilken organism de täcker är valet av antibiotika beroende av en stark klinisk misstanke samt en laborativ bekräftelse på att det är den misstänkta organismen (del Rosso, 2003). Första generationens cefalosporiner innefattar både parenterala och orala preparat. Dessa preparat används främst för behandling av luftvägsinfektioner orsakade av staphylococcer och streptococcer, okomplicerade hud- och mjukdelsinfektioner samt urinvägsinfektioner orsakade av gram-negativa bakterier, till exempel E. coli. Andra generationens parenterala cefalosporiner används framförallt för luftvägsinfektioner och invärtes bukinfektioner. Cefuroxim har stora fördelar för infektioner orsakade av H. influenza. Orala preparat används ofta för okomplicerade nedre luftvägsinfektioner, öroninflammationer eller bihåleinflammationer, där Moraxella catarrhalis, S. pneumoniae och H. influenzae är de dominerande patogenerna. Tredje generationens cefalosporiner används ofta för att behandla olika infektioner. Parenterala medel verkar mot ett flertal gram-negativa infektioner, inklusive lunginflammation och urinvägsinfektion. De har också effekt mot meningitis. De flesta tredje generationens cefalosporiner har effekt mot infektioner orsakade av H. influenzae och ett flertal gram-negativa bakterier. De flesta har också effekt mot M. catarrhalis och S. pneumonia. De flest parenterala preparaten inom fjärde generationens cefalosporiner är resistenta mot ett flertal β-laktamaser vilket leder till en hög aktivitet mot flertalet gram-negativa och gram-positiva bakterier. Dessa inkluderar S. pyogenes, S. pneumoniae, H. influenzae och P. aeruginosa. 9

10 Dessa parenterala cefalosporiner administreras enbart till patienter inlagda på sjukhus. Organismer vilka är resistenta mot cefalosporiner är methicillinresistent S. aureus, enterococci, Mycoplasma pneumoniae, Chlamydia spp och Legionella spp (del Rosso, 2003). Biverkningar De flesta orala cefalosporiner är mycket väl tolererade, färre än 10 % av behandlade patienter rapporterar biverkningar (Christian & Christian, 1997 & García-Rodríguez et. al, 1995). De vanligaste biverkningarna är från magtarmkanalen, hudutslag samt överkänslighetsreaktioner (Christian & Christian, 1997). Interaktioner De flesta orala cefalosporinerna kan ges utan hänsyn till måltider. De esterfierade cefalosporinerna måste dock intas i samband med måltid för att erhålla en tillräcklig absorption från magtarmkanalen. Cefalosporiner associeras i vissa fall med hypoprothrombinemia vilket ökar den antikoagulatoriska effekten av warfarin och andra K- vitaminberoende antikoagulantia. Det är i dessa fall viktigt med noggrann kontroll av patientens INR (Bochner, 2004, Christian & Christian, 1997 & del Rosso, 2003). Andra interaktioner som är viktiga att ha i åtanke är de med alkohol, aminoglykosider och orala preventivmedel. Samtidigt intag av cefalosporiner och alkohol kan leda till en disulfiramlikande reaktion. Vid samtidigt intag av aminoglykosider kan risken för nefrotoxicitet öka. Det är i dessa fall viktigt att kontrollera koncentrationen av aminoglykosider i blodet och patientens njurfunktion. Vid samtidigt intag av orala preventivmedel finns det en liten ökad risk för att dessa ska mista sin funktion (Bochner, 2004). 10

11 Referenslista Bochner, F. (ed). Australian Medicines Handbook, 2004; Adelaide: Australian Medicines Handbook Pty Ltd; Christian, S.S. & Christian, J.S. The cephalosporin antibiotics. Primary Care Update for OB/GYNS 1997, 4, &view=c&wchp=dGLbVzbzSkWb&md5=a6d5c2c0e78483e94801fdd0dd9eada1&ie=/sdarticle.pdf Fung-Tomc, J. Fourth-generation cephalosporins. Clinical Microbiology Newsletter 1997, 19, &view=c&wchp=dGLbVzbzSkWb&md5=ff9b0ce5b fc1d287bc92e008&ie=/sdarticle.pdf Garau, J. The Clinical Potential of Fourth-Generation Cephalosporins. Diagnostic Microbiology and Infectious Disease 1998, 31, &_cdi=5016&_user=115085&_orig=search&_coverDate=07%2F31%2F1998&_sk= &view=c&wchp=dGLbVzbzSkWb&md5=5b63c999800b31b8725fb55cec63f339&ie=/sdarticle.pdf García-Rodríguez, J.A., Muñoz Bellido, J.L. & García Sánchez, J.E. Oral cephalosporins: current perspectives. International Journal of Antimicrobial Agents 1995, 5, &view=c&wchp=dGLbVtbzSkWz&md5=a83b5a426bc6472ee3bd5eaf329fde61&ie=/sdarticle.pdf Kaplan, S.L. New cephalosporins. Seminars in Pediatric Infectious Diseases 2001, 12, &_cdi=13183&_user=115085&_orig=search&_coverDate=07%2F31%2F2001&_sk= &view=c&wchp=dGLbVtbzSkzS&md5=ffcd9e278d6f3e7e50b3b18264d67b77&ie=/sdarticle.pdf Norrby, R. & Mölstad, S. Läkemedelsboken 2005/2006, Infektioner, Antibiotika. ( ). Rang, H.P., Dale, M.M., Ritter, J.M. & Moore, P.K. Pharmacology. Edinburgh: Churchill Livingstone, 2004; 5 th edition. del Rosso, J.Q. (). Cephalosporins in Dermatology Clinics in Dermatology 2003, 21, &view=c&wchp=dGLbVtbzSkzS&md5=67d13c5d93c30d83ccaf69e404524b8c&ie=/sdarticle.pdf 11

12 Samanidou, V.F., Hapeshi, E.A. & Papadoyannis, I.N. Rapid and sensitive high-performance liquid chromatographic determination of four cephalosporin antibiotics in pharmaceuticals and body fluids. Journal of Chromatography B 2003, 788, &view=c&wchp=dGLbVtbzSkzS&md5=4f3f35bc59b6abdfbbe605bdd2e8afb6&ie=/sdarticle.pdf Samuelsson, G. Drugs of Natural Origin: A textbook of pharmacognosy; Apotekarsociteten, Stockholm, 1999; 3rd edition. Thomson, J.M. & Bonomo, R.A. The threat of antibiotic resistance in Gramnegative pathogenic bacteria: β-lactams in peril! Current Opinion in Microbiology 2005, 8, &_cdi=6250&_user=115085&_orig=search&_coverDate=10%2F31%2F2005&_sk= &view=c&wchp=dGLbVlzzSkzV&md5=194a9b505b84ba2efa7d3f7cfbe1c824&ie=/sdarticle.pdf 12