Litteraturstudie Ertapenem

Litteraturstudie Ertapenem Eva Brené Forsberg Biologiskt aktiva naturprodukter i läkemedelsutveckling Avdelningen för Farmakognosi Institutionen för Läkemedelskemi Uppsala Universitet Bild(Wikipediacommon)http://en.wikipedia.org/wiki/File:Ertapenem_Formula_V.1.svg 1

Sammanfattning Ertapenem är ett antibiotikum av karbapenemtyp som strukturellt tillhör gruppen betalaktamantibiotika. Substansen är syntetiskt framställd men dess föregångare var en naturprodukt från bakteriesläktet Streptomyces. Ertapenems kemiska struktur visar på många fördelar gentemot andra betalaktamantibiotika när det gäller potens, stabilitet och antibakteriellt spektrum. Ertapenem har effekt på både gramnegativa och grampositiva aeroba och anaeroba bakterier. Substansen har farmakokinetiska fördelar såsom lång halveringstid vilket tillåter en dosering per dag. Ertapenem visar också god stabilitet mot både betalaktamaser samt dehydropeptidas-i vilket möjliggör antibakteriell behandling med ett läkemedel. På senare tid har dock resistens mot substansen och andra karbapenem börjat förekomma. Mer forskning behöver göras för att förstå bakomliggande resistensmekanismer för Ertapenem. 2

TableofContents Historisk Bakgrund Sida4 Kemisk struktur och biologisk aktivitet för Ertapenem Sida 5 Metodbeskrivning vid tillverkning av Ertapenem Sida6 Verkningsmekanism Sida7 Klinisk effekt Sida8 Användning Sida8 Utveckling av resistens Sida9 Läkemedelsutveckling Sida10 Konklusion Sida11 Referenser Sida12 3

Historisk Bakgrund Ertapenem är ett betalaktamantibiotikum av gruppen Karbapenem. Andra grupper av betalaktamantibiotika är penicilliner och cefalosporiner. I slutet av 60-talet då resistens mot penicillin började utvecklas letades det aktivt efter nya strukturer som skulle kunna motstå bakteriernas betalaktamaser som bröt ned penicillinet. 1976 upptäcktes de första substanserna. De var naturprodukter av typen Olivanic acids som producerades av den grampositiva bakterien Streptomyces clavuligerus. De hade ett brett antibakteriellt spektrum, var stabila mot betalaktamas samt hade ett karbapenemskelett i strukturen. Karbapenemskelett innehöll en typisk betalaktamring som både penicilliner och cefalosporiner har, en kol i position 1 istället för svavel samt dubbelbindning i position C2 och C3. Utbytet av kol mot svavel i position 1 ansågs i början vara den huvudsakliga orsaken till substansens potens, spektrum samt stabilitet mot betalaktamas. Senare har man förstått att en strategiskt placerad sidokedja med hydroxylgrupp på kol (8) hjälper mot hydrolys av beta-laktamaser. En Penicillinskelett http://en.wikipedia.org/wiki/file:penicillin_core.svg (Wikipediacommon) Cefalosporinskelett http://en.wikipedia.org/wiki/file:cephalosporin_core_structure.svg (Wikipediacommon) Karbapenemskelett http://en.wikipedia.org/wiki/file:carbapenems_structure.svg (Wikipediacommon) Figur1.Betalaktamringenärdencentrala kvadratiskastrukturensominnehåller dubbelbundetsyreochettkväve(n)och återfinnsiallagruppertillhörande betalaktamantibiotika. R konfiguration på kol (8) stärker potensen samt Trans konfiguration mellan kol 5 och 6 ökar stabiliteten mot betalaktamaser (Papp-Wallace et al. 2011). 4

Olivanic acids visade sig vara kemiskt instabil och togs upp dåligt av bakterier. Kort därefter upptäcktes två nya substanser som var stabila mot betalaktamas. Den ena var substansen Thienamycin och producerades av bakterien Streptomyces cattleya. Thienamycin brukar räknas som urmodern till alla efterföljande substanser inom gruppen karbapenemer. Thienamycin var ett potent antibiotikum med brett bakteriellt spektrum men även instabil i vattenlösningar, känslig mot basiska lösningar (ph över 8) och reaktiv med nukleotider. Eftersom Thienamycin var kemisk instabil jagades nya liknande molekyler med bättre stabilitet. Derivat med pyrrolidinring visade sig bl a öka stabiliteten och spektrumet. Ett flertal derivat hittades såsom Imipenem, Panipenem, Meropenem, Biapenem, Doripenem och Ertapenem (Papp-Wallace et al. 2011). Läkemedelsbolaget MSD utvecklade Ertapenam från substans till läkemedel (J.M. Williams et al. 2005). Thienamycin http://en.wikipedia.org/wiki/file:numberedthienamycin%2b.png (Wikipedia common) Ertapenem http://en.wikipedia.org/wiki/file:ertapenem_formula_v.1.svg (Wikipediacommon) Figur2.Kemisk struktur av Thienamycin och Ertapenem Kemisk struktur och biologisk aktivitet för Ertapenem Ertapenem har det klassiska Karbapenemskelettet med en betalaktamring med kol i position 1 istället för svavel, en dubbelbindning i position C2 och C3 och Trans konfigurationen mellan kol 5 och 6 i betalaktamringen vilket ökar stabilitet mot beta-laktamaser. En metylgrupp i position 1 är skyddande mot dehydropeptidas-i(dhp-i), ett enzym som metaboliserar en del 5

karbapenemer i njurarna. Sådana karbapenemer måste ges samtidigt med en DHP-1 enzymhämmare. Hydroxylgruppen i position 8 förstärker mot hydrolys av betalaktamaser. En metylgrupp i position 8 stärker potensen av substansen. Ertapenem har även en pyrrolidinring som ökar substansens stabilitet samt det antibakteriella spektrumet (D.M.Livermoreetal.2003;Papp- Wallace et al. 2011). In vitro uppvisar Ertapenem (Karbapenemgrupp 1) ett brett antibakteriellt spektrum och är aktivt vid flertalet samhällsförvärvade patogener såsom vid lunginflammation, urinvägsinfektion, intraabdominella infektioner, hud- och mjukdelsinfektioner samt infektioner efter bett. Till skillnad mot karbapenemer (grupp 2) är Ertapenem inte aktiv mot Pseudomonas-arter, A.baumannii, Meticillinresistent S. Aureus (MRSA) eller enterokocker. Däremot är Ertapenem mycket potent mot Enterobacter (H.M. Wexler. 2004). 2002 gjorde en studie av Aldridge där Ertapenem testades in vitro gentemot 556 isolerade anaerober. Ertapenem inhiberade 99,1 % av alla isolerade anaerober vid 4 µg/ml (K.E. Aldridge.2002). Metodbeskrivning vid tillverkning av Ertapenem Fermentation var inte en lämplig metod för att tillverka Ertapenem. Många kemiska tillvägagångssätt har utvecklats för att möjliggöra syntetisk tillverkning av substansen (Papp-Wallace et al. 2011). Isolering Isolering av Ertapenem utfördes genom kristallisering av mononatriumsaltet. Ertapenem förekom i lösning i fyra olika former beroende på ph. I en vattenlösning med koncentrerad substans vid ph 5,5 och med hjälp av en specifik kombination av alkohollösning lyckades mononatriumsaltet kristallisera sig. Eftersom det var det enda formen som kristalliserades ut gjordes isolering av substansen från detta salt. För isolering krävdes dock en hög koncentration av substansen. Vid höga koncentrationer av Ertapenem förekom det degradering av substansen dels av hydrolys men framförallt beroende på bildning av dimerer. Påverkan på pyrrolidinringen är oftast det som orsakar uppkomst av dimerer (J.M. Williams et al. 2005 ). 6

Syntes. Det var en utmaning att syntetisera ett kemisk rent Ertapenem med högt utbyte. Med kännedom om produktens stabilitet vid isolering försökte många problem lösas redan under tillverkningsstegen. Användandet av skyddande grupper vid syntesen undveks då utbytet påverkades och biprodukter som måste renas bort ökade. Vid den slutliga syntesen används 1,1,3,3-tetramethylguanidine som organisk löslig bas för att möjliggöra reaktion vid låg temperatur av en tiol med ursprung från trans-4-hydroxy-l-prolin med en karbapenem aktiverad av ett enolfosfat. Figur 3 Syntes av Ertapenem (Bild från Practical Synthesis of the New Carbapenem Antibiotic Ertapenem Sodium ) http://pubs.acs.org.ezproxy.its.uu.se/doi/full/10.1021/jo0501442# För hydrogenolys av molekylerna användes Palladium i formen Pd/C som katalysator. För att skydda pyrrolidinringen och skapandet av dimerer tillfördes bikarbonat under detta steg. Bulken renades sedan effektivt genom jon par extraktion (J.M. Williams et al. 2005 ). Verkningsmekanism Ertapenem utför sin verkan inne i bakteriecellen som övriga grupper av betalaktamantibiotika. I gramnegativa bakterier förs Ertapenem in med hjälp av membranproteiner via porinkanaler till det periplasmatiska utrymmet. Väl inne i bakterien binder Ertapenem till enzymet PBR (penicillinbindande proteiner) som katalyserar peptidglykan in i bakteriens cellvägg. Bakteriens cellvägg hämmas på detta vis genom att tvärbindningar mellan peptidglykaner förhindras. Bakterien kan inte leva utan sin cellvägg (D.M. Livermoreetal.2003). 7

Klinisk effekt Alla tillgängliga Karbapenemer har låg oral tillgänglighet och behöver oftast ges parenteralt. Ertapenem kan även ges intramuskulärt men är inte registrerat på detta vis i alla länder. Ertapenem uppvisar effekt mot många grampositiva och negativa bakterier, inkluderat även anaeroba organismer. I kliniska tester visar Ertapenem på förbättrade farmakokinetiska egenskaper i jämförelse med andra karbapenemer. Ertapenem binder till humana plasmaproteiner i hög grad. Detta är troligtvis anledningen till den långa halveringstiden i jämförelse med andra Karbapenemer. Halveringstiden för unga friska vuxna samt ungdomar är ca 4 timmar, för yngre barn ca 2,5 timmar. Vuxna samt ungdomar behöver bara administrera Ertapenem en gång per dag, yngre barn två gånger per dag. En dos per dag ger stora fördelar speciellt för patienter inom öppenvården som ofta föredrar att vara hemma mellan behandlingarna. Beroende på att Ertapenem inte metaboliseras i njuren av enzymet dehydropeptidas-i(dhp-i) kan substansen användas som enda läkemedel vid behandling. (D.M.Livermoreetal.2003;FASS.se.2013). Användning Ertapenem registrerades på den amerikanska marknaden år 2001. I Sverige är substansen registrerad som Invanz. Läkemedlet används både till vuxna samt pediatriska patienter (3 månader till 17 år) då parenteral behandling krävs. Vid behandling används Invanz för följade indikationer. -Intraabdominella infektioner -Akuta gynekologiska infektioner -Fotinfektioner hos diabetiker i mjukdelar och hud -Samhällsförvärvade pneumonier Profylax -Vid planerad kolorektalkirurgi hos vuxna 8

Kontraindikationer är överkänslighet mot aktiv substans, annat antibiotikum av karbapenemtyp eller allvarlig överkänslighet mot annan typ av betalaktamantibiotikum (FASS.se.2013). Tabell 1 Invanz aktuella verkningsgrad på bakterier enligt gällande produktresumé (FASS.se.2013). Känsliga för Invanz Nedärvd resistens mot Invanz Grampositiva aerober: Grampositiva aerober Meticillinkänsliga stafylokocker* Corynebacterium jeikeium Streptococcus Enterococker (även Enterococcus faecalis, (agalactiae, pneumoniae, pyogenas) Enterococcus faecium) Gramnegativa aerober: Gramnegativa aerober: Citrobacter freundii Aeromonas-arter Enterobacter (aerogenas, cloacae) Acinetobacter-arter Escherichia coli Burkholderia cepacia Haemophilus (influenzae, parainfluenzae) Pseudomonas aeruginosa Klebsiella (oxytoca, pneumoniae) Stenotrophomonas maltophilia Moraxella catarrhalis Morganella morganii Proteus (mirabilis, vulgaris) Serratia marcescens Anaerober: Anaeroba: Bacteroides fragilis Lactobacillus-arter Clostridium-arter (ej C.difficile) Eubacterium-arter Övriga: Fusobacterium-arter Klamydia-arter Peptostreptococcus-arter Mykoplasma-arter Porphyromonas asaccharolytica Rickettsia-arter Prevotella-arter Legionella-arter Gäller ej Meticillinresistenta Utveckling av resistens På senare tid har det utvecklats resistens mot Ertapenem och andra Karbapenemer. Det är mycket allvarligt då dessa substanser ibland är sista valalternativet vid vissa infektioner. Resistens kan utvecklas på många sätt om man tittar på hela karbapenemgruppen. Det kan vara bakteriens produktion av betalaktamas, efflux pumpar eller mutationer av bakteriernas 9

membranproteiner eller penicillinbindande proteiner (PBR). Det är i regel skillnad på resistensmekanismer för grampositiva och gramnegativa bakterier. För grampositiva kocker bildas ofta resistens beroende på förändring av PBR eller nybildning av Karbapenemresistent PBR. För gramnegativa bakterier är betalaktamas uttryck, effluxpumpar, membranproteiner samt förändring av PBR alla mekanismer associerade med resistens (Papp-Wallace et al. 2011). Ertapenem är mycket stabil gentemot de flesta betalaktamaser, undantag mot metallobetalaktamaser. Känslighet mot specifika betalaktamaser i kombination med exempelvis färre membranproteiner eller ändrad efflux har börjat uppträda. Det har även börjat produceras betalaktamaser med specifik karbapenemhydrolyserande effekt vilket Ertapenem är känslig för. Enterokocker samt meticillinresistenta stafylokocker är resistenta mot Ertapenem beroende på ändrad känslighet av PBR. För P.aeruginosa är det troligtvis försämrat upptag av Ertapenem in i cellen samt aktiv efflux pump som skapar resistensen (D.M.Livermoreetal.2003;FASS.se.2013). Det rapporteras ofta in studier där minskad känslighet eller resistens har upptäckts för någon typ av antibiotika. År 2010 upptäcktes exempelvis 8 stammar av Klebsiella pneumoniae med minskad känslighet för Karbapenem på 4 sjukhus i Kroatien. En stam var resistent mot 3 olika typer av Karbapenem varav den ena var Ertapenem. Den stammen producerade metallobetalaktamas. Mot Ertapenem uppvisade ytterligare 6 stammar resistens (B.Bedenic et al. 2010). Läkemedelsutveckling Det finns ett stort behov av att upptäcka nya former av Ertapenem och andra Karbapenemer för att slå tillbaka mot den resistens som har börjat uppträda bland framförallt meticillinresistenta Staphylococcus aureus och Pseudomonas aeruginosa. Möjligtvis kan nya karbapenemer med strategiska placerade sidokedjor fungera som antibiotika mot dessa bakterier (K.M. Papp-Wallace et al. 2011). 10

Resistens mot antibiotika Ceftriaxone (av typ cefalosporiner) för sjukdomen Neisseria gonorrhoeae har börjat uppträda. För närvarande finns ingen annan behandling mot sjukdomen. Risken är stor att den kommer att bli omöjlig att behandla i framtiden. Forskare har testat Ertapenem in vitro gentemot Neisseria gonorrhoeae och fått goda resultat (M. Unemo et al. 2012). Behov finns att testa befintliga substanser mer mot specifika bakterier både som singel eller kombinationsbehandling Tebipenem är det första oralt framtagna karbapenem. Flera oralt administrerade karbapenem vore önskvärt. Patienter kan då själva administrera substansen och slippa uppsöka vårdenhet för parenteral administrering (K.M. Papp-Wallace et al. 2011). En Ertapenem har generellt bra stabilitet mot betalaktamaser. Trots detta uppstår resistens ofta i kombination med andra mekanismer såsom sämre penetration av Ertapenem in i cellen. Det behöver forskas mer om bakomliggande resistensmekanismer mot Ertapenem (B. Bedenic et al. 2010). ny klass av karbapenemer, tricykliska har varit en grupp med intressanta egenskaper. Sanfetrinem var den första substansen som togs fram. Den hade egenskaper att döda intracellulära patogener. Utvecklingen upphörde dock efter klinisk prövning i fas 2 (K.M. Papp-Wallace et al. 2011). Konklusion Många och stora forskningsframsteg har möjliggjort upptäckt, framställning samt användning av Ertapenem, ett syntetiskt framställt läkemedel vars grundidé kommer från en naturprodukt. För att hantera den antibiotikaresistens som växer fram i allt högre grad behöver kännedom och förståelse om nuvarande bakomliggande resistensmekanismer öka samt fler substanser med möjlig antibakteriell effekt selekteras fram och testas. 11

Referenser K.M. Papp-Wallace et al. 2011.Carbapenems: Past, Present, and Future. Antimicrobial Agents and Chemotherapy, Volume 55 No 11:4943-4960. http://aac.asm.org.ezproxy.its.uu.se/content/55/11/4943.full.pdf+html J.M. Williams et al. 2005. Practical Synthesis of the New Carbapenem Antibiotic Ertapenem Sodium. The Journal of Organic Chemistry, 70 (19):7479-7487. http://pubs.acs.org.ezproxy.its.uu.se/doi/full/10.1021/jo0501442 D.M.Livermoreetal.2003.Propertiesandpotentialofertapenem.Journalof AntimicrobialChemotherapy,52:331 344 http://jac.oxfordjournals.org.ezproxy.its.uu.se/content/52/3/331.full.pdf+ht ml H.M. Wexler. 2004. In vitro acticity or ertapenem: reviewof recent studies. JournalofAntimicrobialChemotherapy,53:ii11 ii21 http://jac.oxfordjournals.org.ezproxy.its.uu.se/content/53/suppl_2/ii11.full. pdf K.E. Aldridge.2002. Ertapenem (MK -0826), a new carbapenem: Comparative in vitro activity against clinically significant anaerobes. Diagnostic Microbiology and Infectious Disease, Volume 44, 2:181-186. http://www.sciencedirect.com.ezproxy.its.uu.se/science/article/pii/s07328 89302004303 B.Bedenic et al. 2010. Characterization of ertapenem resistance in Klebsiella pneumoniae from Croatia. International Journal of Infectios Diseases, volume 14 1:34. http://www.sciencedirect.com.ezproxy.its.uu.se/science/article/pii/s12019 71210016012 12

M. Unemo et al. 2012. In Vitro Activity of Ertapenem versus Ceftriaxone against Neisseria gonorrhoeae Isolates with Highly Diverse Ceftriaxone MIC Values and Effects of Ceftriaxone Resistance Determinants: Ertapenem for Treatment of Gonorrhea? Antimicrobial Agents and Chemotherapy, Volume 56 No 7:3603-3609: http://aac.asm.org.ezproxy.its.uu.se/content/56/7/3603.full.pdf+html 2013. Fass.se för förskrivare, Invanz. http://www.fass.se/lif/produktfakta/artikel_produkt.jsp?nplid=200204180 00014&DocTypeID=3&UserTypeID=0 13